第四章化學反應與電能

第一節(jié)原電池

一、原電池的工作原理

1、原電池的構成條件

（1）定義：能把轉化為的裝置。

（2）實質：利用能自發(fā)進行的反應將化學能轉化為電能。

（3）構成條件：①兩個的電極；②溶液；③形成回

路；④自發(fā)進行的反應。

2、實驗4-1：鋅銅原電池的工作原理

裝置示意圖

注：鹽橋中裝有含KCl飽和溶液的瓊膠

現(xiàn)象鋅片，銅片上，電流表指針發(fā)生

能量轉換化轉化為

在硫酸鋅溶液中，負極一端的失去電子形成進入溶液

微觀探析

在硫酸銅溶液中，正極一端的獲得電子變成沉積在銅片上

電子或離子電子：極流向極

移動方向鹽橋：移向ZnSO4溶液，移向CuSO4溶液

負極：Zn－2e－===Zn2＋(反應)

工作原理，

正極：Cu2＋＋2e－===Cu(反應)

電極反應式

總反應：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

（1）Zn-ZnSO4半電池：在ZnSO4溶液中，鋅片逐漸溶解，即Zn被，鋅原子失去電子，形

成Zn2＋進入溶液，即Zn－2e－===Zn2＋；從鋅片上釋放出的，經過導線流向銅片。

2＋

（2）Cu-CuSO4半電池：CuSO4溶液中的Cu從銅片上得到，為銅單質

并沉積在銅片上，即Cu2＋＋2e－===Cu。

（3）鹽橋的作用：電池工作時，鹽橋中的會移向ZnSO4溶液，移向CuSO4

溶液，使兩溶液均保持電中性。當取出鹽橋后，形成斷路，反應停止。

1

3、原電池工作原理

（1）原理圖解

（2）電極名稱與反應類型：正極→反應；負極→反應。

（3）電子流向：負極→正極。

（4）電流方向：正極→負極。

（5）離子流向：陽離子→極；陰離子→極。

4、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CuSO4溶液，CuSO4與鋅發(fā)生置換反應生成，從而形

成Cu－Zn微小原電池，加快產生的速率。

（2）比較金屬活動性強弱

例如：有兩種金屬a和b，用導線連接后插入稀硫酸中，觀察到a極溶解，b極上有氣泡產生。由此可判斷

出a是、b是，且金屬活動性：。

（3）設計原電池

例如：2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2

①化合價升高的物質負極：Cu

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：FeCl3

示意圖

一、化學電源概述一次電池

1、化學電源的分類

（1）一次電池：也叫做，放電后不可再充電。

（2）二次電池：又稱電池或蓄電池，放電后可以使活性物質獲得再生。

（3）燃料電池：連續(xù)地將和的化學能直接轉化為電能的化學電源。

2

2、判斷電池優(yōu)劣的主要標準

（1）比能量：或所能輸出電能的多少，單位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。

（2）比功率：單位質量或所能輸出功率的大小，單位是W·kg－1或W·L－1。

（3）電池可儲存時間的長短。

3、化學電池的回收利用

使用后的廢棄電池中含有大量的、酸和堿等有害物質，隨處丟棄會給土壤、等

造成嚴重的污染。要進行回收利用。

4、化學電源的發(fā)展方向

小型化、供電方便、工作壽命長、不需要維護的電池受到人們的青睞。如電池、電

池等。

5、一次電池：鋅錳干電池

普通鋅錳干電池堿性鋅錳干電池

示意

圖

負極：負極反應物：

構造正極：正極反應物：

電解質溶液：電解質溶液：

－＋2＋＋－－

負極：Zn－2e＋2NH4===Zn(NH3)2＋2H負極：Zn＋2OH－2e===Zn(OH)2

工作

＋－－－

正極：2MnO2＋2H＋2e===2MnO(OH)正極：2MnO2＋2H2O＋2e===2MnO(OH)＋2OH

原理

總反應：總反應：

6、二次電池：鉛蓄電池

Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O

（1）負極是，正極是，電解質溶液是溶液。

（2）放電反應原理

2－－

①負極反應式是Pb＋SO4－2e===PbSO4；

＋2－－

②正極反應式是PbO2＋4H＋SO4＋2e===PbSO4＋2H2O；

③放電過程中，負極質量的變化是增大，H2SO4溶液的濃度減小。

（3）充電反應原理

3

－2－

①陰極(還原反應)反應式是：PbSO4＋2e===Pb＋SO4；

－＋2－

②陽極(氧化反應)反應式是：PbSO4＋2H2O－2e===PbO2＋4H＋SO4；

③充電時，鉛蓄電池正極與直流電源相連，負極與直流電源極相連。口訣：

“負極接負極，正極接正極”。

7、二次電池：鋰離子電池

電極電極反應

負極嵌鋰石墨(LixCy)：

正極鈷酸鋰(LiCoO2)：

總反應

LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy

8、氫氧燃料電池是一種清潔高效的燃料電池

（1）基本構造

（2）工作原理

酸性電解質(H2SO4)堿性電解質(KOH)

－－

負極反應2H2－4e＋4OH===4H2O

－＋

正極反應O2＋4e＋4H===2H2O

總反應2H2＋O2===2H2O

（3）燃料電池電極的書寫

如：CH4堿性(KOH溶液)燃料電池負極反應式書寫方法：

第一步確定生成物

2

O2HO

CH4―――→

KOH2－

CO2――→CO3＋H2O

2－

故CH4的為CO3和H2O；

4

－4＋4

－2－

第二步確定價態(tài)變化及電子轉移：CH4－8e―→CO3＋H2O；

－－－2－

第三步依據(jù)電解質性質，用OH使電荷守恒：CH4－8e＋10OH―→CO3＋H2O；

－－2－

第四步最后據(jù)氫原子守恒配平H2O的化學計量數(shù)：CH4－8e＋10OH===CO3＋7H2O。

第二節(jié)電解質

一、電解原理

1、實驗探究：電解CuCl2溶液

電解裝置

存在微粒Cu2＋、Cl－、H＋、OH－

通電前

微粒運動自由移動

微粒運動移向陰極，移向陽極

陰極：Cu2＋＋2e－===Cu

電極反應

電解過－－

陽極：2Cl－2e===Cl2↑

程分析電解

通電后電解反應CuCl2=====Cu＋Cl2↑

陰極：

實驗現(xiàn)象陽極：①有氣泡放出；②；③濕潤

的淀粉碘化鉀試紙變?yōu)?/p>

2、電解和電解池

（1）電解：使電流通過(或熔融電解質)而在陽極、陰極引起反應的過程。

（2）電解池：將轉化為的裝置(也稱電解槽)。

（3）電解池的構成條件：①直流電源；②兩個電極；③電解質溶液或熔融電解質；④形成。

3、電解原理

（1）電極反應類型：陽極→反應；陰極→反應。

（2）電子流向：電源極→極；極→電源極。

（3）電流方向：電源極→極；極→電源極。

（4）離子流向：陽離子→極；陰離子→極。

二、電解原理的應用

5

1、電解飽和食鹽水的原理

（1）通電前：溶液中的離子是。

（2）通電后：①移向陽極的離子是，Cl－比OH－容易失去電子，被氧化成。

－－

（3）陽極：2Cl－2e===Cl2↑(反應)。

（4）移向陰極的離子是，比容易得到電子，被還原

成。其中H＋是由水電離產生的。

－－

（5）陰極：2H2O＋2e===H2↑＋2OH(反應)。

（6）總反應：

電解

化學方程式為2NaCl＋2H2O=====H2↑＋Cl2↑＋2NaOH；

－電解－

離子方程式為2Cl＋2H2O=====H2↑＋Cl2↑＋2OH。

2、氯堿工業(yè)生產流程

（1）陽離子交換膜電解槽

（2）陽離子交換膜的作用：只允許等陽離子通過，不允許等陰離子及氣

體分子通過，可以防止陰極產生的與陽極產生的混合發(fā)生爆炸，也能避

免氯氣與陰極產生的氫氧化鈉反應而影響氫氧化鈉的產量。

3、氯堿工業(yè)產品及其應用

（1）氯堿工業(yè)產品主要有鹽酸、含氯漂白劑。

（2）電解飽和食鹽水為原理的氯堿工業(yè)產品在有機合成、、金屬冶煉等領域

中廣泛應用。

4、電鍍與電解精煉

6

裝置

精煉

電鍍

陽極材料鍍層金屬Cu粗銅(含等雜質)

陰極材料鍍件金屬Fe純銅

陽極反應Cu－2e－===Cu2＋Zn－2e－===Zn2＋、Cu－2e－===Cu2＋等

陰極反應

溶液變化硫酸銅溶液濃度保持不變Cu2＋濃度減小，金、銀等金屬沉積形成陽極泥

5、電冶金

（1）金屬冶煉的本質：使礦石中的獲得電子變成的過程。如Mn＋＋ne－===M。

（2）電解法用于冶煉較活潑的金屬(如等)，但不能電解其鹽溶液，應電解其熔融態(tài)。

－－＋－

如：電解熔融的氯化鈉可制取金屬鈉的反應式：陽極：2Cl－2e===Cl2↑；陰極：2Na＋2e===2Na；

電解

總反應：2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl2↑。

第三節(jié)金屬的腐蝕與防護

一、金屬的腐蝕

1、金屬的腐蝕

（1）概念：金屬或合金與周圍的發(fā)生反應而引起損耗的現(xiàn)象。其實質是金

屬原子電子變?yōu)殛栯x子，金屬發(fā)生反應。

（2）根據(jù)與金屬接觸的不同，金屬腐蝕可分為兩類：

①化學腐蝕：金屬與其表面接觸的一些物質(如等)直接反應而引起的腐蝕。腐蝕的速率隨溫度

升高而。

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②電化學腐蝕：當?shù)慕饘倥c溶液接觸時會發(fā)生反應，

比較的金屬發(fā)生氧化反應而被腐蝕。

2、鋼鐵的電化學腐蝕

類別

析氫腐蝕吸氧腐蝕

項目

圖形描述

條件水膜酸性較強水膜酸性很弱或呈中性

負極Fe－2e－===Fe2＋

＋－－－

正極2H＋2e===H2↑O2＋4e＋2H2O===4OH

總反應

最終生成鐵銹(主要成分為Fe2O3·xH2O)，反應如下：4Fe(OH)2＋O2＋

后續(xù)反應

2H2O=4Fe(OH)3，2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O

聯(lián)系通常兩種腐蝕同時存在，但后者更普遍

3、實驗探究：電化學腐蝕

實驗操作實驗現(xiàn)象實驗解釋

裝置中鐵、碳和飽和食鹽水構成原電池，

導管中

鐵釘發(fā)生腐蝕

Zn與CuSO4反應生成Cu，Zn、Cu和稀鹽

①試管中產生氣泡的速率

酸構成，形成

腐蝕，速率更

二、金屬的防護

1、改變金屬材料的組成

在金屬中添加其他金屬或非金屬制成性能優(yōu)異的。如普通鋼加入制成

不銹鋼，合金不僅具有優(yōu)異的能且具有良好的。

2、在金屬表面覆蓋保護層

在金屬表面覆蓋致密的，將金屬制品與周圍物質隔開是一種普遍采用的防護方法。如，在鋼鐵

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制品表面噴油漆、涂礦物性油脂、覆蓋搪瓷等；電鍍鋅、錫、鉻、鎳等，利用化學方法、法、

等方式在金屬表面形成穩(wěn)定的。

3、電化學保護法

金屬在發(fā)生電化學腐蝕時，總是作為原電池(陽極)的金屬被腐蝕，作為(陰

極)的金屬不被腐蝕，如果能使被保護的金屬成為，就不易被腐蝕。

（1）犧牲陽極法

原理：原電池原理

要求：被保護的金屬作，活潑性更強的金屬作