高中化学原电池和电解池

高中化学原电池和电解池

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）。

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“,”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- 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；

（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。

[解题过程]

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°/αnF 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

在酸性较强的溶液中发生电化腐蚀时放出氢气，这种腐蚀叫做析氢腐蚀。在钢铁制品中一般都含有碳。在潮湿空气中，钢铁表面会吸附水汽而形成一层薄薄的水膜。水膜中溶有二氧化碳后就变成一种电解质溶液，使水里的H+增多。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↑

这样就形成无数的微小原电池。最后氢气在碳的表面放出，铁被腐蚀，所以叫析氢腐蚀。

析氢腐蚀定义金属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。

析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较

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

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

2、电解池的组成：

Cu＋Cl2↑

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：

S>I>Br>Cl>OH（水）>NO3>SO4>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+>Ca 2+ > 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。

+

－

2－

－－－－－

2－

－

①HCl（aq）

阳极（Cl－＞OH－）2Cl――2e－＝Cl2↑ 阴极（H＋） 2H＋＋2e－＝H2↑ 总方程式 2HCl②CuCl2（aq）

2＋

＋

电解

H2↑＋Cl2↑

阳极（Cl－＞OH－）2Cl――2e－＝Cl2↑ 阴极（Cu＞H） Cu＋2e＝Cu

总方程式 CuCl2Cu＋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）

2－－―－

阳极（SO4＜OH＝ 4OH―4e＝2H2O＋O2↑ 阴极（H＋） 2H＋＋2e－＝H2↑ 总方程式 2H2O2H2↑＋O2↑ ②NaOH（aq）

阳极（OH－）4OH――4e－＝2H2O＋O2↑ 阴极：（Na＋＜H＋＝ 2H＋＋2e－＝H2↑ 总方程式 2H2O③Na2SO4（aq）

电解

2＋

－

电解

电解

2H2↑＋O2↑

阳极（SO42－＜OH－＝ 4OH――4e－＝2H2O＋O2↑ 阴极：（Na＋＜H＋＝2H＋＋2e－＝H2↑

总方程式 2H2O2H2↑＋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↑

＋

＋

＋

－

电解

总方程式 2NaCl＋2H2O②CuSO4（aq）

2－

－

电解

―

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

－

阳极（SO4＜OH＝ 4OH―4e＝2H2O＋O2↑ 阴极（Cu2＋＞H＋） Cu2＋＋2e－＝Cu 总方程式 2CuSO4＋2H2O

【归纳总结】

（1

）电解的四种类型（惰性电极）：

电解

2Cu＋2H2SO4＋O2↑

（2）电解质溶液浓度复原：加入物质与电解产物的反应必须符合电解方程式生成物的化学计量数。

（3）电解时pH的变化：

电极区域：阴极H+放电产生H2，破坏水的电离平衡云集OH－，阴极区域pH变大；阳极OH－放电产生O2，破坏水的电离平衡云集H+，阳极区域pH变小。

电解质溶液：电解过程中，既产生H2，又产生O2，则原溶液呈酸性的pH变小，原溶液呈碱性的pH变大，原溶液呈中性的pH不变（浓度变大）；电解过程中，无H2和O2产生，pH几乎不变。如电解CuCl2溶液（CuCl2溶液由于Cu水解显酸性），一旦CuCl2全部电解完，pH值会变大，成中性溶液。电解过程中，只产生H2，pH变大。电解过程中，只产生O2，pH变小。

（4）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 2、

阳极（粗铜棒）：Cu－2e＝Cu

阴极（精铜棒）：Cu＋2e＝Cu

电解质溶液：含铜离子的可溶性电解质

2＋

－－

2+

2＋

分析：因为粗铜中含有金、银、锌、铁、镍等杂质，电解时，比铜活泼的锌、铁、镍会在阳极放电形成阳离子进入溶液中，Zn－2e－ = Zn2+ 、Fe－2e－ = Fe2+ 、Ni－2e－ =Ni2+，Fe2+、Zn、Ni不会在阴极析出，最终留存溶液中，所以电解质溶液的浓度、质量、pH均会改变。还原性比铜差的银、金等不能失去电子，它们以单质的形式沉积在电解槽溶液中，成为阳极泥。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＝Cu 阴极（镀件）：Cu2＋＋2e－＝Cu 电镀液：含镀层金属的电解质

－

2+2+

2＋

分析：因为由得失电子数目守恒可知，阳极放电形成的Cu2＋离子和阴极Cu2＋离子放电的量相等，所以电解质溶液的浓度、质量、pH均不会改变。

（1）电镀是电解的应用。电镀是以镀层金属为阳极，待镀金属制品为阴极，含镀层金属离子为电镀液。

（2）电镀过程的特点：牺牲阳极；电镀液的浓度（严格说是镀层金属离子的浓度）保持不变；在电镀的条件下，水电离产生的H+、OH一般不放电。 电解饱和食盐水——氯碱工业

氯碱工业所得的NaOH、Cl 2 、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＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

分析：在饱和食盐水中接通直流电源后，溶液中带负电的OH—和Cl—向阳极移动，由于

电解

Cl—比OH—容易失去电子，在阳极被氧化成氯原子，氯原子结合成氯分子放出；溶液中带正电的Na和H向阴极移动，由于H比Na容易失去电子，在阴极被还原成氢原子，氢原子结合成氢分子放出；在阴极上得到NaOH。

（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。