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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。
③能自发的发生氧化还原反应
④形成闭合回路
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
①①抗金属的电化腐蚀;
②实用电池。
①电解食盐水(***碱工业);②电镀(镀铜);③电冶(冶炼Na、Mg、Al);④精炼(精铜)。
2原电池正负极的判断:
⑴根据电极材料判断:活泼性较强的金属为负极,活泼性较弱的或者非金属为正极。
⑵根据电子或者电流的流动方向:电子流向:负极→正极。电流方向:正极→负极。
⑶根据电极变化判断:氧化反应→负极;还原反应→正极。
⑷根据现象判断:电极溶解→负极;电极重量增加或者有气泡生成→正极。
⑸根据电解液内离子移动的方向判断:阴离子→移向负极;氧离子→移向正极。
3电极反应式的书写:
负极:⑴负极材料本身被氧化:
①如果负极金属生成的阳离子与电解液成分不反应,则为最简单的:M-ne-=Mn+如:Zn-2e-=Zn2+
②如果阳离子与电解液成分反应,则参与反应的部分要写入电极反应式中:
如铅蓄电池,Pb+SO42- -2e-=PbSO4
⑵负极材料本身不反应:要将失电子的部分和电解液都写入电极反应式,
如燃料电池CH4-O2(C作电极)电解液为KOH:负极:CH4+10OH-8e-=C032-+7H2O
正极:⑴当负极材料能自发的与电解液反应时,正极则是电解质溶液中的微粒的反应,
H2SO4电解质,如2H++2e=H2CuSO4电解质:Cu2++2e=Cu
⑵当负极材料不与电解质溶液自发反应时,正极则是电解质中的O2反正还原反应
当电解液为中性或者碱性时,H2O比参加反应,且产物必为OH-,
如氢氧燃料电池(KOH电解质)O2+2H2O+4e=4OH-
②当电解液为酸性时,H+比参加反应,产物为H2OO2+4O2+4e=2H2O
化学腐蚀
电化腐蚀
一般条件
金属直接和强氧化剂接触
不纯金属,表面潮湿
反应过程
氧化还原反应,不形成原电池。
因原电池反应而腐蚀
有无电流
无电流产生
有电流产生
反应速率
电化腐蚀>化学腐蚀
结果
使金属腐蚀
使较活泼的金属腐蚀
电化腐蚀类型
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
O2+4e-+2H2O==4OH-
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
考点解说
⑴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。
⑵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。
⑶电化学保护法
①外加电源的阴极保护法: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
7。常见实用电池的种类和特点
⑴干电池(属于一次电池)
①结构:锌筒、填满MnO2的石墨、溶有NH4Cl的糊状物。酸性电解质:
②电极反应负极:Zn-2e-=Zn2+
正极:2NH4++2e-=2NH3+H2
NH3和H2被Zn2+、MnO2吸收:MnO2+H2=MnO+H2O,Zn2++4NH3=Zn(NH3)42+
碱性电解质:(KOH电解质)
电极反应负极:Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2
正极:2MnO2+2H2O+2e-=2MnO(OH)+Zn(OH)2
Zn+MnO2+2H2O-=2MnOOH+Zn(OH)2
⑵铅蓄电池(属于二次电池、可充电电池)
①结构:铅板、填满PbO2的铅板、稀H2SO4。
②:Pb-2e-+SO42-=PbSO4
原电池
正极:PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O
:PbSO4+2e-=Pb+SO42-
电解池阳极:PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+4H++SO42-
总式:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
注意:放电和充电是完全相反的过程,放电作原电池,充电作电解池。电极名称看电子得失,电极反应式的书写要求与离子方程式一样,且加起来应与总反应式相同。
⑶锂电池
①结构:锂、石墨、固态碘作电解质。
②A电极反应负极:2Li-2e-=2Li+
正极:I2+2e-=2I-
总式:2Li+I2=2LiI
BMnO2做正极时:
负极:2Li-2e-=2Li+
正极:MnO2+e-=MnO2-
总Li+MnO2=LiMnO2
锂电池优点:体积小,无电解液渗漏,电压随放电时间缓慢下降,应用:心脏起搏器,手机电池,电脑电池。
⑷
结构:石墨、石墨、KOH溶液。
②电极反应负极:H2-2e-+2OH-=2H2O
正极:O2+4e-+2H2O=4OH-
总式:2H2+O2=2H2O
(反应过程中没有火焰,不是放出光和热,而是产生电流)
注意:还原剂在负极上反应,氧化剂在正极上反应。书写电极反应式时必须考虑介质参加反应(先常规后深入)。若相互反应的物质是溶液,则需要盐桥(内装KCl的琼脂,形成闭合回路)。
、空气燃料电池以铝—空气—海水电池为能源的新型海水标志灯已研制成功。这种灯以取之不尽的海水为电解质溶液,靠空气中的氧气使铝不断氧化而源源不断产生电流。只要把灯放入海水中,数分钟后就会发出耀眼的闪光,其能量比干电池高20~50倍。
电极反应:铝是负极4Al-12e-==4Al3+;
石墨是正极3O2+6H2O+12e-==12OH-
:
⑴由外电源决定:阳极:连电源的正极;阴极:连电源的负极;
⑵根据电极反应:氧化反应→阳极;还原反应→阴极
⑶根据阴阳离子移动方向:阴离子移向→阳极;阳离子移向→阴极,
⑷根据电子几点流方向:电子流向:电源负极→阴极;阳极→电源正极
电流方向:电源正极→阳极;阴极→电源负极
:
⑴阳极:如果电极为活泼电极,Ag以前的,则电极失电子,被氧化被溶解,Zn-2e-=Zn2+
如果电极为惰性电极,C、Pt、Au、Ti等,则溶液中阴离子失电子,4OH--4e-=2H2O+O2
阴离子放电顺序S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根>F-
⑵阴极:(.阴极材料(金属或石墨)总是受到保护)根据电解质中阳离子活动顺序判断,阳离子得电子顺序—金属活动顺序表的反表金属活泼性越强,则对应阳离子的放电能力越弱,既得电子能力越弱。
K+<Ca2+<Na+<Mg2+<Al3+<(H+)<Zn2+<Fe2+<Sn2+<Pb2+<Cu2+<Hg2+<Ag+
、电离和电镀的区别
电解
电离
电镀
条件
受直流电作用
受热或水分子作用
受直流电作用
实质
阴阳离子定向移动,在两极发生氧化还原反应
阴阳离子自由移动,无明显的化学变化
用电解的方法在金属表面镀上一层金属或合金
实例
CuCl2Cu+Cl2
CuCl2==Cu2++2Clˉ
阳极Cu-2e-=Cu2+
阴极Cu2++2e-=Cu
关系
先电离后电解,电镀是电解的应用
、精炼铜比较
电镀铜
精炼铜
形成条件
镀层金属作阳极,镀件作阴极,电镀液必须含有镀层金属的离子
粗铜金属作阳极,精铜作阴极,CuSO4溶液作电解液
电极反应
阳极Cu-2e-=Cu2+
阴极Cu2++2e-=Cu
阳极:Zn-2e-=Zn2+Cu-2e-=Cu2+等
阴极:Cu2++2e-=Cu
溶液变化
电镀液的浓度不变
溶液中溶质浓度减小
(用惰性电极电解):
电解质溶液
阳极反应式
阴极反应式
总反应方程式
(条件:电解)
溶液酸碱性变化
CuCl2
2Cl--2e-=Cl2↑
Cu2++2e-=Cu
CuCl2=Cu+Cl2↑
——
HCl
2Cl--2e-=Cl2↑
2H++2e-=H2↑
2HCl=H2↑+Cl2↑
酸性减弱
Na2SO4
4OH--4e-=2H2O+O2↑
2H++2e-=H2↑
2H2O=2H2↑+O2↑
不变
H2SO4
4OH--4e-=2H2O+O2↑
2H++2e-=H2↑
2H2O=2H2↑+O2↑
消耗水,酸性增强
NaOH
4OH--4e-=2H2O+O2↑
2H++2e-=H2↑
2H2O=2H2↑+O2↑
消耗水,碱性增强
NaCl
2Cl--2e-=Cl2↑
2H++2e-=H2↑
2NaCl+2H2O=H2↑+Cl2↑+2NaOH
H+放电,碱性增强
CuSO4
4OH--4e-=2H2O+O2↑
Cu2++2e-=Cu
2CuSO4+2H2O=2Cu+O2↑+2H2SO4
OHˉ放电,酸性增强
13,以惰性电极电解电解质溶液的规律:
⑴电解水型:电解含氧酸,强碱,活泼金属的含氧酸盐,如稀H2SO4、NaOH溶液、Na2SO4溶液:
阳极:4OH--4e-=2H2O+O2↑阴极:2H++2e-=H2↑总反应:2H2O2H2↑+O2↑,
溶质不变,PH分别减小、增大、不变。酸、碱、盐的加入增加了溶液导电性,从而加快电解速率(不是起催化作用)。
⑵电解电解质:无氧酸(HF除外)、不活泼金属的无氧酸盐,如CuCl2
阳极:2Cl--2e-=Cl2↑阴极:Cu2++2e-=Cu总反应:CuCl2=Cu+Cl2↑
⑶放氢生成碱型:活泼金属的无氧酸盐(F化物除外)如NaCl
阳极:2Cl--2e-=Cl2↑阴极:2H++2e-=H2↑总反应:2NaCl+2H2O=H2↑+Cl2↑+2NaOH
公式:电解质+H2O→碱+H2↑+非金属
⑷放氧省酸型:不活泼金属的含氧酸盐,如CuSO4
阳极:4OH--4e-=2H2O+O2↑阴极:Cu2++2e-=Cu总反应:2CuSO4+2H2O=2Cu+O2↑+2H2SO4
公式:电解质+H2O→酸+O2↑+金属
解NaCl溶液:2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH,溶质、溶剂均发生电解反应,PH增大
图20-1
A、电解饱和食盐水(***碱工业)
⑴反应原理
阳极:2Cl--2e-==Cl2↑
阴极:2H++2e-==H2↑
总反应:2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH
⑵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。
⑶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+、Fe3+、SO42-等)→加入NaOH溶液→加入BaCl2溶液→加入Na2CO3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(见图20-1):NaCl从阳极区加入,H2O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。
B、电解冶炼铝
⑴原料:(A)、冰晶石:Na3AlF6=3Na++AlF63-
(B)、氧化铝:铝土矿NaAlO2Al(OH)3Al2O3
⑵原理
阳极2O2--4e-=O2↑
阴极Al3++3e-=Al
总反应:4Al3++6O2ˉ4Al+3O2↑
⑶设备:电解槽(阳极C、阴极Fe)
因为阳极材料不断地与生成的氧气反应:C+O2→CO+CO2,故需定时补充。
C、电镀:用电解的方法在金属表面镀上一层金属或合金的过程。
⑴镀层金属作阳极,镀件作阴极,电镀液必须含有镀层金属的离子。电镀锌原理:
阳极Zn-2eˉ=Zn2+
阴极Zn2++2eˉ=Zn
⑵电镀液的浓度在电镀过程中不发生变化。
⑶在电镀控制的条件下,水电离出来的H+和OHˉ一般不起反应。
⑷电镀液中加氨水或NaCN的原因:使Zn2+离子浓度很小,镀速慢,镀层才能致密、光亮。
D、电解冶炼活泼金属Na、Mg、Al等。
E、电解精炼铜:粗铜作阳极,精铜作阴极,电解液含有Cu2+。铜前金属先反应但不析出,铜后金属不反应,形成“阳极泥”。