电化学及应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高三化学总复习,基本理论,电化学,原电池和电解池的比较,原电池,电解池,概,念,能量,转化,借助,氧化还原反应,而产生,电流,的装置,。,借助,电流,引起,氧化还原反应,的装置,化学能,转化为,电能,电能,转化为,化学能,一、原电池,构成原电池的基本条件是什么？,（1）,必须自发进行氧化还原反应,（3）,两个电极必须插入,电解质溶液中,或,熔融,的电解质中,；,（4）,两个电极必须,相连,并形成,闭合回路,。,（2）,必须有,两种活泼性不同的,导电材料,作电极；,把,化学能,转化为,电能,的装置。,原电池正负极的比较,比较项目,正极,负极,电子流动方向,电子流入,电子流出,金属活泼性,相对不活泼,相对活泼,电极反应,N,m+,+ me,-,= N,(,还原反应),M -,ne,-,=,M,n,+,(,氧化反应),电极质量变化,增大或不变,一般：减小,离子移动方向,阳离子,移向该极,阴离子,移向该极,氧化反应,M-,ne,=,M,n,+,产生电流,失,e,-,沿导线转移,还原反应,N,m+,+me,=N,原电池的工作原理,负极,正极,阴离子,阳离子,e,e,综,述,1、负极失电子发生氧化反应；溶液中氧化性较强的微粒在正极上得电子发生还原反应；,2、电子由负极流向正极，电流方向是由正极流到负极（外电路）。,用,Al、Cu,作电极，如何使,Cu,作负极，,Al,作正极？,浓硝酸作电解液,用,Mg、Al,作电极，如何使,Al,作负极，,Mg,作正极？,NaOH,作电解液,思考,原电池原理的应用,(2)比较金属的活泼性；,构建原电池，测出正负极，负极金属活泼性,正极,(3)加快某些化学反应的反应速率；,(1)制做化学电源；,(4)金属腐蚀的原理及金属腐蚀的防护。,金属的电化学腐蚀,（一）金属腐蚀,1.概念：,金属或合金与周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程。,2.金属腐蚀的本质,金属原子失去电子变成阳离子而损耗,3.金属腐蚀的分类：,化学腐蚀和电化学腐蚀,绝大多数金属的腐蚀属于电化学腐蚀,电化学腐蚀通常有析氢腐蚀和吸氧腐蚀,比较项目,化学腐蚀,电化学腐蚀,发生条件,共同点,是否构成原电池,有无电流,实质,化学腐蚀,与,电,化学腐蚀,的比较,电化学,腐蚀,比,化学腐蚀,普遍得多,金属跟接触到的物质直接发生化学反应,不纯金属跟接触的电解质溶液发生原电池反应,无电流,无原电池,构成无数微小原电池,有弱电流,金属被腐蚀,较活泼金属被腐蚀,金属原子失去电子变成阳离子而损耗,钢铁的电化学腐蚀,比较项目,析氢腐蚀,吸氧腐蚀,发生条件,电极反应,负极,正极,总反应,钢铁表面吸附的水膜酸性较強时,Fe - 2e,-,= Fe,2+,2,H,+,+ 2e,-,= H,2,Fe+,2H,+,= Fe,2+,+,H,2,钢铁表面吸附的水膜酸性较弱或呈中性时,Fe - 2e,-,= Fe,2+,O,2,2H,2,O4e,-,=4OH,-,Fe,2+,+2OH,-,=Fe(OH),2,4,Fe(OH),2,+O,2,+2H,2,O=4Fe(OH),3,4,Fe(OH),3,Fe,2,O,3,xH,2,O,(,铁锈),+(3-,x)H,2,O,吸氧,腐蚀,比,析氢,腐蚀,普遍得多,金属的防护,方 法：,1.改变金属的内部组织结构（如制不锈钢）,2.在金属表面覆盖保护层：,（1）在表面刷一层油漆；,（2）在表面涂上机油；,（3）在表面镀一层其他耐腐蚀金属；,（4）在表面烧制搪瓷 ；,（5）使金属表面形成致密的氧化膜 。,3,.,电化学保护法,：,（1）牺牲阳极的阴极保护法,（2）外加电流的阴极保护法,判断金属腐蚀快慢的规律,不纯的金属或合金，在潮湿空气中形成微电池发生电化腐蚀，活泼金属因被腐蚀而损耗，金属腐蚀的快慢与下列二种因素有关：,1）与构成微电池的材料有关，,两极材料的活动性差别越大，电动势越大，氧化还原反应的速度越快，活泼金属被腐蚀的速度就越快；,2）与金属所接触的电解质强弱有关，,活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于在非电解质溶液中的腐蚀，在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中的腐蚀。,一般说来可用下列原则判断：,（电解原理引起的腐蚀）原电池原理引起的腐蚀化学腐蚀有防腐措施的腐蚀,二、常见的化学电池,干电池,电极:,Zn,为负极,碳棒为正极,电解液,：,NH,4,Cl、ZnCl,2,和淀粉糊,另有黑色的,MnO,2,粉末，吸收正极产生的,H,2,，,防止产生极化现象。,电极方程式：,负极(,Zn):,Zn2e,-,Zn,2,正极：2,MnO,2,+ 2NH,4,+,+ 2e,-,= Mn,2,O,3,+ 2NH,3,+H,2,O,银锌电池,Zn,为负极,Ag,2,O,为正极,电解液:,KOH,溶液,电极反应式:,负极:,Zn2OH,2e,-,Zn(OH),2,正极:,Ag,2,OH,2,O2e,-,2Ag2OH,总反应式:,ZnAg,2,OH,2,O2AgZn(OH),2,铅蓄电池,:,电极：,Pb,为负极,PbO,2,为正极.,电解液:,30%的,H,2,SO,4,溶液,电极反应式:,放电时：,为原电池,负极(,Pb,) ：,Pb,SO,4,2,-,2e,-,PbSO,4,正极(,PbO,2,),PbO,2,4H,SO,4,2,2e,-,PbSO,4,2H,2,O,总电池反应:,PbO,2,Pb,2H,2,SO,4,2PbSO,4,2H,2,O,充电时：,为电解池,阴极(,Pb,)：,PbSO,4,2e,-,Pb,SO,4,2,-,阳极(,PbO,2,),PbSO,4,2H,2,O2e,-,PbO,2,4H,SO,4,2,总电解反应:,2,PbSO,4,2H,2,O PbO,2,Pb,2H,2,SO,4,通电,铝空气海水电池,负极：4,Al -12e,-, 4Al,3+,正极：3,O,2,+ 6H,2,0 + 12e,-, 120H,-,电池总反应式为：,4,Al+3O,2,+6H,2,0=4Al,(,OH,),3,1991年，我国首创以铝-空气-海水为材料组成的新型电池，用作航海标志灯以取之不尽的海水为电解质,燃料电池,(1)电极:,Pt,制作的惰性电极,(2)电解质溶液:,KOH,溶液,(4)反应原理:,正极:,2,H,2,+4OH,4e,-,4H,2,O,负极:,O,2,2H,2,O,4e,-,4OH,总反应：,2,H,2,O,2,2H,2,O,电极反应：负极：,CH,4,+ 10OH,-,8e = CO,3,2-,+ 7H,2,O,正极：,O,2,+ 2H,2,O + 4e = 4OH,-,总反应式：,CH,4,+ 2O,2,+ 2KOH = K,2,CO,3,+ 3H,2,O,以甲烷作燃料的燃料电池,电极为金属铂，电解质为,KOH，,在两极分别通入甲烷和氧气。,组成电解池的条件,：,(1)外接直流电源,(2)电极(金属或惰性电极),(3)电解质溶液或熔融的电解质,(4)形成闭合回路,阳极,氧化反应,阴极,还原反应,e,-,e,-,电解池,电解池阴阳极的比较,比较项目,阴极,阳极,与电源连接,接电源负极,接电源正极,电子流动方向,电子流入,电子流出,电极反应,N,m+,+ me,= N,(,还原反应),R,n,ne,= R,M ,ne,=,M,n,+,(,氧化反应),电极质量变化,增大或不变,减小或不变,离子移动方向,阳离子,移向该极,阴离子,移向该极,阳极,阴极,电解池的工作原理,阴离子,阳离子,氧化反应,还原反应,N,m+,+me,-,=N,e,e,R,n,ne,R,4,OH,4e,2H,2,OO,2,非惰性电极：,M-,ne,-,=,M,n,+,（,电极本身溶解）,电子流动方向,电解质溶液,电源负极,电解池阴极,电源正极,电解池阳极,在惰性电极上离子放电顺序：,阴极(与电极材料无关)：,Ag,+,Fe,3+,Cu,2+,H,+,Pb,2+,Fe,2+,Zn,2+,Al,3+,Mg,2+,Na,+,Ca,2+, K,+,得到电子 由易到难,阳极(与电极材料有关)：,在水溶液中,SO,4,2-,，NO,3,-,等不会放电。,金属,S,2-,I,-,Br,-,Cl,-,OH,-,NO,3,-,SO,4,2-,F,-,失去电子由易到难,电极反应,阳极,活泼金属作电极,由电极本身失电子,R,-,ne,=,R,n,+,惰性电极,溶液中较易失电子的,阴离子优先放电,阴极,一定是溶液中易得电子的阳离子优先放电,R,n,+,+,ne,= R,电解时电极产物的判断,R,n,-,-,ne,= R,（,Pt、Au、,石墨）,用惰性电极电解电解质溶液的规律,（1）电解水型,（,NaOH,、H,2,SO,4,、K,2,SO,4,等）的电解,阴极：4,H,+,+ 4e,-,2H,2,阳极：4,OH,-,- 4e,-,O,2,+ 2H,2,O,总反应式： 2,H,2,O 2H,2,+ O,2,电解,（2）分解电解质型,（,HCl,、CuCl,2,等）溶液的电解,阴极：,Cu,2+,+ 2e,-,Cu,阳极：2,Cl,-,- 2e,-,Cl,2,总反应式：,CuCl,2,Cu + Cl,2,电解,（3）放氢生碱型,（,NaCl,、MgBr,2,）,溶液的电解,阴极：4,H,+,+ 4e,-,2H,2,阳极：2,Cl,-,- 2e,-,Cl,2,2,NaCl,+ 2H,2,O 2NaOH +H,2,+Cl,2,电解,（4）放氧生酸型,阴极；2,Cu,2+,+ 4e,-,2Cu,阳极：4,OH,-,- 4e,-,O,2,+ 2H,2,O,（,CuSO,4,、AgNO,3,等）溶液的电解,总反应：2,CuSO,4,+ 2H,2,O 2Cu + O,2,+ 2H,2,SO,4,电解,电解原理的应用,铜的电解精炼,粗铜,纯铜,CuSO,4,溶液,阳极：,粗铜,阴极：,纯铜薄片,电解质溶液：,CuSO,4,溶液（加入一定量的,H,2,SO,4,）,Cu2e,= Cu,2+,比铜活泼的杂质也会同时失去电子而溶解：,Zn2e,= Zn,2+,Fe2e,= Fe,2+,Ni2e,= Ni,2+,比铜不活泼的杂质（,Au、Ag）,不会溶解而从阳极上脱落下来而形成,阳极泥,。,Cu,2+,2e,= Cu,CuSO,4,溶液的浓度基本保持不变。,提炼金、银等贵重金属。,电镀铜,阳极：,铜片,阴极：,待镀铁制品,Cu2e,= Cu,2+,Cu,2+,2e,= Cu,CuSO,4,溶液的浓度保持不变。,实验结果：,在铁制品上镀上了一层铜,利用电解原理在某些金属的表面镀上一薄层其它金属或合金的过程叫,电镀,。,电镀,电镀的目的：,（1）增强防锈抗腐能力；,（2）增加美观和表面硬度。,阳极,镀层金属:,M,ne,M,n,阴极,镀件:,M,n,ne,M,电解液:,含镀层金属阳离子的盐溶液,电镀槽,特点,（1）阳极本身溶解；,（2）电解液浓度保持不变。,离子交换膜法制烧碱,阳极：,钛网（涂有钛、钌等氧化物涂层）,阴极：,碳钢网,只允许阳离子通过，能阻止阴离子和气体通过,将电解槽隔成阴极室和阳极室。,阳离子交换膜：,阳极室放出,Cl,2,；,阴极室放出,H,2,并生成,NaOH,食盐水的精制。,粗盐,泥沙,Ca,2+,、Mg,2+,、Fe,3+,SO,4,2,等杂质,混入产品，导致产品不纯,生成,Mg(OH),2,、Fe(OH),3,等沉淀，堵塞膜孔。,如何除去粗盐水中的杂质？,试剂：,BaCl,2,溶液、,Na,2,CO,3,溶液、,NaOH,溶液、,HCl,溶液,粗盐水,NaOH,BaCl,2,Na,2,CO,3,过滤,适量,HCl,除,Mg,2+,、Fe,3+,除,SO,4,2-,除,Ca,2+,及过量,Ba,2+,滤去泥沙及沉淀,除过量的,OH、CO,3,2,阳离子交换树脂,精盐水,少量,Ca,2+,、Mg,2+,1、,Na,2,CO,3,必须在,BaCl,2,之后,2、加入盐酸在过滤之后,电解法测定阿伏加德罗常数,【例题】,某学生试图用电解法根据电极上析出物质的质量来测定阿佛加德罗常数值，其实验方案的要点为：用直流电电解氯化铜溶液，所用仪器如右图：在电流强度为,I,安培，通电时间为,t,秒钟后，精确测得某电极上析出的铜的质量为,m,克。,试回答：,(1)连接这些仪器的正确顺序为（用图中标注仪器接线,柱,的英文字母表示。下同）,E,接,，,C,接,，,接,F。,实验线路中的电流方向为,C,。,(2),写出,B,电极上发生反应的离子方程式,；,G,试管中淀粉,KI,溶液变化的现象为,；相应的离子方程式是,。,D A B,F B A D E,2,Cl,2e,=Cl,2,变蓝色,Cl,2,+2I,=2Cl,+I,2,(3)为精确测定电极上析出铜的质量，所必需的实验步骤的先后顺序应是,。,（选填下列操作步骤的编号）,称量电解前电极质量,刮下电解后电极上的铜并清洗,用蒸馏水清洗电解后电极,低温烘干电极后称量,低温烘干刮下的铜后称量,再次低温烘干后称量至恒重,(4)已知电子的电量为1.610,-19,库仑。试列出阿佛加德罗常数的计算表达式：,N,A,。,有关电解的计算,原则:,电化学的反应是氧化一还原反应,各电极上转移电子的物质的量相等,无论是单一电池还是串联电解池,均可抓住,电子守恒,计算.,关键:, 电极名称要区分清楚., 电极产物要判断准确., 各产物间量的关系遵循电子得失守恒.,例,用下图装置进行电解实验(,a、b、c、d,均为铂电极),供选择的有4组电解液,要满足下列要求:,工作一段时间后,A,槽,pH,值上升,B,槽的,pH,下降.,b、c,两极上反应的离子的物质的量相等,(1)应选择的电解质是上述四组中的第_组,(2)该组电解过程中各电极上的电极反应为,a,极_,_,b,极_,_,c,极_,_,d,极_,_,(3)当,b,极上析出7.1,g,电解产物时,a,极上析出产物的质量为_,g;,若,B,槽电解质溶液500,mL,，,且忽略电解前后电解液的体积变化，则此时,B,槽中的,H,比电解前增加了_,mol/L.,4,4,H,4e2H,2,4,Cl,4e2Cl,2,4,Ag,4e4Ag,4,OH,4e2H,2,OO,2,0.2,0.4,例：,用两支惰性电极插入1000,mL,CuSO,4,溶液，通电电解，当电解液的,PH,由6.0变为3.0时，下列叙述正确的是,A、,阴极上析出11.2,mL,氢气（标况）,B、,阴极上析出32,mg,铜,C、,阳极和阴极质量都没有变化,D、,阳极上析出5.6,mL,氧气（标况）,BD,例：,按右图装置进行电解（均是惰性电极），已知,A,烧杯中装有500,mL20,的,NaOH,溶液，,B,烧杯中装有500,mL,pH,为6的,CuSO,4,溶液。通电一段时间后，在,b,电极上收集到28,mL,气体（标准状况），则,B,烧杯中溶液,pH,变为（溶液体积变化忽略不计） （ ）,A4 B3,C2 D1,C,例：,将1,L,一定浓度的,CuSO4,溶液，用,a、b,两个石墨,电极电解,，,当,a,极上产生22.4,L,(,标),气体时,，,b,极上只有,固体析出。然后将,a、b,两电板反接，继续通直流电，,b,板上又产生22.4,L(,标)气体，溶液质量共减少227,g。,(1)a,极上产生22.4,L(,标)气体时，,b,极增加的质量；,(2)原溶液的物质的量浓度。,(1)解：2,CuSO,4,+ 2H,2,O =,2Cu,+ 2H,2,SO,4,+,O,2,阳极：,m,O2,=1mol32g/mol=32g；,阴极,增加,：,m,b,=2mol64g/mol,=,128g,；,溶液减少：,m,(1),=160g,(2)电源反接后，,b,为阳极,：先,Cu,放电，后,OH,-,(,水电),放电，,a,为阴极,：先,Cu,2+,放电，后,H,+,(,水电),放电，,可细分为三个阶段：,电镀铜,，此阶段,m,=0,电解硫酸铜溶液,，设有,xmolO,2,生成：,2,CuSO,4,+ 2H,2,O =,2Cu,+ 2H,2,SO,4,+,O,2,2,xmol,2xmol,xmol,此阶段溶液减少：,m=160x,g,电解硫酸溶液，其本质,是水电解,：,2,H,2,O = 2H,2,+ O,2,2ymol 2ymol,ymol,，,溶液减少：,m=36y,g,x+y=1，160+160x+36y=227 ,X=0.25，y=0.75,C,CuSO4,=(2+20.25)mol1L=2.5molL,-1,例5工业上为了处理含有,Cr,2,O,7,2-,酸性工业废水，采用下面的处理,方法，往工业废水中加入适量的,NaCl,，,以铁为电极进行,电解，经过一段时间后，有,Cr(OH),3,和,Fe(OH),3,沉淀生成，,工业废水中铬的含量已低于排放标准, 请回答下面问题：,1. 两极发生的电极反应：,2. 写出,Cr,2,O,7,2-,变为,Cr,3+,的离子方程式：,3工业废水由酸性变为碱性的原因：,4能否改用石墨电极？说明原因。,阳极：,Fe 2e =Fe,2+,阴极：2,H,+,+ 2e = H,2,Cr,2,O,7,2-,+ 6Fe,2+,+ 14H,+,= 2Cr,3+,+ 6 Fe,3+,+ 7H,2,O,H,+,不断放电,Cr,2,O,7,2-,与,Fe,2+,反应中消耗,H,+,打破了水的电离平衡, 使溶液中,OH,-, H,+,不能, 阳极产生,Cl,2,得不到,Fe,2+,，,缺少还原剂, 不能使,Cr,2,O,7,2-,变为,Cr,3+,生成,Cr(OH),3,沉淀而除去,电解一段时间，如何恢原到电解前的溶液,既要考虑“质”又要考虑“量”.,例如:电解,CuSO4,溶液：,抓住溶液的变化,若加入,CuO,、Cu(OH),2,，,均能与,H,2,SO,4,反应生成,CuSO,4,.,CuO,H,2,SO,4,CuSO,4,H,2,O, Cu(OH),2,H,2,SO,4,CuSO,4,2H,2,O,比较、消耗的,H,2,SO,4,、,生成的,CuSO,4,、H,2,O,即可知道:加入1,mol Cu(OH),2,能与1,mol H,2,SO,4,反应能生成1,mol CuSO,4,和2,molH,2,O.,不符合电解时的相关物质的比例.若改加,CuO,，,则很合适.,思考2：,如何确定所加物质的量?(惰性电极),分析：,由于两极上通过的电子数相等,故阴、阳两极产物的物质的量间一定满足确定的关系.因而加入物与其也有一定关系.,例如:,电解含0.4,mol CuSO,4,溶液一段时间后，阳极上生成2.24,L,气体(,S.T.P),则应加入,CuO,多少克？(用惰性电极),解析,O,2, 2CuO,1mol 2mol,0.1mol 0.2mol,m(,CuO,)0.28016(g),故加入16,g,CuO,即能恢复,例用阳极,X,和阴极,Y,电解,Z,的水溶液, 电解一段时间后, 再加入,W,能使溶液恢复到电解前的状态, 符合题意的组是,( ),X,Y,Z,W,A,C,Fe,NaCl,H,2,O,B,Pt,Cu,CuSO,4,CuSO,4,溶液,C,C,C,H,2,SO,4,H,2,O,D,Ag,Fe,AgNO,3,AgNO,3,晶体,C,A、,NaCl,电解后生成,NaOH,再加水后不能恢复电解前的状态,B、,电解,CuSO,4,溶液中的,SO,4,2-,物质的量没变,再加,CuSO,4,也不能恢复,C、,实质是水的电解,再加适量水, 可使,H,2,SO,4,溶液恢复,D、,实质是电镀,AgNO,3,溶液浓度不变, 不需加,AgNO,3,晶体,练习、化学电池在,通讯,、交通及日常生活中有着广泛的应用。,1.,目前常用的镍（,Ni）,镉（,Cd,）,电池，其电池总反应可以表示为：,Cd,2NiO(OH)2H,2,O 2Ni(OH),2,Cd,(OH),2,已知,Ni(OH),2,和,Cd,(OH),2,均难溶于水但能溶于酸，以下说法中正确的是 ( ), 以上反应是可逆反应 以上反应不是可逆反应, 充电时化学能转变为电能 放电时化学能转变为电能,A B C D ,B,练习、熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视。,可用,Li,2,CO,3,和,Na,2,CO,3,的熔融盐混合物作电解质，,CO,为阳极燃气，空气与,CO,2,的混和气为阴极助燃气，制得在650下工作的燃料电池。完成有关的电池反应式：,电池反应式：,阳极反应式：2,CO+2CO,3,2-,4CO,2,+4e,阴极反应式：,，,总电池反应：,。,O,2,2CO,2,4e, 2CO,3,2,2,CO+O,2, 2CO,2,练习、高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：,3,Zn,2K,2,FeO,4,8H,2,O 3Zn(OH),2,2Fe(OH),3,4KOH,，,下列叙述不正确的是,A.,放电时负极反应为：,Zn2,e,2OH,Zn(OH),2,B,充电时阳极反应为：,Fe,OH,3,3,e,5OH,4H,2,O,C.,放电时每转移3,mol,电子，正极有1,molK,2,FeO,4,被氧化,D.,放电时正极附近溶液的碱性增强,C,练习、一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇,Y,2,O,3,的氧化锆,ZrO,2,晶体，在熔融状态下能传导,O,2,。,下列对该燃料电池说法正确的是 （,）,A,在熔融电解质中，,O,2,由负极移向正极,B,电池的总反应是：2,C,4,H,10,13O,2,8CO,2,10H,2,O C,通入空气的一极是正极，电极反应为：,O,2,4,e,2O,2,D,通入丁烷的一极是正极，电极反应为：2,C,4,H,10,26,e,13O,2,4CO,2,5H,2,O,BC,