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原电池、电解池电极反应原理及应用
湖南祁东育贤中学 汤自强
原电池与电解池是每年高考的热点之一，考查要求：
（1）理解原电池原理，熟记金属活动性顺序，了解化学腐蚀与电化腐蚀及一般防腐方法。
（2）了解电解和电镀的基本原理及应用。
科学家预测：燃料电池将是二十一世纪获得电力的重要途径。随地下煤气化制氢以及金属合金贮氢等技术的日趋成熟，燃料电池作为把氢能直接连续转化为电能的高效洁净发电装置，即将大规模全面进入社会，预计到2077年，30%以上的电力将由燃料电池供给。燃料电池的优点：它可将化学能直接转化为电能，可避免中间转换的损失，利用率高，同时还具有以下一些特点：
1、 能保持高发电效率。
2．可将化学能直接 转化成电能。
3． 能 适用的燃料广泛。
4． NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。
第一部分 原电池
一、原电池原理
1、原电池的构造：正负两极材料,电解质（溶液、融熔体或固体）、闭合回路。
2、原电池：因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原电池。
原电池的负极发生氧化反应（失电子），正极发生还原反应（得电子），电子从负极经外电路流向正极，电流方向相反。
二、原电池的正负极的判断
1、根据两极材料与电解质溶液性质判断
在原电池中，一般是相对活泼的金属作负极，相对不活泼的金属或非金属导体作正极（即通常是根据金属活动性顺序表），但也有例外现象，如电解质溶液改变会改变电极的正负极。（相对活泼金属是指在特定环境中易氧化发生反应的金属。）
例1、将Cu片与A1片用导线相连，分别同时插入稀硫酸与浓硝酸中两极所形成的原电池的正负极不同，两极反应不同。
Al-Cu//稀H2SO4 Al能与稀H2SO4反应为负极（为相对活泼金属）
电极反应：负极： 2Al-6e-=2Al3+
正极： 6H++6e-=3H2↑
总反应： 2Al+6H+=3Al3++3H2↑
Al-Cu//稀HNO3（或浓HNO3），因Cu能与稀HNO3和浓HNO3反应（常温下）即为相对活泼金属，Al可发生能化，故Cu为负极。
电极反应 负极： Cu-2e-=Cu2+
正极： 稀HNO3：NO3+4H++3e-=NO↑+2H2O
浓HNO3：2NO3-+4H++2e-=2NO2↑+2H2O
例2：Mg、Al两金属为电极分别在NaOH溶液或稀H2SO4中的两极判断及电极反应
Mg-Al//稀H2SO4，Mg为负极 Al- Mg// NaOH溶液 Al为负极
电极反应：负：Mg-2e-= Mg2+
正：2H++2e-= H2↑总反应：Mg+2H+= Mg2++ H2↑
电极反应: 负：2Al+8OH--6e-=2AlO2-+4H2O
正：6H2O+6e-=6OH-+3H2↑
总反应：2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑
由例2可得：因溶液的酸碱性的区别：即在碱性溶液中OH-参加负极反应，在酸性溶液中H+参加正极反应，在中性或弱碱性溶液中H2O参加正极反应，因电极反应中不能产生H+,且水必须参加正极反应生成OH-。
例3：Zn-Al//浓H2SO4，Zn为负极，Al为正极，因Al可发生钝化反应

电极反应 负：Zn+2e-= Zn2+
正：2H2SO4+2e-=SO2↑+H2O+SO42-
由以上三例可得以下结论：
（1）相同的电极材料在不同的电解质溶液中电极正负不同，又电解质溶液的浓度不同则电极反应不同。
（2）电解质溶液的酸碱性改变会引起电极反应的改变。
2、根据两极现象判断
（1）产生气体
原电池工作时若某极上有气泡产生是H2说明该极为正极。
（2）两极质量变化
电极本身参加反应而质量逐渐减小的为负极。
电极本身不参加反应，则在反应过程中质量不断增加的为正极。
（3）PH变化
析氢和吸氧的电极反应发生后，均能使该电极附近电解质溶液的PH增大，若某电极附近溶液的PH增大了，说明该电极活泼性较弱为正极。
3、根据电流计指针偏向（电流、电子流动方向）判断
指针向连接正极的接线柱方向偏移；在外由路中电子从负极流向正极，电流从正极流向负极。
4、根据电解质溶液中离子移动方向判断：
在内电路中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。
5、可根据原电池与电解池连接方式判断：

三、常见的实用原电池原理分析
1、干电池（属于一次性电池）
（1）结构：锌筒，填满MnO2的石黑，溶有NH4Cl的糊状物。
（2）电极反应：负极：Zn-2e-=Zn2+
正极：2MH4++2e-=2MH3+H2 NH3和H2被Zn2+，MnO2吸收；
MnO2+H2=MnO+H2O Zn2++4NH3=[Zn(NH3)4]2+
2、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
（2）放电反应： 负：Pb-2e-+SO42=PbSO4
正：PbO2+2e-+4H+SO42-=PbSO4+2H2O
充电反应： 阴极：PbSO4-2e-=Pb+SO42-
阳极：PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+4H++SO42-
总反应：Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
铅蓄电池是日常生活中用途较广泛的原电池，一般人都能正常使用。
3、锂电池
（1）结构：锂、石墨、固态碘作电解质
（2）电极反应：负：2Li-2e-=2Li 正：I2+2e-=2I-
总反应：2Li+I2=2LiI
（3）特点：体积小、容量大、电压稳定，能在-56.7℃～71.1℃温度范围内正常工作。
4、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-
总反应：2H2+O2=2H2O
（3）燃料电池反应时不发光、发热；无火焰，而是产生电流。
5、甲烷、甲醇、CO等燃料电池
（1）甲烷燃料电池
酸性电解质溶液（例H2SO4为电解质）中
电极反应：负：CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+,正：2O2+8H++8e-=4H2O
碱性电解质溶液（例NaOH溶液）中

电极反应：负：CH4+10 OH--8e-=CO32-+ 7H2O,
正：2O2+H2O+8e-=8OH-
（2）甲醇燃料电极
酸性电解质：
电极反应：负：2CH3OH+2H2O-2e-=2CO2+12H+
正：3O2+12H++6e-=6H2O
碱性电解质：
电极反应：负：CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O
正：3O2+6H2O+12e-=12OH-
（3）CO燃料电极：
电极的正极通过O2和CO2，负极通入CO，电解质是熔融碳酸盐。
电极反应：负极CO32-+CO-2e-=2CO2；正极：O2+2CO2+4e-=2CO32-
6、氨、肼燃料电极
可以碱性，酸性，熔融碳酸盐或固体氧化物为电解质。
（1）氨燃料电极：负：2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O
正：3/2O2+3H2O+6e-=6OH-
总反应：4NH3(g)+3O2(g)=2N2(g)+6H2O(g)△H=-1266KJ/mol
（2）、肼燃料电池：
在101KPa、25℃时，20-30%的KOH溶液中肼可作一种可燃液体可作火箭燃料。
两极反应：负N2H4＋40H－－4e－＝4H2O＋H2↑
正O2＋2H2O＋4e－＝40H－
总反应：N2H4＋O2＝N2＋2H2O
7、铝、空气燃料电池（海洋上漂浮的航灯）
（1）、结构：铝、空气、海水
（2）、电极反应：负极4Al－12e－＝4Al3＋
正极3O2＋6H2O＋12e－＝120H－
（3）、特点：该电池以取之不尽的海水为电解质溶液，以空气中的O2不断氧化铝。使用方便，价格低廉，其能量比干电池高20-50倍。
第二部分：电解池
一、离子放电的顺序的判断。
1、阳离子在阴极得到电子顺序为：
Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca2＋＞K＋
溶液中的离子浓度大小也可影响放电顺序
2、阴离子放电顺序
S2－＞SO32－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－高价含氧酸根离子＞O22－＞F－
二、电极产物的判断：
1、当电极为惰性电极时应为电解质本身在两极发生氧化还原反应得到的产物。
2、当电极阳极为活泼电极时，阳极本身溶解，溶液中的阳离子在阴极发生还原而析出。
三、用惰性电极电解电解质的规律
1、活泼金属的含氧酸盐或含氧酸及强碱的水溶液为电解质时，实际上是电解水，结果溶液的浓度增大，PH值变化与电解质本身的酸碱性密切相关。
2、较活泼或较不活泼金属的含氧酸盐溶液电解时是电解质溶液中的金属阳离子与水电离出的OH-发生电解生成金属单质和O2，PH值减小。
例：电解CuSO4溶液
阳极：4OH-－4e-＝O2↑＋2H2O 阴极：2Cu2＋＋4e-＝2Cu
总反应2Cu2＋＋2H2O＝2Cu＋O2↑+4H＋
3、活泼金属的无氧酸盐电解时是电解质溶液中的无氧酸根离子和H＋参加电解反应生成H2和非金属单质。PH值增大。
例：电解饱和食盐水
电极反应： 阳极：2Cl-－2e－＝Cl2↑
阴极：2H2O+2e－＝H2↑＋20H-
或：2H＋＋2e－＝H2↑
总反应：2Cl-＋2H2O＝20H-＋H2↑＋Cl2↑
4、较活泼或较不活泼金属的无氧酸盐溶液电解时即为电解质本身发生电解。
倒 ：电解CuCl2溶液
电极反应： 阳极：2Cl-－2e－＝Cl2↑
阴极Cu2＋＋2e＝Cu
总反应：Cu2＋＋2Cl-＝Cu＋Cl2
四、电镀（电解原理的有关应用）
1、形成条件：镀层金属作阳极，镀件作阴极，电镀液中必含镀层金属阳离子。
2、例：电镀铜 电极反应 阳极： Cu－2e－＝Cu2＋
阴极： Cu2＋＋2e－＝Cu
电镀过程中电镀液浓度不变。
精炼铜：粗铜作阳极，精铜作阴极，CuSO4溶液作电解液。
精铜中杂质成分：含Zn、Ni、Fe、Ag、Au等。
电极反应：阳极Zn－2e－＝Zn2＋ Ni－2e－＝Ni2＋
Fe－2e－＝Fe2＋ Cu－2e－＝Cu2＋
阴极Cu2＋＋2e－＝Cu
粗铜中的Ag、Au等较不活泼金属作为阳极泥沉淀。
五、金属的腐蚀与防护。
金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀，其中以电化学腐蚀为主，发生电化学腐蚀是不纯的金属中形成了无数个微小的原电池，有电流产生。
1、吸氧腐蚀：在碱性或中性电解质存在下：
电极反应： 负Fe－2e－＝Fe2＋ 正O2＋4e-＋2H2O＝40H-
总反应：2Fe＋O2＋2H2O＝2Fe(OH)2
4Fe(OH)2＋O2＋2H2O＝4Fe(OH)3
2Fe(OH)3＝Fe2O3＋3H2O
2、析氢腐蚀：在酸性电解质存在下：
电极反应：负Fe－2e－＝Fe2＋ 正2H＋＋2e－＝H2↑
总反应：Fe＋2CO2＋2H2O＝Fe(HCO3)2＋H2↑
Fe(HCO3)2水解经空气氧化、风吹日晒得Fe2O3

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