原電池原理

考點聚焦

1.通過進行化學能轉化為電能的探究活動，了解原電池工作原理.

2.能正確書寫原電池的正、負極的電極反應式及電池反應方程式。

知識梳理

 1：組成原電池的條件。

①     有兩種活性不同的金屬（或一種是非金屬導體）。

②     電極材料均插入電解質溶液中。

③     兩電極相連形成閉合電路。

2． 原電池的原理

負極----較活潑的金屬---       電子------發(fā)生     反應

正極----較不活潑的金屬----     電子----發(fā)生     反應

試題枚舉

【例1】下列敘述中正確的是

A．構成原電池正極和負極的材料必須是兩種金屬。

B．由銅、鋅作電極與硫酸銅溶液組成的原電池中銅是負極。

C．馬口鐵（鍍錫鐵）破損時與電解質溶液接觸錫先被腐蝕。

D．銅鋅原電池工作時，若有13克鋅被溶解，電路中就有0.4mol電子通過。

解析： 兩種活動性不同的金屬與電解質溶液能夠組成原電池，但不能因此說構成原電池電極的材料一定都是金屬，例如鋅和石墨電極也能跟電解質溶液組成原電池。在原電池中，活動金屬中的電子流向不活動的電極，因此活動金屬是負極。鍍錫鐵表皮破損后與電解質溶液組成原電池，鐵較錫活潑，鐵先失電子被腐蝕。銅鋅原電池工作時，鋅負極失電子，電極反應為Zn ?2e==Zn²⁺，1molZn失去2mol電子,0.2mol鋅（質量為13克）被溶解電路中有0.4mol電子通過。故選D。

答案：D

【例2】把A、B、C、D四塊金屬泡在稀H₂SO₄中，用導線兩兩相連可以組成各種原電池。若A、B相連時，A為負極；C、D相連，D上有氣泡逸出；A、C相連時A極減輕；B、D相連，B為正極。則四種金屬的活潑性順序由大到小排列為

A．A＞B＞C＞D       B．A＞C＞B＞D    C．A＞C＞D＞B       D．B＞D＞C＞A                    

解析：金屬組成原電池，相對活潑金屬失去電子作負極，相對不活潑金屬作正極。負極被氧化質量減輕，正極上發(fā)生還原反應，有物質析出，由題意得活潑性　　　A＞B、A＞C、C＞D 、D＞B，故正確答案為B。

答案：B

【例3】電子計算機所用鈕扣電池的兩極材料為鋅和氧化銀，電解質溶液為KOH溶液，其電極反應是： Zn + 2 OH^- -2e＝ZnO + H₂O             Ag₂O +H₂O + 2e＝2Ag +2 OH^- 

下列判斷正確的是

A．鋅為正極，Ag₂O為負極。 B．鋅為負極，Ag₂O為正極。

C．原電池工作時，負極區(qū)溶液PH減小。 D．原電池工作時，負極區(qū)溶液PH增大。

解析：本題考查原電池和PH的概念。

原電池中失去電子的極為負極，所以鋅為負極，Ag₂O為正極。B是正確答案。因為            Zn + 2 OH^- -2e＝ZnO + H₂O ，負極區(qū)域溶液中[OH^-] 不斷減少，故PH減小，所以C也正確。故選B、C。

答案：BC

【變式】化學電池在通訊、交通及日常生活中有著廣泛的應用。

(1)目前常用的鎳（Ni）鎘（Cd）電池，其電池總反應可以表示為：Cd+2NiO(OH)+2H₂O

   2Ni(OH)₂+Cd(OH)₂已知Ni(OH)₂和Cd(OH)₂均難溶于水但能溶于酸，

以下說法中正確的是 

①以上反應是可逆反應    ②以上反應不是可逆反應

③充電時化學能轉變?yōu)殡娔?nbsp;                           ④放電時化學能轉變?yōu)殡娔?/p>

A．①③                         B．②④                   C．①④                  D．②③

(2)．廢棄的鎳鎘電池已成為重要的環(huán)境污染物，有資料表明一節(jié)廢鎳鎘電池可以使一平方米面積的耕地失去使用價值。在酸性土壤中這種污染尤為嚴重。這是因為            

                                                                        。

(3)．另一種常用的電池是鋰電池（鋰是一種堿金屬元素，其相對原子質量為7），由于它的比容量（單位質量電極材料所能轉換的電量）特別大而廣泛應用于心臟起搏器，一般使用時間可長達十年。它的負極用金屬鋰制成，電池總反應可表示為：Li+MnO₂→LiMnO₂試回答：鋰電池比容量特別大的原因是                                 。鋰電池中的電解質溶液需用非水溶劑配制，為什么這種電池不能使用電解質的水溶液？請用化學方程式表示其原因                                                 。

答案：（1）B  （2）Ni(OH)₂和Cd(OH)₂能溶于酸性溶液。

（3）鋰的摩爾質量�。�2Li+2H₂O→2LiOH+H₂↑

  電解池原理

考點聚焦

1.通過電能轉變?yōu)榛瘜W能的探究活動，了解電解池工作原理，能正確書寫電解池的陰、陽極的電極反應式及電解反應方程式。

2.知道電解在氯堿工業(yè)、精煉銅、電鍍、電冶金等方面的應用。認識電能轉化為化學能的實際意義。

知識梳理

1．原電池和電解池的比較：

裝置

原電池

電解池

實例

原理

形成條件

①電極：兩種不同的導體相連；

②電解質溶液：能與電極反應。

①電源；

②電極（惰性或非惰性）；

③電解質（水溶液或熔化態(tài)）。

反應類型

自發(fā)的氧化還原反應

非自發(fā)的氧化還原反應

電極名稱

由電極本身性質決定：

正極：材料性質較不活潑的電極；

負極：材料性質較活潑的電極。

由外電源決定：

陽極：連電源的正極；

陰極：連電源的負極；

電極反應

負極：Zn-2e^-=Zn²⁺   （氧化反應）

正極：2H⁺+2e^-=H₂↑（還原反應）

陰極：Cu²⁺ +2e^- = Cu  （還原反應）

陽極：2Cl^--2e^-=Cl₂↑   （氧化反應）

電子流向

電流方向

能量轉化

應用

①抗金屬的電化腐蝕；

②實用電池。

①電解食鹽水（氯堿工業(yè)）；②電鍍（鍍銅）；③電冶（冶煉Na、Mg、Al）；④精煉（精銅）。

4．電解反應中反應物的判斷――放電順序

⑴陰極

A.陰極材料(金屬或石墨)總是受到保護。

B.陽離子得電子順序 ― 金屬活動順序表的反表：K⁺ <Ca²⁺ < Na⁺ < Mg²⁺ < Al³⁺< Zn²⁺ < Fe²⁺ < Sn²⁺ < Pb²⁺ < (H⁺) < Cu²⁺ < Hg²⁺ < Ag⁺ （陽離子放電順序與濃度有關，并不絕對）

⑵陽極

A.陽極材料是惰性電極(C、Pt、Au、Ti等)時：陰離子失電子：S^2- ＞ I^- ＞ Br^- ＞ Cl^- ＞ OH^- ＞ NO₃^- 等含氧酸根離子 ＞F^-

B.陽極是活潑電極時：電極本身被氧化，溶液中的離子不放電。

5．電解反應方程式的書寫步驟：①分析電解質溶液中存在的離子；②分析離子的放電順序；③確定電極、寫出電極反應式；④寫出電解方程式。如：

⑴電解NaCl溶液：2NaCl+2H₂O 電解====H₂↑+Cl₂↑+2NaOH，溶質、溶劑均發(fā)生電解反應，PH增大。

⑵電解CuSO₄溶液：2CuSO₄ + 2H₂O電解====2Cu + O₂↑+ 2H₂SO₄

溶質、溶劑均發(fā)生電解反應， PH減小。

⑶電解CuCl₂溶液：CuCl₂電解==== Cu＋Cl₂ ↑

電解鹽酸： 2HCl 電解==== H₂↑＋Cl₂↑

溶劑不變，實際上是電解溶質，PH增大。

⑷電解稀H₂SO₄、NaOH溶液、Na₂SO₄溶液：2H₂O電解==== 2H₂↑ + O₂↑，溶質不變，實際上是電解水，PH分別減小、增大、不變。酸、堿、鹽的加入增加了溶液導電性,從而加快電解速率（不是起催化作用）。

⑸電解熔融NaOH: 4NaOH 電解====4Na + O₂↑ + H₂O↑

⑹用銅電極電解Na₂SO₄溶液:    Cu +2H₂O電解==== Cu(OH)₂ + H₂↑  （

注意：不是電解水。）

8．電解原理的應用

A、電解飽和食鹽水（氯堿工業(yè)）

⑴反應原理

陽極：                    

陰極：                      

總反應：2NaCl+2H₂O電解====H₂↑+Cl₂↑+2NaOH 

⑵設備 （陽離子交換膜電解槽）

①組成：陽極―Ti、陰極―Fe

②陽離子交換膜的作用：它只允許陽離子通過而阻止陰離子和氣體通過。

⑶制燒堿生產過程 （離子交換膜法） 

①食鹽水的精制：粗鹽（含泥沙、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、SO4^2- 等）→加入NaOH溶液→加入BaCl₂溶液→加入Na₂CO₃溶液→過濾→加入鹽酸→加入離子交換劑(NaR)   

②電解生產主要過程（見圖20-1）：NaCl從陽極區(qū)加入，H₂O從陰極區(qū)加入。陰極H+ 放電，破壞了水的電離平衡，使OH^-濃度增大，OH^-和Na⁺形成NaOH溶液。

B、電解冶煉鋁

⑴原料：（A）、冰晶石：Na₃AlF₆=3Na⁺+AlF₆^3-

（B）、氧化鋁： 鋁土礦 eq \o(\s\up 4(NaOH――→ NaAlO₂  eq \o(\s\up 4(CO2――→  Al(OH)₃ △―→  Al₂O₃ 

⑵ 原理  

陽極                      

陰極                      

總反應：4Al³⁺+6O²ˉ電解====4Al+3O₂↑

⑶ 設備：電解槽（陽極C、陰極Fe）

因為陽極材料不斷地與生成的氧氣反應：C+O₂ → CO+CO₂，故需定時補充。

C、電鍍：用電解的方法在金屬表面鍍上一層金屬或合金的過程。

⑴鍍層金屬作陽極，鍍件作陰極，電鍍液必須含有鍍層金屬的離子。電鍍鋅原理：

陽極  Zn－2eˉ = Zn²⁺

陰極  Zn²⁺+2eˉ=Zn

⑵電鍍液的濃度在電鍍過程中不發(fā)生變化。

⑶在電鍍控制的條件下，水電離出來的H⁺和OHˉ一般不起反應。

⑷電鍍液中加氨水或 NaCN的原因：使Zn²⁺離子濃度很小，鍍速慢，鍍層才能致密、光亮。

D、電解冶煉活潑金屬Na、Mg、Al等。

E、電解精煉銅：粗銅作陽極，精銅作陰極，電解液含有Cu²⁺。銅前金屬先反應但不析出，銅后金屬不反應，形成 “陽極泥”。

試題枚舉

【例1】將兩個鉑電極插入500mL CuSO₄溶液中進行電解，通電一定時間后，某一電極增重0.064g(設電解時該電極無氫氣析出，且不考慮水解和溶液體積變化)，此時溶液中氫離子濃度約為

　　A.4×10^-3mol/L　 B.2×10^-3mol/L　 C.1×10^-3mol/L　 D.1×10^-7mol/L

解析：根據(jù)電解規(guī)律可知陰極反應:Cu²⁺+2e^-=Cu，增重0.064gCu，應是Cu的質量,根據(jù)總反應方程式:

　　2CuSO₄+2H₂O 2Cu+O₂↑+2H₂SO₄--->4H⁺

　　 　　　　　　　　　2×64g　　　　　　4mol

　　　　　　　　　　 　0.064g　　　　 　　x　

　　x=0.002mol
　　[H⁺]= =4×10^-3mol/L

答案：A

【例2】某堿性蓄電池在充電和放電時發(fā)生的反應為:

　　Fe+NiO₂+2H₂O Fe(OH)₂+Ni(OH)₂,下列說法中正確的是:

　　A、放電時，負極上發(fā)生反應的物質是Fe.

　　B、放電時，正極反應是：NiO₂+2e^-+2H⁺=Ni(OH)₂

　　C、充電時，陰極反應是：Ni(OH)₂-2e^-+2OH^-=NiO₂+2H₂O

　　D、充電時，陽極附近pH值減小.

解析：根據(jù)原電池在放電時,負極發(fā)生氧化反應,正極發(fā)生還原反應,再根據(jù)元素化合價變化,可判斷該電池負極發(fā)生反應的物質為Fe,正極為NiO₂,此電池為堿性電池,在書寫電極反應和總電池反應方程式時不能出現(xiàn)H⁺,故放電時的電極反應是:負極:Fe-2e^-+2OH^-=Fe(OH)₂，正極：NiO₂+2e^-+2H₂O=Ni(OH)₂+2OH^-。原電池充電時,發(fā)生電解反應,此時陰極反應為原電池負極反應的逆反應,陽極反應為原電池正極反應的逆反應,由此可判斷正確選項應為A、D。

答案：AD

【例3】甲、乙兩個容器中，分別加入0.1mol/LNaCl溶液與0.1mol/LAgNO₃溶液后，以Pt為電極進行電解時，在A、B、C、D各電極上生成物的物質的量之比為:_____________

解析：此裝置相當于兩個電解槽串聯(lián)到一起,在整個電路中電子轉移總數(shù)相等.首先判斷各極是陽極還是陰極，即電極名稱，再分析各極發(fā)生的反應.A極(陰極)反應:2H⁺+2e^-=H₂↑，B極(陽極)反應:2Cl^--2e^-=Cl₂↑；C極(陰極)反應：Ag⁺+ e^- =Ag；D極(陽極)反應:4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，根據(jù)電子守恒法可知,若整個電路中有4mol電子轉移,生成H₂、Cl₂、Ag、O₂的物質的量分別為：2mol、2mol、4mol、1mol因此各電極上生成物的物質的量之比為：2:2:4:1。

答案：2:2:4:1

【例4】有三個燒杯，分別盛有氯化銅，氯化鉀和硝酸銀三種溶液；均以Pt作電極，將它們串聯(lián)在一起電解一定時間，測得電極增重總和2.8克，這時產生的有色氣體與無色氣體的物質的量之比為

　　A、4：1　　 B、1：1　　 C、4：3　　 D、3：4

解析：串聯(lián)電路中，相同時間內各電極得或失的電子的物質的量相同，各電極上放出氣體的物質的量之比為定值。不必注意電極增重是多少。只要判斷出生成何種氣體及生成該氣體一定物質的量所得失電子的物質的量，就可以通過電子守恒，判斷氣體體積之比，第一個燒杯中放出Cl₂ ，第二燒杯中放出Cl₂和H₂，第三燒杯中放出O₂。在有1mol電子轉移下，分別是0.5 mol，0.5 mol，0.5 mol和0.25mol。所以共放出有色氣體0.5+0.5=1(mol)(Cl₂)，無色氣體0.5+0.25=0.75(mol)(O₂和H₂)

答案：C