高中化学原电池和电解池-精讲课件

1高中化学原电池和电解池原电池和电解池1．原电池和电解池的比较：装置原电池电解池实例原理使氧化还原反应中电子作定向移动，从而形成电流。这种把化学能转变为电能的装置叫做原电池。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。这种把电能转变为化学能的装置叫做电解池。形成条件①电极：两种不同的导体相连；②电解质溶液：能与电极反应。①电源；②电极（惰性或非惰性）；③电解质（水溶液或熔化态）。反应类型自发的氧化还原反应非自发的氧化还原反应电极名称由电极本身性质决定：正极：材料性质较不活泼的电极；负极：材料性质较活泼的电极。由外电源决定：阳极：连电源的正极；阴极：连电源的负极；电极反应负极：Zn-2e-=Zn2+（氧化反应）正极：2H++2e-=H2↑（还原反应）阴极：Cu2++2e-=Cu（还原反应）阳极：2Cl--2e-=Cl2↑（氧化反应）电子流向负极→正极电源负极→阴极；阳极→电源正极电流方向正极→负极电源正极→阳极；阴极→电源负极能量转化化学能→电能电能→化学能应用①抗金属的电化腐蚀；②实用电池。①电解食盐水（氯碱工业）；②电镀（镀铜）；③电冶（冶炼Na、Mg、Al）；④精炼（精铜）。一原电池（一）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，但区别于一般的氧化还原反应的是，电子转移不是通过氧化剂和还原剂之间的有效碰撞完成的，而是还原剂在负极上失电子发生氧化反应，电子通过外电路输送到正极上，氧化剂在正极上得电子发生还原反应，从而完成还原剂和氧化剂之间电子的转移。两极之间溶液中离子的定向移动和外部导线中电子的定向移动构成了闭合回路，使两个电极反应不断进行，发生有序的电子转移过程，产生电流，实现化学能向电能的转化。2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（二）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¯。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。3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。（三）原电池表示方法原电池的组成用图示表达，未免过于麻烦。为书写简便，原电池的装置常用方便而科学的符号来表示。其写法习惯上遵循如下几点规定：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。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（+）二两类原电池（一）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．4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-钢铁等金属的电化腐蚀主要是吸氧腐蚀．吸氧腐蚀的必要条件以氧的还原反应为阴极过程的腐蚀，称为氧还原腐蚀或吸氧腐蚀。发生吸氧腐蚀的必要条件是金属的电位比氧还原反应的电位低：氧的阴极还原过程及其过电位吸氧腐蚀的阴极去极化剂是溶液中溶解的氧。随着腐蚀的进行，氧不断消耗，只有来自空气中的氧进行补充。因此，氧从空气中进入溶液并迁移到阴极表面发生还原反应，这一过程包括一系列步骤。（1）氧穿过空气／溶液界面进入溶液；（2）在溶液对流作用下，氧迁移到阴极表面附近；（3）在扩散层范围内，氧在浓度梯度作用下扩散到阴极表面；（4）在阴极表面氧分子发生还原反应，也叫氧的离子化反应。吸氧腐蚀的控制过程及特点金属发生氧去极化腐蚀时，多数情况下阳极过程发生金属活性溶解，腐蚀过程处于阴极控制之下。氧去极化腐蚀速度主要取决于溶解氧向电极表面的传递速度和氧在电极表面上的放电速度。因此，可粗略地将氧去极化腐蚀分为三种情况。（1）如果腐蚀金属在溶液中的电位较高，腐蚀过程中氧的传递速度又很大，则金属腐蚀速度主要由氧在电极上的放电速度决定。（2）如果腐蚀金属在溶液中的电位非常低，不论氧的传输速度大小，阴极过程将由氧去极化和氢离子去极化两个反应共同组成。（3）如果腐蚀金属在溶液中的电位较低，处于活性溶解状态，而氧的传输速度又有限，则金属腐蚀速度由氧的极限扩散电流密度决定。扩散控制的腐蚀过程中，由于腐蚀速度只决定于氧的扩散速度，因而在一定范围内，腐蚀电流将不受阳极极化曲线的斜率和起始电位的影响。扩散控制的腐蚀过程中，金属中不同的阴极性杂质或微阴极数量的增加，对腐蚀速度的增加只起很小的作用。[解题过程]影响吸氧腐蚀的因素1.溶解氧浓度的影响2．温度的影响3．盐浓度的影响4．溶液搅拌和流速的影响阴极控制原因5主要是活化极化：=2.3RTlgiC/i°/αnF主要是浓差极化：=2.3RT/nFlg(1-iC/iL)阴极反应产物以氢气泡逸出，电极表面溶液得到附加搅拌产物OH只能靠扩散或迁移离开，无气泡逸出，得不到附加搅拌（二）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↑这样就形成无数的微小原电池。最后氢气在碳的表面放出，铁被腐蚀，所以叫析氢腐蚀。析氢腐蚀定义金属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。（三）析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较比较项目析氢腐蚀吸氧腐蚀去极化剂性质带电氢离子，迁移速度和扩散能力都很大中性氧分子，只能靠扩散和对流传输去极化剂浓度浓度大，酸性溶液中H+放电中性或碱性溶液中H2O作去极化剂浓度不大，其溶解度通常随温度升高和盐浓度增大而减小（四）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+负极：Cu-2e-→Cu2+总反应式：2Fe3++Cu==2Fe2++Cu2+63．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-+3H2O10．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==2CO211.银锌纽扣电池(碱性介质)正极(Ag2O)：Ag2O+H2O+2e-→2Ag+2OH-负极(Zn)：Zn+2OH--2e-→ZnO+H2O总反应式：Zn+Ag2O==ZnO+2Ag（五）常见的原电池7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