原电池和电解池知识点汇总.docx
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原电池和电解池知识点汇总
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原电池和电解池知识点汇总
第一节原电池
1.原电池的形成条件
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。
①活泼性不同的金属一特铜原电池,镑作负极,铜作正极;
②金属和非金属(非金属必须能导电)一钵锤干电池,钵作负极,石墨作正极;
③金属与化合物一铅蓄电池,铅板作负极,二氧化铅作正极;
④惰性电极一氢氧燃料电池,电极均为销。
(2)两电极必须与电解质溶液接触。
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。
(3)两电极之间有导线连接,形成闭合回路。
2.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。
3.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:
皖燃料电池中,电解液为KOH,负极甲:
皖失8个电子生成CO2和HiO,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:
铮铜原电池中,电解液为
HCI,正极H+得电子生成凡。
②当负极材料不能与电解液反应时,溶解在电解液中的02得电‘子。
如果电解
液呈酸性,02+4-e
特殊情况:
+4H+=2H20;如果电解液呈中性或碱性,02+4-e+2H20=40H-。
①Mg-Al-NaO凡创作ih才放
负极:
Al-3-e
+40W=AI02+2H,O;i:
E极:
2比0+2e=l-h↑+20H
②Cu-Al-HN03,Cu作负极
注意:
Fe作负极时,氧化产物是Fe2'1tii不可能起;Fe,.l
;肌(N2H4)和NHJ的电池反应产物是H20和N,.
无论是总反应,还是电极反应,者H5必须满足电子守恒、电荷守恒、质盘守恒。
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寸,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寸,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。
4.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:
(l)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)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(如铅或石墨等)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。
(一)Zn(s)IZn2+(c)IICu2+(c)ICu(s)(+)
理论上,任何自发的、任何氧化还原反应都可以设计成原电池,例如反应:
C2I+2-1=2c-1+L
其电极反应方程式为:
负极:
2-1=L+2-e
飞
(氧化反应)正极:
c1i+2-e
=2c-1
(还原反应)
第二节两类原电池
1.吸氧腐蚀
(I)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学腐,蚀叫吸氧腐蚀。
阿川
例如:
钢铁在接近中性的潮湿空气中腐蚀属于吸氧腐蚀,其电极反应如下:
Fe-4二2Fe
正极(C):
2H20+02+4-e=40H-
总反应:
2Fe+02+2H20=2Fe(OH)2
钢铁等金属的电化腐蚀主要是吸氧腐蚀。
(2)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。
发生吸氧腐蚀的要必条件是金属的电位比氧还原反应的电位低。
(3)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。
2.析氢腐蚀
(I)在酸性较强的溶液中发生电化腐蚀时放出氯气,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。
于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(Fe
正极(C):
2H++2e-=H2↑(溶液中的H+被还原)
总反应式:
Fe+2C02+2H20=Fe(HC03)2+H2↑
Fe(HC03)2水解、空气氧化、风吹日晒得Fe20J0
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。
(2)析氢腐蚀:
金属在酸性较强的溶液中发生电化学腐蚀时放出氢气的反应。
(剖析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较
电化学腐蚀类型
吸氧腐蚀
析氢腐蚀
条件
水膜酸性很弱或呈中性
水膜酸性较强
正极反应
02+4e-+2H20=二二40H-
2H++2e-=H2↑
负极反应
Fe-2e-=Fe2+
Fe-2e-=Fe2+
腐蚀作用
是主要的腐蚀类型,具有广泛性
发生在某些局部区域内
6.金属的防护
(I)改变金属的内部组织结构。
合金钢中含有合金元,素使组织结构发生变化,耐腐蚀。
如;不锈钢。
(2)在金属表面覆盖保护层。
常见方式有:
涂油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等;使表面生成致密氧化膜;在表面镀一层有自我保护作用的另一种金属。
(3)电化学保护法
①外加电流的阴极保护法:
接上外加直流电源构成电解池,被保护的金属作阴极。
②牺牲阳极的阴极保护法:
外加负极材料,构成原电池,被保护的金属作正极。
第三节
1.Cu-H2S04-Zn原电池
常用原电池方程式
正极:
2H++2-e
=H2↑
负极:
Zn-2e-=Zn2+
总反应式:
Zn+2H+=Zn2++H2↑
2.Cu-FeCb一C原电池正极:
2fe3++2e-=2Fe2+
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:
02+2H20+4e=4QH-
总反应式:
2Fe+02+2H20=2Fe(OH)2
4.氢氧燃料电池(中性介质)正极:
02+2H20+衍’=40H
总反应式:
2H2+Oz=2H20
5.氢氧燃料电池(酸性介质)正极:
02+4H++4e=2H20
总反应式:
2H2+02=2H20
负极:
Cu-2e-=Cu2+
负极:
2Fe-4e-=2Fe2+
1ft似:
2H2-4e=4H+
负极:
2H2-4e-=4H+
6.氢氧燃料电池(碱性介质)
正极:
02+2H20+4-e
=40H
负极:
2H2-4-e
+40H-=4H20
总反应式:
2H2+02=2H20
7.铅蓄电池(放电)
正极(Pb02):
Pb02+2-e
+so-:
+4H+=PbS04+2H20
负极(Pb):
Pb-2-e+SQ;-=PbS04
总反应式:
Pb+Pb02+4H++2SO-=二2PbS04+2H20
8.铅蓄电池(充电)
阴极:
PbS04+2-e=Pb+So-
阳极:
PbS04-2e-+2H20=Pb02+4H++SO-
总反应式:
2PbS04+2比0=Pb+Pb02+2SO-+4H+
放电
总式:
Pb+Pb02+2比S04手=二2PbS04+2H20
充电
9.Al-NaOH-Mg原电池
正极:
6H20+6-e=3H2↑+60H-
负极:
2Al-6-e+80H-=2AIO;-+4H20
总反应式:
2Al+20H-+2H20二=2Al02+3比↑
10.C比燃料电池(碱性介质)
正极:
202+4H20+8-e=80H-
负极:
C比-8e-+IOOH-=COi-+7H20
总反应式:
C比+202+20H-=COi-+3H20
11.熔融碳酸盐燃料电池
(Li2C03和Na2C03熔融盐作电解液,co作燃料)
正极:
02+2C02+4e-=2CO;-(持续补充CO2气体)负极:
2C0+2Co--4e-=4C02
总反应式:
2CO+02=2C02
12.银铸纽扣电池(碱性介质)
正极(Ag20):
Ag20+H20+2-e
=2Ag+20H
负极(Zn):
Zn+20H--2-e
=ZnO+H20
总反应式:
Zn+Ag20=ZnO+2Ag
13.徨电池
正极:
I2+2e-=21-负极:
2Li-2-e
总反应式:
2Li+L=2Lil
=2Li+
第四节电解池
(→)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
m叫做电解池或电解槽。
2.电解池的组成
电解
CuCl2=Cu+Cb↑
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、钦等):
s-2
活性电极:
电极本身溶解放电。
(2)阴极:
(氧化性强的先放电)
>-I
>B-r
>C-J
>OH-(水)>N03>SO->F-。
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+>Fe3+>Cu2+>H+(水)>Pb2+>Fe2+>…>Na+>Ca2+>K+。
4.电解规律(惰性电极)
阳极(阴离子放电):
无氧酸根>OH>含氧酸根
阴极(阳离子放电:
)不活泼金属阳离子>H+>活泼金属阳离子
(1)电解电解质:
阳离子和阴离子放电能力均强于水电离出的H+和OH-。
如无氧酸和不活泼金属的无氧酸盐。
①HCI(aq)
阳极(C-l>OH-):
2c1--2-e=C2l↑
电解
阴极(H+):
2H++2e-=H2↑
总方程式:
2HCI=H2+CI2↑
②CuCii(aq)
阳极(c-1>OH-):
2c1--2e-=Cl2↑阴极(Cui+>H+):
Cui++2e-=Cu
电解
总方程式:
CuCli=Cu+Cb↑
(2)电解水:
阳离子和阴离子放电能力均弱于水电离出的H+和OH-。
如含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐。
①H2S04(aq)
阳极(So- 40H--4e-=2H20+02t t 电解 总方程式: 2H20=二2H2+02↑ ②NaOH(aq) 阴极(H+): 4H++4e-=2H2↑ 阳极(0H): 40H--4-e=二2H20+02↑ 电解 阴极(Na+ 2H++2e-=H2↑ 总方程式: 2H20=2H川+02↑ ③Na2S04(aq) 阳极(So- 40H-4e=2H20+02↑ 电解 总方程式: 2H20=2H2↑+02↑ |归极(Na·• 2H++2e-=H2↑ : : : : : : : : : : : : : : : : : 山十: : : : 号;: : : : ;法: : : ①NaCl(aq) 阳极(c-i >OH-): 2c1--2e-=Cb↑阴极(Na+ 2H++2e一=H2↑ 总方程式2NaCI+2H20旦旦2Na0H+H2↑+C2l↑ ②CuS04(aq) 阳极(So- 40H--4e-=二2H20+02↑阴极(Cu2+>H+): Cu2++2-e=Cu 总方程式: 2CuS04+2H2Q旦旦2Cu+2H2S04+02↑ 总结: 电解方程式的实例(用惰性电极电解): 电解质 溶液 阳极反应 阴极反应式 总反应方程式 (条件: 电解) 溶液酸碱性变化 CuCb 2Cl-2e=Cbt Cui++2巳二二=Cu CuC'2=Cu+Cl2↑ 一 HCI 2C-l-2e-=C2lt 2H++2e-=H2↑ 2HCl=H2↑+Cli↑ 酸性减弱 Na2SO. 40H--4-e=2H20+02↑ 4H++4e-=2H2t 2H20=2H2↑+02↑ 不变 消耗水,酸性增强 H2S04 4QH--4ι=2H20+02↑ 4H++4e-=2H2t 2H20=2H2↑+02↑ NaOH 40H--4e=2H20+02↑ 4H++4e-=2H2↑ 2H20 =2H2t+02t 消稀水,碱性增强 NaCl 2c1--2e-=Cli↑ 2H++2e-=H2t 2NaCI+2H20=H2t+Cl2↑ +2NaOH H+放电,碱性增强 CuS04 40H--4e-=2H20+02t Cu2++2e-=Cu 2CuS04+2H20=2Cu+02t +2H2S04 ow放电,酸性增强 【归纳总结】 (1)电解的四种类型(’惰’性电极): 类型 电极反应 实例 电解对象pH 电解质浓度 电解质溶液恢复 氢氧化纳 水 增 增大 力日水 电解水型 阴: 4H++4e-=2H2t 硫酸 水 减 增大 力日水 F日: 40H--4-e=02↑+2H2↑ 电解质的离子在两极放电阳极: 阴离子放电 阴极: H2+碱 阳极: 02+酸 硫酸锅 水 不变 增大 加水加氯化氢 加无水氯化呐加氯化氢 加氧化铜 电解电解 盐酸 电解质 增 降低 质型 氯化铜 电解质 不变 降低 电解溶液放 H2产生碱型 氯化纳 电解质+水 增 降低 电解溶液放 硫酸铜 电解质+水 降低 降低 02产生酸型 阴极: 阳离子放电 硝酸银 加氧化银 (2)电解质榕液浓度复原: 先让析出的产物(气体或沉淀)恰好完全反应,再将其化合物投入电解后的溶液中即可。 加人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id数。 如: ①NaCl溶液: 通HCI气体(不能加盐酸)②;AgN03溶液: 力11AgiO剧体(不能力日AgOH);③CuCb 溶液: 加CuCli固体;④KNOJ浓浓: 为DH20;⑤CuS04溶液: CuO[不能力川Cu20、Cu(OH)i、Cu(OH)2C03)等。 (3)电极方程式的书写: ①先行电极;②f1l将熔液巾的肉干放IUJIW{J-i斗排队,f«I欠放电;③注意要遵循电荷守恒,电子得失的数目要柑等。 (二)电解原理的应用 1.铜的电解精炼 阳极(粗铜棒): Cu-2-e ==Cui+阴极(精铜棒): Cu2++2e=Cu 电解质溶液: 含铜离子的可溶性电解质 纯铜粗铜Fe 铜的电解精炼 CuS04 CuS04 分析: 因为粗铜中含有金、银、僻、铁、镇等杂质,电解时-,比铜活泼的僻、铁、镇会在阳极放电形成阳离子进入溶液中,Zn-2e-=Zn2+,Fe一2e-=Fe2-1,Ni-2e=Ni2+,Fe2+、Zn2+、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糟溶液中,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-2-e=Cu2+ 阴极(镀件): Cu2++2e=Cu 电镀液: 含镀层金属的电解质。 分析: 因为由得失电子数目守恒可知,阳极放电形成的Cu2+离子和阴极Cu2+离子放电的量相等,所以电解质溶液的浓度、质量、pH均不会改变。 (1)电镀是电解的应用。 电镀是以镀层金属为阳极,待镀金属制品为阴极,含镀层金属离子为电镀液。 (2)电镀过程的特点: 牺牲阳极;电镀液的浓度(严格说是镀层金属离子的浓度)保持不变;在电镀的条件下,水电离产生的H+,OH-一般不放电。 3.电镀铜、精炼钢比较 形成条件 电镀铜|精炼铜 镀层金属做阳极,镀件作阴极,电镀液必须含|粗铜金属作阳极,精铜作阴极,CuS04溶液作电有镀层金属的离子|解液 电极反应|阳极: Cu-2e-=Cu2+ 阴极: Cu2++2e-=Cu 溶液变化|电镀液的浓度不变 4.电解饱和食盐水一-氯碱工业 阳极: Zn-2e-=Zn2+Cu-2e-=Cu2+等阴极: Cu2++2e-=Cu 溶液中溶质浓度减小 氯碱工业所得的NaOH、Cb、H2都是重要的化工生产原料,进一步加工可得多种化工产品,涉及多种化工行业,如: 有机合成、医药、农药、造纸、纺织等,与人们的生活息息相关。 (1)反应原理: 阳极(石墨或金属铁): 2c-1 -2-e =Cb↑ 阴极(铁网): 2H++2-e=H2↑ 电解质溶液: 饱和食盐水 总方程式: 2NaCJ+2H20=电解 2NaOH+H2↑+Cli↑ H1 t川NuOH情被 011 巴坐主」 阳离子交换! 民解也梢 1-120(含少量;NaOH) (2)设备(阳离子交换膜电解槽) ①组成: 阳极-Ti、阴极-Fe ②阳离子交换膜的作用: 它只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过。 (3)制烧碱生产过程(离子交换膜法) ①食盐水的精制: 粗盐(含泥沙、Ca2+.,Mg2+,Fe2+、so-等)→加入NaOH溶液→加入BaCl2溶液→ ! l加入NaC203溶液→过滤→加入盐酸→加入离子交换剂(NaR)。 ②电解生产主要过程: NaCl从阳极区加入,H20从阴极区加入。 阴极H+放电,破坏了水的电离平衡,使OH-浓度增大,OH-和Na+形成NaOH溶液。 分析: 在饱和食盐水中接通直流电源后,溶液中带负电的OH-和c1-向阳极移动,由于c1-比OH-容易失去电子,在阳极被氧化成氯原子,氯原子结合成氯分子放出;溶液中带正电的Na+和H+向阴极移动,由于H+比Na+容易失去电子,在阴极被还原成氢原子,氢原子结合成氢分子放出;在阴极上得到NaOH。 (1)饱和食盐水的精制: 原因: 除去NaCl中的MgCb、Na2S04等杂质,防止生成氢氧化镇沉淀影响溶液的导电,性防止氯化锅中混有硫酸纳影响烧碱的质量。 试剂加入的顺序: 先加过量的BaCl2和过量的NaOH(顺序可换),再加入过量的Na2C03,过滤,加盐酸 调节pH为7。 (2)隔膜的作用: 防止氢气和氯气混合发生爆炸;防止氯气和氢氧化纳反应影响烧碱的质量。 5.电解法冶炼活泼金属 (1)电解熔融的氯化纳制金属例: 2NaCl(熔融)旦旦2Na+Cli↑ (2)电解熔融的氯化续制金属续: MgCb(熔融)旦旦Mg+Cl2↑ (3)电解熔融的氧化铝制金属铝: 2Al203(熔融)旦旦4Al+302↑ 分析: 在金属活动性顺序表中K、Ca、Na、Mg、Al等金属的还原性很强,这些金属都很容易失电子,因此不能用一般的方法和还原剂使其从化合物中还原出来,只能用电解其化合物熔融状态方法来冶炼。 注意: 电解熔融NaCl和饱和NaCl溶液的区另rJ;不能用MgO替代MgCI2的原因;不能用AlCIJ替代Al2α 的原因。 第五节比较
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