高中化学原电池和电解池
.wd.高中化学原电池和电解池原电池和电解池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复原反响中电子作定向移动，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、阳两极引起氧化复原反响的过程叫做电解。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：能与电极反响。电源； 电极惰性或非惰性；电解质水溶液或熔化态。反响类型自发的氧化复原反响非自发的氧化复原反响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；电极反响负极：Zn-2e-=Zn2+ 氧化反响正极：2H+2e-=H2复原反响阴极：Cu2+ +2e- = Cu 复原反响阳极：2Cl-2e-=Cl2 氧化反响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响属于放热的氧化复原反响，但区别于一般的氧化复原反响的是，电子转移不是通过氧化剂和复原剂之间的有效碰撞完成的，而是复原剂在负极上失电子发生氧化反响，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复原反响，从而完成复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，使两个电极反响不断进展，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；从化学反响角度看，原电池的原理是氧化复原反响中的复原剂失去的电子经导线传递给氧化剂，使氧化复原反响分别在两个电极上进展。 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，还要求有自发进展的氧化复原反响。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：总反响为自发的氧化复原反响 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复原反响。 原电池正负极判断： 负极发生氧化反响，失去电子；正极发生复原反响，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 电极反响方程式的书写负极：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，那么进展进一步的反响。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，要进一步反响生成碳酸根。 正极：当负极材料能与电解液直接反响时，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响时，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的电池反响产物是H2O和N2 无论是总反响，还是电极反响，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+)，那么电极周围溶液的pH减小增大；反响生成OH-(H+)，那么电极周围溶液的pH增大减小。 溶液：假设总反响的结果是消耗OH-(H+)，那么溶液的pH减小增大；假设总反响的结果是生成OH-(H+)，那么溶液的pH增大减小；假设总反响消耗和生成OH-(H+)的物质的量相等，那么溶液的pH由溶液的酸碱性决定，溶液呈碱性那么pH增大，溶液呈酸性那么pH减小，溶液呈中性那么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,假设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，那么温度为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复原电对作半电池时，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响，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，CuZn原电池可用如下电池符号表示： -Zn(s)Zn2+ (C)Cu2+ (C) Cu(s) + 理论上,任何氧化复原反响都可以设计成原电池，例如反响: Cl2+ 2I- 2Cl- +I2 此反响可分解为两个半电池反响： 负极：2I- I2+ 2e- 氧化反响 正极：C2+2e- 2Cl-复原反响 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外表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，其电极反响如下： 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 以氧的复原反响为阴极过程的腐蚀，称为氧复原腐蚀或吸氧腐蚀。发生吸氧腐蚀的必要条件是金属的电位比氧复原反响的电位低： 氧的阴极复原过程及其过电位 吸氧腐蚀的阴极去极化剂是溶液中溶解的氧。随着腐蚀的进展，氧不断消耗，只有来自空气中的氧进展补充。因此，氧从空气中进入溶液并迁移到阴极外表发生复原反响，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，氧迁移到阴极外表附近； 3 在扩散层范围内，氧在浓度梯度作用下扩散到阴极外表； 4 在阴极外表氧分子发生复原反响，也叫氧的离子化反响。 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外表的传递速度和氧在电极外表上的放电速度。因此，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，那么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，不管氧的传输速度大小，阴极过程将由氧去极化和氢离子去极化两个反响共同组成。 3如果腐蚀金属在溶液中的电位较低，处于活性溶解状态，而氧的传输速度又有限，那么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) 阴极反响产物 以氢气泡逸出，电极外表溶液得到 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，钢铁外表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复原反响是：负极铁：铁被氧化Fe-2e=Fe2+；正极碳：溶液中的H+被复原2H+2e=H2 这样就形成无数的微小原电池。最后氢气在碳的外表放出，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比 较 项 目析氢腐蚀吸氧腐蚀去极化剂性质 带电氢离子，迁移速度和扩散能力都很大中性氧分子，只能靠扩散和对流传输去极化剂浓度浓度大，酸性溶液中H+放电中性或碱性溶液中H2O作去极化剂 浓度不大，其溶解度通常随温度升高和盐浓度增大而减小常用原电池方程式1CuH2SO4Zn原电池 正极： 2H+ + 2e- H2 负极： Zn - 2e- Zn2+ 总反响式： Zn + 2H+ = Zn2+ + H2 2CuFeCl3C原电池 正极： 2Fe3+ + 2e- 2Fe2+ 负极： Cu - 2e- Cu2+ 总反响式： 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+ 总反响式：2Fe + O2 + 2H2O = 2FeOH)2 4氢氧燃料电池中性介质 正极：O2 + 2H2O + 4e- 4OH- 负极：2H2 - 4e- 4H+ 总反响式：2H2 + O2 = 2H2O 5氢氧燃料电池酸性介质 正极：O2 + 4H+ +
