高中化学选修原电池与电解池讲义及习题含答案.docx

1、1 个性化辅导讲义 讲义编号 学员编号：年级：高二课时数： 学员姓名：辅导科目：化学学科教师： 授课课题 电化学基础 -原电池、电解池 授课时间 及 时段 年 月日 星期时段： 教学目标 1.理解原电池的工作原理，了解组成原电池的条件 2.掌握电极反应和原电池总反应方程式的书写 3.认识化学能与电能的相互转化 教学内容与过程 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：

2、两种不同的导体相连； 电解质溶液：能与电极反应。 能自发的发生氧化还原反应 形成闭合回路 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； 2 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

3、 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）。 2.原电池正负极的判断： 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。 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 。 根据电极变化判断： 氧化反应 负极； 还原反应 正极。 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。 根据电解液内离子移动的方向判断 ：阴离子 移

4、向负极；阳离子 移向正极。 3.电极反应式的书写： 负极：负极材料本身被氧化： 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+ 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 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-8 e-=C032-+7H2O 正极：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-=H

5、2 CuSO4电解质： Cu2+2e-= Cu 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发生还原反应 当电解液为中性或者碱性时， H2O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- 当电解液为酸性时， H+参加反应，产物为 H2O O2+4H+4e-=2H2O 4化学电源新型电池 3 一、一次电池 1、定义：一次电池的活性物质（发生氧化还原反应的物质）消耗到一定程度，就不能使用了一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫干电池常用的有普通的锌锰干电池、碱性锌锰电池、锌汞电池、镁锰干电池等 2、常见的一次电池： （ 1）

6、普通锌锰干电池 锌锰干电池是最常见的化学电源，分酸性碱性两种干电池的外壳（锌）是负极，中间的碳棒是正极，在碳棒的周围是细密的石墨和去极化剂 MnO2的混合物，在混合物周围再装入以 NH4Cl 溶液浸润 ZnCl2， NH4Cl 和淀粉或其他填充物（制成糊状物）为了避免水的蒸发，干电池用蜡封好 干电池在使用时的电极反应为： 负极： Zn 2e =Zn2+ 正极： 2NH4+2e +2MnO2=2NH3+Mn2O3+H2O 总反应： Zn+2MnO2+2NH4+=Mn2O3+2NH3+Zn2+H2O （ 2）碱性锌锰干电池 负极： Zn+2OH 2e =Zn（ OH） 2 正极： 2MnO2+2H

7、2O+2e =2MnOOH+2OH 总反应： Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn（ OH） 2 （ 3）锌银电池 电子手表、液晶显示的计算器或一个小型的助听器等所需电流是微安或毫安级的，它们所用的电池体积很小，有“纽扣”电池之称它们的电极材料是 Ag2O 和 Zn，所以叫锌银电池电极反应和电池反应是： 负极： Zn+2OH 2e =Zn（ OH） 2 正极： Ag2O+H2O+2e =2Ag+2OH 总反应： Zn+Ag2O+H2O=Zn（ OH） 2+2Ag 利用上述化学反应也可以制作大电流的电池，它具有质量轻、体积小等优点这类电池已用于宇航、火箭、潜艇等方面 （ 4）锂二氧化锰

8、非水电解质电池 以锂为负极的非水电解质 电池有几十种，其中性能最好、最有发展前途的是锂一二氧化锰非水电解质电池， 锂 -二氧化锰 电池负极是金属锂，正极活性物质是二氧化锰。电解质是无机盐 高氯酸锂 （ LiClO4），溶于 碳酸丙烯酯 （ PC）和 1、 2-二甲氧基乙烷（ DME）的混合有机溶剂中， 电极反应为： 负极反应： Li e =Li+ 正极反应： MnO2+Li+e =LiMnO2 4 总反应： Li+MnO2=LiMnO2 该种电池的电动势为 2.69V，重量轻、体积小、电压高、比能量大，充电 1000 次后仍能维持其能力的 90%，贮存性能好，已广泛用于电子计算机、手机、无线电

9、设备等 （ 5）铝空气海水电池 1991 年，我国首例以铝空气海水为材料组成的新型电池用作航海标志灯该电池以取之不尽的海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流 工作原理： 负极： 4Al 12e = 4Al3+ 正极： 3O2+6H2O+12 e =12OH 总反应： 4Al+3O2+6H2O = 4Al（ OH） 3 特点：这种海水电池的能量比“干电池”高 20 50 倍 （ 6）高能电池锂电池 该电池是 20 世纪 70 年代研制出的一种高能电池由于锂的相对原子质量很小，所以比容量（单位质量电极材料所能转换的电量）特别大，使 用寿命长，适用于动物体内（如心脏起搏器）因锂的化学性质

10、很活泼，所以其电解质溶液应为非水溶剂如作心脏起搏器的锂碘电池的电极反应式为：负极： 2Li 2e = 2Li+ 正极： I2+2e = 2 I 总反应式为： 2Li+I2 = 2LiI 练习 ：（ 9分）锂锰电池的体积小、性能优良，是常用的一次电池。该电池反应原理如图所示，其中电解质 LiCIO4。溶于混合有机溶剂中， Li+通过电解质迁移入 MnO2晶格中，生成 LiMnO2。 回答下列问题： （ 1）外电路的电流方向是由 _极流向 _极。（填字母） （ 2）电池正极反应式为。 （ 3）是否可用水代替电池中的混合有机溶剂？ _（填“是”或“否”），原因是 _。 （ 4） MnO2可与 KOH

11、 和 KClO3，在高温下反应，生成 K2MnO4，反应的化学方程式为 _。K2MnO4在酸性溶液中歧化，生成 KMnO4和 MnO2的物质的量之比为 _。 二、二次电池 1、定义：二次电池又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生这类电池可以多次重复使用 5 2、常见的二次电池： （ 1）铅蓄电池是最常见的二次电池，它由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有 PbO2，负极板上覆盖有 Pb，电解质是 H2SO4 铅蓄电池放电的电极反应如下： 负极： Pb+SO42 2e =PbSO4（氧化反应） 正极： PbO2+SO42 十 4H+2e =PbSO4+2H2O（还原反 应）

12、 总反应： Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4十 2H2O 铅蓄电池充电的反应是上述反应的逆过程： 阴极： PbSO4+2e =Pb+SO42 （还原反应） 阳极： PbSO4+2H2O 2e =PbO2+SO42 十 4H+（氧化反应） 总反应： 2PbSO4十 2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4 可以把上述反应写成一个可逆反应方程式： Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4十 2H2O 练习： 已知铅蓄电池的工作原理为 Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO4 2H2O，现用如图装置进行电解 (电解液足量 )，测得当 铅蓄电池中转移 0.4 mol 电子时铁电极的质量减少

13、11.2 g。请回答 下列问题。 (1)A 是铅蓄电池的 极，铅蓄电池正极反应式为 ，放电过程中电解液的密度 (填“减小”、“增大”或“不变” )。 (2)Ag 电极的电极反应式是 ，该电极的电极产物共 g。 (3)Cu 电极的电极反应式是 ， CuSO4溶液的浓度 (填“减小”、“增大”或“不变” ) (4)如图表示电解进行过程中某个量 (纵坐标 x)随时间的变化曲线，则 x表示 。 a各 U形管中产生的气体的体积 6 b各 U形管中阳极质量的减少量 c各 U形管中阴极质量的增加量 （ 2）碱性镍镉电池：该电池以 Cd和 NiO（ OH）（氢氧化镍酰）作电极材料， NaOH 作电解质溶液 负

14、极： Cd+2OH 2e =Cd（ OH） 2 正极： 2NiO（ OH） +2H2O+2e =2Ni（ OH） 2+2OH 总反应式为： Cd+2NiO（ OH） +2H2O=Cd（ OH） 2+2Ni（ OH） 2 充电时：阳极发生如下反应 Ni(OH)2 e- + OH- = NiO(OH) + H2O 阴极发生的反应： Cd(OH)2 + 2e-= Cd + 2OH- 总反应为： 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 = 2NiO(OH)+ Cd+ 2 H2O 从上述两种蓄电池的总反应式可看出，铅蓄电池在放电时除消耗电极材料外，同时还消耗电解质硫酸，使溶液中的自由移动的离子浓度减小，内

15、阻增大，导电能力降低而镍镉电池在放电时只消耗水，电解质溶液中自由移动的离子浓度不会有明显变化，内阻几乎不变，导电能力几乎没有变化 练习： 镉镍可充电电池在现代生活中有广泛应用，它的充、放电反应按下式进行： Cd+2NiOOH+ 2H2O Cd（ OH） 2+2Ni（ OH） 2 ，由此判断错误的是：（ ） A放电时， Cd作负极 B放电时， NiO(OH)作负极 C电解质溶液为碱性溶液 D放电时，负极反应为 Cd+2OH- 2e-=Cd(OH)2 （ 3）氢镍可充电池：该电池是近年来开发出来的一种新型可充电池，可连续充、放电 500 次，可以取代会产生镉污染的镍镉电池 负极： H2+2OH 2

16、e =2H2O 正极： 2NiO（ OH） +2H2O+2e =2Ni（ OH） 2+2OH 总反应式为： H2+2NiO（ OH） =2Ni（ OH） 2 练习 ：氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，可以取代会产生隔污染的镉镍电池。氢镍电池的总反应式 H2+NiO(OH) Ni(OH)2，根据此反应式判断，下列叙述中正确的是（ ） A电池放电时，电池负极周围溶液 pH 不断增大 B电池放电时，镍元素被氧化 C电池充电时，氢元素被氧化 D电池放电时， H2是负极 7 三、燃料电池 又称连续电池：一般以天然燃料或其它可燃物质如 H2、 CH4等作为负极反应物质，以 O2作为正极反应物质而形成的燃

17、料电池体积小、质量轻、功率大，是正在研究的新型电池之一 （ 1）氢氧燃料电池主要用于航天领域，是一种高效低污染的新型电池，一般用金属铂（是一种惰性电极，并具有催化活性）或活性炭作电极，用 40%的 KOH 溶液作电解质溶液其电极反应式为： 负极： 2H2+4OH 4e =4H2O 正极： O2+2H2O+4e =4OH 总反应式为： 2H2+O2=2H2O （ 2）甲烷燃料电池用金属铂作电极，用 KOH 溶液作电解质溶液 负极： CH4+10OH 8e =CO3 2 +7H2O 正极： 2O2+4H2O+8e =8OH 总反应式为： CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O （ 3）甲醇

18、燃料电池是最近摩托罗拉公司发明的一种由甲醇和氧气以及强碱作为电解质溶液的新型手机电池，电量是现有镍氢电池或锂电池的 10倍 负极： 2CH4O+16OH 12e =2CO3 2 +12H2O 正极： 3O2+6H2O+12e =12OH 总反应式为： 2CH4O+3O2+4OH =2CO3 2 +6H2O （ 4）固体氧化物燃料电池该电池是美国西屋公司研制开发的，它以固体二 氧化锆氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许 O2 在其间通过 负极： 2H2+2O2- 4e =2H2O 正极： O2+4e =2O2 总反应式为： 2H2+O2 =2H2O 练习： 固体氧化物燃料电池（ SOFC）

19、以固体氧化物作为电解质， O2-可以在其内部自由通过。其工作原理如图所示。下列关于固体燃料电池的有关说法正确的是 A电极 b为电池负极，电极反应式为 O2+4e-=2O2- B固体氧化物的作用是让电子在电池内通过 8 C若 H2作为燃料气，则接触面上发生的反应为 H2+2OH- 4e-=2H+H2O D若 C2H4作为燃料气，则接触面上发生的反应为 C2H4+6O2- 12e-=2CO2+2H2O （ 5）熔融盐燃 料电池： 该电池用 Li2CO3和的 Na2CO3熔融盐混合物作电解质， CO 为阳极燃气，空气与 CO2的混合气为阴极助燃气，制得在 6500C 下工作的燃料电池熔融盐燃料电池具

20、有高的发电效率 负极： 2CO+2CO3 2 4e =4CO2 正极： O2+2CO2+4e =2CO3 2 总反应式为： 2CO+O2=2CO2 5化学腐蚀和电化腐蚀的区别 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 6.吸氧腐蚀和析氢腐蚀的区别 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

21、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 7 金属的防护 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。 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。 电化学保护法 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。 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 8电解池的阴阳极判断： 9 由外电源决定： 阳极：连电源的正极；阴极：连电源的负极； 根据电

22、极反应 :氧化反应 阳极 ；还原反应 阴极 根据阴阳离子移动方向： 阴离子移向 阳极；阳离子移向 阴极， 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 9.电解时电极产物判断： 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- NO3- SO42- CO32-F- 即：活性阳极（金属） 无氧酸根离子 OH- 含氧酸根离子

23、 F- 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 即 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+ Zn2+ Fe2+ Sn2+ Pb2+ (H+) Cu2+ Hg2+ Ag+ 10电解、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 CuCl2电解= Cu Cl2 CuCl2

24、=Cu2+2Cl 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 11电镀铜、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 10 溶液变化 电镀液的浓度不变 溶液中溶质浓度减小 12电解方程式的实例 （用惰性电极电解）： 电解质溶液 阳极反应式 阴

25、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+Cl 2 酸性减弱 Na2SO4 4OH-4e-=2H2O+O2 2H+2e-=H2 2H2O=2H2+O 2 不变 H2SO4 4OH-4e-=2H2O+O2 2H+2e-=H2 2H2O=2H2+O 2 消耗水，酸性增强 NaOH 4OH-4e-=2H2O+O2 2H+2e-=H2 2H2O=2H2+O 2 消耗水，碱性增强 NaCl 2Cl-2e-=Cl2 2H+2e-=H

26、2 2NaCl+2H2O=H2+Cl 2+ 2NaOH H+放电，碱性增强 CuSO4 4OH-4e-=2H2O+O2 Cu2+ +2e-= Cu 2CuSO4+2H2O=2Cu+ O2+2H 2SO4 OH 放电 ,酸性增强 13，以惰性电极电解电解质溶液的规律： 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： 2H2O电解= 2H2 + O 2 ， 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

27、催化作用）。 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 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+Cl 2+2NaOH 公式：电解质 +H2O 碱 + H2 +非金属 放氧生酸型 ：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+2H 2SO4