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第六章电化学及胶体
第六章电化学及胶体
第一节原电池原理及应用
考纲要求
1.理解原电池原理。
学会从能量转化,氧化还原反应的过程,电解质溶液内的变化三个不同角度认识原电池这种装置和工作原理。
2.熟练判断原电池的正、负极。
学会利用构成原电池的基本条件,分析解决有关原电池的一系列问题。
3.了解金属的电化学腐蚀及金属保护。
知识回顾
一、原电池
1.概念:
把化学能转化成电能的装置。
2.形成原电池的条件:
①两个活泼性不同的电极;②电解质溶液;③形成闭合回路。
3.原电池的工作原理:
原电池由正负电极和适当的电解池溶液组成。
用导线连接原电池的正负极时,原电池便开始工作。
原电池放电时正负电极反应可表示如下:
负极反应:
负极上发生失电子的反应,即氧化反应:
M—ne-==Mn+
正极反应:
正极发生还原反应,①若电池的负极能直接与电解质反应时,正极反应为:
Nn++ne-==N,②若电池的负极不与电解质反应时,则原电池中其他氧化剂在正极得电子,例如:
O2+4e-+2H2O==4OH-。
4.原电池中电极的判断:
(1)由金属电极活泼性判断:
相对活泼的为负极,相对不活泼的为正极,活泼性强的为负极。
(2)由电子流向判断:
电子流出的一极是负极,电子流入的一极为正极。
(3)由电流方向判断:
负极上发生氧化反应,正极上发生还原反应。
(4)由离子迁移方向判断:
电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
以Cu-Zn(稀H2SO4)原电池为例:
负极电极反应式:
Zn-2e-===Zn2+;正极电极反应式:
2H++2e-===H2↑;电池总反应为:
Zn+2H+===Zn2++H2↑
特别指出,由Al、NaOH溶液、Mg组成的原电池,Al为负极(—):
Al+4OH--3e-==AlO
+2H2O,Mg为正极(+):
2H2O-2e-==2OH-+H2↑,总反应:
2Al+2OH-+2H2O==2AlO
+3H2↑。
同理,由Cu、浓HNO3、Al组成的原电池,铜为负极(—):
Cu-2e-===Cu2+,Al为正极(+):
2NO
+4H++2e-===2NO2↑+2H2O,总反应:
Cu+2NO
+4H+===Cu2++2NO2↑+2H2O
二、化学电源
〈一〉基本原理
1.表示方法:
2.电极反应:
负极:
还原剂-ne-===氧化产物
正极:
氧化剂+ne-===还原产物
3.电池总反应:
氧化剂+还原剂===还原产物+氧化产物
<二>几种常见电池
1.干电池
干电池是用锌制筒型外壳作负极,位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极,在石墨周围填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解液。
主要电极反应是:
负极:
Zn-2e-===Zn2+正极:
2NH4++2e-+2MnO2===2NH3+H2O+Mn2O3
电池总反应式:
Zn+2NH4++2MnO2===Zn2++2NH3+H2O+Mn2O3
2.铅蓄电池
铅蓄电池为充放电电池,具有双重功能。
是用橡胶或微孔塑料制成长方形外壳,正极板上有一层棕褐色PbO2,负极板是海绵状金属铝,两极均浸在一定浓度的硫酸溶液中,两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。
正极为PbO2,负极为Pb,电解质溶液是较浓H2SO4。
放电时的电极反应是:
负极:
Pb+SO42--2e-===PbSO4(氧化反应)
正极:
PbO2+4H++SO42-+2e-===PbSO4+2H2O(还原反应)
充电(作电解池)时的电极反应为:
阳极:
PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO42-
阴极:
PbSO4+2e-===Pb+SO42-
总反应式为:
Pb+PbO2+H2SO4
2PbSO4+2H2O
3.锂电池
用金属锂作负极,石墨作正极,电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酸氯(SOCl2)中组成。
负极:
8Li-8e-===8Li+
正极:
3SOCl2+8e-===SO
+2S+6Cl-
电池反应式为:
3SOCl2+8Li===Li2SO3+2S+6LiCl
4.新型燃料电池
燃料电池是名符其实地把能源中燃料反应的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。
其基本结构为:
〈1〉燃料:
CH4、CO、CxHy、CH3OH、CH3CH2OH等。
〈2〉介质:
a.电解质(水溶液、KOH溶液等);b.熔融盐(K2CO3等);c.固体电解质(传导O2-等);d.质子膜。
氢氧燃料电池正极通入O2,负极通入H2,电解质溶液为KOH溶液。
负极反应式为:
2H2+4OH--4e-===4H2O,正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,
总反应式为2H2+O2===2H2O。
三、金属的电化学腐蚀
1、金属腐蚀是指金属或合金与接触到的物质直接发生化学反应的过程。
金属腐蚀一般分化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。
2、不纯的金属跟电解质溶液接触时,会发生电化学反应,较活泼的金属失去电子被氧化腐蚀,这种腐蚀叫做电化学腐蚀。
3、钢铁在潮湿的空气中,很快就会腐蚀的原因是钢铁表面吸附了一层水膜,溶解了O2,形成无数微小原电池,其基本原理(见图):
有关的电极反应式是负极:
2Fe-4e-===Fe2+,正极:
O2+2H2O+4e-===4OH-。
影响金属腐蚀的因素总的来讲包括金属的本性和介质的两个方面。
4、金属腐蚀快慢的规律
〈1〉电解原理引起的阳极腐蚀>原电池原理引起的负极腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。
〈2〉对同一种金属,腐蚀的快慢:
强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。
〈3〉活泼性不同的两金属,活泼性差别越大,腐蚀越快。
〈4〉对同一种电解质溶液,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快。
〈5〉由于金属表面一般不会遇到酸性较强的溶液,故吸氧腐蚀是金属腐蚀的主要形式;另外,只有在金属活动性顺序表中位于氢前面的金属才可能发生析氢腐蚀,而位于氢之后的金属腐蚀时只能是吸氧腐蚀。
如铁锈的形成、铜绿的形成就属吸氧腐蚀。
铜绿形成的原理是:
负极(Cu):
2Cu-4e-===2Cu2+
正极(杂质):
O2+2H2O+4e-===4OH-
O2+2H2O+2Cu===2Cu(OH)2↓
2Cu(OH)2+CO2===Cu2(OH)2CO3+2H2O
(铜绿)
5、金属腐蚀防护方法
〈1〉基本原理:
根据金属在水溶液中均有如下倾向:
MMn+(aq)+ne-,使被保护的金属M表面富有电子,促使上述平衡向右移动,抑制金属M失去电子被氧化而发生腐蚀。
〈2〉常见的金属腐蚀防护方法:
①改变金属的内部组织机构
②在金属表面覆盖保护层
③电化学保护法(牺牲阳极的阴极保护法,连接电源的负极保护法)
典型例题
【例1】将锌片和铜片用导线连接置于稀H2SO4溶液中,下列各种说法正确的是()
A.电子由正极流向负极
B.溶液的pH值逐渐增大
C.Zn片的质量逐渐增大
D.Zn片和Cu片上同时有气泡放出,则说明Zn不纯
解析:
由于形成原电池,负极Zn-2e-===Zn2+,正极:
2H++2e-===H2↑,正极不断消耗H+,破坏了附近溶液中水的电离平衡,使水不断电离出OH-,因此溶液pH逐渐增大,在原电池中负极对外流出电子,即电子流动方向是由负极流向正极,如Zn片上有气泡,因为Zn中有杂质。
答案:
B、D
M
N
P
A
锌
铜
稀硫酸溶液
B
铜
铁
稀盐酸
C
银
锌
硝酸银溶液
D
锌
铁
硝酸铁溶液
[例2]下图所示装置中,观察到电流计指针偏转,M棒变粗,N棒变细,由此判断下表中所列M、N、P物质,其中可以成立的是()
解析:
该原电池中M棒变粗,N棒变细。
说明原电池反应时N棒溶解作负极,溶液中有金属析出在M棒上。
M棒作正极,A、B选项中,电解质溶液分别为稀H2SO4和稀盐酸,原电池工作时,不会有金属析出,C选项正极反应为Ag++e-===Ag。
符合题意,而D选项正极反应为Fe3++e-===Fe2+,不会有金属析出。
答案:
C
[例题3]有人设计将两根Pt丝做电极插入KOH溶液中,然后在两极上分别通过甲烷和氧气而构成燃烧电池。
该电池中反应的化学方程式为:
CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O,则关于此燃料电池的下列说法错误的是(1个电子所带电量为1.6×10-19C)
()
A.通过甲烷的电极为电池的负极,通过氧气的电极为正极
B.在标准状况下,每消耗5.6LO2,可向外提供约9.6×104C的电量
C.通过甲烷电极的电极反应为:
CH4+10OH--8e-===CO
+7H2O
D.放电一段时间后,溶液的pH值升高
解析:
原电池的正极发生还原反应,负极发生氧化反应。
这里的燃料电池电极反应为:
负极CH4+10OH--8e-===CO32-+7H2O;正极O2+2H2O+4e-===4OH-。
由此可见A、C正确。
由O2~4e-知5.6LO2消耗时可提供电量=
×4×6.02×1023×1.6×10-19=9.6×104C,故B选项也正确。
从原电池总反应可知放电一段时间后由于KOH→K2CO3,故溶液的碱性减弱,pH下降,故D不正确。
答案:
D
[例题4]锂电池是新型高能电池,它以质轻、容量大而受到重视。
目前已经制成多种功能的锂电池。
某种锂电池的总反应可表示为:
Li+MnO2→LiMnO2。
若该电池提供0.5C电量,则消耗正极材料的质量约为(其他损耗忽略不计)()
A.3.5gB.7gC.4.52×10-4gD.43.5g
解析:
正极材料MnO2,则提供0.5C电量时消耗MnO2质量约为
×97=4.52×10-4g
答案:
C
课堂精练
1.下列装置能组成原电池产生电流的是()
答案:
B
2.将Mg、Al两金属片用导线连接后插入NaOH溶液中,则下列说法中正确的是()
A.Mg作负极,Al作正极
B.Al作负极,Mg作正极
C.电子流向为Mg→导线→Al
D.Mg片逐渐溶解,Al片逐渐溶解,Al片表面有气泡产生
解析:
虽然金属性Mg比Al强,但由于以NaOH溶液为电解质溶液时,只有铝能与其自发地反应,所以这种情况下失电子能力Al比Mg强。
因而Al作负极;电子流向为Al→导线→Mg;铝失电子而溶解,H+在镁片表面得电子而生成H2。
答案:
B
3.由铜、锌和稀硫酸组成的原电池工作时,电解质溶液的pH()
A.不变B.先变小后变大
C.逐渐变大D.逐渐变小
解析:
根据原电池工作时的总反应:
Zn+2H+===Zn2++H2↑
只要原电池不断工作,该反应就不断发生,溶液中c(H+)逐渐减小,溶液的pH值将不断增大。
答案:
C
4.有一种燃料电池,一个电极通入空气,另一个电极通入丁烷气,电池的固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体,它在高温下能传导O2-。
下列判断或表达式错误的是
()
A.该电池的正极反应是:
O2+4e-+2H2O===4OH-
B.该电池的负极反应是:
C4H10+13O2-26e-===4CO2+5H2O
C.该电池放电时发生的反应是:
2C4H10+13O2===8CO2+10H2O
D.放电时,固体电解质里的O2-向负极移动
解析:
燃料电池也符合一般原电池的工作原理:
C4H10发生失电子的负极反应;O2在正极上得到电子被还原;根据电性相吸原理,O2-向负极移动。
需特别注意的是,该电池的电解质为固体材料非电解质溶液,因此其正极反应式应为:
O2+4e-===2O2-。
答案:
A
5.实验室用铅蓄电池作电源,电解饱和食盐水制取Cl2(NaCl+H2OCl2↑+H2↑+NaOH),已知铅蓄电池放电时发生如下反应:
(一)Pb+SO
-2e-===PbSO4;(+)PbO2+4H++SO
+2e-===PbSO4+2H2O
若制得0.05molCl2,这时电池内消耗H2SO4的物质的量至少是()
A.0.025molB.0.05molC.0.10molD.0.20mol
解析:
若制得0.050molCl2需转移0.1mole-,由铅蓄电池总反应可知每转移2mole-消耗2molH2SO4。
答案:
C
6.银器皿日久表面逐渐变黑色,这是由于生成硫化银。
有人设计用原电池原理加以除去,其处理方法为:
将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中,再将变黑的银器浸入溶液中,放置一段时间后,黑色会褪去而银不会损失。
试回答:
在此原电池反应中,负极发生的反应为;正极发生的反应为;反应过程中产生臭鸡蛋味的气体,原电池总反应方程式为。
解析:
要善于抓住题示信息。
“黑色褪去而银不会损失”,必然发生变化:
Ag2S→Ag,显然这是原电池的正极反应:
Ag2S+2e-===2Ag+S2-,负极反应应为活泼金属发生氧化反应:
Al-3e-===Al3+,正极生成的S2-和负极生成的Al3+在溶液中发生双水解:
2Al3++3S2-+6H2O===2Al(OH)3↓+3H2S↑,与题意产生臭鸡蛋气味的气体相吻合。
原电池的总反应为上述三个反应式的加合:
3Ag2S+2Al+6H2O===6Ag+2Al(OH)3↓+3H2S↑
答案:
Al-3e-===Al3+Ag2S+2e-===2Ag+S2-
3Ag2S+2Al+6H2O===6Ag+2Al(OH)3↓+3H2S↑
第二节电解原理及其应用
考纲要求
1、掌握电解池的工作原理,构成条件,电极反应。
2、学会分析电解和电镀的方法、思路。
3、了解电解原理的重要应用—电解精炼,氯碱工业。
4、熟练掌握结合原电池原理的有关电化学的计算。
知识回顾
一、电解原理
1、定义:
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。
把电能转变为化学能的装置叫电解池。
2、组成电解池的三个基本条件:
①直流电源;②两个电极(活性或非活性);③电解质溶液。
3、阴、阳极的判断
阴极与电源的负极相连,得到电子,发生还原反应;阳极与电源正极相连,失去电子,发生氧化反应。
4、产物的判断:
阴离子的放电顺序(即还原能力)是:
S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子
阳离子的放电顺序(即氧化能力)是:
Ag+>Cu2+>H+>Fe2+…>Na+>K+
二、铜的电解精炼
粗铜中含有的杂质通常为Zn、Fe、Ni、Ag、Au、C等。
电解时,粗铜与直流电源的正极相连,作阳极,阳极的主要反应为:
Cu-2e-===Cu2+,相伴随的反应有:
Zn+2e-===Zn2+、Fe-2e-===Fe2+。
用纯铜片接直流电源的负极,作阴极,阴极的反应为:
Cu2++2e-===Cu,用CuSO4溶液作电解液。
电解过程中阳极质量减少,阴极质量增加,溶液中CuSO4浓度基本保持不变。
但长时间电解后,电解质溶液必须补充。
比铜活泼的杂质,如:
Zn、Fe、Ni被氧化,以离子的形式进入溶液,留在电解液中。
比铜活泼性差的杂质,如:
C、Ag、Au在阴极溶解,解体后沉积在点解槽底部形成阳极泥。
三、电镀铜
电镀是一种特殊的电解,要求镀件必须作阴极。
阳极、电解质溶液中的放电阳离子、镀层金属都必须是同一种金属元素。
电镀过程中,理论上电解质溶液的浓度保持不变。
电镀时,一般都是用含有镀层金属离子的电解质配成电镀液;把待镀金属制品浸入电镀液中与直流电源的负极相连,作为阴极;而用镀层金属与直流电源正极相连,作为阳极,例如铁制品上镀铜:
阳极反应式为:
Cu-2e-===Cu2+,阴极反应式为Cu2++2e-===Cu。
四、电解饱和食盐水
1、在U型管里装入饱和食盐水,滴入几滴酚酞,用一根铁棒作阴极,一根碳棒作阳极,把湿润的KI淀粉试纸放在阳极附近,接通直流电源。
看到的现象有:
①阳极有刺激性气体产生,该气体能使湿润的KI淀粉试纸变蓝;
②阴极有无色无味气体产生;
③阴极附近溶液变红。
2、阳极反应:
2Cl-—2e-
Cl2↑
阴极反应:
2H++2e-H2↑
电解的化学方程式为:
2NaCl+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑
电解的离子方程式为:
2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑
五、离子交换膜法制烧碱
1、离子交换膜电解槽主要由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成。
2、阳离子交换膜有一种特殊的性质,即它只允许阳离子通过,而阻止阴离子和气体通过。
阳离子交换膜把电解槽分成室和室。
防止,防止。
3、由于粗盐水中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO
等杂质,因此必须经过精制。
精制食盐水经常加入的试剂有:
BaCl2、Na2CO3、NaOH。
其顺序是。
有关离子反应方程式为。
六、电解时电极产物的判断
1、阳极产物判断
首先看电极,如果是活性电极(金属活动顺序表Ag以前),则电极材料失电子,电极被溶解,溶液中的阴离子不能失电子。
如果是惰性电极(Pt、Au、石墨),则要再看溶液中的离子的失电子能力,此时根据阴离子放电顺序加以判断,阴离子放电顺序为S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根>F-。
2、阴极产物的判断
直接根据阳离子放电顺序进行判断,阳离子放电顺序为Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。
3、用惰性电极进行溶液中的电解时各种变化情况简析
类型
电极反应特点
实例
电解
对象
电解质
浓度
PH值
电解质
溶液复原
电解
水型
阴:
2H++2e-===H2↑
阳:
4OH-—4e-===
2H2O+O2↑
总反应:
2H2O
2H2↑(阴)+O2↑(阳)
NaOH
水
增大
增大
水
H2SO4
水
增大
减小
水
Na2SO4
水
增大
不变
水
分解电
解质型
电解质电离出的阴阳离子分别在两极放电
阴:
Cu2++2e-===Cu
阳:
2Cl-—2e-===Cl2↑
总反应:
CuCl2
Cu(阴)+Cl2↑(阳)
HCl
电解质
减小
增大
氯化氢
CuCl2
电解质
减小
--
氯化氢
放H2生碱型
阴极:
H2O放H2生成碱,2H++2e-===H2↑
阳极:
电解质阴离子放电2Cl-—2e-===
Cl2↑
总反应:
2NaOH+2H2O
Cl2↑(阴)
+H2↑+2NaOH(阳)
NaCl
电解质和水
生成新电解质
增大
氯化氢
放O2生酸型
阴极:
电解质阳离子放电,2Cu2++4e-===2Cu
阳极:
H2O放O2生成酸,4OH-—4e-===
2H2O+O2↑
总反应:
2CuSO4+2H2O
2Cu(阴)+2H2SO4+O2↑(阳)
CuSO4
电解质和水
生成新电解质
减小
氧化铜
七、电解产物的计算
1.必须写出两电极的电极反应式,以阴阳两极得失电子数相等为桥梁,对两极产物进行计算。
2.要注意物理与化学两学科间联系,利用Q=I·T,e-=1.60×10-19C,解决理化之间的相关问题。
典型例题
[例题1]pH=a的某电解质溶液中,插入两支惰性电极通直流电一段时间后,溶液的pH>a,则该电解质可能是()
A.NaOHB.H2SO4C.AgNO3D.Na2SO4
解析:
电解NaOH,H2SO4,Na2SO4的溶液,都是电解水,其结果会使溶液浓度增大,增大浓度后,NaOH的c(OH-)增大,所以其pH值增大,A对。
而电解AgNO3,溶液会生成Ag和HNO3,pH值减小。
答案:
A
[例题2]用石墨电极电解饱和CuSO4溶液,一段时间后断开电路,要使溶液恢复到电前的浓度应向其中加入适量的()
A.CuSO4B.H2OC.CuOD.Cu(OH)2
解析:
此题考查电解规律,用惰性电极电解CuSO4溶液,属于放氧生酸的电解类型,在阴极上有Cu析出,阳极上有O2放出,它们的物质的量之比为2:
1。
Cu与O的原子数之比为1:
1,所以应加入CuO可恢复原状态。
答案:
C
[例题3]用惰性电极电解M(NO3)x的水溶液,当阴极上增重ag时,在阳极上同时产生bL氧气(标准状况),从而可知M的相对原子质量为()
A.
B.
C.
D.
解析:
根据电解规律先列出物质间的对应关系式,设M的相对原子质量为Mr。
Mx+~Xe-~
O2
Mr22.4
a
b
所以Mr=
=
答案:
C
[例题4]用惰性电极实现电解,下列说法正确的是()
A.电解稀硫酸,实质上是电解水,故溶液pH不变
B.电解稀NaOH溶液,要消耗OH-,故溶液pH减小
C.电解硫酸钠溶液,在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1:
1
D.电解氯化铜溶液,在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1:
1
解析:
用惰性电极电解稀H2SO4稀NaOH及Na2SO4溶液时,由这些溶液中存在的阴、阳离子及放电顺序知,电解池的阴极上发生的反应都是2H++2e-===H2↑,阳极上的反应都是4OH-—4e-===2H2O+O2↑;在水溶液中水自身微弱电离而建立平衡:
H2OH++OH-,稀硫酸电解时,阳极放电的OH-是由水电离产生的,OH-消耗必产生等物质的
量的H+留在溶液中,反应当NaOH溶液电解时,阴极放电的H+由水电离产生,放电消耗掉H+,水必电离出等物质的量的OH-留在溶液中;Na2SO4溶液电离时阴、阳两极放电的H+、OH-都是由水电离产生的,因而这三种溶液电解,实质都是电水解。
但是,随稀硫酸、稀NaOH溶液中的水被水解,硫酸、NaOH溶液的浓度会逐渐变大,故硫酸溶液pH会减小,NaOH溶液pH会增大,A、B都有错。
另外电解时同一电解池的两极上通过的电子物质的量必相同(电子得失守衡),电解水时,4e-~O2~2H2,阴、阳两极产生的H2、O2
物质的量之比为2:
1,C项也错。
当电解CuCl2溶液时,由于溶液中Cu2+先于H+放电,Cl-先于OH-放电,故电解方程式为:
CuCl2
Cu↓(阴极产物)+Cl2↑(阳极产物),所以阴阳两极产物的物质的量之比为1:
1。
答案:
D
课堂精练
1、下列叙述中不正确的是()
A.电解池的阳极上发生氧化反应,阴极上发生还原反应。
B.原电池跟电解池连接后,电子从电池负极流向电解池阳极
C.电镀时,电镀池里的阳极材料发生氧化反应
D.电解饱和食盐水时,阴极得到氢氧化钠溶液和氢气
解析:
跟电池负极相连的电极为阴极,阴极上发生还原反应,阳极上发生氧化反应。
答案:
B
2、用惰性电极分别电解下列各物质的水溶液一段时间后,向剩余电解质溶液中加入适量水,能使溶液完全恢复到电解前浓度的是()
A.AgNO3B.Na2SO4C.CuCl2D.H2SO4
解析:
电解该物质的溶液相当于电解水时才能符合要求。
答案:
BD
3、用惰性电极电解VLMSO4的水溶液,当阴极上有mg金属析出(阴极上无气体产生)时,阳极上产生xL气体(标准状况)同时溶液的pH值由原来的6.5变为2.0(设电
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- 第六章 电化学及胶体 第六 电化学 胶体