化學(xué)電源原電池上

電化學(xué)知識改變命運，學(xué)習(xí)成就未來天天化學(xué)輔導(dǎo)4-電化學(xué)——原電池、電解池（上）【知識內(nèi)容】一、原電池原理1．原電池的反應(yīng)原理：自發(fā)的、放熱的氧化還原反應(yīng)原電池的電路工作原理：(外電路)負極失去電子，電子經(jīng)導(dǎo)線流向正極。(內(nèi)電路)溶液中陰陽離子發(fā)生定向移動，向負極移動，向正極移動。2．原電池的電極和電極反應(yīng)：以鋅銅電池(電解液H2SO4溶液)為例，如右圖：負極：鋅電極，電子，發(fā)生反應(yīng)，本身溶解；反應(yīng)：Zn－2e－=Zn2+，陰離子向負極移動；正極：銅電極，電子，發(fā)生反應(yīng)，本身無變化。反應(yīng)：陽離子向正極移動，2H++2e－=H2↑3．原電池形成的一般條件：(1)兩極：的金屬(或一種是金屬，另一種是非金屬導(dǎo)體)。(2)電解質(zhì)溶液：電極必與電解質(zhì)溶液接觸。(3)形成閉合回路：電極相互接觸或用連接，電解質(zhì)溶液用連接。特別提醒：原電池形成還有一個隱蔽條件：能發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)【做題技巧】⑴．是否為原電池的判斷先分析有無外接電源，有外接電源的為電解池，無外接電源的可能為原電池；然后依據(jù)原電池的形成條件分析判斷，主要是“四看”：看電極——兩極為導(dǎo)體且存在活潑性差異（燃料電池的電極一般為惰性電極），看溶液——兩極插入電解質(zhì)溶液中，看回路——形成閉合回路或兩極直接接觸，看本質(zhì)——有無氧化還原反應(yīng)發(fā)生。⑵．原電池正、負極的確定①由兩極的相對活潑性確定。②根據(jù)在兩電極發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)的化合價的升降情況來判斷。③由電極變化情況確定。④根據(jù)某些顯色現(xiàn)象確定。⑤根據(jù)外電路中自由電子的運動方向規(guī)定：在外電路中電子流出的電極叫負極，電子流入的電極叫正極。⑥根據(jù)內(nèi)電路中自由離子的運動方向規(guī)定：在內(nèi)電路中陽離子移向的電極叫正極，陰離子移向的電極叫負極。⑶．電極反應(yīng)式的書寫書寫電極反應(yīng)式是學(xué)習(xí)電化學(xué)的基本功，也是高考和競賽所必須掌握的知識點。一般來講，書寫原電池的電極反應(yīng)式應(yīng)注意如下四點：①準(zhǔn)確判斷原電池的正負極一般而言，較活潑的金屬成為原電池的負極，但不是絕對的。如將銅片和鋁片同時插入濃硝酸中組成原電池時，銅卻是原電池的負極被氧化，因為鋁在濃硝酸中表面產(chǎn)生了鈍化。此時，其電極反應(yīng)式為：負極：Cu-2e－=Cu2+正極：2NO3－+4H++2e－=2NO2↑+2H2O又如將鎂鋁合金放入6mol/L的NaOH溶液中構(gòu)成原電池時，盡管鎂比鋁活潑，但鎂不和NaOH溶液反應(yīng)，所以鋁成為負極，其電極反應(yīng)式為：負極：2Al+8OH－=6e－＋2AlO2－+4H2O正極：6H2O+6e－=3H2↑+6OH－②高度注意電解質(zhì)的酸堿性在正、負極上發(fā)生的電極反應(yīng)不是孤立的，它往往與電解質(zhì)溶液緊密聯(lián)系。如氫—氧燃料電池有酸式和堿式兩種，在酸溶液中，負極：2H2－4e－=4H+正極：O2+4H++4e-=2H2O;如是在堿溶液中，則不可能有H+出現(xiàn)，在酸溶液中，也不可能出現(xiàn)OH－。又如CH4、CH3OH等燃料電池，在堿溶液中C元素以CO32－離子形式存在，而不是放出CO2。③牢牢抓住總的反應(yīng)方程式從理論上講，任何一個自發(fā)的氧化還原反應(yīng)均可設(shè)計成原電池。而兩個電極反應(yīng)相加即得總的反應(yīng)方程式。所以，對于一個陌生的原電池，只要知道總反應(yīng)方程式和其中的一個電極反應(yīng)式，即可迅速寫出另一個電極反應(yīng)式。④不能忽視電子轉(zhuǎn)移數(shù)相等。⑷．原電池的設(shè)計方法以氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)，首先要確定原電池的正、負極，電解質(zhì)溶液及電極反應(yīng)；再利用基礎(chǔ)知識書寫電極反應(yīng)式，參照Zn－Cu－H2SO4原電池模型處理問題。如根據(jù)反應(yīng)：Cu＋2FeCl3=CuCl2＋2FeCl2設(shè)計一個原電池，為：Cu作負極，C（或Pt）作正極。FeCl3作電解質(zhì)溶液，負極反應(yīng)為：Cu－2e－=Cu2+，正極反應(yīng)為：2Fe3+＋2e-=2Fe2+。二、常見化學(xué)電源原電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，而化學(xué)電源則是一種實用的原電池?；瘜W(xué)電源品種繁多，大體可分為三類。第一類：一次性電池即電池中的反應(yīng)物質(zhì)在進行一次電化學(xué)反應(yīng)放電之后就不能再次使用了。⑴鋅錳電池—干電池。該電池的負極材料是鋅，正極材料是碳棒，電解質(zhì)是MnO2、NH4Cl、ZnCl2組成的糊狀物。其電極反應(yīng)式為：負極：Zn－2e－=Zn2+正極：2MnO2+2NH4++2e－=Mn2O3+2NH3+H2O總反應(yīng)式為：Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++Mn2O3+2NH3+H2O電池中MnO2的作用是將正極上NH4+還原生成的H氧化成為水，以免產(chǎn)生H2附在石墨表面而增加電池內(nèi)阻。由于反應(yīng)中鋅筒不斷消耗變薄，且有液態(tài)水生成，故電池用久后會變軟。堿性鋅錳電池電極反應(yīng)式為：負極：Zn+2OH－－2e－=Zn(OH)2正極：2MnO2+2H2O+2e－=2MnO(OH)+2OH－〖例4〗．把A、B、C、D四塊金屬片浸入稀硫酸中，分別用導(dǎo)線兩兩相連可以組成原電池。A、B相連時A為負極；C、D相連時，電流由D→C；A、C相連時，C極上產(chǎn)生大量氣泡；B、D相連時，D極發(fā)生氧化反應(yīng)。這四種金屬的活動順序是（）A．A＞B＞C＞DB．A＞C＞D＞BC．C＞A＞B＞DD．B＞D＞C＞A〖例5〗．紐扣電池的兩極材料為鋅和氧化銀，電解質(zhì)溶液為KOH溶液，其電極反應(yīng)是：Zn＋2OH－－2e－＝ZnO＋H2OAg2O＋H2O＋2e－＝2Ag＋2OH－，電池的總反應(yīng)式為：Ag2O＋Zn＝2Ag＋ZnO，下列判斷正確的是（）A．鋅為正極，Ag2O為負極C．原電池工作時，負極附近溶液的c(H+)值減小B．鋅為負極，Ag2O為正極D．原電池工作時，負極附近溶液的c(H+)值增大〖例6〗．鋰電池是新一代高能電池，目前已研究成功多種鋰電池。某鋰電池的總反應(yīng)式為：Li+MnO2=LiMnO2。下列說法正確的是（）A．Li是正極，MnO2是負極B．放電時負極的反應(yīng)：Li?e?=Li+C．放電時正極的反應(yīng)：2MnO2??e?=MnO2D．電解放電時，產(chǎn)生高錳酸根離子〖例7〗．構(gòu)成原電池的敘述中正確的是（）A．構(gòu)成原電池的正極和負極必須是兩種不同金屬B．原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置C．在鉛、銀和鹽酸構(gòu)成的原電池工作時，鉛板上有5.18g鉛溶解，正極上就有1.12L（標(biāo)況﹚氣體析出D．原電池工作時，正極和負極上發(fā)生的都是氧化、還原反應(yīng)〖例8〗．原電池必須進行集中處理，其首要原因是（）A．利用電池外殼的金屬材料B．不能使電池滲瀉的電解液腐蝕其他物品C．防止電池中汞﹑鎘和鉛等重金屬離子對土壤和水源的污染D．回收其中石墨電極〖例9〗．鉛蓄電池的兩極分別為Pb和PbO2，電解液硫酸，工作時反應(yīng)為Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。下列結(jié)論正確的是（）A．Pb為正極，發(fā)生氧化反應(yīng)B．Pb為正極，發(fā)生還原反應(yīng)C．PbO2為正極，發(fā)生氧化反應(yīng)D．PbO2為正極，發(fā)生還原反應(yīng)〖例10〗．（1）鎂條﹑銅片﹑果汁構(gòu)成的原電池，負極是，正極是；外電路中電子經(jīng)導(dǎo)由流向，電流經(jīng)導(dǎo)線由流向。（2）在鎂條﹑鐵片﹑果汁構(gòu)成的原電池，負極是，正極是，在外電路中電子經(jīng)導(dǎo)線由流向，電流經(jīng)導(dǎo)線由流向。鎂條上發(fā)生（填“氧化”“還原”）反應(yīng)，鐵片上發(fā)生（填“氧化”“還原”）反應(yīng)?！祭?1〗．用銅﹑銀﹑硝酸銀溶液設(shè)計一個原電池。該原電池的正極是；負極是；負極的電極反應(yīng)式是，正極的電極反應(yīng)式是?！祭?2〗．下圖為氫氧燃料電池原理示意圖，按此圖的提示，下列敘述不正確的是（）A．a(chǎn)電極是負極B．b電極的電極反應(yīng)為：4OH??4e?=2H2O+O2↑C．氫氧燃料電池是具有應(yīng)用前景的綠色電源D．氫氧燃料電池是一種不需要將還原劑和氧化劑全部儲存在電池內(nèi)的新型發(fā)電裝置〖例13〗．某原電池的總反應(yīng)離子方程式為2Fe3++Fe=3Fe2+，不．能．實現(xiàn)該反應(yīng)的原電池是（）A．Cu為正極，F(xiàn)e為負極，電解質(zhì)溶液為氯化鐵B．C﹙石墨﹚為正極，F(xiàn)e為負極，電解質(zhì)溶液為硝酸鐵溶液C．Fe為正極，Zn為負極，電解質(zhì)溶液為硫酸鐵溶液D．Ag為正極，F(xiàn)e為負極，電解質(zhì)溶液為硫酸銅溶液〖例14〗．燃料電池是目前正在探索的一種新型電池。它主要是利用燃料在燃燒過程中把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能直接轉(zhuǎn)化為電能，目前已經(jīng)使用的氫氧燃料電池的基本反應(yīng)是：X極：2H2O+O2+4e?=4OH?Y極：2H2+4OH??4e?=4H2O回答下列問題:﹙1﹚X是極，發(fā)生反應(yīng)；﹙填“氧化”、“還原”﹚﹙2﹚Y是極，發(fā)生反應(yīng)；﹙填“氧化”、“還原”﹚﹙3﹚總反應(yīng)方程式為：；﹙4﹚若反應(yīng)后得到5.4g液態(tài)水，此時氫氧燃料電池轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為。四、電解池的有關(guān)問題1．電極的判斷（1）看電源正、負極。若與電源負極相連，則為陰極。（2）看電極周圍元素價態(tài)的升降。若價態(tài)升高，發(fā)生氧化反應(yīng)，則為陽極。（3）看電子的流向。（4）看各種實驗現(xiàn)象2．電解時電極產(chǎn)物的判斷（1）陽極產(chǎn)物的判斷首先看電極，如果是活性電極（金屬活動順序表Ag以前）作陽極，則電極本身失電子，電極溶解。如果是惰性電極（Pt、Au、石墨），則只看溶液中的離子的失電子能力，陰離子放電順序為：S2－>I－>Br－>Cl－>OH－（水）>含氧酸根。（2）陰極產(chǎn)物的判斷直接根據(jù)陽離子放電順序（如下）進行判斷：Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+（H2O）>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+3．用惰性電極電解下列電解質(zhì)溶液的變化情況類型實例電極反應(yīng)特點電解物質(zhì)電解質(zhì)溶液的濃度pH電解質(zhì)溶液復(fù)原電解水型NaOH陰極：2H+＋2e－=H2↑陽極：4OH－－4e－=2H2O+O2↑水增大增大水H2SO4水增大減小水Na2SO4水增大不變水電解電解質(zhì)HCl電解質(zhì)電離出的陰、陽離子分別在兩極放電電解質(zhì)減小增大氯化氫CuCl2電解質(zhì)減小增大氧化銅放H2生堿型NaCl陰極：放出H2生成堿陽極：電解質(zhì)陰離子放電電解質(zhì)和水生成新電解質(zhì)增大氯化氫放O2生酸型CuSO4陰極：電解質(zhì)陽離子放電負極：OH－放電生成酸電解質(zhì)和水生成新電解質(zhì)減小氯化銅4．電解原理的應(yīng)用（1）電鍍：①電鍍即是特殊情況下的電解，一般不必把它當(dāng)做一個新知識處理。②由于電鍍的特殊性（鍍層作陽極，失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，在陰極上，鍍層陽離子得電子，發(fā)生還原反應(yīng)），使電鍍的結(jié)果是除了陽極變薄（金屬溶解），陰極變厚（鍍層金屬吸附）之外，無任何其他變化。其電極方程式一般為：陽極：M-ne-→Mn+陰極：Mn++ne-→M（2）銅的電解精煉（3）氯堿工業(yè)——工業(yè)上用電解飽和食鹽水（NaCl溶液）的方法制取燒堿（NaOH）、氯氣（Cl2）、氫氣（H2），以及以燒堿（NaOH）、氯氣（Cl2）、氫氣（H2）為原料生產(chǎn)一系列其他化工產(chǎn)品的化工生產(chǎn)過程統(tǒng)稱氯堿工業(yè)。原理：2NaCl＋2H2OH2↑＋2NaOH＋Cl2↑拓展知識：氯堿工業(yè)1、電解飽和食鹽水反應(yīng)原理電極名稱附近存在離子離子放電順序電極反應(yīng)方程式陰極Na+、H+H+>Na+2H++2e-=H2↑陽極Cl-、OH-Cl->OH-2Cl--2e-=Cl2↑2、離子交換膜法制燒堿⑴．生產(chǎn)設(shè)備名稱：離子交換膜電解槽陽極：金屬鈦網(wǎng)（涂鈦釕氧化物）。陰極：碳鋼網(wǎng)（有鎳涂層）。陽離子交換膜：只允許陽離子通過，把電解槽隔成陰極室和陽極室。⑵．離子交換膜的作用：①防止氯氣和氫氣混合而引起爆炸。②避免氯氣與氫氧化鈉反應(yīng)生成次氯酸鈉影響氫氧化鈉產(chǎn)量。3、精制食鹽水步驟及原理如下：（所加試劑必須過量，過量試劑必須除去，步驟必須最簡單）①過濾以除去泥沙②加稍過量的BaCl2溶液：SO42?+Ba2+=BaSO4↓。③加稍過量的Na2CO3溶液：CO32-+Ca2+=CaCO3↓；CO32-+Ba2+=BaCO3↓④加入稍過量的NaOH溶液：Mg2+＋2OH-=Mg(OH)2↓；Fe3+＋3OH?=Fe(OH)3↓⑤過濾以除去上述產(chǎn)生的沉淀。⑥這樣處理后的鹽水仍含有一些Ca2+、Mg2+等金屬離子，必須用離子交換樹脂除去。五、金屬