原电池和电解池知识点总结讲座.docx
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原电池和电解池知识点总结讲座
高考电化学知识点总结
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
①电极:
两种不同的导体相连;
②电解质溶液:
能与电极反应。
③能自发的发生氧化还原反应
④形成闭合回路
①电源;②电极(惰性或非惰性);
③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;
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→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
①①抗金属的电化腐蚀;
②实用电池。
①电解食盐水(氯碱工业);②电镀(镀铜);③电冶(冶炼Na、Mg、Al);④精炼(精铜)。
2原电池正负极的判断:
⑴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。
⑵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。
⑶根据电极变化判断:
氧化反应→负极;还原反应→正极。
⑷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。
⑸根据电解液内离子移动的方向判断:
阴离子→移向负极;氧离子→移向正极。
3电极反应式的书写:
负极:
⑴负极材料本身被氧化:
①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+
②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
⑵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-8e-=C032-+7H2O
正极:
⑴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=H2CuSO4电解质:
Cu2++2e=Cu
⑵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反正还原反应
1当电解液为中性或者碱性时,H2O比参加反应,且产物必为OH-,
如氢氧燃料电池(KOH电解质)O2+2H2O+4e=4OH-
②当电解液为酸性时,H+比参加反应,产物为H2OO2+4O2+4e=2H2O
4.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
5.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
6.金属的防护
⑴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。
⑵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。
⑶电化学保护法
①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。
②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
7.电解液的PH变化:
根据电解产物判断。
“有氢生成碱,有氧生成酸;
8.常见实用电池的种类和特点
⑴干电池(属于一次电池)
①结构:
锌筒、填满MnO2的石墨、溶有NH4Cl的糊状物。
酸性电解质:
②电极反应负极:
Zn-2e-=Zn2+
正极:
2NH4++2e-=2NH3+H2
NH3和H2被Zn2+、MnO2吸收:
MnO2+H2=MnO+H2O,Zn2++4NH3=Zn(NH3)42+
碱性电解质:
(KOH电解质)
电极反应负极:
Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2
正极:
2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+Zn(OH)2
总反应:
Zn+MnO2+2H2O-=2MnOOH+Zn(OH)2
⑵铅蓄电池(属于二次电池、可充电电池)
①结构:
铅板、填满PbO2的铅板、稀H2SO4。
②A.放电反应负极:
Pb-2e-+SO42-=PbSO4原电池
正极:
PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O
B.充电反应阴极:
PbSO4+2e-=Pb+SO42-电解池
阳极:
PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+4H++SO42-
总式:
Pb+PbO2+2H2SO4
2PbSO4+2H2O
注意:
放电和充电是完全相反的过程,放电作原电池,充电作电解池。
电极名称看电子得失,电极反应式的书写要求与离子方程式一样,且加起来应与总反应式相同。
⑶锂电池
①结构:
锂、石墨、固态碘作电解质。
②A电极反应负极:
2Li-2e-=2Li+
正极:
I2+2e-=2I-
总式:
2Li+I2=2LiI
BMnO2做正极时:
负极:
2Li-2e-=2Li+
正极:
MnO2+e-=MnO2-
总Li+MnO2=LiMnO2
锂电池优点:
体积小,无电解液渗漏,电压随放电时间缓慢下降,应用:
心脏起搏器,手机电池,电脑电池。
⑷A.氢氧燃料电池
1结构:
石墨、石墨、KOH溶液。
②电极反应负极:
H2-2e-+2OH-=2H2O
正极:
O2+4e-+2H2O=4OH-
总式:
2H2+O2=2H2O
(反应过程中没有火焰,不是放出光和热,而是产生电流)
注意:
还原剂在负极上反应,氧化剂在正极上反应。
书写电极反应式时必须考虑介质参加反应(先常规后深入)。
若相互反应的物质是溶液,则需要盐桥(内装KCl的琼脂,形成闭合回路)。
B.铝、空气燃料电池以铝—空气—海水电池为能源的新型海水标志灯已研制成功。
这种灯以取之不尽的海水为电解质溶液,靠空气中的氧气使铝不断氧化而源源不断产生电流。
只要把灯放入海水中,数分钟后就会发出耀眼的闪光,其能量比干电池高20~50倍。
电极反应:
铝是负极4Al-12e-==4Al3+;
石墨是正极3O2+6H2O+12e-==12OH-
9.电解池的阴阳极判断:
⑴由外电源决定:
阳极:
连电源的正极;阴极:
连电源的负极;
⑵根据电极反应:
氧化反应→阳极;还原反应→阴极
⑶根据阴阳离子移动方向:
阴离子移向→阳极;阳离子移向→阴极,
⑷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
10.电解时电极产物判断:
⑴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->含氧酸根>F-
⑵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—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+ 11.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 Cu+Cl2 CuCl2==Cu2++2Clˉ 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 12.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 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↑+Cl2↑ 酸性减弱 Na2SO4 4OH--4e-=2H2O+O2↑ 2H++2e-=H2↑ 2H2O=2H2↑+O2↑ 不变 H2SO4 4OH--4e-=2H2O+O2↑ 2H++2e-=H2↑ 2H2O=2H2↑+O2↑ 消耗水,酸性增强 NaOH 4OH--4e-=2H2O+O2↑ 2H++2e-=H2↑ 2H2O=2H2↑+O2↑ 消耗水,碱性增强 NaCl 2Cl--2e-=Cl2↑ 2H++2e-=H2↑ 2NaCl+2H2O=H2↑+Cl2↑+2NaOH H+放电,碱性增强 CuSO4 4OH--4e-=2H2O+O2↑ Cu2++2e-=Cu 2CuSO4+2H2O=2Cu+O2↑+2H2SO4 OHˉ放电,酸性增强 13,以惰性电极电解电解质溶液的规律: ⑴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 2H2↑+O2↑, 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(不是起催化作用)。 ⑵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↑ ⑶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↑+Cl2↑+2NaOH 公式: 电解质+H2O→碱+H2↑+非金属 ⑷放氧省酸型: 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↑+2H2SO4 公式: 电解质+H2O→酸+O2↑+金属 解NaCl溶液: 2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH,溶质、溶剂均发生电解反应,PH增大 14.电解原理的应用 A、电解饱和食盐水(氯碱工业) ⑴反应原理 阳极: 2Cl--2e-==Cl2↑ 阴极: 2H++2e-==H2↑ 总反应: 2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH ⑵设备(阳离子交换膜电解槽) ①组成: 阳极—Ti、阴极—Fe ②阳离子交换膜的作用: 它只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过。 ⑶制烧碱生产过程(离子交换膜法) ①食盐水的精制: 粗盐(含泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-等)→加入NaOH溶液→加入BaCl2溶液→加入Na2CO3溶液→过滤→加入盐酸→加入离子交换剂(NaR) ②电解生产主要过程(见图20-1): NaCl从阳极区加入,H2O从阴极区加入。 阴极H+放电,破坏了水的电离平衡,使OH-浓度增大,OH-和Na+形成NaOH溶液。 B、电解冶炼铝 ⑴原料: (A)、冰晶石: Na3AlF6=3Na++AlF63- (B)、氧化铝: 铝土矿 NaAlO2 Al(OH)3 Al2O3 ⑵原理 阳极2O2--4e-=O2↑ 阴极Al3++3e-=Al 总反应: 4Al3++6O2ˉ 4Al+3O2↑ ⑶设备: 电解槽(阳极C、阴极Fe) 因为阳极材料不断地与生成的氧气反应: C+O2→CO+CO2,故需定时补充。 C、电镀: 用电解的方法在金属表面镀上一层金属或合金的过程。 ⑴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。 电镀锌原理: 阳极Zn-2eˉ=Zn2+ 阴极Zn2++2eˉ=Zn ⑵电镀液的浓度在电镀过程中不发生变化。 ⑶在电镀控制的条件下,水电离出来的H+和OHˉ一般不起反应。 ⑷电镀液中加氨水或NaCN的原因: 使Zn2+离子浓度很小,镀速慢,镀层才能致密、光亮。 D、电解冶炼活泼金属Na、Mg、Al等。 E、电解精炼铜: 粗铜作阳极,精铜作阴极,电解液含有Cu2+。 铜前金属先反应但不析出,铜后金属不反应,形成“阳极泥”。 易错题总结 【1】取一张用饱和的NaCl溶液浸湿的pH试纸,两根铅笔芯作电极,接通直流电源,一段时间后,发现a电极与试纸接触处出现一个双色同心圆,内圈 为白色,外圈呈浅红色。 则下列说法错误的是() A.b电极是阴极B.a电极与电源的正极相连 C.电解过程中水是氧化剂D.b电极附近溶液的pH变小 【错误分析】错选A或B,依据图示,b处出现圆圈,说明b极产生氯气,所以b为阳极与电源正极相连,a为阴极与电源负极相连。 答案: D 【2】右图所示装置I是一种可充电电池,装置II为电解池。 离子交换膜只允许Na 通过,充放电的化学方程式为2Na2S2+NaBr3Na2S4+3NaBr。 闭合开关K时,b极附近先变红色。 下列说法正确的是 A.负极反应为4Na 4e = 4Na B.当有0.01molNa 通过离子交换膜时,b电极上析出标准状况下的气体 112mL C.闭合K后,b电极附近的pH变小 D.闭合K后,a电极上有气体产生 【错误分析】错选C或D,错选C认为b极发生了 2Cl--2e-===Cl2↑,Cl2+H2O=HCl+HClO,错选D是认为a 极发生了2H2O-2e-===H2↑+ 2OH-。 对于电解饱和食盐水原理不清析,阳极电极反应式为: 2Cl--2e-===Cl2↑,阴极电极反应式为: 2H2O-4e-===H2↑+2OH-,活波金属与电源正极相连首先失去电子。 【答案】B 【纠错】本题信息新颖,多数同学被所给的电池反应很不熟悉,习惯写出电极式的同学会因为写不出电极反应式而做不出来。 电源的正极: Br3-+2e-=3Br-电源的负极2S22--2e-=S42-,内电路为Na+移动导电。 由题意可知b极(阴极): 2H2O-2e-===H2↑+2OH-,a 极(阳极): Cu-2e-=Cu2+,所以C,D均错误。 对于B项当有0.01molNa 通过离子交换膜时,说明有内电路通过了0.01mol的电荷,外电路转移的电子也就为0.01mol。 结合b极反应,产生的气体就为0.005mol,体积为112mL。 只有B正确。 【3】燃料电池是燃料(如CO,H2,CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置,电解质溶液是强碱溶液,下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是 A.负极反应式: O2+2H2O+4e==4OH- B.负极反应式: CH4+8OH--8e==CO2+6H2O C.随着放电的进行,溶液的pH值不变 D.放电时溶液中的阴离子向负极移动 【答案】D 负极反应的另一误区是,不考虑介质环境,反应产物与实际不符。 如燃料氧化生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出,它将进一步反应转化成碳酸根。 所以负极反应式为: 由于部分碱液和二氧化碳反应,所以溶液的pH值将减小。 选项C为错误结论。 类似铅蓄电池在放电时,介质为硫酸溶液,所以负极反应式为: 以上还应归纳的: ①在碱性溶液中: 缺氧,应由氢氧根离子提供,剩下转化为水;氧多,应和水结合生成氢氧根离子。 ②在中性溶液中: 缺氧,应由水提供,剩下转化为氢离子;氧多,应和水结合生成氢氧根离子。 ③在酸性溶液中: 缺氧,应由水提供,剩下转化为氢离子;氧多,应和氢离子结合生成水。 总之,溶液的酸碱性变化应是由酸性→中性→碱性或碱性→中性→酸性。 【纠错】不考虑介质环境、离子方程式书写错误 【4】熔融碳酸盐燃料电池的电解质为Li2CO3和Na2CO3的混合物,燃料为CO,氧化剂是含CO2的O2,在工作过程中,电解质熔融液的组成、浓度都不变。 ①负极反应为: ______,②正极反应为: ______,③工作时熔融体中的______向负极移动。 【解析】本题是全新信息给予题,燃料电池用熔融的碳酸盐作电解质,由于思维定势,正极的反应应为溶液中的阳离子得电子,根据同主族元素性质递变,锂离子应比钠离子易得电子,所以得出正极反应: Li++e==Li,错误结论。 实际上题目给了很重要的信息,即电解质熔融液的组成和浓度都不变。 电解水时,水中的氢氧根离子,在负极参加反应被消耗,而在正极反应又生成,保持其浓度不变。 将其迁移到本题,在负极: 一氧化碳和碳酸根离子失电子转化为二氧化碳;在正极: 二氧化碳和氧气得电子转化为碳酸根离子。 本题的另一误区是,在原电池中不知阴、阳离子流向哪一极。 也是由于思维定势,往往认为负极电子多,应该阳离子流向负极。 实际上负极是活泼金属失电子,但电子不是停留在负极,而是由外电路很快流向正极(产生电流,释放电能),阳离子流向正极,在正极放电,生成新物质;相反阴离子将流向阴极。 【纠错】审题注意“电解质熔融液的组成和浓度都不变”的关键信息。 【5】在盛有稀H2SO4的烧杯中放入导线连接的锌片和铜片,下列叙述正确的是() A.正极附近的SO42-离子浓度逐渐增大 B.电子通过导线由铜片流向锌片 C.正极有O2逸出 D.铜片上有H2逸出 【答案】D 【解析】本题符合铜锌原电池的形成条件,原电池工作时,电子由负极(锌)经外电路(导线)流向正极(铜)。 负极锌片: Zn-2e- Zn2+;正极铜片: 2H++2e- H2↑,总反应为: Zn+2H+ Zn2++H2↑,原电池中没有产生O2。 没有参与反应的SO42-离子浓度不会逐渐增大。 【状元纠错】原电池工作时,电子由负极流向正极(电流由正极流向负极)。 不参与电极反应的离子不能定向移动,这种离子在溶液的各个区域浓度基本不变。 【6】如图所示各容器中盛有海水,铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序是() A.④>②>①>③ B.②>①>③>④ C.④>②>③>① D.③>②>④>① 【答案】A 【解析】金属腐蚀在此条件下主要是电化学腐蚀,通常从原电池原理以及电解的原理进行分析。 当铁与比它不活泼的金属连在一起构成原电池时,铁为负极,被腐蚀的速度增大,②>①;当铁与比它活泼的金属连接,构成原电池时,铁是正极,铁被保护,被腐蚀的速度减小,③<①;在电解装置中,铁接电源的正极,铁被腐蚀的速度加快,因此,腐蚀速度④>②>①>③。 【纠错】金属腐蚀快慢的判断: 电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀> 化学腐蚀>有防腐蚀措施的腐蚀; 【7】X、Y、Z、M代表四种金属元素,金属X和Z用导线连接放入稀硫酸中时,X溶解,Z极上有氢气放出;若电解Y2+和Z2+共存的溶液时,Y先析出;又知M2+的氧化性强于Y2+。 则这四种金属的活动性由强到弱的顺序为() A.X>Z>Y>MB.X> Y>Z>MC.M>Z>X>YD.X>Z>M>Y 【答案】A 【解析】金属X和Z用导线连接放入稀H2SO4中,形成原电池,X溶解说明金属活动性X>Z;电解Y2+和Z2+共存的溶液时,Y先析出,则金属活动性Z>Y;离子的氧化性越强,其单质的金属活动性越弱,则金属活动性Y>M,所以正确答案为A。 【纠错】根据原电池原理和电解池原理综合判断,熟悉金属活动顺序表 【8】某学生设计了一个“黑笔写红字”的趣味实验。 滤纸先用氯化钠、无色酚酞的混合液浸湿,然后平铺在一块铂片上,接通电源后,用铅笔在滤纸上写字,会出现红色字迹。 据此,下列叙述正确的是() A.铅笔端作阳极,发生还原反应C.铅笔端有少量的氯气产生 B.铂片端作阴极,发生氧化反应D.a点是负极,b点是正极【答案】D 【解析】本题考查的是电解饱和食盐水实验,电解实验中阳极发生氧化反应,生成氯气,阴极发生还原反应生成氢气,由电极反应式可知,在阴极生成氢氧化钠,出现红色字迹,所以铅笔做阴极,a为电源负极。 【纠错】不熟悉电解原理和电极反应,对反应原理和实验现象不能正确判断。 【9】金属镍有广泛的用途。 粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制备高纯度的镍,下列叙述正确的是()(已知: 氧化性Fe2+<Ni2+<Cu2+) A.阳极发生还原反应,其电极反应式: Ni2++2e-=Ni B.电解过程中,阳极质量的减少与阴极质量的增加相等 C.电解后,溶液中存在的金属阳离子只有Fe2+和Zn2+ D.电解后,电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt 【答案】D 【纠错】对离子的氧化性强弱与放电顺序不能正确一一对应,对电解原理认识模糊。 【10】500mLKNO3和Cu(N03)2的混合溶液中c(NO3-)=6.0mol·L-1,用石墨作电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到22.4L气体(标准状况),假定电解后溶液体积仍为500mL,下列说法正确的是() A.原混合溶液中c(K+)为4mol·L-1 B.上述电解过程中共转移4mol电子 C.电解得到的Cu的物质的量为0.5mol D.电解后溶液中c(H+)为2mol·L-1 【答案】B 【解析】两极反应为: 阴极Cu2++2e-=Cu2H++2e-=H2↑阳极: 4OH--4e-=O2↑+2H2O,两极都收集1mol气体,由阳极得到转移电子为4mol,又知生成1molH2转移电子2mol,根据电子得失守恒: n(Cu2+)=1mo;再通过离子所带电荷的守恒,在500mLKNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中存在关系: 2c(Cu2+)+c(K+)=c(NO
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