電化學(xué)原電池部分

1、電化學(xué)部分綜述電化學(xué)是研究電和化學(xué)反應(yīng)相互關(guān)系的科學(xué)。電和化學(xué)反應(yīng)相互作用可通過電池來完成，也可利用高壓靜電放電來實(shí)現(xiàn)（如氧通過無聲放電管轉(zhuǎn)變?yōu)槌粞酰?，二者統(tǒng)稱電化學(xué)，后者為電化學(xué)的一個(gè)分支，稱放電化學(xué)。由于放電化學(xué)有了專門的名稱，因而，電化學(xué)往往專門指“電池的科學(xué)”。在高中范圍內(nèi)我們僅僅了解原電池原理與電解池原理中的說來我們需喲掌握的知識包括原電池，電解池的原理。以及相應(yīng)電機(jī)方程式的書寫與計(jì)算原電池部分是利用兩個(gè)電極之間金屬性的不同，產(chǎn)生電勢差，從而使電子的流動(dòng)，產(chǎn)生電流。原理原電池是利用原話還原反應(yīng)產(chǎn)生電流的，我們知道氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是電子的得失，原電池利用了電極金屬與電解液進(jìn)行的氧化還

2、原反應(yīng)進(jìn)行供電，不同的是，他是利用電路結(jié)構(gòu)將氧化還原反應(yīng)拆解成氧化部分越還原部分，讓其在不同的電極發(fā)生，進(jìn)而形成電子流為外部供電如圖電解液內(nèi)部我們叫內(nèi)電路，電流方向是由負(fù)極流向正極，外部導(dǎo)線部分我們成為外電路電流由正極流向負(fù)極，因?yàn)殡娏鞯姆较蚺c正電荷流動(dòng)方向相同與負(fù)電荷流動(dòng)的方向相反，因此，在內(nèi)電路中，自由移動(dòng)的電荷是陰陽離子，這樣，電解液中，陽離子由負(fù)極流向正極，陰離子由正極流向負(fù)極，外電路自由移動(dòng)的電荷是電子，因此外電路中電子由負(fù)極流向正極。因此我們的可以知道，負(fù)極金屬絲失去電子的參與氧化還原反應(yīng)，并且發(fā)生的是氧化反應(yīng)呢，本身充當(dāng)還原劑。正極發(fā)生還原反應(yīng)，但正極金屬不參與氧化還原反應(yīng)，只是

3、起到導(dǎo)電作用，而是電解液在正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。整個(gè)過程中得失電子守恒。這里需要注意幾點(diǎn)第一， 原電池所利用的氧化還原反應(yīng)必須是可以自發(fā)進(jìn)行的，比如氨氣的催化氧化，也是一個(gè)氧化還原反應(yīng)，但其條件苛刻，不能充當(dāng)原電池翻譯，燃燒雖然不是嚴(yán)格的自發(fā)反應(yīng)，但燃燒一起啟動(dòng)后只要條件適宜可以直發(fā)進(jìn)行，因此燃料電池是可行的第二， 原電池的實(shí)際是原理是負(fù)極金屬與電解液的反應(yīng)，負(fù)極充當(dāng)還原劑，因此我們一般認(rèn)為還原性強(qiáng)的金屬也就是活潑的金屬充當(dāng)負(fù)極。但是，你需要注意例外，比如Al，他是可以與強(qiáng)堿反應(yīng)的，比如用氫氧化鈉做電解液，不管另一種金屬絲啥，負(fù)極肯定是Al?？傊?fù)極金屬是與電解液反應(yīng)較強(qiáng)烈的金屬。一般情

4、況下，正負(fù)極的活潑性差距越大，形成原電池的電壓就越高，反之，活潑性越接近，原電池電壓越低。第三， 一個(gè)完整的原電池必須構(gòu)成閉合回路，這樣才可以實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)的兩極拆分，否則，氧化還原反應(yīng)只會發(fā)生在一極。電極方程式的書寫第一步：先看是否可以完整的寫出原電池所利用的氧化還原反應(yīng)，能則寫出，如果不能，那么首先確定氧化劑，還原劑，與電解液性質(zhì)。這里注意電解液性質(zhì)，也就是值得是電解液的ph，以及其中存在的離子。第二步：書寫負(fù)極電機(jī)方程式，書寫的時(shí)候分為2步，首先確定還原劑失去多少電子，并且失電子后的直接產(chǎn)物是什么，大多數(shù)金屬單質(zhì)失去電子得到對應(yīng)陽離子，H2失去電子的直接產(chǎn)物是H+，CO失去電子的產(chǎn)物是

5、C4+ ，甲烷類失去電子的直接產(chǎn)物是H+和C4+。然后看這些直接產(chǎn)物在電解液中的存在形式是什么;金屬陽離子看電解液中時(shí)候有與之形成沉底的離子有，則是沉淀，否則就是以金屬離子的形式存在。H+看電解液的ph，酸性則是H+，堿性則是水。C4+也是看ph，酸性條件下是二氧化碳，堿性條件是碳酸根。最后看是否符合質(zhì)量守恒，電荷守恒，不符合則用水和氫離子或氫氧根相配平第三步書寫正極方程式，與負(fù)極類似書寫的時(shí)候分為2步，首先確定氧化劑得到多少電子，的電子的直接產(chǎn)物是什么，O2的電子的直接產(chǎn)物是O2，水的電子的直接產(chǎn)物是氫氧根。然后看電解液性質(zhì)，對于O2，酸性條件下是水，中性和堿性條件下與水結(jié)合形成氫氧根。對于

6、氫氧根，中性和堿性下是氫氧根，酸性是水。計(jì)算部分原電池說穿了也就是利用了氧化還原反應(yīng)，因此與之有關(guān)的計(jì)算無非就是一個(gè)氧化還原反應(yīng)的計(jì)算，因此，不管是單獨(dú)的原電池計(jì)算也好，還是多了原電池鏈接計(jì)算也好，其思路只有一個(gè)也就是的是電子守恒，關(guān)鍵就是分析清楚那些部分是的電子的，哪些部分是失去電子的即可，附1各種常見的原電池1.鋅錳干電池：鋅錳電池具有原材料來源豐富、工藝簡單，價(jià)格便宜、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，成為人們使用最多、最廣泛的電池品種。鋅錳電池以鋅為負(fù)極，以二氧化錳為正極。按照基本結(jié)構(gòu)，鋅錳電池可制成圓筒形、扣式和扁形，扁形電池不能單個(gè)使用，可組合疊層電池（組）。按照所用電解液的差別將鋅錳電池分為三個(gè)類

7、型：(1)銨型鋅錳電池：電解質(zhì)以氯化銨為主，含少量氯化鋅。電池符號:(-) ZnNH4Cl·ZnCl2MnO2 (+)總電池反應(yīng)： Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+Mn2O3+H2O(2) 鋅型鋅錳電池：又稱高功率鋅錳電池，電解質(zhì)為氯化鋅，具有防漏性能好，能大功率放電及能量密度較高等優(yōu)點(diǎn)，是鋅錳電池的第二代產(chǎn)品，20世紀(jì)70年代初首先由德國推出。與銨型電池相比鋅型電池長時(shí)間放電不產(chǎn)生水，因此電池不易漏液。電池符號：(-) ZnZnCl2MnO2 (+)總電池反應(yīng)（長時(shí)間放電）：Zn+2Zn(OH)Cl+6MnO(OH)=ZnCl2·2ZnO·

8、;4H2O+2Mn3O4(3) 堿性鋅錳電池：這是鋅錳電池的第三代產(chǎn)品，具有大功率放電性能好、能量密度高和低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)。電池符號：(-) ZnKOHMnO2 (+)總電池反應(yīng)： Zn+2H2O+2MnO2=2Mn(OH)2+Zn(OH)2鋅錳電池額定開路電壓為1.5V，實(shí)際開路電壓1.51.8V ，其工作電壓與放電負(fù)荷有關(guān)，負(fù)荷越重或放電電阻越小，閉路電壓越低。用于手電筒照明時(shí)，典型終止電壓為0.9V，某些收音機(jī)允許電壓降至0.75V。2鋰原電池：又稱鋰電池，是以金屬鋰為負(fù)極的電池總稱。鋰的電極電勢最負(fù)相對分子質(zhì)量最小，導(dǎo)電性良好，可制成一系列貯存壽命長，工作溫度范圍寬的高能電池。根據(jù)電解

9、液和正極物質(zhì)的物理狀態(tài)，鋰電池有三種不同的類型，即：固體正極有機(jī)電解質(zhì)電池、液體正極液體電解質(zhì)電池、固體正極固體電解質(zhì)電池。Li(CF)n的開路電壓為3.3V，比能量為480W·h·L-1，工作溫度在-5570間，在20下可貯存10年之久！它們都是近年來研制的新產(chǎn)品，目前主要用于軍事、空間技術(shù)等特殊領(lǐng)域，在心臟起搏器等微、小功率場合也有應(yīng)用常見電磁的電極反應(yīng)方程式1CuH2SO4Zn原電池正極：2H+ +2e- H2負(fù)極：Zn-2e- Zn2+總反應(yīng)式：Zn+2H+=Zn2+H22CuFeCl3C原電池正極：2Fe3+ + 2e- 2Fe2+負(fù)極：Cu-2e- Cu2+總反

10、應(yīng)式：2Fe3+ +Cu=2Fe2+ +Cu2+3鋼鐵在潮濕的空氣中發(fā)生吸氧腐蝕正極：O2+2H2O+4e- 4OH-負(fù)極：2Fe-4e-2Fe2+總反應(yīng)式：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)24氫氧燃料電池（堿性介質(zhì)）正極：O2+2H2O+4e- 4OH-負(fù)極：2H2-4e- +4OH- 4H2O總反應(yīng)式：2H2+O2=2H2O5氫氧燃料電池（酸性介質(zhì)）正極：O2+4H+ + 4e-2H2O負(fù)極：2H2-4e- 4H+總反應(yīng)式：2H2+O2=2H2O6氫氧燃料電池（中性介質(zhì)）正極：O2+2H2O+4e- 4OH-負(fù)極：2H2-4e- 4H+總反應(yīng)式：2H2+O2=2H2O7鉛蓄電池（放電

11、）正極 (PbO2) ：PbO2+2e- +SO42- +4H+ PbSO4+2H2O負(fù)極 (Pb) ：Pb-2e- +(SO4)2- PbSO4總反應(yīng)式：Pb+PbO2+4H+2(SO4)2=2PbSO4+2H2O8AlNaOHMg原電池正極：6H2O+6e- 3H2+6OH-負(fù)極：2Al-6e- +8OH- 2AlO2-+4H2O總反應(yīng)式：2Al+2OH- +2H2O=2AlO2- + 3H29CH4燃料電池(堿性介質(zhì))正極：2O2+4H2O+8e- 8OH-負(fù)極：CH4-8e- +10OH- (CO3)2-+7H2O總反應(yīng)式：CH4+2O2+2OH=(CO3)2-+3H2O10熔融碳酸鹽

12、燃料電池（Li2CO3和Na2CO3熔融鹽作電解液，CO作燃料）：正極：O2+2CO2+4e- 2(CO3)2-(持續(xù)補(bǔ)充CO2氣體)負(fù)極：2CO+2(CO3)2-4e- 4CO2總反應(yīng)式：2CO+O2=2CO211銀鋅紐扣電池(堿性介質(zhì))正極 (Ag2O) ：Ag2O+H2O+2e- 2Ag+2OH-負(fù)極 (Zn) ：Zn+2OH-2e- ZnO+H2O總反應(yīng)式：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag12. 堿性鋅錳電池（KOH介質(zhì)）正極(MnO2)：2MnO2+2H2O+2e- 2MnOOH+2OH-負(fù)極(Zn)：Zn+2OH-2e- Zn(OH)2總反應(yīng)式：Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH

13、+Zn(OH)2附2：鹽橋常用于原電池實(shí)驗(yàn)， 為了減小液接電位，通常在兩種溶液之間連接一個(gè)高濃度的電解質(zhì)溶液作“鹽橋”。作用原理在兩種溶液之間插入鹽橋以代替原來的兩種溶液的直接接觸，減免和穩(wěn)定液接電位（當(dāng)組成或活度不同的兩種電解質(zhì)接觸時(shí)，在溶液接界處由于正負(fù)離子擴(kuò)散通過界面的離子遷移速度不同造成正負(fù)電荷分離而形成雙電層，這樣產(chǎn)生的電位差稱為液體接界擴(kuò)散電位，簡稱液接電位），使液接電位減至最小以致接近消除。 防止試液中的有害離子擴(kuò)散到參比電極的內(nèi)鹽橋溶液中影響其電極電位。實(shí)際上鹽橋相當(dāng)于一個(gè)電解液組成的導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)電路電荷的流動(dòng)，附3：腐蝕腐蝕，指材料由于環(huán)境作用引起的破化或變質(zhì)，高中按原理分

14、為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，其中我們初中解除到的腐蝕方式就是化學(xué)腐蝕也即是金屬與接觸到的物質(zhì)直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)而被氧化損耗的過程。這類腐蝕不普遍、只有在特殊條件下發(fā)生，例如，化工廠里的氯氣與鐵反應(yīng)生成氯化亞鐵：Cl2+FeFeCl2。化學(xué)腐蝕原理比較簡單，屬于一般的氧化還原反應(yīng)。可以這樣說，金屬與酸或者堿甚至一切金屬參與的氧化還原反應(yīng)都可以認(rèn)為是腐蝕。防止化學(xué)腐蝕的方法有以下幾種1 鈍化 例如 用鋁罐運(yùn)輸冷濃硝酸2 電鍍 例如 鍍鋅3 刷隔離層 例如 鋼鐵上刷油漆較電化學(xué)腐蝕而言，化學(xué)腐蝕的速度遠(yuǎn)小于電化學(xué)腐蝕附4:原電池的作用電化學(xué)保護(hù)于電化學(xué)腐蝕在原電池中我們知

15、道，負(fù)極參與氧化還原反應(yīng)，與電解液發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而溶解，而正極金屬只負(fù)責(zé)導(dǎo)電，不參與反應(yīng)。這樣如果我們將目標(biāo)金屬充當(dāng)負(fù)極，讓其充當(dāng)還原劑，加快其反應(yīng)，讓他更快的腐蝕。例如，將碳粉和鋅粒一起放入酸液里。形成微小的原電池，會極大的加快鋅粒的溶解速度。反之，如果將目標(biāo)金屬放在正極的位置，讓其充當(dāng)原電池的正極，因?yàn)檎龢O不參與反應(yīng)，會極大延緩金屬的腐蝕速度，相當(dāng)于將之保護(hù)起來了。電化學(xué)腐蝕依靠電解液的 ph不同可以分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕。析氫腐蝕發(fā)生在偏酸性的電解液縱中鋼鐵制品中一般都含有石墨（C）或碳化鐵（Fe3C）。在潮濕空氣中，鋼鐵表面會吸附水汽而形成一層薄薄的水膜。水膜中溶有二氧化碳或二氧化硫后就變

16、成一種電解質(zhì)溶液，使水里的H+增多：CO2+H2OH2CO3H+HCO3-SO2+H2OH2SO3H+HSO3-于是就產(chǎn)生了無數(shù)個(gè)以鐵為負(fù)極、碳或碳化鐵為正極、酸性水膜為電解質(zhì)溶液的微小原電池。電極反應(yīng)負(fù)極（鐵）：鐵被氧化Fe-2e-=Fe2+正極（碳或碳化鐵）：溶液中的H+被還原2H+2e-=H2負(fù)極2價(jià)的鐵會被演化成3價(jià)的最終形成鐵銹。吸氧腐蝕發(fā)生在中心或者偏堿性的環(huán)境中，鐵與C形成微小的原電池，發(fā)生負(fù)極（鐵）：2Fe-4e-=2Fe2+正極（碳或碳化鐵）：2H2O+O2+4e-=4OH-附5：燃料電池燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝

17、置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，利用燃燒反應(yīng)發(fā)出的能量產(chǎn)生電力。具體一個(gè)燃料電池涉及到的知識很多，高中范圍內(nèi)，針對燃料電池我們的認(rèn)知就是一個(gè)原電池，它的電極反應(yīng)的書寫同樣是有規(guī)律可循的。一般燃料電池發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃燒產(chǎn)物相同，可根據(jù)燃燒反應(yīng)寫出總的電池反應(yīng)，但不注明反應(yīng)的條件。負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，不過要注意一般電解質(zhì)溶液要參與電極反應(yīng)?，F(xiàn)以氫氧燃料電池為例進(jìn)行說明：氫氧燃料電池一般是以惰性金屬鉑（Pt）做電極材料，負(fù)極通入H2，正極通入O2，電解質(zhì)溶液通常選用KOH。在負(fù)極上氫氣失去電子變成 H+進(jìn)入溶液，H+又與溶液中的OH-繼續(xù)反應(yīng)生成H2O，因此在負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)為H2 2e- = 2H+ ，H+ + 2OH- = H2O，所以：負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2H2 4e- + 4OH- = 4H2O；正極是O2得到電子，即：O2 + 4e- = 2O2- ，O2-在堿性條件下不能單獨(dú)存在，只能結(jié)合H2O生成OH-即：O2- + H2O = 2OH- ，因此：正極反應(yīng)式為：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- ?？偡磻?yīng)為：2H2 + O2 = 2H2O。注意：若在酸性條件下，負(fù)極反應(yīng)式為：2H2 -4e- = 4H+正極反應(yīng)式為：O2 + 4H+ + 4e- =