高中化学原电池和电解池基础知识

1高中化学原电池和电解池一原电池；原电池的形成条件原电池的工作原理原电池反应属于放热的氧化还原反应，实现化学能向电能的转化。从能量转化角度看，原电池是将化学能转化为电能的装置；从化学反应角度看，原电池的原理是氧化还原反应中的还原剂失去的电子经导线传递给氧化剂，使氧化还原反应分别在两个电极上进行。原电池的构成条件有三个：（1）电极材料由两种金属活动性不同的金属或由金属与其他导电的材料（非金属或某些氧化物等）组成。（2）两电极必须浸泡在电解质溶液中。（3）两电极之间有导线连接，形成闭合回路。只要具备以上三个条件就可构成原电池。而化学电源因为要求可以提供持续而稳定的电流，所以除了必须具备原电池的三个构成条件之外，还要求有自发进行的氧化还原反应。也就是说，化学电源必须是原电池，但原电池不一定都能做化学电池。形成前提：总反应为自发的氧化还原反应电极的构成：a.活泼性不同的金属—锌铜原电池，锌作负极，铜作正极；b.金属和非金属（非金属必须能导电）—锌锰干电池，锌作负极，石墨作正极；c.金属与化合物—铅蓄电池，铅板作负极，二氧化铅作正极；d.惰性电极—氢氧燃料电池，电极均为铂。电解液的选择：电解液一般要能与负极材料发生自发的氧化还原反应。原电池正负极判断：负极发生氧化反应，失去电子；正极发生还原反应，得到电子。电子由负极流向正极，电流由正极流向负极。溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极电极反应方程式的书写负极：活泼金属失电子，看阳离子能否在电解液中大量存在。如果金属阳离子不能与电解液中的离子共存，则进行进一步的反应。例：甲烷燃料电池中，电解液为KOH，负极甲烷失8个电子生成CO2和H2O，但CO2不能与OH-共存，要进一步反应生成碳酸根。正极：①当负极材料能与电解液直接反应时，溶液中的阳离子得电子。例：锌铜原电池中，电解液为HCl，正极H+得电子生成H2。②当负极材料不能与电解液反应时，溶解在电解液中的O2得电子。如果电解液呈酸性，O2+4e-+4H+==2H2O；如果电解液呈中性或碱性，O2+4e-+2H2O==4OH-。2特殊情况:Mg-Al-NaOH，Al作负极。负极：Al-3e-+4OH-==AlO2-+2H2O；正极：2H2O+2e-==H2↑+2OH-Cu-Al-HNO3，Cu作负极。注意：Fe作负极时，氧化产物是Fe2+而不可能是Fe3+；肼（N2H4）和NH3的电池反应产物是H2O和N2无论是总反应，还是电极反应，都必须满足电子守恒、电荷守恒、质量守恒。pH变化规律电极周围：消耗OH-(H+)，则电极周围溶液的pH减小（增大）；反应生成OH-(H+)，则电极周围溶液的pH增大（减小）。溶液：若总反应的结果是消耗OH-(H+)，则溶液的pH减小（增大）；若总反应的结果是生成OH-(H+)，则溶液的pH增大（减小）；若总反应消耗和生成OH-(H+)的物质的量相等，则溶液的pH由溶液的酸碱性决定，溶液呈碱性则pH增大，溶液呈酸性则pH减小，溶液呈中性则pH不变。二两类原电池吸氧腐蚀吸氧腐蚀金属在酸性很弱或中性溶液里，空气里的氧气溶解于金属表面水膜中而发生的电化腐蚀，叫吸氧腐蚀．例如钢铁在接近中性的潮湿的空气中腐蚀属于吸氧腐蚀，其电极反应如下：负极（Fe）：2Fe-4e=2Fe2+正极（C）：2H2O+O2+4e=4OH-析氢腐蚀在酸性较强的溶液中发生电化腐蚀时放出氢气，这种腐蚀叫做析氢腐蚀。在钢铁制品中一般都含有碳。在潮湿空气中，钢铁表面会吸附水汽而形成一层薄薄的水膜。水膜中溶有二氧化碳后就变成一种电解质溶液，使水里的H+增多。是就构成无数个以铁为负极、碳为正极、酸性水膜为电解质溶液的微小原电池。这些原电池里发生的氧化还原反应是：负极（铁）：铁被氧化Fe-2e=Fe2+；正极（碳）：溶液中的H+被还原2H++2e=H2↑常用原电池方程式1．Cu─H2SO4─Zn原电池正极：2H++2e-→H2↑负极：Zn-2e-→Zn2+总反应式：Zn+2H+==Zn2++H2↑2．Cu─FeCl3─C原电池正极：2Fe3++2e-→2Fe2+3负极：Cu-2e-→Cu2+总反应式：2Fe3++Cu==2Fe2++Cu2+3．钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀正极：O2+2H2O+4e-→4OH-负极：2Fe-4e-→2Fe2+总反应式：2Fe+O2+2H2O==2Fe（OH)24．氢氧燃料电池（中性介质）正极：O2+2H2O+4e-→4OH-负极：2H2-4e-→4H+总反应式：2H2+O2==2H2O5．氢氧燃料电池（酸性介质）正极：O2+4H++4e-→2H2O负极：2H2-4e-→4H+总反应式：2H2+O2==2H2O6．氢氧燃料电池（碱性介质）正极：O2+2H2O+4e-→4OH-负极：2H2-4e-+4OH-→4H2O总反应式：2H2+O2==2H2O7．铅蓄电池（放电）正极(PbO2)：PbO2+2e-+SO42-+4H+→PbSO4+2H2O负极(Pb)：Pb-2e-+(SO4)2-→PbSO4总反应式：Pb+PbO2+4H++2(SO4)2-==2PbSO4+2H2O8．Al─NaOH─Mg原电池正极：6H2O+6e-→3H2↑+6OH-负极：2Al-6e-+8OH-→2AlO2-+4H2O总反应式：2Al+2OH-+2H2O==2AlO2-+3H2↑9．CH4燃料电池(碱性介质)正极：2O2+4H2O+8e-→8OH-负极：CH4-8e-+10OH-→(CO3)2-+7H2O总反应式：CH4+2O2+2OH-==(CO3)2-+3H2O11．银锌纽扣电池(碱性介质)10．熔融碳酸盐燃料电池（Li2CO3和Na2CO3熔融盐作电解液，CO作燃料）：正极：O2+2CO2+4e-→2(CO3)2-(持续补充CO2气体)负极：2CO+2(CO3)2--4e-→4CO2总反应式：2CO+O2==2CO24正极(Ag2O)：Ag2O+H2O+2e-→2Ag+2OH-负极(Zn)：Zn+2OH--2e-→ZnO+H2O总反应式：Zn+Ag2O==ZnO+2Ag常见的原电池常用原电池有锌－锰干电池、锌－汞电池、锌－银扣式电池及锂电池等。1锌－锰干电池：锌－锰电池具有原材料来源丰富、工艺简单，价格便宜、使用方便等优点，成为人们使用最多、最广泛的电池品种。锌－锰电池以锌为负极，以二氧化锰为正极。按照基本结构，锌－锰电池可制成圆筒形、扣式和扁形，扁形电池不能单个使用，可组合叠层电池（组）。按照所用电解液的差别将锌－锰电池分为三个类型：(1)铵型锌－锰电池：电解质以氯化铵为主，含少量氯化锌。电池符号:(-)Zn│NH4Cl·ZnCl2│MnO2(+)总电池反应：Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)(3)碱性锌－锰电池：这是锌－锰电池的第三代产品，具有大功率放电性能好、能量密度高和低温性能好等优点。电池符号：(-)Zn│KOH│MnO2(+)总电池反应：Zn+2H2O+2MnO2=2MnO(OH)+Zn(OH)2锌－锰电池额定开路电压为1.5V，实际开路电压1.5－1.8V，其工作电压与放电负荷有关，负荷越重或放电电阻越小，闭路电压越低。用于手电筒照明时，典型终止电压为0.9V，某些收音机允许电压降至0.75V。2．锂原电池：又称锂电池，是以金属锂为负极的电池总称。锂的电极电势最负相对分子质量最小，导电性良好，可制成一系列贮存寿命长，工作温度范围宽的高能电池。根据电解液和正极物质的物理状态，锂电池有三种不同的类型，即：固体正极—有机电解质电池、液体正极—液。二电解池电解原理1、电解和电解池：使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极上引起氧化还原反应的过程叫做电解。把电能转变为化学能的装置叫做电解池或电解槽。CuCl2Cu＋Cl2↑2、电解池的组成：①有两个电极插入电解质溶液（或熔融状态的电解质）中。②两极连外接直流电源。3、离子的放电顺序：阴离子失去电子而阳离子得到电子的过程叫放电。电解电解质溶液时，在阴阳两极上首先发生放电反应的离子分别是溶液里最容易放电的阳离子和最容易放电的阴离子。（1）阳极：（还原性强的先放电）惰性电极（Pt、Au、石墨、钛等）时：S2－I－Br－Cl－OH－（水）NO3－SO42－F－活性电极时：电极本身溶解放电。5（2）阴极：（氧化性强的先放电）无论是惰性电极还是活性电极都不参与电极反应，发生反应的是溶液中的阳离子。阳离子在阴极上的放电顺序是：Ag+Hg2+Cu2+H+（水）Pb2+Fe2+…Na+Ca2+K+4、电解规律：（惰性电极）（1）电解电解质：阳离子和阴离子放电能力均强于水电离出H+和OH－。如无氧酸和不活泼金属的无氧酸盐。①HCl（aq）阳极（Cl－＞OH－）2Cl――2e－＝Cl2↑阴极（H＋）2H＋＋2e－＝H2↑总方程式2HCl电解H2↑＋Cl2↑②CuCl2（aq）阳极（Cl－＞OH－）2Cl――2e－＝Cl2↑阴极（Cu2＋＞H＋）Cu2＋＋2e－＝Cu总方程式CuCl2电解Cu＋Cl2↑（2）电解水：阳离子和阴离子放电能力均弱于水电离出H+和OH－。如含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐。①H2SO4（aq）阳极（SO42－＜OH－＝4OH――4e－＝2H2O＋O2↑阴极（H＋）2H＋＋2e－＝H2↑总方程式2H2O电解2H2↑＋O2↑②NaOH（aq）阳极（OH－）4OH――4e－＝2H2O＋O2↑阴极：（Na＋＜H＋＝2H＋＋2e－＝H2↑总方程式2H2O电解2H2↑＋O2↑③Na2SO4（aq）阳极（SO42－＜OH－＝4OH――4e－＝2H2O＋O2↑阴极：（Na＋＜H＋＝2H＋＋2e－＝H2↑总方程式2H2O电解2H2↑＋O2↑（3）电解水和电解质：阳离子放电能力强于水电离出H+，阴离子放电能力弱于水电离出OH－，如活泼金属的无氧酸盐；阳离子放电能力弱于水电离出H+，阴离子放电能力强于水电离出OH－，如不活泼金属的含氧酸盐。①NaCl（aq）阳极（Cl－＞OH－）2Cl――2e－＝Cl2↑阴极：（Na＋＜H＋＝2H＋＋2e－＝H2↑总方程式2NaCl＋2H2O电解2NaOH＋H2↑＋Cl2↑②CuSO4（aq）阳极（SO42－＜OH－＝4OH――4e－＝2H2O＋O2↑6阴极（Cu2＋＞H＋）Cu2＋＋2e－＝Cu总方程式2CuSO4＋2H2O电解2Cu＋2H2SO4＋O2↑【归纳总结】（1）电解的四种类型（惰性电极）：（2）电解质溶液浓度复原：加入物质与电解产物的反应必须符合电解方程式生成物的化学计量数。（3）电解时pH的变化：电极区域：阴极H+放电产生H2，破坏水的电离平衡云集OH－，阴极区域pH变大；阳极OH－放电产生O2，破坏水的电离平衡云集H+，阳极区域pH变小。电解质溶液：电解过程中，既产生H2，又产生O2，则原溶液呈酸性的pH变小，原溶液呈碱性的pH变大，原溶液呈中性的pH不变（浓度变大）；电解过程中，无H2和O2产生，pH几乎不变。如电解CuCl2溶液（CuCl2溶液由于Cu2+水解显酸性），一旦CuCl2全部电解完，pH值会变大，成中性溶液。电解过程中，只产生H2，pH变大。电解过程中，只产生O2，pH变小。（4）电极方程式的书写：①先看电极；②再将溶液中的离子放电顺序排队，依次放电；③注意要遵循电荷守恒，电子得失的数目要相等。（二）电解原理的应用1、铜的电解精炼2、阳极（粗铜棒）：Cu－2e－＝Cu2＋阴极（精铜棒）：Cu2＋＋2e－＝Cu电解质溶液：含铜离子的可溶性电解质分析：因为粗铜中含有金、银、锌、铁、镍等杂质，电解时，比铜活泼的锌、铁、镍会在阳极放电形成阳离子进入溶液中，Zn－2e－=Zn2+、Fe－2e－=Fe2+、Ni－2e－=Ni2+，Fe2+、7Zn2+、Ni2+不会在阴极析出，最终留存溶液中，所以电解质溶液的浓度、质量、pH均会改变。还原性比铜差的银、金等不能失去电子，它们以单质的形式沉积在电解槽溶液中，成为阳极泥。阳极泥可再用于提炼金、银等贵重金属。2、电镀阳极（镀层金属）：Cu