原電池原理

考點(diǎn)聚焦

1.通過進(jìn)行化學(xué)能轉(zhuǎn)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(fù)極的電極反應(yīng)式及電池反應(yīng)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(dǎo)體）。

②     電極材料均插入電解質(zhì)溶液中。

③     兩電極相連形成閉合電路。

2． 原電池的原理

負(fù)極----較活潑的金屬---       電子------發(fā)生     反應(yīng)

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

試題枚舉

【例1】下列敘述中正確的是

A．構(gòu)成原電池正極和負(fù)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(fù)極。

C．馬口鐵（鍍錫鐵）破損時(shí)與電解質(zhì)溶液接觸錫先被腐蝕。

D．銅鋅原電池工作時(shí)，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(zhì)溶液能夠組成原電池，但不能因此說構(gòu)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(zhì)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(fù)極。鍍錫鐵表皮破損后與電解質(zhì)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(shí)，鋅負(fù)極失電子，電極反應(yīng)為Zn ?2e==Zn²⁺，1molZn失去2mol電子,0.2mol鋅（質(zhì)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(dǎo)線兩兩相連可以組成各種原電池。若A、B相連時(shí)，A為負(fù)極；C、D相連，D上有氣泡逸出；A、C相連時(shí)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(fù)極，相對不活潑金屬作正極。負(fù)極被氧化質(zhì)量減輕，正極上發(fā)生還原反應(yīng)，有物質(zhì)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(jì)算機(jī)所用鈕扣電池的兩極材料為鋅和氧化銀，電解質(zhì)溶液為KOH溶液，其電極反應(yīng)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(fù)極。 B．鋅為負(fù)極，Ag₂O為正極。

C．原電池工作時(shí)，負(fù)極區(qū)溶液PH減小。 D．原電池工作時(shí)，負(fù)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(fù)極，所以鋅為負(fù)極，Ag₂O為正極。B是正確答案。因?yàn)?nbsp;           Zn + 2 OH^- -2e＝ZnO + H₂O ，負(fù)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(xué)電池在通訊、交通及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。

(1)目前常用的鎳（Ni）鎘（Cd）電池，其電池總反應(yīng)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(yīng)是可逆反應(yīng)    ②以上反應(yīng)不是可逆反應(yīng)

③充電時(shí)化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?nbsp;                           ④放電時(shí)化學(xué)能轉(zhuǎn)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(jià)值。在酸性土壤中這種污染尤為嚴(yán)重。這是因?yàn)?u>            

                                                                        。

(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(zhì)量為7），由于它的比容量（單位質(zhì)量電極材料所能轉(zhuǎn)換的電量）特別大而廣泛應(yīng)用于心臟起搏器，一般使用時(shí)間可長達(dá)十年。它的負(fù)極用金屬鋰制成，電池總反應(yīng)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(zhì)溶液需用非水溶劑配制，為什么這種電池不能使用電解質(zhì)的水溶液？請用化學(xué)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(zhì)量��；2Li+2H₂O→2LiOH+H₂↑

  電解池原理

考點(diǎn)聚焦

1.通過電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)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(yīng)式及電解反應(yīng)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(yīng)用。認(rèn)識電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的實(shí)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(shí)例

原理

形成條件

①電極：兩種不同的導(dǎo)體相連；

②電解質(zhì)溶液：能與電極反應(yīng)。

①電源；

②電極（惰性或非惰性）；

③電解質(zhì)（水溶液或熔化態(tài)）。

反應(yīng)類型

自發(fā)的氧化還原反應(yīng)

非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)

電極名稱

由電極本身性質(zhì)決定：

正極：材料性質(zhì)較不活潑的電極；

負(fù)極：材料性質(zhì)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(fù)極；

電極反應(yīng)

負(fù)極：Zn-2e^-=Zn²⁺   （氧化反應(yīng)）

正極：2H⁺+2e^-=H₂↑（還原反應(yīng)）

陰極：Cu²⁺ +2e^- = Cu  （還原反應(yīng)）

陽極：2Cl^--2e^-=Cl₂↑   （氧化反應(yīng)）

電子流向

電流方向

能量轉(zhuǎn)化

應(yīng)用

①抗金屬的電化腐蝕；

②實(shí)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(yīng)中反應(yīng)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(hù)。

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(guān)，并不絕對）

⑵陽極

A.陽極材料是惰性電極(C、Pt、Au、Ti等)時(shí)：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(shí)：電極本身被氧化，溶液中的離子不放電。

5．電解反應(yīng)方程式的書寫步驟：①分析電解質(zhì)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(yīng)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(zhì)、溶劑均發(fā)生電解反應(yīng)，PH增大。

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

溶質(zhì)、溶劑均發(fā)生電解反應(yīng)， 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(shí)際上是電解溶質(zhì)，PH增大。

⑷電解稀H₂SO₄、NaOH溶液、Na₂SO₄溶液：2H₂O電解==== 2H₂↑ + O₂↑，溶質(zhì)不變，實(shí)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(dǎo)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(yīng)用

A、電解飽和食鹽水（氯堿工業(yè)）

⑴反應(yīng)原理

陽極：                    

陰極：                      

總反應(yīng)：2NaCl+2H₂O電解====H₂↑+Cl₂↑+2NaOH 

⑵設(shè)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)：4Al³⁺+6O²ˉ電解====4Al+3O₂↑

⑶ 設(shè)備：電解槽（陽極C、陰極Fe）

因?yàn)殛枠O材料不斷地與生成的氧氣反應(yīng)：C+O₂ → CO+CO₂，故需定時(shí)補(bǔ)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(yīng)。

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(yīng)但不析出，銅后金屬不反應(yīng)，形成 “陽極泥”。

試題枚舉

【例1】將兩個(gè)鉑電極插入500mL CuSO₄溶液中進(jìn)行電解，通電一定時(shí)間后，某一電極增重0.064g(設(shè)電解時(shí)該電極無氫氣析出，且不考慮水解和溶液體積變化)，此時(shí)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(yīng):Cu²⁺+2e^-=Cu，增重0.064gCu，應(yīng)是Cu的質(zhì)量,根據(jù)總反應(yīng)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(shí)發(fā)生的反應(yīng)為:

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

　　A、放電時(shí)，負(fù)極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)是Fe.

　　B、放電時(shí)，正極反應(yīng)是：NiO₂+2e^-+2H⁺=Ni(OH)₂

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

　　D、充電時(shí)，陽極附近pH值減小.

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

答案：AD

【例3】甲、乙兩個(gè)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(jìn)行電解時(shí)，在A、B、C、D各電極上生成物的物質(zhì)的量之比為:_____________

解析：此裝置相當(dāng)于兩個(gè)電解槽串聯(lián)到一起,在整個(gè)電路中電子轉(zhuǎn)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(yīng).A極(陰極)反應(yīng):2H⁺+2e^-=H₂↑，B極(陽極)反應(yīng):2Cl^--2e^-=Cl₂↑；C極(陰極)反應(yīng)：Ag⁺+ e^- =Ag；D極(陽極)反應(yīng):4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，根據(jù)電子守恒法可知,若整個(gè)電路中有4mol電子轉(zhuǎn)移,生成H₂、Cl₂、Ag、O₂的物質(zhì)的量分別為：2mol、2mol、4mol、1mol因此各電極上生成物的物質(zhì)的量之比為：2:2:4:1。

答案：2:2:4:1

【例4】有三個(gè)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(shí)間，測得電極增重總和2.8克，這時(shí)產(chǎn)生的有色氣體與無色氣體的物質(zhì)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(shí)間內(nèi)各電極得或失的電子的物質(zhì)的量相同，各電極上放出氣體的物質(zhì)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(zhì)的量所得失電子的物質(zhì)的量，就可以通過電子守恒，判斷氣體體積之比，第一個(gè)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(zhuǎn)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