選修四-電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)2011-11-20

電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)1原電池及其應(yīng)用1.1原電池原理1.1.1原電池裝置構(gòu)成①兩個(gè)活潑性不同的電極；②電解質(zhì)溶液或熔融的電解質(zhì)[說明]原電池的兩極分別稱為正極和負(fù)極。兩極中相對(duì)活潑（易失電子）的作為負(fù)極，相對(duì)不活潑的為正極。負(fù)極應(yīng)要能與電解質(zhì)溶液發(fā)生自發(fā)的氧化反應(yīng)。當(dāng)兩電極材料均插入電解質(zhì)溶液中并將兩極相連構(gòu)成閉合電路，原電池裝置才能發(fā)生電化反應(yīng)產(chǎn)生電流。1.1.2原電池發(fā)電原理及電極反應(yīng)將銅片和鋅片平行地插入稀硫酸溶液中，則構(gòu)成了原電池。若將兩極用導(dǎo)線相連，則有電流產(chǎn)生?！鞍l(fā)電”的原理說明如下：由于鋅比銅活潑，易失電子，Zn為負(fù)極，Cu則為正極。兩極相連后，Zn自發(fā)失去電子，不斷“溶解”，形成Zn2+進(jìn)入溶液。鋅片失去的電子沿外電路到達(dá)銅片，此時(shí)溶液中陽離子H+在銅片表面獲得電子，形成H2逸出。與此同時(shí)溶液中的陰離子（SO42-，OH-）移向負(fù)極，陽離子（H+）移向正極（電池內(nèi)部離子的遷移是由化學(xué)勢(shì)所推動(dòng)的，即非電場(chǎng)力做功完成）。由于電池工作時(shí)，電子能自發(fā)地從負(fù)極經(jīng)外電路流向正極，在電池內(nèi)部，溶液中離子能自發(fā)地遷移，這樣電池就向外提供電能，發(fā)電了。電極反應(yīng)式表示如下負(fù)極（Zn）Zn–2e-=Zn2+(負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，流出電子)正極（Cu）2H++2e-=H2↑(正極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，流進(jìn)電子)總反應(yīng)式Zn+2H+=Zn2++H2↑從上分析可知此例正極材料本身并無參與電極反應(yīng)，僅起作導(dǎo)體作用而已。因此，正極材料若換為活潑性比鋅差的導(dǎo)體為電極（如石墨），效果一樣。1.2原電池的應(yīng)用主要有兩方面：其一，利用原電池自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，開發(fā)化學(xué)電源；其二，抑制原電池反應(yīng)發(fā)生，應(yīng)用于金屬腐蝕的防護(hù)。1.2.1常見的化學(xué)電源鋅-錳干電池正極-石墨棒，負(fù)極-鋅筒,電解質(zhì)-淀粉湖-NH4Cl與碳粉、MnO2的混合物。負(fù)極反應(yīng)：Zn-2e-=Zn2+，正極反應(yīng)：2NH4++2e-=2NH3+H2，2MnO2+H2=Mn2O3+H2O；電池反應(yīng)：Zn+NH4Cl+MnO2=ZnCl2+2NH3+Mn2O3+H2O鉛蓄電池電解質(zhì)溶液為(電解液：1.25g/cm3~1.28g/cm3的H2SO4溶液放電時(shí)，負(fù)極-Pb：Pb-2e-+SO42-=PbSO4↓；正極-Pb（PbO2）：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4↓+2H2O充電時(shí)，陰極：PbSO4+2e-=Pb+SO42-陽極：PbSO4↓-2e-+2H2O=PbO2+4H++SO42-；燃燒電池利用可燃物與O2的反應(yīng)開發(fā)的電源，燃料電池與普通電池的區(qū)別:不是把還原劑、氧化劑物質(zhì)全部貯藏在電池內(nèi)，而是工作時(shí)不斷從外界輸入，同時(shí)電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出電池。燃料電池的原料，除氫氣和氧氣外，也可以是CH4、煤氣、燃料、空氣、氯氣等氧化劑。常見有：氫氧燃燒電池、烴類（如CH4、C2H6）燃燒電池、醇類（如CH3OH、C2H5OH）燃燒電池、肼(H2N-NH2)--空氣燃料電池等。1.2.2金屬的腐蝕及防護(hù)（1）金屬的腐蝕金屬或合金跟周圍接觸到的物質(zhì)(氣體或液體)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而損耗的過程即為金屬的腐蝕。若金屬與接觸到的物質(zhì)直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)而引起的腐蝕稱為化學(xué)腐蝕，此類腐蝕無電流產(chǎn)生；若合金或不純金屬，接觸到電解質(zhì)溶液而構(gòu)成了原電池，其中活潑的金屬作負(fù)極，失去電子而被氧化的腐蝕稱電化腐蝕,此類腐蝕拌隨有電流的產(chǎn)生。電化腐蝕又分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕，兩者的比較見下表析氫腐蝕吸氧腐蝕條件水膜酸性較強(qiáng)水膜酸性很弱或非酸性正極反應(yīng)2H++2e-=H2↑O2+2H2O+4e-=4OH-負(fù)極反應(yīng) Fe–2e-=Fe2+其它Fe2++2OH-=Fe(OH)2；4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3（2）金屬的防護(hù)根據(jù)金屬腐蝕的類型及其原理，可從以下幾方面采取防護(hù)措施：①阻斷形成原電池的條件，避免電化腐蝕。如保持鐵件表面干燥或表面涂一層油漆等。②形成原電池，但把被保護(hù)的金屬作正極，避免腐蝕。如在鋼鐵船體埋鋅塊，在海水中可形成Zn-Fe原電池，因鋼鐵船體為正極得以保護(hù)。③外接直流電源，將被保護(hù)金屬接到電源的負(fù)極，并形成閉合回路。2電解池及其應(yīng)用2.1電解的原理2.1.1電解池裝置構(gòu)成陰陽兩個(gè)電極;②電解質(zhì)溶液（或熔化的電解質(zhì)）。[說明]:①電解池兩極名稱分別叫陰極和陽極,由所連接在的外電源的那一極決定。與外接電源負(fù)極相連作為電解池的陰極，與外接電源正極相連的作為電解池的陽極。②當(dāng)然若要發(fā)生電解，還要有外接直流電源設(shè)備，并構(gòu)成閉合回路。2.1.2電解原理分析以惰性電極電解硫酸銅溶液為例說明通電前CuSO4=Cu2++SO42-,H2O=H++OH-溶液中存在由電離產(chǎn)生的兩種陽離子(Cu2+和H+),兩種陰離子(SO42-和OH-)通電后①離子定向移動(dòng)陽離子(Cu2+和H+)移向陰極,陰離子(SO42-和OH-)移向陽極②電極反應(yīng)陰極:由于Cu2+比H+

易得電子，故2Cu2++4e-=2Cu(發(fā)生還原反應(yīng))陽極:由于OH-比SO42-易失電子，故4OH—-4e-=2H2O+O2↑(發(fā)生氧化反應(yīng))（或2H2O4e-=O2+4H+）③溶液pH變化在陽極區(qū)，由于水電離出的OH-得到電子形成O2逸出，而H+仍留在溶液中，造成溶液中n(H+)>n(OH-),使溶液顯酸性?？偦瘜W(xué)反應(yīng)方程式2CuSO4+2H2O=2Cu+O2↑+2H2SO42.1.3放電順序粒子在電極上得電子或失電子的過程又叫放電。陰離子失電子從易到難順序：S2->I->Br->Cl->OH->F-(或最高價(jià)含氧酸根離子)陽離子得電子從易到難順序（與金屬活動(dòng)順序相反）：Ag+>Hg2+>Fe3+(變Fe2+)>Cu2+>酸中的H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H2O中H+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+說明:①上述順序?yàn)楦麟x子濃度相近時(shí)的放電順序②電解池中電極材料分兩類，一類稱惰性電極，如石墨、鉑、金，它不參與電極反應(yīng)，僅起導(dǎo)電體作用；另一類稱活潑電極，即除鉑、金外的常見金屬材料的電極。當(dāng)陽極為活潑電極時(shí)，在電解時(shí)它將優(yōu)先失電子而被氧化為金屬離子“溶”入溶液，而溶液中陰離子不會(huì)發(fā)生失電子的變化。③利用離子放電順序可以判斷電解時(shí)電極的產(chǎn)物。2.1.4電解規(guī)律常見酸堿鹽溶液的電解規(guī)律(惰性陽極)電解反應(yīng)類型電解質(zhì)類型規(guī)律例PH變化溶液復(fù)原法電解水含氧酸實(shí)質(zhì)電解水-->H2+O2電解稀H2SO4降低加H2O強(qiáng)堿溶液實(shí)質(zhì)電解水-->H2+O2電解NaOH溶液升高加H2O活潑金屬含氧酸鹽實(shí)質(zhì)電解水-->H2+O2電解Na2SO4溶液不變加H2O電解質(zhì)分解無氧酸酸>H2+非金屬2HCl==H2+Cl2升高加HCl不活潑金屬無氧酸鹽鹽>金屬+非金屬CuCl2=Cu+Cl2加CuCl2放氧生酸不活潑金屬含氧酸鹽鹽+水>金屬+O2+酸2CuSO4+2H2O=2Cu+O2+2H2SO4降低加CuO（CuCO3）放氫生堿活潑金屬無氧酸鹽鹽+水>H2+非金屬+堿2KCl+2H2O=H2+Cl2+2KOH升高加HCl溶液電解pH變化規(guī)律若水中OH-在陽極放電生成O2,則陽極區(qū)溶液增生H+，pH降低;若水中H+在陰極放電生成H2,則陰極區(qū)溶液增生OH-，pH升高;總反應(yīng)的結(jié)果，若溶液生成酸,則溶液pH降低；若生成堿，則pH升高。2.2電解的應(yīng)用2.2.1電鍍電鍍裝置:以鍍層金屬作陽極,鍍件掛在陰極,含鍍層金屬離子的鹽為電鍍液。電鍍特點(diǎn)：電鍍過程中鍍層金屬離子濃度不變。2.2.2氯堿工業(yè)(1)立式隔膜電解槽的結(jié)構(gòu)陽極：由金屬鈦網(wǎng)（涂有釕氧化物制成）；陰極：由碳鋼網(wǎng)涂有Ni涂層）制成；離子交換膜；電解槽框及導(dǎo)電銅。陽離子交換膜(2)陽離子交換膜的作用：阻止Cl-、OH-等陰離子及氣體分子通過。這樣可防止陰極產(chǎn)生的H2與陽極產(chǎn)生的Cl2混合而爆炸，也避免了Cl2與陰極產(chǎn)生的的NaOH作用生成NaClO而影響NaOH產(chǎn)品質(zhì)量。(3)反應(yīng)原理：陽極：2Cl--2e-=Cl2↑：陰極：2H++2e-=H2↑電解反應(yīng)化學(xué)方程式2NaCl+2H2O==H2+Cl2+2NaOH離子方程式2Cl-+2H2O==H2+Cl2+2OH-(4)產(chǎn)品：NaOH、H2、Cl22.2.3電解精煉(電解精煉銅為例)（1）裝置：陽極--粗銅；陰極—純銅；電解質(zhì)溶液--銅鹽溶液(如CuSO4)（2）電極反應(yīng)陽極：粗銅失電子放電“溶解”，Cu-2e-=Cu2+。粗銅中比銅活潑的金屬溶解變成陽離子進(jìn)入溶液，比銅活潑性差的金屬如Au、Ag等貴重金屬則落入陽極泥中。陰極：溶液中Cu2+得電子放電，Cu2++2e-=Cu生成的Cu沉積在陰極上而得到精銅。3原電池與電解池的比較項(xiàng)目原電池電解池反應(yīng)性質(zhì)氧化還原反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)多為非自發(fā)，但也可以是自發(fā)反應(yīng)裝置性質(zhì)化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能電能轉(zhuǎn)為化學(xué)能電極名稱負(fù)極和正極陰極和陽極電極反應(yīng)式負(fù)極：失電子氧化反應(yīng)陰極：得電子還原反應(yīng)正極：得電子還原反應(yīng)陽極：失電子氧化反應(yīng)離子遷移方向陽離子移向正極，陰離子移向負(fù)極陽離子移向陰極，陰離子移向陽極4電化學(xué)試題解法指導(dǎo)4.1解題步驟方法判斷兩池(原電池還是電解池)—②標(biāo)注電極名稱—③寫出電極反應(yīng)式—(根據(jù)電極產(chǎn)物、溶液成分變化)—④描述或解釋現(xiàn)象或進(jìn)行有關(guān)計(jì)算。[練4-01]把鋅片和鐵片放在盛有稀食鹽水和酚酞試液混合溶液的玻璃皿中（如圖所示平面圖），經(jīng)過一段時(shí)間后，首先觀察到溶液變紅的區(qū)域是（）A、Ⅰ和Ⅲ附近B、Ⅰ和Ⅳ附近C、Ⅱ和Ⅲ附近D、Ⅱ和Ⅳ附近[解析]①判兩池：通常有外接電源的裝置是電解池,故左圖為電解池,根據(jù)右圖為兩個(gè)活性不同金屬浸在電解質(zhì)溶液中可判斷為原電池；②標(biāo)電極名：左圖由外接電源極性可知I為陰極，II為陽極；右圖因Zn比Fe活潑，故III為負(fù)極，IV為正極。③寫電極反應(yīng)：左圖中,陽極II：金屬Fe優(yōu)先氧化Fe-2e-=Fe2+；陰極I：水中氫放電：2H++2e-=H2；④現(xiàn)象及解釋：因I區(qū)OH-增生，堿性，使酚酞變紅。又右圖，正極（IV）上電極反應(yīng)：O2+4e-+2H2O=4OH-（吸氧腐蝕），該區(qū)域呈堿性使酚酞變紅，B入選。[4-02]如圖甲乙兩池分別以碳棒、鉑條、鋁條、鎂條為電極，并用導(dǎo)線相連接，以NaCl、NaOH溶液為電解溶液，有關(guān)該裝置的描述正確的是(D)乙池中,Mg極的電極反應(yīng)是Mg-2e-=Mg2+甲池中,Pt極的電極反應(yīng)是2Cl—2e-=Cl2↑隨著反應(yīng)的進(jìn)行.乙池中n(NaOH)保持不變反應(yīng)過程中,甲池中兩極附近溶液PH(C)<PH(Pt)[解析]先判兩池,乙為原電池，甲為電解池。乙池中，因?yàn)樵贜aOH溶液中Al比Mg易失電子，故Al為原電池的負(fù)極，其電極反應(yīng)式為：Al-3e-+4OH-==AlO2-+2H2O；Mg為正極，其電極反應(yīng)式為：3H2O+3e-=1.5H2↑+3OH-。甲池中,Pt電極為陰極:2H++2e-=H2↑,碳棒(C)電極為陽極2Cl--2e-=Cl2↑,電解后溶液為NaOH溶液。[練4-03]如圖A、B為兩個(gè)串聯(lián)的電解池，已知B池中c為鐵，d為石墨，電解質(zhì)溶液為NaCl溶液。試回答：（1）若A池為用電解原理精練銅裝置，則a電極名稱為陰極，電極材料是精銅，電極反應(yīng)式為Cu2++2e-=Cu，電解質(zhì)溶液可以是CuSO4溶液。（2）B池中c極(Fe)電極反應(yīng)式為2H++2e-=H2↑（2H2O+2e-=H2+2OH-），若在B池中加入少量酚酞試液，開始電解一段時(shí)間，鐵極附近呈紅色。（3）若A池a極增重12.8g,則B池d極(石墨)上放出氣體在標(biāo)況下的體積為4.48L。電解后,若B池余下的溶液為400ml,則溶液的PH值是14。[練4-04]金屬鎳有廣泛的的用途。粗鎳中含有少量的Fe、Zn、Cu、Pt等金屬雜質(zhì)，可電解法制備高純度原鎳（已知：氧化性：Fe2+<Ni2+<Cu2+）,下列敘述正確的是(D)A．陽極發(fā)生還原反應(yīng),其電極反應(yīng)式是Ni2++2e-=NiB．電解過程中,陽極質(zhì)量的減少與陰極質(zhì)量的增加相等C．電解后,溶液中存在的陽離子只有Fe2+、Zn2+D．電解后,電解模底部陽極泥中中存在Cu、Pt[解析]這是電解的過程，陽極發(fā)生的是氧化反應(yīng),A錯(cuò)；陽極：Zn-2e-=Zn2+Fe-2e-=Fe2+Ni-2e-=Ni2+，Pt為惰性金屬，不會(huì)放電，而Cu要在金屬Ni全部氧化為Ni2+后才能放電，但此時(shí)Cu已沒有了支撐物了，結(jié)果和Pt一起落下，形成陽極泥，故D正確;陰極：因氧化性Ni2+>Fe2+>Zn2+,所以只有Ni2++2e-=Ni,可見，陽極質(zhì)量減少的是“溶解”下的Zn、Fe、Ni，而陰極質(zhì)量增加的只是析出的鎳，兩者質(zhì)量是不相等的，故B錯(cuò)。;電解后,溶液中除留下Fe2+、Zn2+外，還有Ni2+，C也錯(cuò)。 [練4-05]鉛蓄電池是典型的可充型電池，它的正負(fù)極格板是惰性材料，電池總反應(yīng)式為：Pb+PbO2+4H++2SO2-42PbSO4+2H2O請(qǐng)回答下列問題（不考慮氫、氧的氧化還原）:(1)放電時(shí)：正極的電極反應(yīng)式是______________;電解液中H2SO4的濃度將變________;當(dāng)外電路通過1mol電子時(shí)，理論上負(fù)極板的質(zhì)量增加________g。(2)在完全放電耗盡PbO2和Pb時(shí)，若按題27圖連接，電解一段時(shí)間后，則在A電極上生成__________、B電極上生成________,此時(shí)鉛蓄電池的正負(fù)極的極性將________________________。解析：鉛蓄電池的負(fù)極是鉛（Pb），正極是二氧化鉛（PbO2）。放電時(shí)電極反應(yīng)：正極[A-（PbO2）]PbO2+2e-+2H++SO42-==PbSO4+H2O（與常見電池不同，鉛蓄電池放電時(shí)正極材料（PbO2）本身參與了電極反應(yīng)負(fù)極[B-（Pb）]Pb-2e-+2H++SO42-==PbSO4+H2O可見，當(dāng)通過2mole-時(shí)，負(fù)極1molPb變?yōu)?molPbSO4沉積在負(fù)極板上，既凈增加1molSO4，所以當(dāng)外電路通過1mol電子時(shí)，理論上負(fù)極板的質(zhì)量增加49g。因放電時(shí)要消耗H2SO4，故;電解液中H2SO4的濃度將變小。完全放電后兩極材料都有變?yōu)榱蛩徙U（PbSO4），外接電源時(shí)，發(fā)生電解過程，電極反應(yīng)如下：陰極[A-（PbSO4）]PbSO4+2e-+=Pb+SO42-，A電極上生成Pb陽極[B-（PbSO4）]PbSO4-2e-+2H2O=PbO2++4H++SO42-，B電極上生成PbO2此時(shí)鉛蓄電池的正負(fù)極的極性將對(duì)換。4.2電極名稱判斷法根據(jù)兩極金屬相對(duì)活性判定原電池的電極名稱，根據(jù)X極所連接在的外接電源極性(“+”或“-”)判定電解池的電極名稱；根據(jù)電子（或電流）流向或測(cè)電極電勢(shì)高低等電學(xué)原理判斷電極名稱；此外根據(jù)X極發(fā)生氧化還是還原,移向X極的離子是陽離子還是陰離子,X極增重還是減重,X極區(qū)PH值是升高還是降低等判定X電極的名稱。但要注意X極指的是在原電池還是電解池。說明：化學(xué)上規(guī)定，凡發(fā)生氧化變化的電極均為陽極，而發(fā)生還原的電極均為陰極。據(jù)此，從發(fā)生的化學(xué)變化角度看，原電池中的負(fù)極（-）又叫陽極，正極（+）又叫陰極。4.3電極反應(yīng)式寫法[電解池電極反應(yīng)式寫法要領(lǐng)]陽極，首先看為何材料，若為金屬（除Au、Pt外），則陽極金屬本身優(yōu)先被氧化，此時(shí)不必考慮溶液中陰離子放電；若陽極為惰性材料，則分析溶液中陰離子及放電順序，還原性強(qiáng)者優(yōu)先在陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)。陰極，不必考慮電極為何材料，只要看溶液中有何離子及其放電順序，氧化性強(qiáng)者優(yōu)先得電子發(fā)生被還原反應(yīng)。[原電池電極反應(yīng)式寫法要領(lǐng)]①負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，正極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，兩電極轉(zhuǎn)移的電子數(shù)要相等；②負(fù)極和正極兩電極反應(yīng)式相加則得到原電池的總反應(yīng)式；③若溶液中OH-

有參與電極反應(yīng)必發(fā)生在負(fù)極。若結(jié)果H+有增加，酸性增強(qiáng)，PH降低，必在負(fù)極區(qū)；若溶液中H+

有參與電極反應(yīng)必發(fā)生在正極;若結(jié)果OH-有增加，堿性增強(qiáng)，PH升高，必在正極區(qū)。[練4-07]以鉑為電極，在兩極上分別通入H2和O2，可組成氫氧燃燒電池。分別寫出以硫酸為電解質(zhì)和KOH為電解質(zhì)溶液中的有關(guān)電極反應(yīng)式。[解析]由于H2具有強(qiáng)還原性，O2具有強(qiáng)氧化性，故H2為負(fù)極，O2為正極。若電解質(zhì)為H2SO4電極反應(yīng)式：負(fù)極(Pt-H2)2H2–4e-=4H+正極(Pt-O2)O2+4e-+4H+=2H2O因溶液有高濃度H+，正極O2的還原產(chǎn)物只能是H2O，不可能為OH-。若電解質(zhì)為KOH電極反應(yīng)式：負(fù)極(Pt-H2)2H2–4e-+4OH-=4H2O正極(Pt-O2)O2+4e-+2H2O=4OH-因溶液有高濃度OH-，故H2氧化產(chǎn)物H+將在負(fù)極上與OH-結(jié)合為H2O，而正極上O2的還原產(chǎn)物O2-不能在溶液中存在，而是與H2O反應(yīng)轉(zhuǎn)化為OH-。氫氧燃燒電池總反應(yīng)方程式：2H2+O2=2H2O[練4-08]將兩塊鉑片連接后插入KOH溶液中作電極，并在兩極片上分別通入甲烷和氧氣從而組成了堿性燃燒電池，試寫出有關(guān)電極反應(yīng)式，并說明溶液PH變動(dòng)情況。[解析]負(fù)極(Pt-CH4):CH4–8e-+10OH-=CO32-+7H2O 正極(Pt-O2):2O2+8e-+4H2O=8OH-電池總反應(yīng):CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O(將兩電極反應(yīng)式相加即得總反應(yīng)式)聯(lián)想到甲烷的燃燒的氧化產(chǎn)物是CO2,而在KOH溶液中不可能存在CO2,CO2會(huì)與KOH作用生成K2CO3和H2O,因此有如上負(fù)極反應(yīng)式?？梢?，電極上放電反應(yīng)后的產(chǎn)物還?？赡芘c電