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原电池和电解池比较
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;
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。
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-。
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)。
原电池表示方法
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。
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:
C2+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
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-
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:
(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。
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。
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↑
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
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+
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)2
4.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==2H2O
5.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==2H2O
6.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==2H2O
7.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+2H2O
8.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-+3H2O
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==2CO2
11.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
常见的原电池
(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)
(2)锌型锌-锰电池:
电池符号:
(-)Zn│ZnCl2│MnO2(+)
总电池反应(长时间放电):
Zn+2Zn(OH)Cl+6MnO(OH)=ZnCl2·2ZnO·4H2O+2Mn3O4
(3)碱性锌-锰电池:
电池符号:
(-)Zn│KOH│MnO2(+)
总电池反应:
Zn+2H2O+2MnO2=2MnO(OH)+Zn(OH)2
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。
CuCl2
Cu+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。
(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
H2↑+Cl2↑
②CuCl2(aq)
阳极(Cl->OH-)2Cl――2e-=Cl2↑
阴极(Cu2+>H+) Cu2++2e-=Cu
总方程式 CuCl2
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
2H2↑+O2↑
②NaOH(aq)
阳极(OH-)4OH――4e-=2H2O+O2↑
阴极:
(Na+<H+= 2H++2e-=H2↑
总方程式 2H2O
2H2↑+O2↑
③Na2SO4(aq)
阳极(SO42-<OH-= 4OH――4e-=2H2O+O2↑
阴极:
(Na+<H+=2H++2e-=H2↑
总方程式 2H2O
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
2NaOH+H2↑+Cl2↑
②CuSO4(aq)
阳极(SO42-<OH-= 4OH――4e-=2H2O+O2↑
阴极(Cu2+>H+) Cu2++2e-=Cu
总方程式2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑
【归纳总结】
(1)电解的四种类型(惰性电极):
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
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
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-2e-=Cu2+
阴极(镀件):
Cu2++2e-=Cu
电镀液:
含镀层金属的电解质
电解饱和食盐水——氯碱工业
氯碱工业所得的NaOH、Cl2、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。
阳极:
石墨或金属钛 2Cl――2e=Cl2↑
阴极:
铁网 2H++2e=H2↑
电解质溶液:
饱和食盐水
总方程式:
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
(1)饱和食盐水的精制:
原因:
除去NaCl中的MgCl2、Na2SO4等杂质,防止生成氢氧化镁沉淀影响
溶液的导电性,防止氯化钠中混有硫酸钠影响烧碱的质量。
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Na2CO3,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;防止氯气和氢氧化钠反应影响烧碱的质量。
4、电解法冶炼活泼金属:
(1)电解熔融的氯化钠制金属钠:
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
(2)电解熔融的氯化镁制金属镁:
MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑
(3)电解熔融的氧化铝制金属铝:
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
注意:
电解熔融NaCl和饱和NaCl溶液的区别;不能用MgO替代MgCl2的原因;不能用AlCl3替代Al2O3的原因。
三原电池、电解池和电镀池的比较
典型例题分析
例1、下图中x、y分别是直流电源的两极,通电后发现a极板质量增加,b极板处有无色无臭气体放出,符合这一情况的是()
a极板
b极板
x电极
Z溶液
A
锌
石墨
负极
CuSO4
B
石墨
石墨
负极
NaOH
C
银
铁
正极
AgNO3
D
铜
石墨
负极
CuCl2
例2、高铁电池是一种新型可充电电池,与普通高能电池相比,该电池能长时间保持稳定的放电电压。
高铁电池的总反应为3Zn+2K2FeO4+8H2O
3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH
下列叙述不正确的是
A、放电时负极反应为:
Zn-2e—+2OH—=Zn(OH)2
B、充电时阳极反应为:
Fe(OH)3-3e—+5OH—=FeO
+4H2O
C、放电时每转移3mol电子,正极有1molK2FeO4被氧化
D、放电时正极附近溶液的碱性增强
答案选C。
例5、通以相等的电量,分别电解等浓度的硝酸银和硝酸亚汞(亚汞的化合价为+1价)溶液,若被还原的硝酸银和硝酸亚汞的物质的量之比n(硝酸银)︰n(硝酸亚汞)=2︰1,则下列表述正确的是()
A、在两个阴极上得到的银和汞的物质的量之比n(Ag)︰n(Hg)=2︰1
B、在两个阳极上得到的产物的物质的量不相等
C、硝酸亚汞的分子式为HgNO3
D、硝酸亚汞的分子式为Hg2(NO3)2
答案为D。
例6、下图中电极a、b分别为Ag电极和Pt电极,电极c、d都是石墨电极。
通电一段时间后,只在c、d两极上共收集到336mL(标准状态)气体。
回答:
(1)直流电源中,M为极。
(2)Pt电极上生成的物质是,其质量为g。
(3)电源输出的电子,其物质的量与电极b、c、d分别生成的物质的物质的量之比为:
2∶∶∶。
(4)AgNO3溶液的浓度(填增大、减小或不变。
下同),AgNO3溶液的pH,H2SO4溶液的浓度,H2SO4溶液的pH。
(5)若H2SO4溶液的质量分数由5.00%变为5.02%,则原有5.00%的H2SO4溶液为多少g。
答案:
(1)正
(2)Ag、2.16(3)2∶1/2∶1;
(4)不变、不变、增大、减小;(5)45.18。
1.确定金属活动性顺序
例1.(1993年上海高考化学题)有A、B、C、D四种金属,将A与B用导线联结起来,浸入电解质溶液中,B不易被腐蚀;将A、D分别投入到等浓度的盐酸中,D比A反应剧烈;将铜浸入B的盐溶液中无明显变化;将铜浸入C的盐溶液中,有金属C析出。
据此可推知它们的金属活动性由强到弱的顺序为()
A.D>C>A>BB.D>A>B>C
C.D>B>A>CD.B>A>D>C
故答案为B项。
2.比较反应速率
例2.(2000年北京春季高考化学题)100mL浓度为2mol·L-1的盐酸跟过量的锌片反应,为加快反应速率,又不影响生成氢气的总量,可采用的方法是()
A.加入适量的6mol·L-1的盐酸
B.加入数滴氯化铜溶液
C.加入适量蒸馏水
D.加入适量的氯化钠溶液
本题答案为B项。
3.书写电极反应式、总反应式
例3.(2000年全国高考理综题)熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视,可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,CO为阳极燃气,空气与CO2的混合气体为阴极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池,完成有关的电池反应式:
阳极反应式:
2CO+2CO32--4e-==4CO2
阴极反应式:
_________________,
电池总反应式:
_______________。
解析:
作为燃料电池,总的效果就是把燃料进行燃烧。
本题中CO为还原剂,空气中O2为氧化剂,电池总反应式为:
2CO+O2==2CO2。
用总反应式减去电池负极(即题目指的阳极)反应式,就可得到电池正极(即题目指的阴极)反应式:
O2+2CO2+4e-==2CO32-。
4.分析电极反应
例4.(1999年全国高考化学题)氢镍电池是近年开发出来的可充电电池,它可以取代会产生污染的铜镍电池。
氢镍电池的总反应式是:
(1/2)H2+NiO(OH)Ni(OH)2
根据此反应式判断下列叙述中正确的是()
A.电池放电时,电池负极周围溶液的pH不断增大
B.电池放电时,镍元素被氧化
C.电池充电时,氢元素被还原
D.电池放电时,H2是负极
故答案为C、D项。
例5.(2000年全国高考理综题)钢铁
发生电化学腐蚀时,负极发生的反应()
A.2H++2e-==H2B.2H2O+O2+4e-==4OH-
C.Fe-2e-==Fe2+D.4OH-+4e-==2H2O+O2
5.判断原电池的电极
例6.(2001年广东高考化学题)镍镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用,它的充放电反应按下式进行:
由此可知,该电池放电时的负极材料是()
A.Cd(OH)2B.Ni(OH)2
C.CdD.NiO(OH)
本题答案为C项。
例7.(2001年上海高考化学题)铜片和锌片用导线连接后插入稀硫酸中,锌片是()
A.阴极B.正极C.阳极D.负极
6.原电池原理的综合应用
例8.(2004年天津高考理综题)下图为氢氧燃料电池原理示意图,按照此图的提示,下列叙述不正确的是()
A.a电极是负极
B.b电极的电极反应为:
4OH--4e-==2H2O+O2↑
C.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
D.氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
例9.(2004年江苏高考化学题)碱性电池具有容量大、放电电流大的特点,因而得到广泛应用。
锌—锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液,电池总反应式为:
Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l)==
Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s)
下列说法错误的是()
A.电池工作时,锌失去电子
B.电池正极的电极反应式为:
2MnO2(s)+H2O
(1)+2e-==Mn2O3(s)+2OH-(aq)
C.电池工作时,电子由正极通过外电路流向负极
D.外电路中每通过O.2mol电子,锌的质量理论上减小6.5g
故答案为C项。
1.在原电池和电解池的电极上所发生的反应,同属氧化反应或同属还原反应的是()
A.原电池正极和电解池阳极所发生的反应B.原电池正极和电解池阴极所发生的
C.原电池负极和电解池阳极所发生的反应D.原电池负极和电解池阴极所发生的反应
2、关于原电池和电解池的叙述正确的是()
A.原电池失去电子的电极称为阴极
B.电解池的阳极、原电池的负极都发生氧化反应
C.原电池的两极,一定要由活动性不同的两种金属组成
D.电解时电解池的阳极一定是阴离子放电
3.用石墨作电极,电解1mol·L-1下列物质的溶液,溶液的pH保持不变的是()
A.HClB.NaOHC.Na2SO4D.NaCl
4.在铁制品上镀上一定厚度的锌层,以下设计方案正确的是()
A.锌作阳极,镀件作阴极,溶液中含有锌离子
B.铂作阴极,镀件作阳极,溶液中含有锌离子
C.铁作阳极,镀件作阴极,溶液中含有亚铁离子
D.锌用阴极,镀件作阳极,溶液中含有锌离子
5、氢镍电池是近年开发出来的可充电电池,它可以取代会产生镉污染的镉镍电池。
氢镍电池的总反应式是
。
根据此反应式判断,下列叙述中正确的是:
()
A.电池放电时,电池负极周围溶液的pH值不断增大
B.电池放电时,镍元素被氧化
C.电池充电时,氢元素被还原D.电池放电时,H2是负极
6.银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源,它的充电和放电过程可以表示为2Ag+Zn(OH)2
Ag2O+Zn+H2O,在此电池放电时,负极上发生反应的物质是()
A.AgB.Zn(O
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