资源描述
原电池及化学电源
【知识网络】
【核心知识梳理】
一、原电池的工作原理及应用
1．概念和反应本质：原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应
2．工作原理——锌铜原电池可用简图表示
总反应离子方程式：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑
(1)电极
①负极：失去电子，发生氧化反应
②正极：得到电子，发生还原反应
(2)电子定向移动方向和电流方向
①电子从负极流出经外电路流入正极
②电流从正极流出经外电路流入负极
(3)离子移动方向
阴离子向负极移动，阳离子向正极移动
3．单液原电池(无盐桥)和双液原电池(有盐桥)对比
名称
单液原电池
双液原电池
装置
相同点
电极名称
负极 (锌片)
正极 (铜片)
电极反应
Zn－2e－===Zn2＋ (氧化反应)
Cu2＋＋2e－===Cu (还原反应)
总反应
Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
电子流向
电子由负极经导线流向正极：由Zn沿导线流向Cu
电流流向
电流由正极经导线流向负极：由Cu沿导线流向Zn
不同点
离子迁移
方向
电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移
Cu2＋移向正极，SO42－移向负极
盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极
能量转化效率
还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，既有化学能转化为电能，又有化学能转化为热能，造成能量损耗
Zn与氧化剂Cu2＋不直接接触，仅有化学能转化为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，持续时间长
【微点拨】
①盐桥的成分：盐桥通常是装有饱和KCl或者NH4NO3琼脂溶胶的U形管，溶液不致流出来，但离子则可以在其中自由移动
②盐桥的作用有三种：a.隔绝正负极反应物，避免直接接触，导致电流不稳定，提高电池效率；b.通过离子的定向移动，构成闭合回路；c.平衡电极区的电荷
③无论是单液原电池装置还是双液原电池装置，电子均不能通过电解质溶液
④自发发生的氧化还原反应并不一定是电极与电解质溶液反应，也可以是电极与溶解的O2等发生反应，如将铁与石墨相连插入食盐水中
4．原电池的构成条件
(1)有自发进行的氧化还原反应
(2)两个活泼性不同的电极
【微点拨】①其中一个相对较活泼，另一个相对较不活泼，如：金属与金属、金属与非金属、非金属与非金属
②燃料电池中两极可同选石墨或铂
(3)电解质溶液或者熔融电解质
(4)电极用导线相连并插入电解液构成闭合回路
5．原电池中正负极的判断方法
(1)根据电极反应或总反应方程式来判断
作还原剂、失电子、化合价升高、发生氧化反应的电极是负极
作氧化剂、得电子、化合价降低、发生还原反应的电极是正极
(2)根据外电路中电子流向或电流方向来判断
电子流出或电流流入的一极负极；电子流入或电流流出的一极正极
(3)根据内电路(电解质溶液中)中离子的迁移方向来判断
阳离子向正极移动；阴离子向负极移动
(4)根据原电池的两电极材料来判断
两种金属(或金属与非金属)组成的电极，若它们都与(或都不与)电解质溶液单独能反应，则较活泼的金属作负极；若只有一种电极与电解质溶液能反应，则能反应的电极作负极
(5)根据电极质量的变化来判断
工作后，X极质量增加，说明溶液中的阳离子在X极放电，X极为正极，X极活泼性弱；反之，X极质量减少，说明X极金属溶解，X极为负极，活动性强
(6)根据电池中的现象来判断：若某电极上有气泡冒出，则是因为析出了H2，说明该电极为正极，活泼性弱
6．原电池原理的应用
(1)加快氧化还原反应的速率：原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互的干扰减小，使反应速率增大。如：在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正负极，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率
(2)比较金属活动性的强弱：原电池中，负极一般是活动性较强的金属，正极一般是活动性较弱的金属(或非金属)
①方法：原电池中，负极一般是活动性较强的金属，正极一般是活动性较弱的金属(或非金属)
②常见规律：电极质量较少，作负极较活泼，有气体生成、电极质量不断增加或不变作正极，较不活泼
如：有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，即可以断定金属活动性：A＞B
(3)设计制作化学电源
①依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原
②选择合适的材料
a．正、负极材料的选择：电极材料必须导电。根据氧化还原反应找出正、负极材料，一般选择活动性较强的金属作为负极(或者在该氧化还原反应中，本身失去电子的材料)；活动性较 弱的金属或可导电的非金属(如石墨等)作为正极
b．电解质溶液的选择：电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如溶解于溶液中的空气)。但如果氧化反应和还原反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子的溶液
如：根据2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋设计电池
①不含盐桥
②含盐桥
(4)用于金属的防护——牺牲阳极法
原理
利用原电池原理，让被保护金属做正极，一种活泼性较强的金属做负极，用导线相连
要求
被保护的金属作正极，活泼性更强的金属作负极
实例
要保护一个钢闸门，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极
二、常见化学电源及工作原理
1．一次电池：一次电池就是放电之后不可再充电的电池。随着使用，一次电池中能发生氧化还原反应的物质被消耗，当这些物质消耗到一定程度时，电池就不能继续使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。常见的一次电池有锌锰干电池、锌银电池
(1)碱性锌锰干电池
结构
碱性锌锰电池是一种常用的一次电池，其负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液
电极反应
负极反应
Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极反应
2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
总反应
Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2
特点
比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电
(2)锌银电池
电极反应
负极反应
Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极反应
Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
总反应
Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag
特点
比能量大、电压稳定、储存时间长
(3)锂电池
构成
Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器，该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2
电极反应
总反应
4Li＋2SOCl2===4LiCl＋SO2↑＋S
负极反应
4Li－4e－===4Li＋
正极反应
2SOCl2＋4e－===SO2↑＋S＋4Cl－
2．二次电池
二次电池又称可充电电池或蓄电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又可以逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时期内循环进行。充电电池中能量的转化关系是：
化学能电能，常见的二次电池有铅蓄电池、镉镍电池、锂离子电池等蓄电池等
(1)铅酸蓄电池
结构
铅酸蓄电池是由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2，负极板覆盖有Pb，稀硫酸作电解质溶液
电极反应
总反应
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)
负极
Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)
正极
PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)
特点
常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全
【微点拨】
①可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应
②放电时的负极反应和充电时的阴极反应、放电时的正极反应和充电时的阳极反应在形式上互逆。将负(正)极反应式变方向并将电子移向即得出阴(阳)极反应式
③二次电池充电时原负极必然要发生还原反应(生成原来消耗的物质)，即作阴极，连接外接电源的负极；同理，原正极连接电源的正极，作阳极。简记为：负连负，正连正
④放电总反应和充电总反应在形式上互逆，但不是可逆反应
(2)锂离子电池
电极反应
总反应
LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy
负极
嵌锂石墨(LixCy)：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy
正极
钴酸锂(LiCoO2)：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2
反应过程
放电时，Li＋从石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中，充电时，Li＋从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间完成化学能与电能的相互转化
3．燃料电池
燃料电池的工作原理
燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。燃料电池工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出，于是电池就连续不断地提供电能
燃料电池示意图
特点
①清洁、安全、高效
②燃料电池的利用率高、能量转化率高，能量转化率达到80%以上
③与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供，这时电池起着类似试管、烧杯等反应器的作用
(1)氢氧燃料电池用Pt作电极，不断充入燃料(H2)和氧化剂(O2)，分别在两极发生氧化反应和还原反应，电池总反应式是2H2＋O2===2H2O。氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应：
介质
负极反应式
正极反应式
酸性
2H2－4e－===4H＋
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
中性
2H2－4e－===4H＋
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
碱性
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
(2)理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体，且能量转化率超过80%，由燃料电池组合成的发电站被誉为“绿色发电站”
三、原电池电极反应式的书写方法
1．电极反应遵循的三个守恒
观察铅蓄电池的正、负极电极反应
负极反应
Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)
正极反应
PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)
总反应
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)
规律
任何一个电极反应等号左、右两边一定遵循：得失电子守恒、电荷守恒、原子守恒
(1)得失电子守恒
①失电子电荷数为＋n；得电子电荷数为—n
②元素的化合价每升高一价，则元素的原子就会失去一个电子
③元素的化合价每降低一价，则元素的原子就会得到一个电子
(2)电荷守恒：电极反应左、右两边的正电荷和负电荷数相等
(3)原子守恒(质量守恒)：电极反应左、右两边同种原子的原子个数一定相等
2．电极反应的书写方法
(1)拆分法：针对比较简单的原电池可以采取拆分法，先确定原电池的正、负极，列出正、负极上反应的物质，并标出相同数目电子的得失
a．写出原电池的总反应，如2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
b．把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应，注明正、负极，并依据质量守恒、电荷守恒及电子得失守恒配平两个半反应：
正极：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
负极：Cu－2e－===Cu2＋
【微点拨】注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存，则电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式中
Al——Mg (稀盐酸)
总反应
Mg＋2H＋===Mg2＋＋H2↑
负极反应
Mg－2e－===Mg2＋
正极反应
2H＋＋2e－===H2↑
Cu——Ag (硝酸银溶液)
总反应
Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag
负极反应
Cu－2e－===Cu2＋
正极反应
2Ag＋＋2e－===2Ag
(2)加减法：正、负极反应相加得到电池反应的离子方程式。反之，若能写出已知电池的总反应的离子方程式，可以减去较易写出的电极反应式，从而得到较难写出的电极反应式
复杂电极反应式===总反应式—简单的电极反应式
a．写出总反应，如Li＋LiMn2O4===Li2Mn2O4
b．写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极)，如
负极：Li－e－===Li＋
c．利用总反应式与上述的一极反应式相减，即得另一个电极的反应式，即
正极：LiMn2O4＋Li＋＋e－===Li2Mn2O4
Al——Cu (稀硝酸)
总反应
Al＋4H＋＋NO===Al3＋＋NO↑＋2H2O
负极反应
Al－3e－===Al3＋
正极反应
4H＋＋NO＋3e－===NO↑＋2H2O
Al——Cu (浓硝酸)
总反应
Cu＋4H＋＋2NO===Cu2＋＋2NO2↑＋2H2O
负极反应
Cu－2e－===Cu2＋
正极反应
4H＋＋2NO＋2e－===2NO2↑＋2H2O
Al——Mg (NaOH溶液)
总反应
2Al＋2H2O＋2OH－===2AlO2－＋3H2↑
负极反应
2Al－6e－＋8OH－===2AlO2－＋4H2O
正极反应
6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－
铅蓄电池
总反应
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)＋2H2O(l)
负极反应
Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)
正极反应
PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)
(3)“三步法”书写电极反应——按顺序书写：以“甲醇——氧气——KOH溶液”为例
以“甲醇——氧气——KOH溶液”为例
第一步：得失电子守恒
失电子电荷数为＋m；得电子电荷数为－n
负极的甲醇在碱性环境中变成CO 32－失去6个电子，写成－6e－；正极的O2到底是变成了OH－还是H2O，一定是得到4个电子，写成＋4e－，此步称之为得、失电子守恒
负极反应：CH3OH－6e－— CO32－；
正极反应：O2＋4e－—；
第二步：电荷守恒
此时负极反应左边的电荷数为＋6，右边的电荷数为－2，电荷显然不守恒，为了使左、右两边电荷守恒必需在左边配8个OH－；正极反应的左边电荷数为－4，右边的电荷数为0，为了使左、右两边电荷守恒必需在右边配4个OH－，此步称之为电荷守恒
负极反应：CH3OH—6e—＋8OH－—CO32－；
正极反应：O2＋4e－—4OH－；
第三步：原子守恒
观察负极反应左、右两边的原子个数，C守恒，H、O不守恒，需在右边配6 个H2O；而正极反应H、O不守恒，需在左边配2个H2O，此步称之为原子守恒
负极反应：CH3OH—6e－＋8OH－＋6H2O===CO32－；
正极反应：O2＋4e－＋2H2O===4OH－；
【微点拨】
①该法书写电极是各写各的电极，因此正负极电子数可能不相等，所以最后再用最小公倍数写出总方程式
②若为酸性介质，先补H+，另一边补H2O；若为碱性介质，先补OH—，另一边补H2O
③有机物中化合价处理方法：“氧－2，氢＋1，最后算碳化合价”，并且要注意溶液环境与产物之间的反应，碱性环境下，C元素最终产物应为CO32－
④水溶液中不能出现O2－；碱性溶液反应物、生成物中均无H+；酸性溶液反应物、生成物中均无OH－，中性溶液反应物中无H+ 和OH－
电池类型
导电介质
反应式
氢、氧燃料电池
酸性介质
(H＋)
总反应
2H2＋O2===2H2O
负极反应
2H2－4e－===4H＋
正极反应
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
氢、氧燃料电池
碱性介质
(OH－)
总反应
2H2＋O2===2H2O
负极反应
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
正极反应
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
甲烷(CH4)燃料电池
酸性介质
(H＋)
总反应
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
负极反应
CH4－8e－＋2H2O===8H＋＋CO2
正极反应
2O2＋8H＋＋8e－===4H2O
乙烷(C2H6)燃料电池
碱性介质
(OH－)
总反应
2C2H6＋7O2＋8OH－===4CO＋10H2O
负极反应
2C2H6－28e－＋36OH－===4CO＋24H2O
正极反应
7O2＋14H2O＋28e－===28OH－
丙烷(C3H8)燃料电池
熔融碳酸盐
(CO)
总反应
C3H8＋5O2===3CO2＋4H2O
负极反应
C3H8－20e－＋10CO===13CO2＋4H2O
正极反应
5O2＋10CO2＋20e－===10CO
甲醇(CH3OH)燃料电池
固态氧化物
(O2－)
总反应
2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O
负极反应
2CH3OH－12e－＋6O2－===2CO2＋4H2O
正极反应
3O2＋12e－===6O2－
乙醇(C2H5OH)燃料电池
碱性介质
(OH－)
总反应
C2H5OH＋3O2＋4OH－===2CO＋5H2O
负极反应
C2H5OH－12e－＋16OH－===2CO＋11H2O
正极反应
3O2＋6H2O＋12e－===12OH－
CO燃料电池
固态氧化物
(O2－)
总反应
2CO＋O2===2CO2
负极反应
2CO－4e－＋2O2－===2CO2
正极反应
O2＋4e－===2O2－
肼(N2H4)燃料电池
(生成氮气和水)
碱性介质
(OH－)
总反应
N2H4＋O2===N2＋2H2O
负极反应
N2H4－4e－＋4OH－===4H2O＋N2
正极反应
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
氨气燃料电池
(生成无污染的气体)
碱性介质
(OH－)
总反应
4NH3＋3O2===2N2＋6H2O
负极反应
4NH3－12e－＋12OH－===12H2O＋2N2
正极反应
3O2＋12e－＋6H2O===12OH－
3．锂离子电池电极反应式的书写
书写技巧:锂离子电池通常都是锂做负极，平衡电荷的也是锂离子，因此可以先写出负极反应(Li－e－===Li＋，至于带x或者C6可以稍加变形加进去即可：LixC6－xe－===xLi＋＋C6)，正极用总反应减去总反应即可
钴酸锂电池
总反应
Li1－xCoO2＋LixC6 LiCoO2＋C6(x＜1)
负极反应
LixC6－xe－===xLi＋＋C6
正极反应
Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2
磷酸铁锂电池
总反应
FePO4＋LiLiFePO4
负极反应
Li－e－===Li＋
正极反应
FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4
锰酸锂电池
总反应
LixC6＋Li3-xNiCoMnO6 C6＋Li3NiCoMnO6
负极反应
LixC6－xe－===xLi＋＋C6
正极反应
Li3-xNiCoMnO6 ＋xe－＋xLi＋===Li3NiCoMnO6
锂钒氧化物电池
总反应
xLi＋LiV3O8===Li1＋xV3O8
负极反应
xLi－xe－=== xLi＋
正极反应
xLi＋＋LiV3O8＋xe－===Li1＋xV3O8
锂－铜
电池
总反应
2Li＋Cu2O＋H2O===2Cu＋2Li＋＋2OH－
负极反应
Li－e－===Li＋
正极反应
Cu2O＋H2O＋2e－===2Cu＋2OH－
4．二次电池(可充电电池)电极反应的书写方法——以铅蓄电池为例
铅蓄电池的工作原理
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)
放电时——原电池
负极
Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s) (氧化反应)
正极
PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l) (还原反应)
充电时——电解池
阴极
PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq) (还原反应)
阳极
PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq) (氧化反应)
规律
①可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应
②放电时的负极反应和充电时的阴极反应、放电时的正极反应和充电时的阳极反应在形式上互逆。将负(正)极反应式变方向并将电子移向即得出阴(阳)极反应式
③二次电池充电时原负极必然要发生还原反应(生成原来消耗的物质)，即作阴极，连接外接电源的负极；同理，原正极连接电源的正极，作阳极。简记为：负连负，正连正
④放电总反应和充电总反应在形式上互逆 (但不是可逆反应)
电解原理及应用
【知识网络】
【核心知识梳理】
一、电解原理及规律
1．电解和电解池
(1)电解：使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程，在此过程中，电能转化为化学能
(2)电解池：把电能转化为化学能的装置，叫做电解池，也叫电解槽
(3)电解池的构成
①与直流电源相连的两个电极：与电源正极相连的电极是阳极，在阳极上发生氧化反应；与电源负极相连的电极是阴极，在阴极上发生还原反应
②电解质溶液(或熔融的电解质)
③形成闭合回路
(4)放电：当离子到达电极时，失去或获得电子，发生氧化或还原反应的过程，称为放电
2．电解池的工作原理——以惰性电极电解CuCl2溶液为例
电极名称和电极反应式
电解过程的三个流向
总反应离子方程式：Cu2＋＋2Cl－Cu＋Cl2↑
①电子流向：电源负极→电解池阴极；电解池的阳极→电源的正极
②离子流向：阳离子→电解池的阴极，阴离子→电解池的阳极
③电流方向：电源正极→电解池阳极→电解质溶液→阴极→负极
3．电极反应式、电解方程式的书写
(1)电极类型：金属活动顺序表中银以前的金属(含银)做电极时，由于金属电极本身可以参与阳极反应，称为金属电极或活性电极(如：Zn、Fe、Cu、Ag等)；金属活动顺序表中银以后的金属或非金属作电极时，称为惰性电极，主要由铂(Pt)、石墨等
(2)电解时电极产物的判断
①阳极产物的判断：阳极吸引的是阴离子，比较阴离子还原性的大小
首先看电极材料，是惰性电极还是活性电极，若阳极材料为活性电极(Fe、Cu)等金属，则阳极反应为电极材
料失去电子，电极被溶解变成离子而进入溶液，溶液中的阴离子不能失电子；若阳极材料为惰性电极(Pt、石
墨)，则根据阴离子的放电顺序来判断：
阳极(阴离子放电顺序)：金属(Au、Pt除外)电极>S2－>SO32－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子
②阴极产物的判断：阴极吸引的是阳离子，比较阳离子氧化性的大小
直接根据阳离子的放电顺序进行判断阳离子放电顺序
Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca2+＞K+
(3)阴、阳极放电后的产物
反应物
阴极金属阳离子(H+)
阳极活性金属电极
S2－
I－
Br－
Cl－
OH－
产物
金属(H2)
金属离子
S
I2
Br2
Cl2
O2、H2O
4．惰性电极电解电解质溶液的情况分析
(1)电解溶质
电解质类型
电极反应式及总反应式
电解质浓度变化
pH
电解质溶
液复原
不活泼金属无氧酸盐，如CuCl2
阳极
2Cl－－2e－===Cl2↑
减小
增大
加入CuCl2
固体
阴极
Cu2＋＋2e－===Cu
总反应式
CuCl2Cu＋Cl2↑
无氧酸，如HCl
阳极
2Cl－－2e－===Cl2↑
减小
增大
通入HCl
气体
阴极
2H＋＋2e－===H2↑
总反应式
2HClH2↑＋Cl2↑
(2)电解溶质和溶剂水，生成H2和碱
电解质
(水溶液)
电极反应式及总反应式
电解质浓度变化
pH
电解质溶
液复原
活泼金属的无氧酸盐
(如NaCl)
阳极
2Cl－－2e－===Cl2↑
生成新
电解质
增大
通入HCl
气体
阴极
2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
总反应式
NaCl＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2NaOH
MgCl2
阳极
2Cl－－2e－===Cl2↑
生成新
电解质
增大
通入HCl
气体
阴极
2H2O＋Mg2＋＋2e－===H2↑＋Mg(OH)2↓
总反应式
MgCl2＋2H2OCl2↑＋H2↑＋Mg(OH)2↓
(3)电解溶质和溶剂水，生成O2和酸
电解质
(水溶液)
电极反应式及总反应式
电解质浓度变化
pH
电解质溶
液复原
不活泼金属的含氧酸盐
(如CuSO4)
阳极
2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
生成新
电解质
减小
加CuO
或CuCO3
阴极
2Cu2＋＋4e－===2Cu
总反应式
2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4
AgNO3
阳极
2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
生成新
电解质
减小
加Ag2O
或Ag2CO3
阴极
4Ag＋＋4e－===4Ag
总反应式
4AgNO3＋2H2O4Ag＋O2↑＋4HNO3
(4)电解溶剂水
电解质类型
电极反应式及总反应式
电解质浓度变化
pH
电解质溶
液复原
含氧酸，如H2SO4
阳极
2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
增大
减小
加水
阴极
4H＋＋4e－===2H2↑
总反应式
2H2O2H2↑＋O2↑
可溶性强碱，如NaOH
阳极
4OH－－4e－===O2↑＋2H2O
增大
增大
加水
阴极
4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－
总反应式
2H2O2H2↑＋O2↑
活泼金属含氧酸盐，如KNO3、Na2SO4
阳极
2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
增大
不变
加水
阴极
4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－
总反应式
2H2O2H2↑＋O2↑
5．活性电极电解电解质溶液的情况分析——用金属电极电解下列电解质溶液
①铜为电极电解“H2SO4溶液
H2SO4溶液
Cu
Cu
×
阳极为Cu，属于活性电极，因此阳极反应应为金属失电子
阳极：Cu－2e－===Cu2＋
阴极：2H＋＋2e－===H2↑
总反应：Cu＋H2SO4CuSO4＋H2↑
②用铜作电极电解ZnSO4溶液
阳极反应
Cu－2e－===Cu2＋
阴极反应
Zn2＋＋2e－===Zn
总反应
Cu＋ZnSO4CuSO4＋ZnSO4
③用铜作电极电解CuSO4溶液
阳极反应
Cu－2e－===Cu2＋
阴极反应
Cu2＋＋2e－===Cu
④用铁作电极电解NaOH溶液
阳极反应
Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2
阴极反应
2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
总反应
Fe＋2H2OFe(OH)2＋H2↑
⑤用Ag作电极电解稀盐酸
阳极反应
2Ag－2e－＋2Cl－===2AgCl
阴极反应
2H＋＋2e－===H2↑
总反应
2Ag＋2HCl2AgCl＋H2↑
⑥以铝材为阳极，电解H2SO4溶液，铝材表面形成氧化膜
阳极反应
2Al－6e－＋3H2O===Al2O3＋6H＋
阴极反应
6H＋＋6e－===3H2↑
总反应
2Al＋3H2OAl2O3＋3H2↑
6．混合溶液——用惰性电极电解CuSO4和NaCl的混合液(CuSO4与NaCl的物质的量为1∶1)，明显分三个阶段，写出三个阶段的阴、阳两极反应式
第一阶段
阳极
2Cl－－2e－===Cl2↑
CuCl2Cu＋Cl2↑
阴极
Cu2＋＋2e－===Cu
第二阶段
阳极
2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
2Cu2＋＋2H2O2Cu＋O2↑＋4H＋
阴极
Cu2＋＋2e－===Cu
第三阶段
阳极
2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
2H2O2H2↑＋O2↑
阴极
2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
三、电解原理的应用
1．氯碱工业——电解饱和食盐水制烧碱、氯气和氢气
阳离子交换膜电解槽
过程
分析
阳极室中电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区H＋放电，破坏了水的电离平衡，使OH－浓度增大，阳极区Cl－放电，使溶液中的c(Cl－)减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na＋通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH－结合，得到浓的NaOH溶液
电极
反应
阳极(钛网(涂有钛、钌等氧化物涂层)
2Cl－－2e－===Cl2↑ (氧化反应)
阴极(碳钢网)
2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ (还原反应)
化学方程式
2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑
离子方程式
2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑
阳离子交换膜的作用
只允许Na＋等阳离子通过，不允许Cl－、OH－等阴离子及气体分子通过，可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合发生爆炸，也能避免氯气与阴极产生的氢氧化钠溶液反应而影响氢氧化钠溶液的产量和质量
2．电镀——应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法，叫做电镀，是一种特殊的电解
电镀原理
电镀时，把镀层金属作阳极，通常把待镀金属(镀件)作阴极，用含有镀层金属离子的溶液作电镀液。在直流电的作用下，阳极金属溶解在溶液中成为阳离子，移向阴极，在阴极获得电子被还原成金属，在镀件表面覆盖上一层均匀光洁而致密的镀层
电镀池的
构成
实例
(铁上镀铜)
阳极反应：Cu－2e—===Cu2+
阴极反应：Cu2+＋2e—===Cu
特点
电镀时，电解质溶液的浓度保持不变；阳极减少的质量和阴极增加的质量相等；阳极失电子总数和阴极得电子总数相等
3．电解精炼铜
原理
电解精炼粗铜时，通常把纯铜作阴极，把粗通板(含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等)作阳极，用CuSO4溶液作电解质溶液，当通以直流电时，作为阳极的粗铜逐渐溶解，在阴极上析出纯铜，这样可得符合电气工业要求的纯度达99.95%～99.98%的铜
装置图
电极反应
阳极(粗铜)
Zn－2e－===Zn2＋、Fe－2e－===Fe2＋、Ni－2e—===Ni2+，Cu－2e－===Cu2＋
阴极(纯铜)
Cu2＋＋2e－===Cu
如何实现除杂？
在精炼池的阳极，含杂质的铜不断溶解，比铜更活泼的Zn、Fe、Ni等也会失去电子，但Ag、Au等金属杂质由于失去电子能力比Cu弱，难以在阳极溶解，它们会以单质的形式沉积在精炼池底，形成“阳极泥”。“阳极泥”经分离后可以得到Ag、Au等贵重金属。在阴极，由于溶液中的Zn2+、Fe2+、Ni2+、H+等离子得到电子的能力均比Cu2+弱，且物质的量浓度均比Cu2+小，所以只有Cu2+在阴极获得电子而析出Cu，这样，在阴极就得到了纯铜。长时间电解后，电解质溶液的Cu2+浓度中有所减小，且引入了Zn2+、Fe2+、Ni2+等杂质，需定时除去杂质
特点
铜的电解精炼时，电解质溶液中的Cu2+浓度中有所减小；阳极减少的质量和阴极增加的质量不相等；阳极失电子总数和阴极得电子总数相等
微点拨
电解精炼中，比需要精炼的金属活泼的杂质溶解，而不比需要精炼的金属活泼的杂质会沉积(如：精炼镍时Cu也会沉积)
4．电冶金——利用电解熔融盐或氧化物的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等
冶炼钠
冶炼镁
冶炼铝
电极反应
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑
阴极：2Na＋＋2e－===2Na
总：2NaCl2Na＋Cl2↑
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑
阴极：Mg2＋＋2e－===Mg
总：MgCl2Mg＋Cl2↑
阳极：6O2－－12e－===3O2↑
阴极：4Al3＋＋12e－===4Al
总：2Al2O34Al＋3O2↑
微点拨
①电解熔融MgCl2冶炼镁，而不能电解熔融MgO冶炼镁，因MgO的熔点很高
②电解熔融Al2O3冶炼铝，而不能电解AlCl3冶炼铝，因AlCl3是共价化合物，其熔融态不导电
金属的腐蚀与防护
【知识网络】
【核心知识梳理】
一、金属的腐蚀
1．概念：金属或合金与周围的气体或液体发生氧化还原反应而引起损耗的现象
2．本质：金属本身失去电子变成阳离子的过程(发生氧化反应)，M－ne－===Mn＋
3．金属腐蚀的类型——根据与金属接触的气体或液体不同，金属腐蚀可分为两类
(1)化学腐蚀：金属和接触到的物质直接发生化学反应而引起的腐蚀，其腐蚀过程没有电流产生
(2)电化学腐蚀——不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应。比较活泼的金属失去电子而被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。电化学腐蚀过程有电流产生
(3)化学腐蚀与电化学腐蚀
类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
概念
金属与其表面接触的一些物质(如O2、Cl2、SO2等)直接反应而引起的腐蚀，如：铁与氯气直接反应而腐蚀，输油、输气的钢管被原油、天然气中的含硫化合物腐蚀等
当不纯的金属与电解质溶液接触时会发生原电池反应，比较活泼的金属发生氧化反应而被腐蚀
本质
金属和非电解质或其它物质相接触直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀
发生原电池反应
特点
腐蚀过程没有电流产生，腐蚀的速率随温度升高而加快
电化学腐蚀过程有微弱电流产生
联系
两者往往同时发生，电化学腐蚀更普遍
4．电化学腐蚀的分类——钢铁的电化学腐蚀
类型
析氢腐蚀(腐蚀过程中不断有氢气放出)
吸氧腐蚀(反应过程吸收氧气)
示意图
条件
水膜酸性较强
水膜酸性很弱或呈中性
电极材料及反应
负极(Fe)
Fe－2e－===Fe2＋
Fe－2e－===Fe2＋
正极(碳)
2H＋＋2e－===H2↑
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
总反应
Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2
4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O
联系
吸氧腐蚀更普遍
【微点拨】
①析氢腐蚀和吸氧腐蚀取决于金属表面电解质溶液的酸碱性，实际情况中以吸氧腐蚀为主
②钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时，负极均是Fe失电子生成Fe2＋，而非Fe3＋
③一般
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