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1、第18讲化学能与电能的转化金属的腐蚀 一 原电池原理1 概念 把化学能转变成电能的装置叫做原电池 2 原电池的电极和电极反应 正极 符号 得到电子 发生还原反应 负极 符号 失去电子 发生氧化反应 3 原电池形成的一般条件 1 两个活泼性不同的电极 在一定条件下较活泼的电极作为负极 2 电解质溶液 电极必须与电解质溶液接触 3 形成闭合回路 外电路由导线构成通道 内电路由电解质构成通道 4 自发的氧化还原反应 4 工作特点 1 原电池在放电时 负极上还原性较强的物质 负极本身或与负极紧密接触的物质 的电子经过导线流向正极 而正极上氧化性较强的物质 正极本身或与正极紧密接触的物质 得到电子 两极
2、之间再通过盐桥及池内溶液中的阴 阳离子定向运动形成的内电路构成有稳定电流的闭合回路 负极流出电子 发生氧化反应 正极流入电子 发生还原反应 2 原电池工作的本质是氧化还原反应 理论上 任何一个自发的氧化还原反应均可设计成原电池 铜锌原电池 电解液H2SO4溶液 的工作原理和电子流向可用下列图示表示 Zn 2e Zn2 阴离子向负极移动 阳离子向正极移动2H 2e H2 正负极的判断方法 1 由组成原电池的两极电极材料判断 一般是活动性较强的金属为负极 活动性较弱的金属或能导电的非金属为正极 2 根据电流方向或电子流动方向判断 电流是由正极流向负极 电子流动方向是由负极流向正极 3 根据原电池里
3、电解质溶液内离子的定向移动方向判断 在原电池的电解质溶液内 阳离子移向的极是正极 阴离子移向的极是负极 4 根据原电池两极发生的变化来判断 原电池的负极总是失电子发生氧化反应 其正极总是得电子发生还原反应 5 根据现象判断 溶解的一极为负极 增重或有气泡放出的一极为正极 二 化学电源1 酸性锌锰干电池 1 构造 正极 石墨碳棒 负极 锌皮 电解质溶液 糊状氯化铵 2 电极反应 负极 Zn Zn2 2e 正极 MnO2 NH4 e MnO OH NH3电池反应 Zn 2NH4Cl 2MnO2 ZnCl2 2MnO OH 2NH3 2 碱性锌锰干电池碱性锌锰干电池与酸性锌锰干电池的区别在于 以氢氧
4、化钾代替氯化铵做电解质 其电极反应如下 负极 Zn 2OH Zn OH 2 2e 正极 2MnO2 H2O 2e Mn2O3 2OH 电池反应 Zn 2MnO2 H2O Zn OH 2 Mn2O3 3 铅蓄电池 1 构造 负极 铅 正极 二氧化铅 电解质溶液 硫酸溶液 2 电极反应 负极 Pb SO42 PbSO4 2e 正极 PbO2 2e 4H SO42 PbSO4 2H2O电池反应 PbO2 Pb 2H2SO4 2PbSO4 2H2O 3 优点 铅蓄电池是二次电池 可多次充电 反复利用 PbO2 Pb 2H2SO42PbSO4 2H2O 4 氢氧燃料电池 1 构造 负极 氢气 正极 氧气
5、 电解质溶液 氢氧化钾溶液 2 电极反应 负极 2H2 4OH 4H2O 4e 正极 O2 4e 2H2O 4OH 电池反应 2H2 O2 2H2O 3 优点 能量利用率高 根据离子的存在条件要求可知 氢氧燃料电池的电极反应方程式书写时应注意电极产物的差异 三 金属的腐蚀和防护1 金属的电化学腐蚀 1 金属的腐蚀是指金属与周围接触到的气体或液体物质发生氧化还原反应而引起损耗的现象 金属腐蚀的本质是金属失去电子变成阳离子 发生氧化反应 一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀 2 电化学腐蚀 不纯的金属跟电解质溶液接触时 会发生原电池反应 较活泼的金属失去电子而被氧化 这种腐蚀叫做电化学腐蚀 钢铁的析氢腐
6、蚀 当钢铁表面的电解质溶液酸性较强时 将发生析氢腐蚀 Fe是负极 C是正极 发生的电极反应负极 Fe 2e Fe2 正极 2H 2e H2 生成的Fe OH 2在空气中发生变化的化学方程式是4Fe OH 2 2H2O O2 4Fe OH 3 钢铁的吸氧腐蚀 当钢铁表面的电解质溶液呈中性或呈弱碱性并溶有O2时 将会发生吸氧腐蚀 负极反应为Fe 2e Fe2 正极反应为2H2O O2 4e 4OH 总反应的方程式为2Fe 2H2O O2 2Fe OH 2 2 金属的电化学防护金属防护的基本思路是 防止金属与氧化性介质直接接触 防止金属表面形成电解质溶液层 金属防护的常用方法有 改变金属的内部结构
7、使金属性质改变 成为耐腐蚀金属 如不锈钢等 加保护层 如采用喷油漆 涂油脂 电镀 喷镀或表面钝化等方法使金属与空气 水等物质隔离 以防金属氧化腐蚀 电化学防腐蚀 1 牺牲阳极的阴极保护法这种方法通常是在被保护的钢铁设备 如锅炉内壁 船体外壳等 上装上若干锌块 作原电池的负极 不断遭受腐蚀 定期拆换 而使作为正极的钢铁设备被保护了下来 2 外加电流的阴极保护法这种方法是将被保护的钢铁设备 如钢闸门 作为阴极 用惰性电极作阳极 两者均存在于电解质溶液中 接上直流电源 通电后 电子被强制流向被保护的钢铁设备 使钢铁表面产生负电荷的积累 这样就抑制了钢铁失去电子的作用 从而防止了钢铁的腐蚀 典例1 如
8、图所示是一套电化学实验装置 图中C D均为铂电极 U为盐桥 G是灵敏电流计 其指针总是偏向电源正极 1 As 砷 位于元素周期表中第四周期 A族 则Na3AsO4溶液的pH 填 7 7 或 7 解析 本题考查原电池和化学平衡常数的知识 1 As的非金属性弱于P 磷酸是中强酸 所以H3AsO4是弱酸 则Na3AsO4溶液显碱性 7 2 向B杯中加入适量较浓的硫酸 发现G的指针向右偏移 此时A杯中的主要实验现象是 D电极上的电极反应式为 解析 2 G的指针向右偏移 说明D是正极 C是负极 B中发生的反应为AsO43 2H 2e AsO33 H2O A中发生的反应为 2I 2e I2 碘单质遇到淀粉
9、显蓝色 无色溶液变成蓝色 AsO43 2H 2e AsO33 H2O 3 一段时间后 再向B杯中加入适量的质量分数为40 的氢氧化钠溶液 发现G的指针向左偏移 此时整套实验装置的总的离子方程式为 解析 3 G的指针向左偏移 说明C是正极 D是负极 A中反应为 I2 2e 2I B中的反应为 AsO33 H2O 2e AsO43 2H 总方程式为 I2 AsO33 H2O 2H 2I AsO43 I2 AsO33 H2O 2H 2I AsO43 或I2 AsO33 2OH H2O 2I AsO43 点拨 实验中的电化学问题 关键是对于原电池中电极反应式的书写 两个电解质溶液中的可逆反应在改变电解
10、质溶液的酸碱性时 反应方向发生改变 同时改变了电子的转移方向 本题看似电化学问题 实质上是对离子方程式的考查 考生要注意此类题型的新颖性和灵活性 迁移训练1 2011 淮阴中学学情检测 日本茨城大学研制了一种新型的质子交换膜二甲醚燃料电池 DDFC 该电池有较高的安全性 电池总反应为 CH3OCH3 3O2 2CO2 3H2O 电池示意如图 下列说法不正确的是 A a极为电池的负极B 电池工作时电流由b极沿导线经灯泡再到a极C 电池正极的电极反应为 4H O2 4e 2H2OD 电池工作时 1mol二甲醚被氧化时就有6mol电子转移 解析 由电池总反应式可知 二甲醚发生氧化反应 为负极反应物
11、氧气发生还原反应 为正极反应物 所以a为负极 b为正极 工作时 电子由a极沿导线经灯泡再到b极 电流由b极沿导线经灯泡再到a极 负极反应为 CH3OCH3 12e 3H2O 2CO2 12H 正极反应为 4H O2 4e 2H2O 电池工作时 1mol二甲醚被氧化时就有12mol电子转移 参考答案 D 典例2 如下图所示是某太空空间站能量转化系统的局部示意图 其中燃料电池采用KOH溶液为电解液 下列有关说法中正确的是 A 该能量转化系统工作时 需不断补充H2OB 该转化系统的能量本质上来源于太阳能C 水电解系统中的阴极反应 O2 2H2O 4e 4OH D 燃料电池放电时的负极反应 H2 2e
12、 2H 解析 水电解时阴极为2H 2e H2 C项错误 燃料电池放电时负极为H2 2OH 2e 2H2O 故D项错误 A项中H2O可以循环利用 错误 B项正确 点拨 在书写电极反应式时往往只考虑电极上的反应而忽视了电极反应后产生的物质与电解质溶液中的某些离子反应 因此要注意考虑离子反应 离子共存的情况 要根据化合价的变化判断正负极 参考答案 B 迁移训练2 2011 盐城市摸底 磷酸燃料电池是目前较为成熟的燃料电池 其基本组成和反应原理如下 下列说法不正确的是 A 在改质器中主要发生的反应为CXHY XH2OXCO X Y 2 H2B 移位反应器中CO g H2O g CO2 g H2 g H
13、 0 温度越高 CO转化率越大C 负极排出的气体主要是CO2D 该电池正极的电极反应为O2 4H 4e 2H2O 解析 由图可以看出 进入改质器的气体是CXHY和H2O 出来的是H2 CO H2O A选项正确 在移位反应器中 CO和H2O反应生成CO2和H2 此反应放热 升高温度 平衡逆移 CO转化率减小 CO2和H2进入燃料电池 H2在负极放电生成H CO2则从负极排出 负极生成的H 经过交换膜进入正极 与正极氧气反应生成水 参考答案 B 典例3 2010 盐城模拟 右图装置中 小试管内为红墨水 具支试管内盛有pH 4的雨水和生铁片 观察 开始导管内液面下降 一段时间后导管内液面回升 略高于
14、小试管液面 以下有关解释合理的是 A 生铁片中的碳是原电池的负极 发生还原反应B 雨水酸性较强 生铁片仅发生析氢腐蚀C 墨水回升时 碳极反应式为 O2 2H2O 4e 4OH D 具支试管中溶液pH逐渐减小 解析 开始导管内液面下降 说明此时有气体生成 生铁发生的是析氢腐蚀 此时负极反应为 Fe 2e Fe2 正极反应为 2H 2e H2 一段时间后导管内液面回升 略高于小试管液面 此时反应变为吸氧腐蚀 正极反应式为 O2 2H2O 4e 4OH 在反应过程中 具支试管中溶液pH逐渐增大 参考答案 C 点拨 金属的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀 而电化学腐蚀又分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀 要分清它们发
15、生的条件及反应时的方程式 迁移训练3 2009 上海 如图装置中 U型管内为红墨水 a b试管内分别盛有食盐水和氯化铵溶液 各加入生铁块 放置一段时间 下列有关描述错误的是 A 生铁块中的碳是原电池的正极B 红墨水柱两边的液面变为左低右高C 两试管中相同的电极反应式是Fe 2e Fe2 D a试管中发生了吸氧腐蚀 b试管中发生了析氢腐蚀 解析 粗看装置虽感到陌生 但仔细分析得知该实验是吸氧腐蚀与析氢腐蚀的简单综合 a试管内盛装食盐水 溶液呈中性 发生的是吸氧腐蚀负极反应式为 Fe 2e Fe2 正极反应式为 O2 2H2O 4e 4OH 显然a装置内气体的物质的量减少 压强减小 b试管内盛装氯
16、化铵 溶液呈酸性 发生的是析氢腐蚀 负极反应式为 Fe 2e Fe2 正极反应式为 2H 2e H2 气体的物质的量增加 压强增大 综上分析选项B错 参考答案 B 典例4 下列事实不能用电化学理论解释的是 A 轮船水线以下的船壳上镶嵌有一定量的锌块B 镀锌的铁制品比镀锡的铁制品耐用C 铝片不需要用特殊方法保存D 锌跟稀硫酸反应时 滴加少量硫酸铜溶液后 反应速率加快 解析 金属的腐蚀分三种情况 一是直接的化学腐蚀 即金属直接与其他物质反应而腐蚀 二是电化学腐蚀 即能形成原电池的化学腐蚀 三是电解时作阳极的金属的腐蚀 常见的为前两种情况 A项是牺牲锌块保护铁的防护措施 B项中镀锌铁若镀层破损后 则锌为负极 铁为正极 保护了铁 镀锡的铁镀层破损后 铁为负极被腐蚀 锡为正极被保护 D项中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu 形成Cu Zn原电池 比直接的化学反应快 参考答案 C 迁移训练4 为了避免青铜器生成铜绿 以下方法正确的是 A 将青铜器放在银质托盘上B 将青铜器保存在干燥的环境中C 将青铜器保存在潮湿的空气中D 在青铜器的表面覆盖一层防渗的高分子膜 解析 生成铜绿是生活中常见的现象 反应
