第四章化學反應與電能

01單元導圖

必背知識清單01原電池原理

i.原電池的概念和實質:

(1)概念：將一化學能轉化為一也能的裝置。

(2)實質：利用能自發(fā)進行的氧化還原反應把化學能轉化為電能。

2.原電池工作原理(以鋅銅原電池為例)：

裝置圖

電極名稱負極正極

電極材料一鋅一片_銅_片

電極反應Zn-2e-=Zn2'Cu2++2e-=Cu

反應類型一，化一反應_還原一反應

電子流向由鋅片沿導線流向銅片

離子遷移方向陰離子向*遷移：陽離子向二遷移

電池反應方程式Zn+Cu2+=Zn2'+Cu

還原劑Zn與氧化劑Ct?+直接接Zn與氧化劑CM+不直接接觸，

兩類裝置觸,既有化學能轉化為電能僅有化學能轉化為電能，避免了

的不同點有化學能轉化為熱能，造成能量能量損耗，故能量轉化率高，電

損耗流穩(wěn)定，持續(xù)時間長

原電池工作原理示意圖:

3.原電池形成的條件：

⑴閉合回路。

(2)兩極有電勢差一兩個活性不同的電極，相對較活潑的金屬作&g。

⑶一電解質__溶液或—熔融—電解質。

(4)自發(fā)的一氧化還原.反應。

4.正負極的判斷方法

(1)電極反應：負極一氧化一反應,正極一且原_反應

(2)電子或電流的流向：電子：負極一＞正極：電流：正極一負極

(3)離子流向：陽離子一正極,陰離子——久極；

5.電極反應式的書寫

(1)注意電解質溶液環(huán)境：電極產物在電解質溶液中應穩(wěn)定存在

在堿性介質中，不能存在：_直_、co?、金屬陽離了

在酸性介質中，不能存在：OH

(2)兩極反應式疊加得總反應式，總反應式減去正極反應式，可得負極反應式

(3)規(guī)律：一般來說，金屬M作負極的原電池

負極：酸性或中性介質中：Mnc=NT

堿性介質中：M—ne+nOH=M(OH)n

正極：酸性介質中：2H++2e=Hz1

金屬陽離子N、+與金屬反應的介質中：N'++xc=N

陽離子不與金屬反應的介質中：O?+4e+2H?O=4OH

6.常見原電池電極反應式、總反應式的書寫

①Fe|稀HC1|C

正極：2H++2e=H2T

負極；Fc—2c-=FC2+

+2+

總反應：Fe+2H=H2t+Fe

②Mg|稀硫酸|Cu

正極：2H++2e=H2T負極：Mg—2e-=Mg2+

+2+

總反應：Mg+2H=H2T+Mg

@Zn|AgNO3溶液|Pt

正極：Ag++e-=Ag負極：Zn—2e~=Zn2+

總反應：Zn+2Ag+=2Ag+Zn2+

@Cu|FeCh溶液IPt

正極：Fe3++e-=Fe2+負極：Cu—2e-=Cu2+

總反應：Cu+2Fe3+=2Fe2++Cu2+

⑤MgINaOH溶液|Cu

正極：Ch+4e+2H8=4OH負極：Mg—2e-+2OH-=Mg(OH)2

總反應：2Mg+O2+2H2O=2Mg(OH”

@FeIKCl溶液ICu

正極：Ch+4e+2H2(D=4OH-負極：Fe—2e-=Fe2+

總反應：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

⑦AIlNaOH溶液|Mg

正極：2e-+2H2。=&T+2OH—負極：Al—3e-+4OH-=AIO2-+2H2O

總反應：2A1+2OH—+2H2O=2AIO2—+3H2T

⑧Cu|濃HNO.^Fe

正極：2H++NO「+e-=H2O+NO2I負極：Cu—2e-=Cu2

總反應：Cu+4H++2NCh-;C/++2H2O+2NO2T

必背知識清單02原電池的應用

1.加快氧化還原反應的速率

構成原電池的反應速率比直接接觸的反應速率快，例如，在鋅與稀H2so4反應時加入少量CuSOs溶液,CUSO4

與鋅發(fā)生置換反應生成Cu,從而形成Cu-Zn微小原電池，加快產生H2的速率。

2.比較金屬活動性強弱

兩種金屬分別作原電池的兩極時，一般作負極的金屬比作正極的金屬活潑。

3.設計原電池

理論上，任何一個自發(fā)的氧化還原反應,都可以設計成原電池。

(a)外電路

負極—化合價升高的物質

正極——活潑性弱的物質，一般選碳棒

(b)內電路：化合價降低的物質作電解質溶液。

如：2FeCh+Cu=2FeCI2+CuC12

①化合價升高的物質負極：(3u

②活潑性較弱的物質正極：C

③化合價降低的物質電解質溶液:FeCh

□

CuC

示意圖

一一A

FeCh溶液

4.用于金屬保護：

根據(jù)原電池的工作原理.負極金屬發(fā)生氧化反應。將被保護的金屬與比其活潑的金屬連接。

必背知識清單03化學電源

化學電源是將能變成能的裝置。

1.分類：一次電池、二次電池、燃料

2.判斷電池優(yōu)劣的主要標準:

充電總化學方程式為：2PbSO[s)+2H?O^Pb(s)+PbO4s)+2H2soeaq)。

充放電總反應的化學方程式：Pb(s)+PbO2(s)+2H2S(%(aa)—^^■?2PbSO￡s)+2H2O⑴

鉛蓄電池的優(yōu)缺點：

(1)優(yōu)點：性能優(yōu)良、價格低廉、安全可靠，可多次充放電；生產生活中使用廣泛。

(2)缺點：比能量低，廢棄電池污染環(huán)境。

5.燃料電池

(1)凈點：燃料電池中，燃料(還原性氣體等)作負極,發(fā)生氧化反應，氧化劑(通常為氧氣或空氣)

作極發(fā)生還原反應

(2)種類

①氫氧燃料電池

電解質酸性中性堿性

+

負極反應H22e=2H"H22e=2HH22e+2OH=2H2O

+

正極反應O2+4e+4H=2H2OO2+4e+2H2O=4OHO2+4e+2H;O=4OH

總反應2H2+O2=2H2O

②甲烷燃料電池

電解質

H2SO4KOH

負極反應+2

CH48e+2H2O=CO2+8HCH48e+10OH=CO3+7H2O

正極反應+

O2+4C-4H=2H2OO2+4e+2H2O=4OH

總反應2

CH4+2O2=CO2+2H2OCH4+2O2+2OH=CO3+3H2O

③甲醉燃料電池

電解質

H2SO4KOH

負極反應

CH30H65H2OCO2+6H+CH3OH6e+8OH=CO.r+6H2O

正極反應

Ch+4e+4H+=2氏0O2+4e+2H2O=4OH

總反應2

2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O2CH3OH+3O2+4OH=2CO3+6H2O

④辛?烷燃料電池

電解質H2sKOH

負極反應2

C8Hl850L+16H2O8CO2+5OH+C8H|850C-+66OH-=8CO3+42H2O

正極反應+

O2+4e+4H=2H2OO2+4e+2H2O=4OH

總反應2

2C8HI8+2502=16CO2+18H2O2c8Hl8+25O2+32OH=16CO3+34H2O

⑤乙醇燃料電池

電解質H2sChKOH

負極反應+2

C2H6O12e-+3H2O=2CO2+l2HC2H6O12e-+16OH-=2CO3+11H2O

正極反應+

O2+4e+4H=2H2OO2+4e+2H2O=4OH

總反應2

C2H6O+3O2=2CO2+3H2OC2HGO+3O2+4OH-=2CO3+5H2O

⑥熔融鹽電池

例如：用Li2c03和Na2c03的熔融鹽混合物作電解質的燃料電池，CO為燃料，空氣與CO2的混合氣為助燃

氣，制得在650℃下工作的燃料電池，在工作過程中，電解質熔融鹽的組成、濃度不變

電極反應式：負極：2c0+28/4182正極：O2+2CO2+4e=2CO『總反應：28+02=282

6、燃料電池中常見正極反應式的書寫

(1)在酸性溶液中：O?+4c+4H+=2比。

(2)在堿性或中性溶液中：O2+4e性H9=4OH

(3)在熔融碳酸鹽中：O2+2CO2+4e=2CO，

(4)在可傳導。2的晶體電解質中(例如：摻雜(Y2O3)氧化憶的(Z1O2)氧化錯晶體)：O2+4e=2O2

必背知識清單04電解原理

1.電解：使電流通過電解質溶液(或熔融電解質)而在陽極、陰極引起融化還原一反應的過程。

2.電解池:

⑴定義：電解池是把一電能一轉化為一化錘—的裝置。

(2)電解池的構成條件。

①有外接直流電源。

②有與電源相連的兩個電極。其中與_^1_正極相連的叫」與電源負極相連的叫」

注：陽極分為兩種：

(1)活性電極：電極自身放電即電極自身發(fā)生氧化反應，常見的活性電極金屬為：Fe、Cu、AR

(2)惰性中.極：中極自身不反應，由中，解質中的陰離子發(fā)生氧次反應。常見的惰性中極為：Pl、C

③電解質溶液或熔融電解質。

④形成閉合回路。

⑶電極名稱及電極反應式(以惰性電極電解CuCL溶液為例)。

(4)電子和離子移動方向。

電子：從電源負極流向電解池的陰極，從電解池的陽極流向電源的正極。

離子：陽離子移向電解池的陰極；陰離子移向電解池的陽極。

3、電子和離子的移動方向

4.電極的放電順序

①常見陽極的放電順序：活性電極〉S2>1>Br>C1>0H>含氧酸根>F

②常見陽離子放電順序：金屬活動性順序的倒序

Ag，>Hg2+>Fe3+>Ct!?—>H+（酸）>Pb2+>Fe?+>Zn2+>H+（水）>Ap+

>Na+>Ca2+>IC

5.?？嫉碾娊獬胤磻剑?/p>

①惰性電極的情況下，電解NaOH溶液：

陰極:2H2O+2e=FhT+20H

+

陽極：2H2O-4e=4H+Q2t

總反應：____2出。2&1+02T

②惰性電極的情況卜，電解KOH溶液：

陰極：2H2O+2e=H2T+20H________

陽極：2H2?！?e=4H++O2T

中解

總反應：2H2。=2HzT+。2T

③惰性電極的情況下，電解H2sCh溶液：

陰極：2H?O+2e=H/+20H

陽極：2H4e=4H++04________

中解

總反應：2H2O=^=2H2t+O2t

④惰性電極的情況下，電解HNO）溶液：

陰極；2H2O+2C=H/+2OH_________

陽極：2H84e=4H++O2f___________

中解

總反應：2H2O=^=2HJ+（M

⑤惰性電極的情況下，電解KNCh溶液：

陰極：2H?O+2e=H#+2OH

陽極：2H出―4e=4H++O2f________

市解

總反應：2H2。==2叢丁+02f

⑥惰性電極的情況下，電解Na2sCh溶液：

陰極：2H2O+2e二H#+20H

陽極：2H9—4c=4H++02T_______________

111

總反應：2H2O^=2H2t+Ogt

⑦惰性電極的情況下，電解HCI溶液:

陰極：2H++2e=H2T—

陽極：2CI—2e-=Ckt

總反應：2H'+2aHzf+Cl"

⑧惰性電極的情況卜，電解CuCL溶液：

陰極：C-++2e=Cu

陽極：2C1—2e-=C12t

總反應：CM++2C「Cu+CbT

⑨惰性電極的情況下，電解NaCl溶液：

陰極：_____2H?O+2e=H介+20H

陽極：2?！?e-=CbT

總反應：2H2O+2CL-^CLT+H?T+20H

⑩惰性電極的情況下,電解MgCb溶液：

陰極：M『++2H2O+2e=HJ+Mg(0H)2

陽極：2。2e-=Cl2t

|h解

總反應：Mf++2H2O+2CL=^=H2T+MB(0H)2+Cbf

(11)惰性電極的情況下，電解CuSCh溶液：

陰極：C/++2e—=Cu

陽極：2&O-4e=4H++O2T

總反應：2靖+2e0」^2Cu+4H++O2T—

(12)惰性電極的情況下，電解AgNCh溶液：

陰極：Ae，+e—二A)

陽極：2H2。一代=4田+0力

電解

總反應：4Ag++2H9=--------=4Ag+4H++O2T―

一.氯堿工業(yè)

1.概念：

用電解—飽和氯化鈉溶液—的方法來制取一氫氧化鈉、氫氣和氯氣_,并以它們?yōu)樵仙a一系列化工產

品的工業(yè)，稱為氯堿工業(yè)。

2.原理：

(1)陽極反應：2c「一2c-=C”f(一氧化—反應)

（2）陰極反應：2H、O+2e==H"+2OH（還原反應）

（3）總反應:

①化學方程式：2NaCI+2H2?？债d2NaOH+H2f+Q2T

②離子方程式：2CI+2H夕典MOH+H2T+CI2T

3.現(xiàn)象及檢驗：

陰極：有無色、無味氣泡產生,滴加酚酬——變魚—

陽極：有黃綠色、刺激性氣味的氣體產生,使?jié)駶櫟牡矸跭I試紙變藍

4.陽離子交換膜的作用

（1）將電解池隔成陽極室和陰極室，只允許陽禽了通過,而阻止陰離子和氣體通過

（2）既能防止陰極產生的皿和陽極產生的口而引起爆炸，又能避免電和NaOH作用生成NaClO而

影響燒堿的質量

二.電鍍

I.概念：應用原理在某些金屬表面鍍上.薄層其他3屬—或合金的加工工藝。

2.目的：使金屬增強能力，增加美觀度和表面硬度。

3.實例（在鐵件上鍍銅）。

材料電極反應式

陰極FeCu"+2e==Cu

陽極CuCu—2e-^=Cu2

電解質溶液CuSO/溶液

三.電解精煉銅

1.概念：粗銅中往往含有鐵、鋅、銀、金等多種雜質，常用電解的方法進行精煉。

電解池的構成是用」ML作陽極，用純銅作陰極,用硫酸銅溶液作電解質溶液。

2.原理：

粗銅中比銅活潑的金屬等，失去電子形成陽離子而溶解（殘留在溶液中）；比銅不活潑的金屬

金等,以金屬單質的形式沉積在電解槽的底部（形成陽極泥）；粗銅中的銅在純銅上析出。

四.電冶金

1.金屬冶煉的本質：使礦石中的獲得電子變成金屬單質的過程。如M〃'+〃e-=M』

2.電冶金：電解是最強有力的氧化還原手段，適用于一些.活潑金屬一單質的制取,如冶煉鈉、鈣、鎂、

鋁等活潑金屬。

總方程式陽極、陰極反應式

冶煉鈉_2NaCl（熔融）空維2Na+CbT20一一2底=0232Na'+2e=2Na

冶煉鎂MgCL（熔融）空且MR+CLT2C1—2e^^=Cht?Mg2*+2e-=Mg

電解

一一丁=。

冶煉鋁2Al2。3（熔融）^^4A1+30#SO?123234Al3++l2e-=4A1

必背知識清單05金屬的腐蝕

1.金屬腐蝕

金屬或合金與周圍的氣體或液體物質發(fā)生氧化還原反應而引起損耗的現(xiàn)象。

2.化學腐蝕和電化學腐蝕：

類型化學腐蝕電化學腐蝕

條件金屬與接觸到的物質直接反應不純金屬接觸到曳解質液發(fā)生原電池反應

本質M—/?e==M/,+M—〃e==M"

現(xiàn)象金屬被腐蝕較活潑金屬被腐蝕

區(qū)別無電流產生直微弱電流產生

化學腐蝕和電化學腐蝕往往同時發(fā)生，電化學腐蝕比化學腐蝕普遍得多，腐蝕速率更快，

聯(lián)系

危害也更嚴重

3.鋼鐵的電化學腐蝕：

⑴實質

鐵：負極

水膜：電解質溶液，在鋼鐵表面形成無數(shù)微小原電池

碳：正極

(2)析氫腐蝕和吸氧腐蝕

類別

析氫腐蝕吸氧腐蝕

項

F德里靠近

港液Qt----*-

圖形描述

<e-中

<Fe多

\___________FeJ

條件水膜酸性較強水膜酸性較弱或呈中性

電負極Fe-2e=Fe"

極正極-

2H++2e==H2T2H2O+O2+4e=4OH^

反

總反應Fe+2H+=Fe2++H2f2Fe+2H2O+Q=2Fe(OH)2

應2

聯(lián)系通常兩種腐蝕同時存在，但后者更普遍

鐵銹的形成：4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3,

2Fe（OH）3=Fe2O3xH2O（鐵銹）+（3—、）比0。

注：I、只有位于金屬活動性順序中氫前的金屬才可能發(fā)生析氫腐蝕

Ik氫前和氫后的金屬可發(fā)生吸氧腐蝕

必背知識清單06金屬的電化學防護

電化學防護犧牲陽極的陰極保護法外加電流的陰極保護法

依據(jù)原電池原理電解池原理

將被保護金屬與電源的_負板一相連作

被保護金屬作正極（陰極）:活潑金屬作—

原理.陰極_；另一附加電極與電源的3

負極_（陽極）。陽極要定期予以更換

極一相連作陽極

實例示意圖

，01必背知識清單07金屬的其他防護方法

1.加涂保護層：如采用噴油漆、涂油脂、電鍍、噴鍍或表面鈍化等方法，使金屬與一空氣、水一等物質隔

離，防止金屬被氧化腐蝕。

2.改變金屬的內部結構：如把銘、銀等金屬加入普通鋼中制成耐腐蝕的_4遨鋼

；03/素養(yǎng)提升

【疑難解惑】

一、原電池正、負電極的判斷方法

判斷依據(jù)負極正極

電極材料活潑性較強的金屬活潑性較弱的金屬或導電的非金屬

電子流動方向電子流出極電子流入極

電解質溶液中

陰離子移向的電極陽離子移向的電極

離子遷移方向

電流方向電流流入極電流流出極

電極反應類型氧化反應還原反應

反應現(xiàn)象電極溶解電極增重或有氣泡產生

點睛:電子只能在導線中流動而不能在溶液中流動，離子只能在溶液中移動而不能通過導線，可以形象地描

述為“電子不下水，離子不上岸

二、電極反應式書寫的一般步驟

三、原電池原理的常見應用

1.比較金屬活動性強弱。如有兩部金屬a和b,用導線連接后插入稀硫粉中，觀察到a極溶解，b極上有氣

泡產生。由此可判斷出a極是負極，b極是正極，故金屬活動性a>b。

2.加快氧化還原反應的速率。如在鋅與稀H2s04反應時加入少量CuSO4溶液，能形成Cu—Zn微小的原電

池，從而加快產生Hz的速率。

3.設計簡單的原電池裝置

以Fe+CuSO4=FeSO4+Cu反應為例，原電池裝置設計方法思珞如下

第一步：將電池總反應拆成兩個半反應

負極：Fc-2e-=Fc?+,正極：Cu?++2e-=Cu

第二步：確定負極材料、正極材料和電解質溶液

負極材料：失電子的物質（還原劑）作負極材料即Fe。

正極材料：用比負極材料金屬活動性差的金屬或非金屬導體作正極材料即Cu或Ag或C等。

電解質溶液：含有反應中作氧化劑的物質作電解質，即CuSOj溶液，如果兩個半反應分別在兩個容器中進

行（中間連接鹽橋），則兩個容器中的電解質溶液應含有與電極材料相同的金屬的陽離子。

第三步：畫出裝置圖，并注明電極材料和電解質溶液，如下圖。

點睛：加入少量CuSCU后，鋅可以置換出銅形成微小原電池，速率加快。但若加入過多CuSO4溶液，生成

銅覆蓋在鋅外面，反而阻礙反應進行。實驗室可以用粗鋅制氫角而加快反應速率。

四、解答二次電池相關問題的方法

在解答二次電池類題時，若給出電池總反應，相關問題的分析瓦按如下方法進行。

1.電極極性及兩極反應物的判斷：首先根據(jù)放電總反應式標出電子轉移的方向和數(shù)目，則放電時失去電子的

物質為負極反應物，其所在電極為負極，得到電子的物質為正極反應物，其所在電極為正極；然后根據(jù)充

電反應是放電反應的逆過程，可判斷充電時的陽極（陰極）即為放電時的正極（負極）。

2.電極反應的書寫：根據(jù)放電總反應寫出放電時正、負極的電極反應；正、負極電極反應的逆過程即為充電

時的陽、陰極電極反應。

3.溶液中離子移動方向：放電時，陰離子移向負極，陽離子移向正極：充電時，陰離子移向陽極，陽離子移

向陰極。

4.pH變化規(guī)律：消耗OFT（HD的電極周圍，溶液的pH減?。ㄔ龃螅蒓H，（H+）的電極周圍，溶

液的pH增大（減?。Ｈ艨偡磻腛FT（HD,則電解質溶液的pH減?。ㄔ龃螅?；若總反應生成OH一（H

+）,則電解質溶液的pH增大（減小）：若總反應既不消耗也不生成OFT（H+）,則電解質溶液的pH變化情

況由溶液的酸堿性及是否有水生成而定。

點睛：電池在充電時，正極接電源正極，負極接電源負極，即“正接正，負接負”。

五、燃料電池問題的應對之策

（1）明確燃料電池的正負極均為惜性電極，一般具有很強的催化活性，但不參與反應。

（2）正極反應的書寫

2-

正極發(fā)生還原反應，通入的氣體一般是氧氣，氧氣得到電子首先變?yōu)椤?一，即O2+4C-=2O,根據(jù)電解

質的不同，其正極反應的書寫分以下幾種情況：

①在酸性溶液中，生成的。2一與結合生成水，其電極反應為02+4e-+4酎=2%0。

②在堿性及中性溶液中，一與水結合生成OH,其電極反應為O2+4L+2H2O=4OH,