原电池的类型及电极反应式书写 解决原电池问题的出发点和基本原则是: ?活泼电极—负极(阳极)—失电子—发生氧化反应 ? ?不活泼电极—正极(阴极)—得电子—发生还原反应 书写电极反应式,注意几点: (1)电极反应是一种离子反应,遵循书写离子反应式的一切规则(如“拆”、“平”); (2)负极失电子所得氧化产物、正极得电子所得还原产物,与溶液的酸碱性有关(如+4 价的 C 在酸 性溶液中以 CO2 形式存在、在碱性溶液中以 CO3 形式存在); 在碱性或中性溶液中它与 H 2 O 结合成 OH ? 。 (3) 溶液中不存在 O 2? ——在酸性溶液中它与 H + 结合成 H 2 O 、 (4)两极反应相加得到总反应,总反应减去负极反应得到正极反应、总反应减去正极反应得到负极反应。 下面是几类常见的原电池。 一. 蓄电池 1. 铅蓄电池 ( Pb| H 2 SO4 ( aq )| PbO2 ) 负极: Pb + SO4 2? 2? ? 2e ? = PbSO4 ↓ 2? 正极: PbO2 + 4 H + + SO4 + 2e ? = PbSO4 ↓ +2 H 2 O 2? 总反应: Pb + PbO2 + 4 H + + 2 SO4 2. “纽扣”电池 ( Zn| OH ? ( aq )| Ag 2 O) = 2 PbSO4 ↓ +2 H 2 O 负极: Zn + 2OH ? ? 2e ? = Zn( OH ) 2 正极: Ag 2 O + H 2 O + 2e ? = Ag + 2OH ? 总反应: Zn + Ag 2 O + H 2 O = Zn( OH ) 2 + 2 Ag 3. 氢镍电池 H 2 | OH ? ( aq )| NiO( OH ) 负极: H 2 + 2OH ? ? 2e ? = 2 H 2 O 正极: 2 NiO( OH ) + H 2 O + 2e ? = 2 Ni ( OH ) 2 + 2OH ? 总反应: H 2 + 2 NiO( OH ) = 2 Ni ( OH ) 2 二. 燃料电池 1. 电解质溶液电池:这类电池的一般构成是“燃料|电解质溶液|O2” (1)酸性电解质溶液电池 [ ] 1 例如:“ H 2 | H 2 PO4 ( aq )| O2 ” 负极: 2 H 2 ? 4e = 4 H + ? ? + 正极: O2 + 4 H + 4e = 2 H 2 O 总反应: 2 H 2 + O2 = 2 H 2 O (2)碱性电解质溶液电池 ? 例如:“ CH 4 | OH ( aq )| O2 ” 负极: CH 4 + 10OH ? ? 4e ? = CO3 正极: 2O2 + 4 H 2 O + 8e ? = 8OH ? 2? + 7 H2 O 总反应: CH 4 + 2OH ? + 2O2 = CO3 2. 离子晶体电池 2? + 3H 2 O 例 1. (2001 年竞赛题)设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是本世纪最富有挑战性的课题之一。 最近有人制造了一种燃料电池,一个电极通入空气,另一电极通入汽油蒸气,电池的电解质是拔杂了 Y2 O3 的 ZrO2 晶体,它在高温下能传导 O 2? 。回答如下问题: (1)以丁烷代表汽油,这个电池放电时发生的化学反应的化学方程式是_________。 (2)这个电池的正极发生的反应是______________,负极发生的反应是_____________,固体电解质 里 O 2? 的移动方向是________________,向外电路释放电子的电极是______________。 (3)人们追求燃料电池氧化汽油而不在燃机里燃烧汽油产生动力的主要原因是 ____________________。 (4) 你认为在 ZrO2 晶体掺杂 Y2 O3 用 Y 3+ 代替晶体里部分的 Zr 4+ 对提高固体电解质的导电能力会起什 么作用?其可能的原因是什么? 答:________________________。 (5)汽油燃料电池最大的障碍是氧化反应不完全,产生________________堵塞电极的气体通道,有人 估计,完全避免这种副反应至少还需 10 年时间,正是新一代化学家的历史使命。 答案:(1) 2C4 H10 + 13O2 = 8CO2 + 10 H 2 O (2) O2 + 52e ? = 26O 2 ? 、 2C4 H10 + 26O 2 ? = 8CO2 + 10 H 2 O、O 2 ? 从正极 13 (阴极) 移向负极 (阳 极)、负极向外电路释放电子。 (3)提高能量的利用率。 (4)在 ZrO2 晶体里掺杂 Y2 O3 用 Y 3+ 代替晶体里部分的 Zr 4+ 后,造成 O 2? 相对“富余”,从而增加了 能自由移动的 O 2? ,这样就提高了固体电解质的导电能力。 2 (5)碳粒。 三. 熔融盐电池 例 2.熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视。可用 Li 2 CO3 和 Na 2 CO3 的熔融盐混合物作 电解质,CO 作阳极燃气,空气与 CO2 的混合气为阴极助燃气,制得在 650℃下工作的燃料电池。完成有 关的电池反应式: 阳极反应式: 2CO + 2CO3 2? → 4CO2 + 4e ? 阴极反应式:_____________________________ 总电池反应式:___________________________ 解析: 原电池的阳极是负极,应是 CO 失电子生成 CO2 ——似乎应是 CO + O 何 而 来 呢 ? 只 能 是 从 CO3 2? 2? ? 2e ? = CO2 ? O 2? 从 中 来 , 故 有 2CO + 2CO3 2? ? 4e ? → 4CO2 ( 或 2CO + 2CO3 2 ? → 4CO2 + 4e ? )。 ? 2? 2? 阴 极 ( 正 极 ) 反 应 式 似 乎 应 是 O2 + 4e → 2O ? 但 O 在 该 条 件 下 不 能 独 立 存 在 : O 2 ? + CO2 → CO32 ? 。所以阴极(正极)反应是: O2 + 2CO2 + 4e ? → 2CO3 2 ? 。 总电池反应式必然是 2CO + O2 = 2CO2 。 用惰性电极电解电解质溶液时的总结 类型 电解 水型 电极反应 特点 阴极: 4H +4 =2H2↑ 阳 极 : 4OH -4e =O2↑ +2H2O 分解 电解 质型 电解质电离出的阴 阳离子分别在两极 放电 — — - 电解质 溶液类别 强碱 实例 电解 对象 水 水 水 电解质 电解质 电解质 浓度 增大 增大 增大 减小 减小 PH 增大 减小 不变 增大 减小 电解质溶 液复原 加水 加水 加水 加氯化氢 加氯化铜 NaOH H2SO4 Na2SO4 HCl CuCl2 + — 含氧酸 活泼金属的含氧 酸盐 无氧酸(除 HF 外)、 不活泼金属的无 氧酸盐(氟化物除 外) 活泼金属的无氧 酸盐(氟化物除 外) 不活泼金属的含 氧酸盐 放氢 生碱 型 放氧 生酸 型 阴:水放 H2 生碱 阳: 电解质阴离子 放电 阴:电解质阳离子 放电 阳:水放 O2 生酸 NaCl 电解质 和水 生成新 电解质 增大 加氯化氢 CuSO4 电解质 和水 生成新 电解质 减小 加氧化铜 3 金 属 的 腐 蚀 与 防 护 腐蚀概念:金属或合金与周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程。 概述: 腐蚀的本质:M-ne-→Mn+(氧化反应) 分类: 化学腐蚀(金属与接触到的物质直接发生化学反应而引起的腐蚀)、电化腐蚀 定义:因发生原电池反应,而使金属腐蚀的形式。 负极(Fe):Fe-2e-=Fe2+; 正极(C):O2+2H2O+4e-=4OH电化 吸氧腐蚀: 总反应:2Fe+O2+2H2O=Fe(OH)2 腐蚀 后继反应:4Fe(OH)2 +O2 +2H2O =4Fe(OH)3 钢铁的腐蚀: 2Fe(OH)3 Fe2O3 +3H2O 2+ 负极(Fe):Fe-2e =Fe ; 析氢腐蚀: 正极(C):2H++2e-=H2↑ 总反应:Fe+2H+=Fe2++H2↑ 影响腐蚀的因素:金属本性、介质。 金属的防护: ①、改变金属的内部组织结构; 保护方法: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) 原电池与电解池比较 原电池 电解池 本质 化学能转化为电能 电能转化为化学能 装置判断 无外加电源 有外加电源 电极判断 负极:还原性较强的极或电子流出的极 阳极:与直流电源正极相连的极 阴极:与直流电源负极相连的极 正极:还原性较弱的极或电子流入的极 电极上的 反应 (1)负极本身或还原剂失去电子发生 氧化反应 (2)正极:溶液中某些阳离子或氧化 剂得到电子 (1)阳极发生氧化反应即阳极金属或溶液 中阴离子失去电子的反应 (2)阴极本身不反应,溶液中的阳离子得 到电子发生还原反应 电子流向 负极→外电路→正极 电源负极→由导线→阴极→由溶液→阳极 →电源正极 电流方向 正极→外电路→负极 4 应用 铅蓄电池 电镀、精炼、冶金 (1)同一原电池的正负极的电极反应得失电子数相等。(2)同一电解池的阳极、阴极电极反应中 得失电子数相等。(3)串联电路中的各个电极反应得失电子数相等。上述三种情况下,在写电极 反应式时得失电子数相等;在计算电解产物的量时,应按得失电子数相等计算。 (2)可逆原电池的充电过程就是电解。 (3)电极名称:不管是原电池还是电解池,只要发生氧化反应的电极就是阳极,只要发生还原反应的 就是阴极。 ①原电池。 A.根据组成原电池两极的材料来判断电极。 两极材料为活泼性不同的金属时,则活泼性相对较强的 一极为负极,另一极为正极。 由一种金属和另一种非金属(除氢外)作电极时,金属为负极,非金属为正极。 B.根据原电池内两极上发生的反应类型或现象来判定电极。 原电池的负极一般为金属,并且负极总是发生氧化反应: ,故负极表现为渐渐溶解,质量减小。由此可判定,凡在原电池工作过程中发生氧化反 应或质量减少的一极为负极;凡发生还原反应或有物质析出的一极为正极。 注意:原电池的电极有两套称谓:负极又可称为阳极,正极又可称为阴极(不要把负极称为阴极;正 极称为阳极)。其中正负极一套称谓是对外电路而言,在物理中常用,阴阳极一套称谓是对内电路而言。 原电池也是作为电源向用电器提供电能的, 所以一般都用外电路的电极名称, 称为正负极而不称为阴阳极。 ②电解池。 A.电解池是在外电源作用下工作的装置。电解池中与电源负极相连的一极为阴极,阳离子在该极接受 电子被还原;与电源正极相连的一极为阳极,阴离子或电极本身(对电镀而言)在该极失去电子被氧化。 B.电解池(或电镀池)中,根据反应现象可推断出电极名称。凡发生氧化的一极必为阳极,凡发生还 原的一极必为阴极。例如用碳棒做两极电解 出 的一极必为阳极 溶液,析出 Cu 的一极必为阴极; 。 放 注意:电解池中,与外电源正极相连的为阳极,与负极相连的为阴极,这一点与原电池的负对阳,正 对阴恰恰相反。 ·电解池的电极常称阴阳极,不称正负极。 ·电镀池是一种特殊的电解池,电极名称的判定同电解池。 4.电解过程中水溶液的 pH 变化 用铂或石墨等惰性电极电解某些物质的水溶液时,溶液的 pH 往往发生变化,其原因主要有两个方面。 其一为电解时溶液的浓度发生变化,如果溶质是酸或碱,则它们浓度的改变使其 pH 也发生变化。其二为 析出电解产物时, 可能引起水的电离平衡移动, 使 消耗,使水的电离平衡向生成 而消耗了 的方向移动,使 或 相对过剩。 一般是自水溶液中析氢气时, 浓度加大,pH 上升。若是析出氧气时,则因 方向移动, 而使 浓度加大, 下降。 pH , 使水电离平衡向生成 这就是电解水溶液时所说的“析氢常伴碱,析氧常伴酸”。 5 常见的电解电极反应方程式总结 1.电解 CuCl2 溶液 . 阳极:2Cl- - 2e- == Cl2↑ 总反应式:2Cl- + Cu2+ 2.电解精炼铜 阳极(粗铜):Cu - 2e- == Cu2+ 总反应式:无 3.电镀铜 阳极(纯铜):Cu - 2e- == Cu2+ 总反应式:无 4.电解饱和食盐水 阳极:2Cl- - 2e- == Cl2↑ 总反应式:2Cl- +2H2O 5.电解 HCl 溶液 阳极:2Cl- - 2e- == Cl2↑ 总反应式:2Cl- + 2H+ 6.电解 NaOH 溶液 阳极:4OH- - 4e- == O2↑ + 2H2O 总反应式:2H2O 7.电解 H2SO4 溶液 阳极:2H2O - 4e- == O2↑ + 4H+ 总反应式:2H2O 2H2↑ + O2↑ 两极的现象:两极都有气泡 2H2 阳极 2H2O-4e-=2H++O2 2。一段时间后,反接电源 阴极:4H+ +4e- == 2H2↑ 2H2↑ + O2↑ 阴极:4H2O + 4e- == 2H2↑ + 4OHCl2↑ + H2↑ 阴极:2H+ + 2e- == H2↑ 阴极:2H2O + 2e- == H2↑ + 2OHH2↑+Cl2↑ +2OH阴极(待镀金属,如 Fe):Cu2+ + 2e- == Cu 阴极 (纯铜) :Cu2+ + 2e- == Cu Cl2↑ + Cu 阴极:Cu2+ + 2e- == Cu 两极的反应:阴极: 4H ++ 4e- = 8.电解 KNO3 溶液 阳极:2H2O - 4e- == O2↑ + 4H+ 总反应式:2H2O 9.电解 CuSO4 溶液 - 3 指出铜是否能置换出氢气:外加电源时可以置换出氢气 阴极:4H2O + 4e- == 2H2↑ + 4OH- 2H2↑ + O2↑ 复原:CuO 阴极:2Cu2+ + 4e- == 2Cu↓ 2Cu↓ + O2↑ + 4H+ 阴极:4Ag+ + 4e- == 4Ag↓ 阳极:2H2O - 4e == O2↑ + 4H+ 总反应式:2Cu2+ + 2H2O 10.电解 AgNO3 溶液 阳极:2H2O - 4e- == O2↑ + 4H+ 总反应式:4Ag+ + 2H2O 4Ag↓ + O2↑ + 4H+ 11:电解 Na2SO4 1。两极的现象:阳极无明显现象 阴极有气泡 两极的反应:阳极 Fe-2e-=Fe2+ 阴极 2H2O+2e-=2OH-+H2 2。一段时间后,反接电源 两极的现象:都有大量气泡 两极的反应:阳极 2H2O-4e-=2H++O2 阴极 4H2O+4e-=2H2+4OH3。