高三化学电化学原理及应用

高三化学电化学原理及应用

★双基知识

1、　原电池、电解池比较

	原电池	电解池
定义	将化学能转变成电能的装置	将电能转变成化学能的装置
装置 举例	稀H2SO4	CuCl2溶液
形成 条件	①活动性不同的两个电极； ②同时插入同一电解质溶液； ③用导线相互连接或直接接触组成闭合回路	①两电极接直流电源 ②两电极同时插入同一电解质溶液 ③用导线相互连接组成配合回路
电极 名称 及判断	负极：电子流出的极或较活泼的金属电极或发生氧化反应的电极。 正极；电子流入的极或较不活泼的金属电极或发生还原反应的电极。	阴极：与电源负极相连的极 阳极：与电源正极相连的极 电极的种类 惰性电极：Pt、Au、石墨等 (依材料分)　活性电极：除Pt、Au、石墨外
反应原理	Zn－2e－=Zn2+　　　 　　　　　　 2H＋+2e－=H2↑	与电源负极相连   发生还原反应   阴极   阳极   发生氧化反应
电极反应	负极：电极本身失电子，发生氧化反应。 正极：电极本身不反应，溶液中的某些离子在正极上获得电子，发生还原反应。 阳离子放电顺(氧化性强弱顺序)： Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞Pb2+＞Sn2+＞Fe2＋＞Zn2+＞H＋＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca2＋＞K＋	阳极：若为惰性电极，则电极本身不反应，溶液中的阴离子失去电子，发生氧化反应 阴离子放电顺序(还原性强弱顺序)：S2―＞ I―＞Br―＞Cl―＞OH―＞含氧酸根 若为活性电极：则电极本身失去电子，发生 氧化反应。 阴极：电极本身不反应，溶液中阳离子在阴 极上获得电子，发生还原反应。
电子流向	负极　　　　　　 正极	电源负极→沿导线→阴极→电解溶液中离子的移动→阳极→沿导线→电源正极

2、金属的腐蚀与防护

（1）　　　 化学腐蚀与电化腐蚀

	化学腐蚀	电化腐蚀
定义	金属或合金直接与具有腐蚀性的化学物质接触发生氧化还原反应而消耗的过程。	不纯金属或合金与电解质溶液接触发生原电池反应而消耗的过程。
本质	无电流	有弱电流
现象	金属被腐蚀	较活泼金属被腐蚀
实例	金属与Cl2、O2等物质直接反应	钢铁在潮湿的空气中被腐蚀

（2）　　　 金属腐蚀的快慢的判断方法

不纯的金属或合金，在潮湿的空气中形成原电池发生电化腐蚀，活泼金属因被腐蚀而损耗，金属腐蚀的快慢与下列两种因素有关：

a、与构成原电池两极的材料有关。两极材料的活动性差别越大、电动势越大、氧化还原反应的速率越快，活泼金属被腐蚀的速率越快。

b、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。一般说来可用来下列原则判断：

电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防护措施的腐蚀

同种金属腐蚀：强电解质＞弱电解质＞非电解质

☆　　 巧思巧解：

1、　电解实例及规律

用惰性电极电解电解质溶液的规律

①电解水型：有含氧酸(如H₂SO₄、HNO₃等)、强碱(NaOH、Ba(OH)₂等)、活泼金属的含氧酸盐（如K₂SO₄、NaNO₃、Na₃PO₄）这三类物质。

②电解电解质型：有无氧酸（除HF外，如HCl、HBr等）、不活泼金属的无氧酸盐（如CuCl₂等）。

③电解质和水均被电解：活泼金属的无氧酸盐(如NaCl等)、不活泼金属的含氧酸(如CuSO₄等)。

2电解应用

（1）　　　 氯碱工业——电解饱和食盐水制取氯气和烧碱

①　　 原理：阳极（用石墨）：2Cl^― －2e^－=Cl₂ ↑　阴极（用Fe）：2 H^＋ + 2e^－= H₂ ↑

总反应：2NaCl + 2 H₂O 2NaOH +H₂↑+Cl₂↑

　　　　　　　　　　　　  （阴极室中）（阳极室中）

②饱和食盐水的精制：电解前应除去食盐溶液中的Ca^2＋、Mg^2＋、SO₄^2―等杂质离子，加入试剂依次为NaOH溶液、BaCl₂溶液、Na₂CO₃溶液、稀盐酸（或将BaCl₂溶液和NaOH溶液的顺序互换）。

③离子交换膜法制烧碱

离子交换膜电解槽主要由阳极（用金属钛网制成，涂有钛、钌等氧化物涂层）、阴极（由碳钢网制成，上面涂有镍涂层）、离子交换膜、电解槽框、导电铜棒等组成。

离子交换膜的特性：只允许阳离子通过，而阻止阴极离子和气体通过。

（2）铜的电解精炼

阳极（用粗铜）：Zn－2e^－= Zn²⁺ 、Fe －2e^－= Fe²⁺、Ni－2e^－= Ni²⁺、Cu－2e^－= Cu^2＋

另外，粗铜中的金、银等金属杂质，因为失去电子能力比Cu弱，难以在阳极失去电子变成阳离子溶解下来，而以阳极泥的形式沉积下来。

阴极（用纯铜）：Cu^2＋ + 2e^－ = Cu

电解质溶液用CuSO₄或CuCl₂溶液。长时间电解后，电解质溶液必须补充。

（3）电镀

电镀是一种特殊的电解，要求镀件必须作阴极，镀层金属作阳极，含镀层金属离子的可溶性盐溶液作电解质溶液（作为电镀液）。电镀时，理论上电解质溶液的浓度保持不变。

（4）电解法冶炼活泼金属

Na、Mg、Al等活泼金属都可用电解它们的熔融盐或氧化物制得。

2NaCl 2Na +Cl₂↑(制Na)　　　MgCl₂Mg +Cl₂↑(制Mg)

 2Al₂O₃4Al+3O₂↑(制Al)

3、电解的计算特点

有关电解的计算通常是求电解后某产物的质量、气体的体积，某元素的化合价以及溶液的pH、物质的量浓度等。解答此类题的方法有两种：一是根椐电解方程式或电极反应式，应用阴、阳两极得失电子守恒进行有关计算。二是用惰性电极进行电解的过程，若电解质的阴、阳离子不同时在两极上放电，则阳离子放电的同时必有H^＋生成，n(H^＋)=n(阳离子)×电荷数；阴离子放电的同时必有OH^―生成，n(OH^―)=n(阴离子)×电荷数。也可利用物质的量相当量的关系(由电子得失守恒得)，如，H₂～Cl₂～1/2O₂～Cu～2Ag～2H^＋～2OH^―。

※　　 例题精析

【例1】(1)美国阿波罗宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池是一种新型的化学电源。氢氧

燃料电池的突出优点是把化学能直接转变为电能，而不经过热能中间形式,且电极反应产生

的水，经过冷凝后又可作为宇航员的饮用水，发生的反应为：2H₂+O₂====2H₂O, 则负极

通的是　　　　，正极通的是　　　　，正、负极两极电极反应式分别为：　　　　　

　　　　　　　　　　　　  ，　　　　　　　　　　　　 。

(2)如把KOH改为稀H₂SO₄作导电物质,则电极反应式　　　　　　　　　　　　  ，

　　　　　　　　　　　  　　。（1）和（2）的电池液不同，反应进行后，其溶液的pH各有何变化？　　　　　　　　　　　  。

　　（3）如把H₂改为CH₄，KOH作导电物质，则电极反应式为：　　　　　　　　　 

　　，　　　　　　　　　　　　　　  。

【例2】右图是电解CuCl₂溶液的装置，其中c、d为石墨电极。

则下列有关的判断正确的是 （　　 ）

A  a为负极、b为正极　　　　　  B　a为阳极、b为阴极

C  电解过程中，d电极质量增加　 D　电解过程中，氯离子浓度不变

答案：

【例1】（1）H₂ ，O₂ ；正极：O₂ +2H₂O +4e^－== 4OH^― ，负极：2H₂ +4OH^― －4e^－==4H₂O

（2）正极：O₂ +2H₂O +4e^－== 4OH^―，负极：2H₂－4e^－= 4H^＋ ；（1）中电池液的pH值将变小，（2）中电池液的pH值将变大。

（3）正极：2O₂ +4H₂O +8e^－== 8OH^―，负极：CH₄ +10OH^― －8e^－==CO₃^2― +7H₂O

【例2】C

【例3】：(1)以镁铝作电极构成原电池，指出电解质溶液是稀硫酸时的负极和正极?写出电极反应式和电池反应式。

　　　　 (2)以镁铝作电极构成原电池，指出电解质溶液是氢氧化钠时的负极和正极?写出电极反应式和电池反应式。

　　　　 (3)以铜铝作电极构成原电池，指出电解质溶液是稀硫酸时的负极和正极?写出电极反应式和电池反应式。

　　　　 (4)以铜铝作电极构成原电池，指出电解质溶液是浓硫酸时的负极和正极?写出电极反应式和电池反应式。