电化学——原电池与电解池

化学反应原理A 档近3年考频 9 次

常见题型:选择题、综合题-电极反应书写、综合题-电化学计算

涵盖原电池(化学能→电能)与电解池(电能→化学能)的工作原理、电极反应书写、金属腐蚀与防护。上海等级考历年高频考查,常以新型电池或电解应用为背景。

定义

原电池:利用自发的氧化还原反应将化学能转化为电能的装置。电解池:在外加电源作用下使非自发的氧化还原反应发生,将电能转化为化学能的装置。负极/阳极发生氧化反应,正极/阴极发生还原反应。

详解

【原电池电极判断】负极判断方法:①活泼金属为负极(Mg>Al>Zn>Fe>Sn>Pb>(H)>Cu>Ag);②电子流出极为负极;③电流流入极为负极(电流与电子方向相反);④发生氧化反应极为负极;⑤质量减小极为负极(多数情况)。

【盐桥的作用】①连接内电路形成闭合回路;②平衡电荷(正离子向正极迁移,负离子向负极迁移);③使氧化反应和还原反应分别在两个半电池中进行。

【燃料电池】氢氧燃料电池(酸性介质):负极 2H₂-4e⁻=4H⁺,正极 O₂+4H⁺+4e⁻=2H₂O。碱性介质:负极 2H₂+4OH⁻-4e⁻=4H₂O,正极 O₂+2H₂O+4e⁻=4OH⁻。总反应均为 2H₂+O₂=2H₂O。⚠️易错:介质不同电极反应写法不同,酸性介质中产物含H⁺,碱性含OH⁻。

【金属腐蚀】化学腐蚀(金属与氧化剂直接反应,无电流)与电化学腐蚀(形成原电池)。钢铁的吸氧腐蚀(中性/碱性):负极 Fe-2e⁻=Fe²⁺,正极 O₂+2H₂O+4e⁻=4OH⁻。析氢腐蚀(酸性):正极 2H⁺+2e⁻=H₂↑。防护方法:①牺牲阳极的阴极保护法(连接更活泼金属如Zn);②外加电流的阴极保护法;③覆盖保护层。

【电解应用】①氯碱工业(电解饱和食盐水):2NaCl+2H₂O→电解 2NaOH+H₂↑+Cl₂↑(需用离子交换膜分离产物防止Cl₂与NaOH反应)。②电镀:镀层金属作阳极,待镀件作阴极,含镀层金属离子的溶液为电镀液。③精炼铜:粗铜作阳极(Cu-2e⁻=Cu²⁺,杂质中比Cu不活泼的沉入阳极泥),精铜作阴极(Cu²⁺+2e⁻=Cu)。④电解冶炼(如电解熔融NaCl制Na)。

要点

推导过程

原电池热力学基础:ΔG = -nFE。自发反应ΔG<0→E>0。标准电极电势E°的测定:以标准氢电极(SHE,2H⁺+2e⁻⇌H₂,E°=0V)为基准,测定各电极的电极电势。金属活动性顺序与其标准电极电势相关——E°越负金属越活泼(还原性越强)。

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