高中化学知识点——原电池和电解池.doc
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1、|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 电极:两种不同的导体相连;电解质溶液:能与电极反应。 电源; 电极(惰性或非惰性) ;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
2、-=Zn2+ (氧化反应)正极:2H +2e-=H2(还原反应)阴极:Cu 2+ +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 抗金属的电化腐蚀;实用电池。电解食盐水(氯碱工业) ;电镀(镀铜) ;电冶(冶炼 Na、Mg、Al) ;精炼(精铜) 。一 原电池;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
3、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
4、转 移 过 程 , 产 生 电 流 , 实 现 化 学 能 向 电 能 的 转 化 。 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
5、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
6、 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
7、 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
8、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 : 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。 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
9、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
10、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
11、 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 。 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
12、 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
13、“,”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
14、 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
15、 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- 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
16、 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 ; (
17、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
18、, 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
19、 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
20、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 主 要 是 活 化 极 化 : =2.3RT lgiC/i/nF 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 析 氢 腐 蚀在 酸 性 较 强 的 溶 液
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