原电池原理

考点聚焦

1.通过进行化学能转化为电能的探究活动，了解原电池工作原理.

2.能正确书写原电池的正、负极的电极反应式及电池反应方程式。

知识梳理

 1：组成原电池的条件。

①     有两种活性不同的金属（或一种是非金属导体）。

②     电极材料均插入电解质溶液中。

③     两电极相连形成闭合电路。

2． 原电池的原理

负极----较活泼的金属---       电子------发生     反应

正极----较不活泼的金属----     电子----发生     反应

试题枚举

【例1】下列叙述中正确的是

A．构成原电池正极和负极的材料必须是两种金属。

B．由铜、锌作电极与硫酸铜溶液组成的原电池中铜是负极。

C．马口铁（镀锡铁）破损时与电解质溶液接触锡先被腐蚀。

D．铜锌原电池工作时，若有13克锌被溶解，电路中就有0.4mol电子通过。

解析： 两种活动性不同的金属与电解质溶液能够组成原电池，但不能因此说构成原电池电极的材料一定都是金属，例如锌和石墨电极也能跟电解质溶液组成原电池。在原电池中，活动金属中的电子流向不活动的电极，因此活动金属是负极。镀锡铁表皮破损后与电解质溶液组成原电池，铁较锡活泼，铁先失电子被腐蚀。铜锌原电池工作时，锌负极失电子，电极反应为Zn ?2e==Zn²⁺，1molZn失去2mol电子,0.2mol锌（质量为13克）被溶解电路中有0.4mol电子通过。故选D。

答案：D

【例2】把A、B、C、D四块金属泡在稀H₂SO₄中，用导线两两相连可以组成各种原电池。若A、B相连时，A为负极；C、D相连，D上有气泡逸出；A、C相连时A极减轻；B、D相连，B为正极。则四种金属的活泼性顺序由大到小排列为

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

解析：金属组成原电池，相对活泼金属失去电子作负极，相对不活泼金属作正极。负极被氧化质量减轻，正极上发生还原反应，有物质析出，由题意得活泼性　　　A＞B、A＞C、C＞D 、D＞B，故正确答案为B。

答案：B

【例3】电子计算机所用钮扣电池的两极材料为锌和氧化银，电解质溶液为KOH溶液，其电极反应是： Zn + 2 OH^- -2e＝ZnO + H₂O             Ag₂O +H₂O + 2e＝2Ag +2 OH^- 

下列判断正确的是

A．锌为正极，Ag₂O为负极。 B．锌为负极，Ag₂O为正极。

C．原电池工作时，负极区溶液PH减小。 D．原电池工作时，负极区溶液PH增大。

解析：本题考查原电池和PH的概念。

原电池中失去电子的极为负极，所以锌为负极，Ag₂O为正极。B是正确答案。因为            Zn + 2 OH^- -2e＝ZnO + H₂O ，负极区域溶液中[OH^-] 不断减少，故PH减小，所以C也正确。故选B、C。

答案：BC

【变式】化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。

(1)目前常用的镍（Ni）镉（Cd）电池，其电池总反应可以表示为：Cd+2NiO(OH)+2H₂O

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

以下说法中正确的是 

①以上反应是可逆反应    ②以上反应不是可逆反应

③充电时化学能转变为电能                            ④放电时化学能转变为电能

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

(2)．废弃的镍镉电池已成为重要的环境污染物，有资料表明一节废镍镉电池可以使一平方米面积的耕地失去使用价值。在酸性土壤中这种污染尤为严重。这是因为            

                                                                        。

(3)．另一种常用的电池是锂电池（锂是一种碱金属元素，其相对原子质量为7），由于它的比容量（单位质量电极材料所能转换的电量）特别大而广泛应用于心脏起搏器，一般使用时间可长达十年。它的负极用金属锂制成，电池总反应可表示为：Li+MnO₂→LiMnO₂试回答：锂电池比容量特别大的原因是                                 。锂电池中的电解质溶液需用非水溶剂配制，为什么这种电池不能使用电解质的水溶液？请用化学方程式表示其原因                                                 。

答案：（1）B  （2）Ni(OH)₂和Cd(OH)₂能溶于酸性溶液。

（3）锂的摩尔质量小；2Li+2H₂O→2LiOH+H₂↑

  电解池原理

考点聚焦

1.通过电能转变为化学能的探究活动，了解电解池工作原理，能正确书写电解池的阴、阳极的电极反应式及电解反应方程式。

2.知道电解在氯碱工业、精炼铜、电镀、电冶金等方面的应用。认识电能转化为化学能的实际意义。

知识梳理

1．原电池和电解池的比较：

装置

原电池

电解池

实例

原理

形成条件

①电极：两种不同的导体相连；

②电解质溶液：能与电极反应。

①电源；

②电极（惰性或非惰性）；

③电解质（水溶液或熔化态）。

反应类型

自发的氧化还原反应

非自发的氧化还原反应

电极名称

由电极本身性质决定：

正极：材料性质较不活泼的电极；

负极：材料性质较活泼的电极。

由外电源决定：

阳极：连电源的正极；

阴极：连电源的负极；

电极反应

负极：Zn-2e^-=Zn²⁺   （氧化反应）

正极：2H⁺+2e^-=H₂↑（还原反应）

阴极：Cu²⁺ +2e^- = Cu  （还原反应）

阳极：2Cl^--2e^-=Cl₂↑   （氧化反应）

电子流向

电流方向

能量转化

应用

①抗金属的电化腐蚀；

②实用电池。

①电解食盐水（氯碱工业）；②电镀（镀铜）；③电冶（冶炼Na、Mg、Al）；④精炼（精铜）。

4．电解反应中反应物的判断――放电顺序

⑴阴极

A.阴极材料(金属或石墨)总是受到保护。

B.阳离子得电子顺序 ― 金属活动顺序表的反表：K⁺ <Ca²⁺ < Na⁺ < Mg²⁺ < Al³⁺< Zn²⁺ < Fe²⁺ < Sn²⁺ < Pb²⁺ < (H⁺) < Cu²⁺ < Hg²⁺ < Ag⁺ （阳离子放电顺序与浓度有关，并不绝对）

⑵阳极

A.阳极材料是惰性电极(C、Pt、Au、Ti等)时：阴离子失电子：S^2- ＞ I^- ＞ Br^- ＞ Cl^- ＞ OH^- ＞ NO₃^- 等含氧酸根离子 ＞F^-

B.阳极是活泼电极时：电极本身被氧化，溶液中的离子不放电。

5．电解反应方程式的书写步骤：①分析电解质溶液中存在的离子；②分析离子的放电顺序；③确定电极、写出电极反应式；④写出电解方程式。如：

⑴电解NaCl溶液：2NaCl+2H₂O 电解====H₂↑+Cl₂↑+2NaOH，溶质、溶剂均发生电解反应，PH增大。

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

溶质、溶剂均发生电解反应， PH减小。

⑶电解CuCl₂溶液：CuCl₂电解==== Cu＋Cl₂ ↑

电解盐酸： 2HCl 电解==== H₂↑＋Cl₂↑

溶剂不变，实际上是电解溶质，PH增大。

⑷电解稀H₂SO₄、NaOH溶液、Na₂SO₄溶液：2H₂O电解==== 2H₂↑ + O₂↑，溶质不变，实际上是电解水，PH分别减小、增大、不变。酸、碱、盐的加入增加了溶液导电性,从而加快电解速率（不是起催化作用）。

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

⑹用铜电极电解Na₂SO₄溶液:    Cu +2H₂O电解==== Cu(OH)₂ + H₂↑  （

注意：不是电解水。）

8．电解原理的应用

A、电解饱和食盐水（氯碱工业）

⑴反应原理

阳极：                    

阴极：                      

总反应：2NaCl+2H₂O电解====H₂↑+Cl₂↑+2NaOH 

⑵设备 （阳离子交换膜电解槽）

①组成：阳极―Ti、阴极―Fe

②阳离子交换膜的作用：它只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过。

⑶制烧碱生产过程 （离子交换膜法） 

①食盐水的精制：粗盐（含泥沙、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、SO4^2- 等）→加入NaOH溶液→加入BaCl₂溶液→加入Na₂CO₃溶液→过滤→加入盐酸→加入离子交换剂(NaR)   

②电解生产主要过程（见图20-1）：NaCl从阳极区加入，H₂O从阴极区加入。阴极H+ 放电，破坏了水的电离平衡，使OH^-浓度增大，OH^-和Na⁺形成NaOH溶液。

B、电解冶炼铝

⑴原料：（A）、冰晶石：Na₃AlF₆=3Na⁺+AlF₆^3-

（B）、氧化铝： 铝土矿 eq \o(\s\up 4(NaOH――→ NaAlO₂  eq \o(\s\up 4(CO2――→  Al(OH)₃ △―→  Al₂O₃ 

⑵ 原理  

阳极                      

阴极                      

总反应：4Al³⁺+6O²ˉ电解====4Al+3O₂↑

⑶ 设备：电解槽（阳极C、阴极Fe）

因为阳极材料不断地与生成的氧气反应：C+O₂ → CO+CO₂，故需定时补充。

C、电镀：用电解的方法在金属表面镀上一层金属或合金的过程。

⑴镀层金属作阳极，镀件作阴极，电镀液必须含有镀层金属的离子。电镀锌原理：

阳极  Zn－2eˉ = Zn²⁺

阴极  Zn²⁺+2eˉ=Zn

⑵电镀液的浓度在电镀过程中不发生变化。

⑶在电镀控制的条件下，水电离出来的H⁺和OHˉ一般不起反应。

⑷电镀液中加氨水或 NaCN的原因：使Zn²⁺离子浓度很小，镀速慢，镀层才能致密、光亮。

D、电解冶炼活泼金属Na、Mg、Al等。

E、电解精炼铜：粗铜作阳极，精铜作阴极，电解液含有Cu²⁺。铜前金属先反应但不析出，铜后金属不反应，形成 “阳极泥”。

试题枚举

【例1】将两个铂电极插入500mL CuSO₄溶液中进行电解，通电一定时间后，某一电极增重0.064g(设电解时该电极无氢气析出，且不考虑水解和溶液体积变化)，此时溶液中氢离子浓度约为

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

解析：根据电解规律可知阴极反应:Cu²⁺+2e^-=Cu，增重0.064gCu，应是Cu的质量,根据总反应方程式:

　　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】某碱性蓄电池在充电和放电时发生的反应为:

　　Fe+NiO₂+2H₂O Fe(OH)₂+Ni(OH)₂,下列说法中正确的是:

　　A、放电时，负极上发生反应的物质是Fe.

　　B、放电时，正极反应是：NiO₂+2e^-+2H⁺=Ni(OH)₂

　　C、充电时，阴极反应是：Ni(OH)₂-2e^-+2OH^-=NiO₂+2H₂O

　　D、充电时，阳极附近pH值减小.

解析：根据原电池在放电时,负极发生氧化反应,正极发生还原反应,再根据元素化合价变化,可判断该电池负极发生反应的物质为Fe,正极为NiO₂,此电池为碱性电池,在书写电极反应和总电池反应方程式时不能出现H⁺,故放电时的电极反应是:负极:Fe-2e^-+2OH^-=Fe(OH)₂，正极：NiO₂+2e^-+2H₂O=Ni(OH)₂+2OH^-。原电池充电时,发生电解反应,此时阴极反应为原电池负极反应的逆反应,阳极反应为原电池正极反应的逆反应,由此可判断正确选项应为A、D。

答案：AD

【例3】甲、乙两个容器中，分别加入0.1mol/LNaCl溶液与0.1mol/LAgNO₃溶液后，以Pt为电极进行电解时，在A、B、C、D各电极上生成物的物质的量之比为:_____________

解析：此装置相当于两个电解槽串联到一起,在整个电路中电子转移总数相等.首先判断各极是阳极还是阴极，即电极名称，再分析各极发生的反应.A极(阴极)反应:2H⁺+2e^-=H₂↑，B极(阳极)反应:2Cl^--2e^-=Cl₂↑；C极(阴极)反应：Ag⁺+ e^- =Ag；D极(阳极)反应:4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，根据电子守恒法可知,若整个电路中有4mol电子转移,生成H₂、Cl₂、Ag、O₂的物质的量分别为：2mol、2mol、4mol、1mol因此各电极上生成物的物质的量之比为：2:2:4:1。

答案：2:2:4:1

【例4】有三个烧杯，分别盛有氯化铜，氯化钾和硝酸银三种溶液；均以Pt作电极，将它们串联在一起电解一定时间，测得电极增重总和2.8克，这时产生的有色气体与无色气体的物质的量之比为

　　A、4：1　　 B、1：1　　 C、4：3　　 D、3：4

解析：串联电路中，相同时间内各电极得或失的电子的物质的量相同，各电极上放出气体的物质的量之比为定值。不必注意电极增重是多少。只要判断出生成何种气体及生成该气体一定物质的量所得失电子的物质的量，就可以通过电子守恒，判断气体体积之比，第一个烧杯中放出Cl₂ ，第二烧杯中放出Cl₂和H₂，第三烧杯中放出O₂。在有1mol电子转移下，分别是0.5 mol，0.5 mol，0.5 mol和0.25mol。所以共放出有色气体0.5+0.5=1(mol)(Cl₂)，无色气体0.5+0.25=0.75(mol)(O₂和H₂)

答案：C