高一化学竞赛辅导《原电池原理及其应用》讲义

1 高一化学竞赛辅导《原电池原理及其应用》讲义 一、原电池 1、原电池定义：将 转变为 的装置。 2、实质：将氧化还原反应的电子转移变成电子的定向移动。即将化学能转化成电能 3、组成原电池的条件： （1）有两种活泼性不同的金属作电极（或金属与能导电的非金属或化合物） 注意：燃料电池中两极可同选石墨或铂 （2）有电解质溶液 （3）构成闭合的回路 ［例 1］下列哪些装置能组成原电池？ （ ） 如左图：若在上述 f 装置中接上电流计并插入盐桥（盐桥通 常是装有饱和 KCl 琼脂溶胶的 U 形管，溶液不致流出来， 但离子则可以在其中自由移动）。电流计指针偏转，说明有 电流通过。从检流计指针偏转的方向可以知道电流的方向是 Cu 极→Zn 极。根据电流是从正极流向负极，因此，Zn 极为 负极，Cu 极为正极。电子从 Zn 极→Cu 极。 若取出盐桥，检流计指针归零，重新放入盐桥，指针又发生 偏转，说明盐桥起到了使整个装置构成通路的作用。 盐桥是怎样构成原电池中的电池通路呢？ Zn 棒失去电子成为 Zn2+进入溶液中，使 ZnSO4 溶液中 Zn2+过多，带正电荷。Cu2+获 得电子沉积为 Cu，溶液中 Cu2+过少，SO42－过多，溶液带负电荷。当溶液不能保持电中性， 将阻止放电作用的继续进行。盐桥的存在，其中 Cl-向 ZnSO4 溶液迁移，K+向 CuSO4 溶 液迁移，分别中和过剩的电荷，使溶液保持电中性，反应可以继续进行。盐桥中离子的定 向迁移构成了电流通路，盐桥既可沟通两方溶液，又能阻止反应物的直接接触。 4、电极名称及其判断： （1）根据电极材料：两种金属（或金属与非金属）组成电极，若它们都与（或都不与） 电解质溶液单独能反应，则较活泼的金属作负极；若只有一种电极与电解质溶液能反应， 则能反应的电极作负极。 （2）根据电极反应：失电子－氧化反应－负极 得电子－还原反应－正极 （3）根据电子或电流流动方向（外电路）： 电子从负极流出，流入正极；电流从正极流出，流入负极。 2 ［例 2］请判断下列原电池的正负极： 5、电极反应方程式的书写 注意：（1）需标出正负极及电极材料； （2）遵循三大守恒（电子得失守恒、质量守恒、电荷守恒） 如：Fe－Cu( 稀硫酸)： 负极（Fe）：Fe – 2e = Fe2+ 正极（Cu）：2H+ +2e = H2↑ 总反应：Fe + 2H+ = Fe2+ + H2↑ ［练习 1］请写出下列原电池电极反应式及总反应式。 （1）Fe－C（稀硫酸） （2）Cu－Ag（AgNO3 溶液） （3）Al－Mg（NaOH 溶液） （4）Fe－Cu（稀硝酸） ［练习 2］请把 Fe + 2FeCl3 ＝3FeCl2，设计成原电池。 6、原电池原理的应用 （1）判断金属的活泼性： （2）加快金属与酸反应的速率： 二、化学电源 化学电源是将化学能转化为电能的装置，它包括一次电池、二次电池和燃料电池等。 1、一次电池（又称干电池） 如：普通锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池、锂电池等。 （1）碱性锌锰电池，电解质是 KOH，其电极反应： 2MnO2＋Zn＋2H2O＝2MnOOH＋Zn(OH)2 负极（Zn）： 正极（MnO2）： （2）锌银电池的负极是 Zn，正极是 Ag2O，电解质是 KOH，其电极总反应如下： Zn + Ag2O＝ZnO + 2Ag 则：负极( )： 正极( )： 3 放电 充电 2、二次电池（又称充电电池或蓄电池） 如：铅蓄电池。 反应方程式如下式： Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq) 2PbSO4(s) +2H2O(l) ①其放电电极反应： 负极( )： 正极( )： ②其充电反应是上述反应的逆过程，则电极反应： 阴极： 阳极： 3、燃料电池 燃料电池是一种持续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。它与一 般的化学电源不同，一般化学电池的活性物质储存在电池内部，故而限制了电池的容量， 而燃料电池的电极本身不包括活性物质，只是一个催化转化元件。 如：氢氧燃料电池。 2H2＋O2＝2H2O ①酸性介质时，电极反应： 负极： 正极： 总反应： ②碱性介质时，电极反应： 负极： 正极： 总反应： 除 H2 外，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体，均可作燃料电池的燃料；除纯氧 气外，空气中的氧气也可作氧化剂。 ［练习 3］新型燃料电池，甲烷、氧气及 KOH 电解质溶液，用 Pt 作两个电极，写出两 个电极的电极反应式和总反应式。 三、金属的电化学腐蚀与防护 （一）金属的电化学腐蚀 1、金属的腐蚀是金属与周围的气体或者液体物质 发生 而引起损 耗的现象。一般可分为 腐蚀和 腐蚀。 化学腐蚀：金属与接触到的干燥气体（如 O2 、 Cl2 、 SO2 等）或非电解质 液体（如： 汽油、苯、润滑油 ）等直接发生化学反应而引起的腐蚀。 如：钢管被原油中的 含硫化合物 腐蚀，温度越高，化学腐蚀越 。 电化学腐蚀：不纯的金属跟电解质溶液接触时。会发生 反应， 的金属失 去电子而被 。如 在潮湿的空气中生锈。 两种腐蚀往往 发生，但 腐蚀更普遍，速度更快，危害更严重。 4 2、化学腐蚀与电化学腐蚀的共同点和不同点： 电化腐蚀 化学腐蚀 条件 不纯金属或合金与 电解质溶液 接触 与 非电解质 直接接触 有无电流产生 本质 较活泼的金属被氧化 金属被氧化 3、电化学腐蚀 (以钢铁为例) （1）析氢腐蚀 (酸性较强的溶液) 负极 正极 总方程式： （2）吸氧腐蚀 (中性或弱酸性溶液) 负极 正极 总方程式： 离子方程式：Fe2+ + 2OH－ = Fe(OH)2 Fe(OH)2 继续与空气中的氧气作用： 铁锈的主要成分是 ， 阻止钢铁继续腐蚀。（能、不能） 4、影响金属腐蚀快慢的因素 本性： （1）金属的活动性：金属越 ，越容易被腐蚀 （2）纯度：不纯的金属比纯金属 腐蚀，如纯铁比钢 腐蚀。（难、易） 电化学腐蚀：两电极活动性差别越大，氧化还原反应速率越 ，活泼金属被腐蚀得越快。 （3）氧化膜：如果金属被氧化形成致密的氧化膜，那么会保护内层金属，如 、 如果金属被氧化形成疏松的氧化膜，那么不会保护内层金属，如 外因： 介质：环境（腐蚀性气体，电解质溶液） ［例题］如右图所示，铁处于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种不同的环境中， 铁被腐蚀的速率由大到小的顺序是（填序号） 。 （二）金属的防护 1、金属的防护 覆盖保护膜（涂油漆，电镀，钝化等） 改变金属的内部结构（钢→不锈钢，在钢中加入镍和铬） 2、电化学保护 牺牲阳极阴极保护法（较活泼金属作 极，钢铁作 极被保护） 外加电流阴极保护法（外加电流，使钢铁被迫成为 极受保护） 空气 水 Fe C Fe Zn Fe Ⅰ Ⅱ Ⅲ 5 常见化学电源介绍 1、 铜 锌 电 池 负 极 材 料 锌 正 极 材 料 铜 电 解 质 稀 硫 酸 负 极 反 应 Zn-2e = Zn 2+ 正 极 反 应 2H ++2e = H2 总 反 应 Zn+2H+ = Zn 2+ +H 2 2、 干 电 池 负 极 材 料 Zn 正 极 材 料 C 电 解 质 NH 4Cl ZnCl 2 MnO 2 糊 状 混 和 物 作 电 解 质 溶 液 负 极 反 应 Zn-2e = Zn 2+ 正 极 反 应 2NH4++2e = 2NH3+H 2 总 反 应 2NH4++Zn = Zn 2+ +2NH 3+H2 备 注 正 极 产 生 的 NH 3 被 ZnCl 2 吸 收 ,反 应 式 是 : 4NH3+ZnCl 2 = [Zn(NH 3)4]Cl 2 正 极 产 生 的 H2 被 MnO 2 吸 收 ,反 应 式 是 : H2+2MnO 2 = Mn 2O3+H 2O 3、 铅 蓄 电 池 负 极 材 料 Pb 正 极 材 料 PbO 2 电 解 质 H2SO 4 溶 液 (30%) 负 极 反 应 Pb-2e+SO 42- = PbSO 4 正 极 反 应 PbO 2+2e+4H ++SO 42- = PbSO 4+2H2O 总 反 应 PbO 2+Pb+2H 2SO 4 = 2PbSO 4+2H 2O 4、 银 锌 电 池 负 极 材 料 Zn 正 极 材 料 Ag 2O 电 解 质 KOH 溶 液 负 极 反 应 Zn-2e+2OH- = Zn(OH) 2 正 极 反 应 Ag 2O+2e+H 2O = 2Ag+2OH - 总 反 应 Zn+Ag 2O+H 2O = 2Ag+Zn(OH) 2 备 注 又 称 高 能 电 池 ,常 用 于 计 算 器 、 电 子 表 中 (钮 扣 电 池 ) 5、 爱 迪 生 电 池 负 极 材 料 Fe 正 极 材 料 NiO 2 电 解 质 KOH 溶 液 负 极 反 应 Fe-2e+2OH - = Fe(OH) 2 正 极 反 应 NiO 2+2e+2H 2O = Ni(OH) 2+2OH - 总 反 应 NiO 2+ Fe +2H 2O = Ni(OH) 2+ Fe(OH) 2 6、 镉 镍 电 池 负 极 材 料 Cd 正 极 材 料 NiO 2 6 电 解 质 KOH 溶 液 负 极 反 应 Cd-2e+2OH - = Cd(OH) 2 正 极 反 应 NiO 2+2e+2H 2O = Ni(OH) 2+2OH - 总 反 应 NiO 2+Cd+2H 2O = Ni(OH) 2+ Cd(OH) 2 7、 铝 — 空 气 电 池 负 极 材 料 Al 正 极 材 料 空 气 电 解 质 海 水 负 极 反 应 4Al-12e+12OH - = 4Al(OH) 3 正 极 反 应 3O 2+12e+6H 2O = 12OH - 总 反 应 4Al+3O 2+6H 2O = 4Al(OH) 3 备 注 为 我 国 首 创 的 新 型 海 水 标 灯 ， 其 能 量 比 干 电 池 高 20-50 倍 8、 氢 氧 燃 料 电 池 负 极 材 料 H2 正 极 材 料 O2 电 解 质 KOH 溶 液 负 极 反 应 2H 2-4e+4OH - = 4H 2O 正 极 反 应 O2+4e+2H 2O = 4OH - 总 反 应 2H 2+O 2 = 2H2O 备 注 该 电 池 由 于 高 能 、轻 便 、无 污 染 等 优 点 而 被 广 泛 应 用 于 航 天 等 特 殊 场 合 。 如 阿 波 罗 宇 宙 飞 船 上 9、 其 它 燃 料 电 池 负 极 材 料 CO、 CH 4 等 可 燃 性 气 体 (以 甲 烷 为 例 ) 正 极 材 料 O2 电 解 质 KOH 溶 液 负 极 反 应 CH 4-8e+10OH - =CO 32- + 7H 2O 正 极 反 应 2O 2+8e+4H 2O = 8OH - 总 反 应 CH 4+2O 2+ 2OH- = CO 32- +3H 2O 10、 心 脏 起 搏 电 池 1 负 极 材 料 Zn 正 极 材 料 Pt 电 解 质 人 体 体 液 负 极 反 应 2Zn-4e+4OH - = 2Zn(OH) 2 正 极 反 应 O2+4e+2H 2O = 4OH - 总 反 应 2Zn+O2+2H2O = 2Zn(OH) 2 备 注 以 铂 锌 为 电 极 材 料 ,埋 入 人 体 内 作 为 心 脏 病 人 的 心 脏 起 搏 起 能 源 ,它 依 靠 人 体 体 液 内 含 有 一 定 浓 度 溶 解 氧 进 行 工 作 11、 心 脏 起 搏 电 池 2 负 极 材 料 Li 正 极 材 料 I2 电 解 质 LiI 负 极 反 应 2Li-2e = 2Li + 正 极 反 应 2Li +P2VPI 2+nI 2+2e = P2VPI 2+(n-1)I 2+2LiI 总 反 应 2Li +P2VPI 2+nI 2= P2VPI 2+(n-1)I 2+2LiI 备 注 1958 年 第 一 个 心 脏 起 搏 器 在 瑞 典 移 植 成 功 。 此 电 池 寿 命 长 达 十 年 之 久 、 可 靠 性 最 高 7