电化学教案

-1-原电池1、定义：将化学能直接转变成电能的装置。2、构成原电池的条件：①电解质溶液②两个导体做电极③形成闭合回路(或在溶液中接触)④有能自发进行的氧化还原反应3、原理本质：氧化还原反应4、原电池电极的判断（1）由组成原电池的两极材料判断：一般来说，较活泼的或能和电解质溶液反应的金属为负极，较不活泼的金属或能导电的非金属为正极。但具体情况还要看电解质溶液，如镁、铝电极在稀硫酸在中构成原电池，镁为负极，铝为正极；但镁、铝电极在氢氧化钠溶液中形成原电池时，由于是铝和氢氧化钠溶液发生反应，失去电子，因此铝为负极，镁为正极。（2）根据外电路电流的方向或电子的流向判断：在原电池的外电路，电流由正极流向负极，电子由负极流向正极。（3）根据内电路离子的移动方向判断：在原电池电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极。（4）根据原电池两极发生的化学反应判断：原电池中，负极总是发生氧化反应，正极总是发生还原反应。因此可以根据总化学方程式中化合价的升降来判断。（5）根据电极质量的变化判断：原电池工作后，若某一极质量增加，说明溶液中的阳离子在该电极得电子，该电极为正极，活泼性较弱；如果某一电极质量减轻，说明该电极溶解，电极为负极，活泼性较强。（6）根据电极上产生的气体判断：原电池工作后，如果一电极上产生气体，通常是因为该电极发生了析出氢的反应，说明该电极为正极，活动性较弱。（7）根据某电极附近pH的变化判断A近的pH增大了，说明该电极为正极，金属活动性较弱。5、盐桥盐桥的作用仅仅是导电【相当于导线的作用】，将两个烧杯形成闭合回路，否则就相当于断开，而盐桥的导电是利用了其中的阴阳离子的定向移动。锌铜电池，电解质溶液锌端硫酸锌，铜端硫酸铜，即两端不一样，所以产生电势差，于是，电子从负极Zn失去，沿着导线移向正极Cu，即外面的导线中，电子即负电荷从-2-Zn到Cu，中间有盐桥连接，即盐桥中的负电荷即阴离子应该从CuSO4的一端沿着盐桥移向ZnSO4的一端，或者说，盐桥中的正电荷即阳离子就从ZnSO4的一端沿着盐桥移向CuSO4的一端，总之，要保证两端烧杯中的正负电荷要守恒。【应该是没有进入到盐桥内的】【溶液中是靠硫酸铜和硫酸锌自己的离子导电，他们自已各担其职】还有以含有离子的琼脂块作盐桥的，应用很广泛。6、电极反应式的书写（1）准确判断原电池的正负极是书写电极反应的关键如果原电池的正负极判断失误，电极反应式的书写一定错误。上述判断正负极的方法是一般方法，但不是绝对的，例如铜片和铝片同时插入浓硝酸溶液中，由于铝片表明的钝化，这时铜失去电子，是负极，其电极反应为：负极：Cu－2e－＝Cu2＋正极：NO3－+4H＋+2e－＝2H2O+2NO2↑再如镁片和铝片同时插入氢氧化钠溶液中，虽然镁比铝活泼，但由于镁不与氢氧化钠反应，而铝却反应，失去电子，是负极，其电极反应为：负极：2Al+8OH－－2×3e－＝2AlO2－+2H2O正极：6H2O+6e－＝6OH－+3H2↑（2）要注意电解质溶液的酸碱性。在正负极上发生的电极反应不是孤立的，它往往与电解质溶液紧密联系，如氢氧燃料电池有酸式和碱式，在酸溶液中，电极反应式中不能出现OH－，在碱溶液中，电极反应式中不能出现H+，像CH4、CH3OH等燃料电池，在碱溶液中碳（C）元素以CO32－离子形式存在，而不是放出CO2气体。（3）要考虑电子的转移数目在同一个原电池中，负极失去电子数必然等于正极得到的电子数，所以在书写电极反应时，一定要考虑电荷守恒。防止由总反应方程式改写成电极反应式时所带来的失误，同时也可避免在有关计算中产生误差。（4）要利用总的反应方程式从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应均可设计成原电池，而两个电极反应相加即得总反应方程式。所以只要知道总反应方程式和其中一个电极反应，便可以写出另一个电极反应方程式。7、原电池的书写1.一般把负极（如Zn棒与Zn2+离子溶液）写在电池符号表示式的左边，正极（如Cu棒与Cu2+离子溶液）写在电池符号表示式的右边。2.以化学式表示电池中各物质的组成，溶液要标上活度或浓度（mol/L），若为气体物质应注明其分压(Pa)，还应标明当时的温度。如不写出，则温度为298.15K，气体分压为101.325kPa，溶液浓度为1mol/L。3.以符号“∣”表示不同物相之间的接界，用“‖”表示盐桥。同一相中的不同物质之间用“，”隔开。-3-4.非金属或气体不导电，因此非金属元素在不同氧化值时构成的氧化还原电对作半电池时，需外加惰性导体（如铂或石墨等）做电极导体。其中，惰性导体不参与电极反应，只起导电（输送或接送电子）的作用，故称为“惰性”电极。按上述规定，Cu－Zn原电池可用如下电池符号表示：（-）Zn(s)∣Zn2+(C)‖Cu2+(C)∣Cu(s)（+）理论上，任何氧化还原反应都可以设计成原电池，例如反应:Cl2+2I-═2Cl-+I2此反应可分解为两个半电池反应：负极：2I-═I2+2e-（氧化反应）正极：Cl2+2e-═2Cl-（还原反应）该原电池的符号为：（-）Pt∣I2(s)∣I-(C)‖Cl-(C)∣C2(PCL2)∣Pt（+）8、常见的原电池(1)一次电池①碱性锌锰电池构成:负极是锌,正极是MnO2,正极是KOH工作原理:负极Zn+2OH—－2e－=Zn(OH)2；正极:2MnO2+2H2O+2e－=2MnOOH+2OH－总反应式:Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2特点:比能量较高,储存时间较长,可适用于大电流和连续放电。②钮扣式电池(银锌电池)锌银电池的负极是Zn，正极是Ag20，电解质是KOH，总反应方程式：Zn+Ag20=2Ag+ZnO特点：此种电池比能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。③锂电池锂电池用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOC12)中组成。锂电池的主要反应为：负极：8Li－8e—＝8Li+；正极：3SOC12+8e—＝SO32－+2S+6Cl—总反应式为：8Li+3SOC12=6LiCl+Li2SO3+2S特点：锂电池是一种高能电池，质量轻、电压稳定、工作效率高和贮存寿命长的优点。-4-(2)二次电池①铅蓄电池:(1)铅蓄电池放电原理的电极反应负极：Pb+S042—－2e—＝PbSO4；正极：Pb02+4H++S042—+2e—＝PbSO4+2H20总反应式：Pb+PbO2+2H2SO4＝2PbS04+2H2O(2)铅蓄电池充电原理的电极反应阳极：PbSO4+2H2O－2e－=PbO2+4H++SO42－；阴极：PbSO4+2e－=Pb+SO42－总反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4②镍一镉碱性蓄电池构成:放电时镉(Cd)为负极,正极是NiO(OH),电解液是KOH工作原理:负极:Cd+2OH—－2e－=Cd(OH)2；正极:2NiO(OH)+2H2O+2e－=2Ni(OH)2+2OH—总反应式:特点：电压稳定、使用方便、安全可靠、使用寿命长，但一般体积大、废弃电池易污染环境。(3)燃料电池①氢氧燃料电池当用碱性电解质时，电极反应为：负极：2H2+40H—－4e—＝4H20；正极：02+2H20+4e—＝40H—总反应：2H2+02＝2H2O②甲烷燃料电池该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，在两极上分别通甲烷和氧气；负极：CH4+10OH－－8e－=CO32－+7H2O；正极：2O2+4H2O+8e－=8OH－总反应方程式为：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O③CH3OH燃料电池用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中，然后向两极分别通入CH3OH和O2，则发生了原电池反应。-5-负极：2CH3OH+16OH－－12e－=2CO32－+12H2O；正极：3O2+6H2O+12e－=12OH－总反应方程式为：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O9、原电池的应用1）制作干电池、蓄电池、高能电池；（2）比较金属腐蚀的快慢（负极金属先被腐蚀）；（3）防护金属腐蚀（被保护的金属作正极）；（4）比较反应速率（如粗锌与稀硫酸反应比纯锌快）；（5）比较金属活动性强弱（被溶解的负极金属较活泼）；（6）判断溶液pH变化（如发生吸氧腐蚀时，因有正极反应O2+2H2O+4e-=4OH-，使溶液pH值升高，正极附近溶液能使酚酞变红）。(7)根据电池反应判断新的化学电源的变化，(方法是先分析电池反应中有关物质化合价变化，确定原电池正极和负极，然后根据两极变化分析判断其它指定性质的变化)。电解池1．电解原理定义：使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫做电解．借助于电流引起氧化还原反应的装置，也就是把电能转变为化学能的装置，叫做电解池或电解槽（池）．构成电解池(电解槽)的条件：(1)有外加直流电源．(2)有电解质溶液或熔融的离子化合物．(3)有两个电极(材料为金属或石墨两极材料可相同或不同)：阴极：与直流电源的负极直接相连的一极．阳极：与直流电源的正极直接相连的一极．(4)两个电极要与电解质溶液接触并形成回路．注意电解池的阴、阳极完全由外加直流电源的负、正极确定，与电极材料本身的性质无关．而原电池的正、负极则由构成电极材料本身的性质决定．-6-[惰性电极和活性电极]在电解时，根据电极本身是否参与氧化还原反应，可把电极分为惰性电极和活性电极两类：(1)惰性电极(C、Pt等)：只起导电作用，不参与反应；(2)活性电极(除Pt、Au外的其余金属)：当作阳极时，除起导电作用外，还失去电子变成金属阳离子进入溶液中．[电解原理]阴极：阴极→发生还原反应→溶液中的金属阳离子或H＋得电子→电极的质量增加或放出H2→电极本身一定不参加反应．阳极：阳极→发生氧化反应→活性电极溶解或惰性电极时溶液中的阴离子(或OH－)失去电子→电极的质量减轻或放出O2或析出非金属单质．电子流向：外接电源(+)→外接电源(一)→电解池阴极→溶液中离子定向移动→电解池阳极→外接电源(+)．电流方向：与电子流向相反．[离子的放电顺序](1)在阴极上．在阴极上发生的是得电子反应，因此，电极本身只起导电作用而不能发生氧化还原反应，发生反应的是溶液中的阳离子，它们得电子的能力由易到难顺序为：Ag＋、Fe3＋、Cu2＋、H＋、Pb2＋、Fe2＋、Zn2＋、（H＋）、Al3＋、Mg2＋、Na＋、Ca2＋、K＋说明：上列顺序中H＋有两个位置：在酸溶液中，H＋得电子能力在Cu2＋与Pb2＋之间；若在盐溶液中，则H＋位于Zn2＋与Ag＋之间．(2)在阳极上．首先应考虑电极是活性电极还是惰性电极，若为活性电极，则是阳极本身失去电子被氧化成阳离子进入溶液中，即：，此时不能考虑溶液中阴离子的失电子情况；若为惰性电极，溶液中的阴离子失电子的能力由弱到强顺序为：NO3－或SO42－等含氧酸根、OH－、Cl－、Br－、I－、S2－电解原理的应用a制取物质：例如用电解饱和食盐水溶液可制取氢气、氯气和烧碱。b电镀：应用电解原理，在某些金属或非金属表面镀上一薄层其它金属或合金的过程。电镀时，镀件作阴极，镀层金属作阳极，选择含有镀层金属阳离子的盐溶液为电解质溶液。电镀过程中该金属阳离子浓度不变。c精炼铜：以精铜作阴极，粗铜作阳极，以硫酸铜为电解质溶液，阳极粗铜溶解，阴极析出铜，溶液中Cu2+浓度减小d电冶活泼金属：电解熔融状态的Al2O3、MgCl2、NaCl可得到金属单质。-7-CuSO4不活泼金属的含氧酸盐NaCl活泼金属的无氧酸盐CuCl2不活泼金属的无氧酸盐HCl无氧酸Na2SO4活泼金属的含氧酸盐NaOH强碱H2SO4含氧酸电解类型pH变化电极反应实例物质类别CuSO4不活泼金属的含氧酸盐NaCl活泼金属的无氧酸盐CuCl2不活泼金属的无氧酸盐HCl无氧酸Na2SO4活泼金属的含氧酸盐NaOH强碱H2SO4含氧酸电解类型pH变化电极反应实例物质类别阳极2Cl—-2e—=Cl2↑阴极：2H2O+2e—=H2↑+2OH-增大放氢生碱型电解水型电解水型分解电解质型阳极：4OH—-