原電池 金屬的腐蝕與防護(hù)

原電池是借助

反應(yīng)將

能轉(zhuǎn)化為

能的裝置。如圖所示：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：(1)有鹽橋時(shí)

；化學(xué)化學(xué)電電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，銅片表面有金屬析出(2)鋅片

。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：導(dǎo)線中有電流通過(guò)，即該裝置為一個(gè)原電池。1．銅一鋅原電池原理分析在ZnSO4溶液中，鋅片失去電子而逐漸溶解，形成Zn2＋進(jìn)入溶液，電子經(jīng)導(dǎo)線流向銅片，溶液中的Cu2＋得電子被還原成Cu。這一變化可以表示如下：鋅片：

(氧化反應(yīng))銅片：

(還原反應(yīng))總反應(yīng)：

或

逐漸溶解Zn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===CuZn＋Cu2＋===Zn2＋＋CuZn＋CuSO4===ZnSO4＋Cu2．原電池形成的條件(1)兩個(gè)活潑性不同的電極：其中一個(gè)相對(duì)活潑，另一個(gè)相對(duì)較不活潑，二者直接或間接地連在一起，插入電解質(zhì)溶液中；(2)電解質(zhì)溶液；(3)形成閉合回路；(4)能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng)。1.一次電池(不能充電，不能反復(fù)使用)(1)銀鋅鈕扣電池：電極材料分別為Ag2O和Zn，電解質(zhì)溶液為KOH溶液。負(fù)極(Zn)：

正極(Ag2O)：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－電池反應(yīng)方程式：

.Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2(2)堿性鋅錳電池：電解質(zhì)為KOH負(fù)極：

正極：

總反應(yīng)：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)22MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－2．二次電池(可充電，可多次重復(fù)使用)如鉛蓄電池：H2SO4溶液作電解液(1)放電時(shí)負(fù)極：

正極：

總反應(yīng)：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O(2)充電反應(yīng)為電解過(guò)程，是放電反應(yīng)的逆過(guò)程陰極：

陽(yáng)極：

總反應(yīng)：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4Pb＋SO42－－2e－===PbSO4PbO2＋4H＋＋SO42－＋2e－===PbSO4＋2H2OPbSO4＋2e－===Pb＋SO42－PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO42－3．燃料電池(1)燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換電能的化學(xué)電池。燃料電池本身不含活性物質(zhì)，只是一個(gè)催化轉(zhuǎn)化元件。它工作時(shí)，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給。燃料電池的燃料可以是氫氣、烴、肼、甲醇、氨、煤氣等多種液體或氣體。(2)氫氧燃料電池氫氧燃料電池是一種高效低污染的新型電池，主要用于航天領(lǐng)域。它的電極材料一般為惰性電極，具有很強(qiáng)的催化活性，如鉑電極，活性炭電極等。電解質(zhì)溶液若為40%的KOH溶液。電極反應(yīng)為：負(fù)極：

，正極：

電池的總反應(yīng)式為：

。2H2＋4OH－－4e－===2H2OO2＋2H2O＋4e－===4OH－2H2＋O2===2H2O電解質(zhì)溶液若為酸性物質(zhì)，電極反應(yīng)為：負(fù)極：

，正極：

，電池的總反應(yīng)式為：

。2H2－4e－＝4H＋O2＋4H＋＋4e－===2H2O2H2＋O2===2H2O(1)化學(xué)腐蝕：金屬跟接觸到的物質(zhì)直接發(fā)生

而引起的腐蝕。(2)電化學(xué)腐蝕①定義：金屬或合金因發(fā)生

所引起的腐蝕。金屬的腐蝕主要是發(fā)生

。②吸氧腐蝕與析氫腐蝕(以鋼鐵為例)。氧化還原反應(yīng)原電池反應(yīng)電化學(xué)腐蝕類型吸氧腐蝕析氫腐蝕條件水膜呈弱酸性或中性水膜呈酸性正極反應(yīng)(C)

.負(fù)極反應(yīng)(Fe)

.其他反應(yīng)Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3

Fe(OH)3失去部分水轉(zhuǎn)化為鐵銹O2＋2H2O＋4e－===4OH－2H＋＋2e－===H2↑Fe－2e－===Fe2＋(3)金屬的防護(hù)金屬的防護(hù)金屬表面覆蓋保護(hù)層：(1)涂礦物性油脂、油漆或覆蓋搪瓷塑料；(2)鍍耐腐蝕的金屬或合金；(3)用化學(xué)方法鈍化使金屬表面形成一層致密的氧化物膜電化學(xué)保護(hù)法：(1)外加電流的陰極保護(hù)法(電解池原理)如鋼閘門接低壓直流電負(fù)極，石墨接電源正極作陽(yáng)極，浸入水中；(2)犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法(原電池原理)，如船殼上釘上鋅塊改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：普通鋼鐵加入鉻、鎳等轉(zhuǎn)變?yōu)椴讳P鋼等1．正負(fù)極判斷方法判斷依據(jù)負(fù)極正極電極材料活潑性較強(qiáng)的金屬活潑性較弱的金屬或能導(dǎo)電的非金屬電子流動(dòng)方向電子流出極電子流入極電解質(zhì)溶液中離子定向移動(dòng)方向陰離子移向的極陽(yáng)離子移向的極發(fā)生的反應(yīng)氧化反應(yīng)還原反應(yīng)反應(yīng)現(xiàn)象溶解的極增重或有氣泡放出的極2.原電池原理的應(yīng)用(1)加快氧化還原反應(yīng)的速率：例如，在鋅與稀H2SO4反應(yīng)時(shí)加入少量CuSO4溶液，CuSO4與鋅發(fā)生置換反應(yīng)生成Cu，從而形成Cu－Zn微小的原電池，能加快產(chǎn)生H2的速率。(2)比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱：例如：有兩種金屬a和b，用導(dǎo)線連接后插入稀硫酸中，觀察到a極溶解，b極上有氣泡產(chǎn)生。由此可判斷出a是負(fù)極，b是正極，金屬活動(dòng)性a>b。(3)用于金屬的防護(hù)，如犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法。(4)制造各種化學(xué)電源：原電池能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，所以其最重要的應(yīng)用是制造各種實(shí)用電池。(5)判斷金屬腐蝕的先后順序，比較金屬腐蝕的快慢并進(jìn)行金屬的防護(hù)。3．金屬的腐蝕(1)金屬的腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕定義金屬跟接觸到的物質(zhì)直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)而引起的腐蝕金屬或合金因發(fā)生原電池反應(yīng)所引起的腐蝕條件金屬與非電解質(zhì)等直接接觸，如Fe與Cl2反應(yīng)不純金屬或合金與電解質(zhì)溶液接觸。如鋼鐵在潮濕的空氣中現(xiàn)象無(wú)電流產(chǎn)生有微弱電流產(chǎn)生(形成微小原電池)本質(zhì)金屬被氧化的過(guò)程較活潑金屬被氧化的過(guò)程相互關(guān)系化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕往往同時(shí)發(fā)生，但電化學(xué)腐蝕更普遍，危害嚴(yán)重。條件不同，腐蝕的種類不同(2)電化學(xué)腐蝕又分為：吸氧腐蝕與析氫腐蝕，二者的區(qū)別如下表：類型吸氧腐蝕析氫腐蝕條件水膜酸性不強(qiáng)水膜呈較強(qiáng)酸性正極反應(yīng)(C)O2＋2H2O＋4e－===4OH－2H＋＋2e－===H2↑負(fù)極反應(yīng)(Fe)Fe===Fe2＋＋2e－總反應(yīng)式2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑其他反應(yīng)Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2,4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3Fe(OH)3失去部分水轉(zhuǎn)化為鐵銹：2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O聯(lián)系鋼鐵的電化學(xué)腐蝕通常有析氫腐蝕和吸氧腐蝕的兩種情況，以吸氧腐蝕最為普遍[例1](2010·廣東理綜，23)銅鋅原電池(如圖)工作時(shí)，下列敘述正確的是()A．正極反應(yīng)為：Zn－2e－===Zn2＋B．電池反應(yīng)為：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋CuC．在外電路中，電子從負(fù)極流向正極D．鹽橋中的K＋移向ZnSO4溶液[解析]本題考查原電池。電池的正極得電子，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；結(jié)合該電池的裝置圖可知，該過(guò)程中的氧化還原反應(yīng)為Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，B選項(xiàng)正確；外電路中，電子從負(fù)極流向正極，C選項(xiàng)正確；左燒杯中由于Zn失去電子形成Zn2＋，使的該燒杯中正電荷的離子增加，為維持電中性，K＋應(yīng)該通過(guò)鹽橋流向CuSO4所在的右燒杯，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。[答案]BC[方法點(diǎn)撥]電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)技巧書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式時(shí)，要根據(jù)電極材料、電解質(zhì)溶液分析電極反應(yīng)和電極產(chǎn)物，寫(xiě)出電極反應(yīng)式，還要注意電子守恒。(1)負(fù)極為活潑金屬時(shí)，一般失去電子形成可溶性穩(wěn)定價(jià)態(tài)陽(yáng)離子，或進(jìn)入溶液，或與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；若為燃料電池，負(fù)極一般不參與反應(yīng)，可燃?xì)怏w失去電子，形成穩(wěn)定的氧化產(chǎn)物，或進(jìn)一步與電解質(zhì)溶液反應(yīng)。(2)正極上，一般是溶液中氧化性最強(qiáng)的微粒獲得電子被還原，生成穩(wěn)定的還原產(chǎn)物，或進(jìn)一步與電解質(zhì)溶液反應(yīng)。(3)正、負(fù)兩極反應(yīng)式在確保得失電子數(shù)目相等的前提下，加和可得電池反應(yīng)總方程式。下列裝置可以形成原電池的是()[解析]構(gòu)成原電池需要具備下列三個(gè)條件：①活潑性不同的兩個(gè)電極；②有電解質(zhì)溶液；③組成閉合回路，故A、B符合條件。[答案]AB如圖所示，電流計(jì)指針偏向表示電子流向，則指針向________(填“左”或“右”)偏轉(zhuǎn)。正極是________極，電極反應(yīng)式為_(kāi)___________________；負(fù)極是________極，電極反應(yīng)式為_(kāi)___________________。若將電流計(jì)改為小燈泡，則現(xiàn)象為_(kāi)___________________，這是因?yàn)開(kāi)_______________，可以在燒杯中加入________________等來(lái)減弱這種影響。[解析]可對(duì)比銅鋅原電池與原電池實(shí)驗(yàn)去考慮?；顒?dòng)性不同的兩極構(gòu)成原電池時(shí)，一般情況下活潑的金屬因?yàn)檫€原性強(qiáng)，先失去電子，作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，所以Al是負(fù)極，失電子，Cu是正極，溶液中的H＋得電子。這種普通的原電池裝置產(chǎn)生的電流較小，燈泡不能持續(xù)亮著，可加入氧化劑減弱極化作用而使燈泡變亮并持續(xù)一段時(shí)間。[答案]右Cu6H＋＋6e－===3H2↑Al2Al－6e－===2Al3＋先亮后馬上變暗極化作用K2Cr2O7、KMnO4、H2O2[例2](2010·福建理綜，11)鉛蓄電池的工作原理為：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O研讀下圖，下列判斷不正確的是 ()A．K閉合時(shí)，d電極反應(yīng)式：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO42－B．當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移0.2mol電子時(shí)，I中消耗的H2SO4為0.2molC．K閉合時(shí)，Ⅱ中SO42－向c電極遷移D．K閉合一段時(shí)間后，Ⅱ可單獨(dú)作為原電池，d電極為正極[解析]本題考查了原電池原理、電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)、離子移動(dòng)方向等電化學(xué)知識(shí)。閉合K構(gòu)成電解裝置，Ⅰ為原電池，Ⅱ?yàn)殡娊獬亍ｃU為負(fù)極，氧化鉛為正極，d為電解池陽(yáng)極，c為陰極。則陽(yáng)極上硫酸鉛失電子生成氧化鉛附著在d電極上，A選項(xiàng)正確；根據(jù)電池總反應(yīng)式可知，每有2mol硫酸參與反應(yīng)則轉(zhuǎn)移電子2mol，B選項(xiàng)正確；閉合K時(shí)，Ⅱ中硫酸根向陽(yáng)極移動(dòng)，即向d電極移動(dòng)，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；電解時(shí)在陰極生成鉛，陽(yáng)極生成氧化鉛，故電解一段時(shí)間后，Ⅱ也可作原電池，D選項(xiàng)正確。[答案]C[方法點(diǎn)撥]怎樣正確書(shū)寫(xiě)燃料電池的電極反應(yīng)式和總反應(yīng)1．燃料電池的特點(diǎn)燃料電池是一種不經(jīng)燃燒，使燃料的化學(xué)能經(jīng)過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，它和其他電池中的氧化還原反應(yīng)一樣，都是自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，不放出火焰，其化學(xué)能可以直接轉(zhuǎn)化為電能的一種電池。燃料電池基本結(jié)構(gòu)與一般化學(xué)電源相同，由正極、負(fù)極和電解液構(gòu)成，但其電極本身僅起催化和集流作用。2．書(shū)寫(xiě)步驟(1)先書(shū)寫(xiě)燃料電池總反應(yīng)方程式可根據(jù)燃料燃燒反應(yīng)寫(xiě)出燃料電池的總反應(yīng)方程式，但要注意燃料的種類。若是氫氧燃料電池，其電池總反應(yīng)方程式不隨電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性變化而變化，即2H2＋O2===2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其電池總反應(yīng)方程式就與電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有關(guān)。(2)寫(xiě)燃料電池正極反應(yīng)式因?yàn)槿剂想姵卣龢O反應(yīng)物一般是氧氣，正極都是氧化劑氧氣得到電子的還原反應(yīng)，所以可先寫(xiě)出正極反應(yīng)式，正極反應(yīng)的本質(zhì)都是O2得電子生成O2－離子，故正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是O2＋4e－===2O2－。①電解液為酸性電解質(zhì)溶液(如稀硫酸)在酸性環(huán)境中，O2－離子不能單獨(dú)存在，O2－離子優(yōu)先結(jié)合H＋生成H2O。這樣，在酸性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為O2＋4H＋＋4e－===2H2O。②電解液為中性或堿性電解質(zhì)溶液(如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液)在中性或堿性環(huán)境中，O2－離子也不能單獨(dú)存在，O2－離子只能結(jié)合H2O生成OH－離子，故在中性或堿性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。③電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽(如Li2CO3和Na2CO3熔融鹽混合物)在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O2－離子也不能單獨(dú)存在，O2－離子可結(jié)合CO2生成C