化学能与电能的相互转化上课讲义.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。化学能与电能的相互转化-第6章化学反应与能量变化第2、3讲电化学基础考试说明:1、理解原电池和电解池的工作原理,能写出常见的简单电极反应和电池反应方程式2、了解常见的化学电源的种类及工作原理,认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用3、理解金属发生电化学腐蚀的原因4、了解金属腐蚀的危害和防止金属腐蚀的措施考纲解读:电化学知识是理论部分的一个重要内容,也是历年高考考查的一个重点。电化学知识既可以综合学科内的知识,如联系到:化学实验现象的判断和分析、定量实验的操作要求、离子方程式的书写、氧化还原反应问
2、题分析、化学计算等。也可以涉及到学科间的知识的运用,如联系到物理学的“有关电流强度的计算、有关电量和阿伏加德罗常数的计算”等,还可以与生产生活(如金属的腐蚀和防护、电镀废液的危害与环保)、新科技及新技术(新型电池)等问题相联系命题预测:电化学基础知识是高考中常考的知识点。这部分知识的主要考点有原电池和电解池的工作原理、电极的判断、电极反应式的书写以及与氧化还原反应、离子反应、化学计算等知识相综合的问题。试题常常以生产、生活中的问题为切入点,以新的角度来考查运用电化学知识分析问题的能力。在学习中,要从氧化还原反应的原理和规律上理解原电池和电解池的反应原理,并注意归纳和总结这两种装置的基本类型,学
3、会运用守恒的规律解决定量计算的问题知识框架化学电池化学能转变为电能原电池金属的电化学腐蚀(自发进行)氧化还原反应能量变化电解电解池电镀电能转变为化学能电冶金(外界能量推动)一、电解池1、定义:电解池是将转化为的装置。2、电极名称的判断方法电极名称:阴极、阳极判定方法:阴极:;阳极:3、工作原理:4、电极反应式和总反应式的书写书写方法如果题目给定的是图示装置,先分析阴、阳极,再根据阴、阳极反应规律去写电极反应式;如果题目给定的是总反应式,可分析此反应中的氧化反应或还原反应(即分析有关元素的化合价变化情况),再选择一个简单变化情况去写电极反应式,另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作数学中的代
4、数式,用总反应式减去已写出的电极反应式,即得结果。特别需要指出的是:对于可逆电池的反应,需要看清楚“充电、放电”的方向,放电的过程应用原电池原理,充电的过程应用电解池原理。书写方法步骤以铅蓄电池充电时的反应为例,总反应为2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4,电极反应式的书写步骤如下:阴极:PbSO4=Pb-2e-PbSO4=Pb+-2e-阳极:PbSO4=PbO2+2e-PbSO4=PbO2+2e-PbSO4+2H2O=PbO2+4H+2e-(也可用总反应式减去负极反应式得到正极反应式)5、放电顺序及电解规律放电顺序阴极放电的总是溶液中的阳离子,与电极材料无关。放电顺序是:K+
5、、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+、Zn2+、Fe2+(H+)、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Ag+、Au3+()()阳极:.若是惰性电极作阳极,溶液中的阴离子放电,放电顺序是:S2-、I-、Br-、Cl-、OH-、含氧酸根离子(NO3-、SO42-、CO32-)、F-()().若是活性电极作阳极,则电极材料本身失电子电解规律及PH的变化类型电解质特点实例电极反应式电解方程式CBPH复原阴极阳极电解水型含氧酸H2SO4可溶性强碱NaOH活泼金属含氧酸盐KNO3电解电解质型无氧酸HCl不活泼金属无氧酸盐CuCl2放H2生碱型活泼金属无氧酸盐NaCl放O2生酸型不活泼金属含氧酸盐CuSO4二、
6、电解原理的应用1、氯碱工业阴极:;阳极:总反应化学方程式:总反应离子方程式:2、电镀3、电解精炼铜装置(粗铜含有锌、铁、镍、银、金和铂等杂质)电极反应阳极:;阴极:阳极泥:铜的电解精炼过程中,粗铜中的金属与其他不溶性杂质混在一起沉积在电解池底部形成的物质三、有关电解的计算1、电解的有关计算常涉及的问题两极产物的定量计算溶液pH的计算pHlgc(H)相对原子质量的计算和阿伏加德罗常数的值的测定根据转移电子的量求产物的量或根据产物的量求转移电子的量2、步骤根据与电源的连接情况或实验现象,准确判断电极上发生氧化还原反应的类型和电极名称准确写出电极反应式根据题目所给条件和所要求解的问题,使用上述合适的
7、方法建立等量关系求解3、电解的计算常用的三种方法根据电子得失守恒法计算:用于串联电路,阴、阳两极产物,正、负两极产物,相同电荷量等类型的计算,其依据是电路上转移的电子数相等根据总反应式计算:先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列比例式计算根据关系式计算:根据得失电子守恒关系找到已知量与未知量之间的桥梁,得出计算所需的关系式四、原电池及其工作原理1、概念:利用反应原理将能转化为能的装置2、原电池工作原理(以锌铜原电池为例)装置示意图现象锌片,铜片上有,电流表指针发生电极Zn电极Cu电极电极名称得失电子电子电子电子流向电流流向反应类型电极反应式总反应式讨论:下列装置能否形成原电池3、
8、构成原电池的条件两个不同的电极(材料可以是金属或非金属)负极:活泼性,电子发生氧化反应正极:活泼性,电子发生还原反应电极均插入中构成能自发地发生的反应思考:在原电池工作时,电解质溶液中的阴、阳离子如何移动?五、原电池的正负极的判断方法1、由组成原电池的两极材料判断较活泼的金属为极,较不活泼的金属或能导电的非金属为极(相对活泼性取决于两电极在电解质溶液中的活动性)2、根据电流方向或电子流向判断外电路中,电流由极流向极,电子由极流向极3、根据原电池电解质溶液中离子的移动方向判断在原电池电解质溶液中,阳离子移向极,阴离子移向极4、根据原电池中两极发生的反应判断原电池中,负极总是发生反应,正极总是发生
9、反应,若给出一个总方程式,则可根据化合价升降来判断5、根据电极质量的变化判断原电池工作后,某一电极质量增加,说明溶液中的阳离子在该电极上放电,该极为_极;反之,如果某一电极质量减轻,则该电极溶解,为极6、根据电极上有气泡产生判断原电池工作后,如果某一电极上有气体产生,通常是因为该电极发生了析出H2的反应,说明该电极为极7、根据某电极(X)附近pH的变化判断析氢或吸氧的电极反应发生后,均能使该电极附近电解质溶液的pH增大,因而原电池工作后,X极附近的pH增大了,说明X极为极六、电极反应和电池反应的书写方法1、书写原则遵守质量守恒和电荷守恒正、负极的电极反应式通过加合消去电子即为电池反应式弱电解质
10、、气体或难溶物均以化学式表示,其余以离子符号表示2、书写方法根据给出的化学方程式或图示装置确定原电池的正、负极,弄清正、负极上发生反应的物质题目给定总反应式:分析有关元素的化合价变化情况,化合价升高的物质发生氧化反应即负极反应;化合价降低的物质发生还原反应即正极反应题目给定图示装置:先确定正、负极,再根据正、负极反应规律书写电极反应式注意电解质溶液的成分及其对正、负极反应产物的影响,正、负极产物可根据题意或根据化学方程式确定七、原电池的设计从理论上讲,任何一个自发的氧化还原反应,都可以设计成原电池1、基本依据构成原电池的基本条件,也是进行原电池设计的基本依据根据电池反应写出电极反应;找出两极材
11、料(电极材料)找出电解质溶液;形成闭合回路2、电解质溶液及电极材料的选择电解质溶液的选择电解质是使极放电的物质,因此电解质溶液一般要能与极发生反应,或者电解质溶液中溶解的其他物质能与极发生反应电极材料的选择在原电池中,选择还原性较强的金属作极,易导电且比极材料活动性弱的物质作极3、设计思路设计思路实例以自发的氧化还原反应为基础ZnH2SO4=ZnSO4H2把氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应,从而确定电极反应氧化反应(极):还原反应(极):以两极反应为原理,确定电极材料及电解质溶液正极:负极:电解质溶液:画出示意图八、化学电源1、一次电池碱性锌锰电池碱性锌锰电池的构造工作原理负极:
12、,正极:2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH总反应:特点:比能量和可储存时间比普通锌锰电池均有提高,适用于大电流和连续放电银锌电池纽扣式银锌电池的构造工作原理负极:,正极:总反应:特点:此种电池比能量大,电压稳定,储存时间长,适宜小电流连续放电2、二次电池二次电池放电后可以再充电使活性物质获得再生,又称或铅蓄电池的构造负极:,正极:,电解质溶液:溶液工作原理放电时负极:;负极:总反应:充电时:铅蓄电池的充电反应是放电反应的逆过程:负极:;负极:总反应:上述充放电反应可写成一个可逆反应方程式:性能及应用:电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉、生产生活中应用广泛,缺点是比能量低、笨重、废弃
13、电池污染环境3、燃料电池氢氧燃料电池碱性电解质:用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中,然后向两极分别通入H2和O2,该电池的反应式为:负极:;负极:总反应:酸性电解质:用导线相连的两个铂电极插入H2SO4溶液中,然后向两极分别通入H2和O2,该电池的反应式为:负极:;负极:总反应:熔融金属氧化物:用导线相连的两个铂电极插入熔融的Na2O中,然后向两极分别通入H2和O2,该电池的反应式为:负极:;负极:总反应:烃类燃料电池CH4燃料电池用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中,然后向两极分别通入CH4和O2,该电池的反应式为:负极:;负极:总反应:丁烷燃料电池一个电极通入空气,另一电极通入丁烷,
14、电池的电解质是掺杂了Y2O3(三氧化二钇)的ZrO2(二氧化锆)晶体,它在高温下能传导O2负极:;负极:总反应:醇类燃料电池用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中,然后向两极分别通入CH3OH(或乙醇)和O2,则发生了原电池反应负极:;负极:总反应:熔融盐燃料电池熔融盐燃料电池具有较高的发电效率,因而受到重视。可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,CO为负极燃气,空气与CO2的混合气为正极助燃气,制得在650下工作的燃料电池,该原电池的反应式为:负极:2CO2CO4e=4CO2;正极:O22CO24e=2CO总反应式:九、金属的腐蚀1、金属腐蚀的实质:金属原子失去电子被氧化而消
15、耗的过程。2、金属腐蚀分为和3、化学腐蚀实质:金属和非电解质或其它物质相接触直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀,其腐蚀过程没有电流产生4、电化学腐蚀实质:不纯金属或合金在电解质溶液中发生原电池反应,电化学腐蚀过程有电流产生5、钢铁的腐蚀析氢腐蚀:水膜呈酸性负极电极反应式:;正极电极反应式:总反应:吸氧腐蚀:水膜呈极弱酸或中性负极电极反应式:;正极电极反应式:总反应:=生锈过程6、在同一电解质溶液中,金属腐蚀的快慢可用下列原则判断:电解原理引起的腐蚀原电池引起的腐蚀化学腐蚀有防护措施的腐蚀十、金属的防护保护程度:电解原理引起的保护原电池引起的保护有防护措施无防护措施(外加电流的阴极保护法)(牺牲阴
16、极的阳极保护法)击破考点一:电解原理及电极反应式1市场上经常见到的标记为Liion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体),电解质为一种能传导Li的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应式为:Li2Li0.35NiO22Li0.85NiO2。下列说法不正确的是()A放电时,负极的电极反应式:LieLiB充电时,Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应C该电池不能用水溶液作为电解质D放电过程中Li向负极移动2.镍镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液,其充、放电按下式进行:Cd+2NiOOH+2H2
17、OCd(OH)2+2Ni(OH)2有关该电池的说法正确的是()A充电时阳极反应:Ni(OH)2e+OH-=NiOOH+H2OB充电过程是化学能转化为电能的过程C放电时负极附近溶液的碱性不变D放电时电解质溶液中的OH-向正极移动3.Cu2O是一种半导体材料,基于绿色化学理论设计的制取Cu2O的电解池示意图如上,电解总反应为:2CuH2OCu2OH2。下列说法正确的是()A石墨电极上产生氢气B铜电极发生还原反应C铜电极接直流电源的负极D当有0.1mol电子转移时,有0.1molCu2O生成4.用惰性电极电解饱和Na2CO3溶液,若保持温度不变,则一段时间后()A溶液的酸性增强Bc(Na)与c(CO
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