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第四章 化学反应与电能
第一节 原电池
一、原电池的工作原理
1、原电池的构成条件
（1）定义：能把 化学能 转化为 电能 的装置。
（2）实质：利用能自发进行的 氧化还原 反应将化学能转化为电能。
（3）构成条件：①两个 活泼性不同 的电极；② 电解质 溶液；③形成 闭合 回路；④自发进行的
氧化还原 反应。
2、实验4-1：锌铜原电池的工作原理
装置示意图
注：盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼胶
现象 锌片 逐渐溶解 ，铜片上 有红色物质生成 ，电流表指针发生 偏转
能量转换 化学能 转化为 电能
在硫酸锌溶液中，负极一端的 Zn 失去电子形成 Z n 2 ＋ 进入溶液
微观探析
在硫酸铜溶液中，正极一端的 C u 2 ＋ 获得电子变成 Cu 沉积在铜片上
电子或离子 电子： 负 极流向 正 极
移动方向 盐桥： C l — 移向ZnSO 溶液， K ＋ 移向CuSO 溶液
4 4
负极：Zn－2e－===Zn2＋( 氧化 反应)
工作原理，
正极：Cu2＋＋2e－===Cu( 还原 反应)
电极反应式
总反应：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
（1）ZnZnSO 半电池：在ZnSO 溶液中，锌片逐渐溶解，即Zn被 氧化 ，锌原子失去电子，形成Zn2＋
4 4
进入溶液，即Zn－2e－===Zn2＋；从锌片上释放出的 电子 ，经过导线流向铜片。
（2）CuCuSO 半电池：CuSO 溶液中的Cu2＋从铜片上得到 电子 ， 还原 为铜单质并沉积在铜片上，
4 4
即Cu2＋＋2e－===Cu。
（3）盐桥的作用：电池工作时，盐桥中的 C l － 会移向ZnSO 溶液， K ＋ 移向CuSO 溶液，使两溶液
4 4
均保持电中性。当取出盐桥后，形成断路，反应停止。
3、原电池工作原理
学科网（北京）股份有限公司（1）原理图解
（2）电极名称与反应类型：正极→ 还原 反应；负极→ 氧化 反应。
（3）电子流向：负极→正极。
（4）电流方向：正极→负极。
（5）离子流向：阳离子→ 正 极；阴离子→ 负 极。
4、原电池的应用
（1）加快氧化还原反应的速率：构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。
例如：在锌与稀HSO 反应时加入少量CuSO 溶液，CuSO 与锌发生置换反应生成 Cu ，从而形成Cu－
2 4 4 4
Zn微小原电池，加快产生 H 的速率。
2
（2）比较金属活动性强弱
例如：有两种金属a和b，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。由此可判断
出a是 负极 、b是 正极 ，且金属活动性： a>b 。
（3）设计原电池
例如：2FeCl ＋Cu===2FeCl ＋CuCl
3 2 2
①化合价升高的物质 负极：Cu
②活泼性较弱的物质 正极：C
③化合价降低的物质 电解质溶液：FeCl
3
示意图
一、化学电源概述 一次电池
1、化学电源的分类
（1）一次电池：也叫做 干电池 ，放电后不可再充电。
（2）二次电池：又称 可充电 电池或蓄电池，放电后可以 再充电 使活性物质获得再生。
（3）燃料电池：连续地将 燃料 和 氧化剂 的化学能直接转化为电能的化学电源。
2、判断电池优劣的主要标准
（1）比能量： 单位质量 或 单位体积 所能输出电能的多少，单位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。
（2）比功率：单位质量或 单位体积 所能输出功率的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。
学科网（北京）股份有限公司（3）电池可储存时间的长短。
3、化学电池的回收利用
使用后的废弃电池中含有大量的 重金属 、酸和碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、 水源 等造成严
重的污染。 废弃电池 要进行回收利用。
4、化学电源的发展方向
小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护的电池受到人们的青睐。如 镍氢 电池、 锂离子 电池
等。
5、一次电池：锌锰干电池
普通锌锰干电池 碱性锌锰干电池
示意
图
负极： 锌 负极反应物： 锌粉
构造 正极： 石墨棒 正极反应物： 二氧化锰
电解质溶液： 氯化铵和氯化锌 电解质溶液： 氢氧化钾
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)
负极：Zn－2e－＋2NH===Zn(NH )＋2H＋ 2
3
正极：2MnO ＋2HO＋2e－===2MnO(OH)＋2OH
工作 正极：2MnO ＋2H＋＋2e－===2MnO(OH) 2 2
2
－
原理 总反应： Zn ＋ 2NH Cl ＋ 2MnO === Zn(NH )Cl＋
4 2 3 2 2
总反应： Zn ＋ 2MnO ＋ 2H O === 2MnO(OH) ＋
2 2
2MnO(OH)
Zn(OH)
2
6、二次电池：铅蓄电池
Pb＋PbO ＋2HSO 2PbSO ＋2HO
2 2 4 4 2
（1）负极是 Pb ，正极是 PbO ，电解质溶液是 H SO 溶液。
2 2 4
（2）放电反应原理
①负极反应式是Pb＋SO－2e－===PbSO ；
4
②正极反应式是PbO ＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO ＋2HO ；
2 4 2
③放电过程中，负极质量的变化是增大，HSO 溶液的浓度减小。
2 4
（3）充电反应原理
①阴极(还原反应)反应式是： PbSO ＋2e－===Pb＋SO ；
4
②阳极(氧化反应)反应式是：PbSO ＋2HO－2e－===PbO ＋4H＋＋SO ；
4 2 2
③充电时，铅蓄电池正极与直流电源 正极 相连，负极与直流电源 负 极相连。口诀：“负极接负极，
学科网（北京）股份有限公司正极接正极”。
7、二次电池：锂离子电池
电极 电极反应
负极 嵌锂石墨(LiC)： L iC － x e － === x L i ＋ ＋ C
x y x y y
正极 钴酸锂(LiCoO )： L i CoO ＋ x L i ＋ ＋ x e － === LiCoO
2 1－x 2 2
总反应
LiC＋Li CoO LiCoO ＋C
x y 1－x 2 2 y
8、氢氧燃料电池是一种清洁高效的燃料电池
（1）基本构造
（2）工作原理
酸性电解质(H SO ) 碱性电解质(KOH)
2 4
负极反应 2H － 4 e － === 4H ＋ 2H－4e－＋4OH－===4HO
2 2 2
正极反应 O＋4e－＋4H＋===2HO O ＋ 4 e － ＋ 2H O === 4OH －
2 2 2 2
总反应 2H＋O===2HO
2 2 2
（3）燃料电池电极的书写
如：CH 碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式书写方法：
4
第一步 确定生成物
CH―――→
4
故CH 的 最终产物 为CO和HO；
4 2
第二步 确定价态变化及电子转移：CH－8e－―→CO＋HO；
4 2
第三步 依据电解质性质，用OH－使电荷守恒：CH－8e－＋10OH－―→CO＋HO；
4 2
第四步 最后据氢原子守恒配平HO的化学计量数：CH－8e－＋10OH－===CO＋7HO。
2 4 2
学科网（北京）股份有限公司第二节 电解质
一、电解原理
1、实验探究：电解CuCl 溶液
2
电解装置
存在微粒 Cu2＋、Cl－、H＋、OH－
通电前
微粒运动 自由移动
微粒运动 Cu 2 ＋ 、 H ＋ 移向阴极， C l － 、 OH － 移向阳极
阴极：Cu2＋＋2e－===Cu
电解过 电极反应
阳极：2Cl－－2e－===Cl↑
程分析 2
通电后 电解反应 CuCl =====Cu＋Cl↑
2 2
阴极： 覆盖一层红色固体
实验现象 阳极：①有气泡放出；② 闻到刺激性的气味 ；
③湿润的淀粉碘化钾试纸变为 蓝色
2、电解和电解池
（1）电解：使电流通过 电解质溶液 (或熔融电解质)而在阳极、阴极引起 氧化还原 反应的过程。
（2）电解池：将 电能 转化为 化学能 的装置(也称电解槽)。
（3）电解池的构成条件：①直流电源；②两个电极；③电解质溶液或熔融电解质；④形成 闭合回路 。
3、电解原理
（1）电极反应类型：阳极→ 氧化 反应；阴极→ 还原 反应。
（2）电子流向：电源 负 极→ 阴 极； 阳 极→电源 正 极。
（3）电流方向：电源 正 极→ 阳 极； 阴 极→电源 负 极。
（4）离子流向：阳离子→ 阴 极；阴离子→ 阳 极。
二、电解原理的应用
1、电解饱和食盐水的原理
学科网（北京）股份有限公司（1）通电前：溶液中的离子是 N a ＋ 、 C l － 、 H ＋ 、 OH － 。
（2）通电后：①移向阳极的离子是 C l － 、 OH － ，Cl－比OH－容易失去电子，被氧化成 氯气 。
（3）阳极：2Cl－－2e－===Cl↑( 氧化 反应)。
2
（4）移向阴极的离子是 N a ＋ 、 H ＋ ， H ＋ 比 N a ＋ 容易得到电子，被还原成 氢气 。其中H＋是由水
电离产生的。
（5）阴极：2HO＋2e－===H↑＋2OH－( 还原 反应)。
2 2
（6）总反应：
化学方程式为2NaCl＋2HO=====H↑＋Cl↑＋2NaOH；
2 2 2
离子方程式为2Cl－＋2HO=====H↑＋Cl↑＋2OH－。
2 2 2
2、氯碱工业生产流程
（1）阳离子交换膜电解槽
（2）阳离子交换膜的作用：只允许 N a ＋ 等阳离子通过，不允许 C l － 、 OH － 等阴离子及气体分子通过，
可以防止阴极产生的 氢气 与阳极产生的 氯气 混合发生爆炸，也能避免氯气与阴极产生的氢氧化钠
反应而影响氢氧化钠的产量。
3、氯碱工业产品及其应用
（1）氯碱工业产品主要有 NaOH 、 C l 、 H 、 盐酸、含氯漂白剂。
2 2
（2）电解饱和食盐水为原理的氯碱工业产品在有机合成、 造纸、玻璃、肥皂、纺织、印染、农药 、
金属冶炼等领域中广泛应用。
4、电镀与电解精炼
装置
精炼
电镀
阳极材料 镀层金属Cu 粗铜(含 锌、银、金 等杂质)
学科网（北京）股份有限公司阴极材料 镀件金属Fe 纯铜
阳极反应 Cu－2e－===Cu2＋ Zn－2e－===Zn2＋、Cu－2e－===Cu2＋等
阴极反应 Cu 2 ＋ ＋ 2e － === Cu Cu 2 ＋ ＋ 2e － === Cu
溶液变化 硫酸铜溶液浓度保持不变 Cu2＋浓度减小，金、银等金属沉积形成阳极泥
5、电冶金
（1）金属冶炼的本质：使矿石中的 金属离子 获得电子变成 金属单质 的过程。如Mn＋＋ne－===
M。
（2）电解法用于冶炼较活泼的金属(如 钾、钠、镁、铝 等)，但不能电解其盐溶液，应电解其熔融态。
如：电解熔融的氯化钠可制取金属钠的反应式： 阳极：2Cl－－2e－===Cl↑； 阴极：2Na＋＋2e－===2Na；
2
总反应：2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl↑。
2
第三节 金属的腐蚀与防护
一、金属的腐蚀
1、金属的腐蚀
（1）概念：金属或合金与周围的 气体或液体 发生 氧化还原 反应而引起损耗的现象。其实质是金属
原子 失去 电子变为阳离子，金属发生 氧化 反应。
（2）根据与金属接触的 气体或液体 不同，金属腐蚀可分为两类：
①化学腐蚀：金属与其表面接触的一些物质(如 O 、 C l 、 SO 等)直接反应而引起的腐蚀。腐蚀的速率随
2 2 2
温度升高而 加快 。
②电化学腐蚀：当 不纯 的金属与 电解质 溶液接触时会发生 原电池 反应，比较 活泼 的金属
发生氧化反应而被腐蚀。
2、钢铁的电化学腐蚀
类别
析氢腐蚀 吸氧腐蚀
项目
学科网（北京）股份有限公司图形描述
条件 水膜酸性较强 水膜酸性很弱或呈中性
负极 Fe－2e－===Fe2＋
正极 2H＋＋2e－===H↑ O＋4e－＋2HO===4OH－
2 2 2
总反应 Fe ＋ 2H ＋ === Fe 2 ＋ ＋ H ↑ 2Fe ＋ O ＋ 2H O === 2Fe(OH)
2 2 2 2
最终生成铁锈(主要成分为Fe O·xHO)，反应如下：4Fe(OH) ＋O＋
2 3 2 2 2
后续反应
2HO=4Fe(OH) ，2Fe(OH) ===Fe O·xHO＋(3－x)H O
2 3 3 2 3 2 2
联系 通常两种腐蚀同时存在，但后者更普遍
3、实验探究：电化学腐蚀
实验操作 实验现象 实验解释
装置中铁、碳和饱和食盐水构成原电池，
导管中 液面上升
铁钉发生 吸氧 腐蚀
Zn与CuSO 反应生成Cu，Zn、Cu和稀
4
①试管中产生气泡的速率 快 盐酸构成 原电池 ，形成 电化学
腐蚀，速率更 快
二、金属的防护
1、改变金属材料的组成
在金属中添加其他金属或非金属制成性能优异的 合金 。如普通钢加入 镍、铬 制成不锈钢， 钛
合金不仅具有优异的 抗腐蚀性 能且具有良好的 生物相容性 。
2、在金属表面覆盖保护层
在金属表面覆盖致密的 保护层 ，将金属制品与周围物质隔开是一种普遍采用的防护方法。如，在钢铁
制品表面喷油漆、涂矿物性油脂、覆盖搪瓷等；电镀锌、锡、铬、镍等，利用化学方法、 离子注入 法、
表面渗镀 等方式在金属表面形成稳定的 钝化膜 。
3、电化学保护法
金属在发生电化学腐蚀时，总是作为原电池 负极 (阳极)的金属被腐蚀，作为 正极 (阴极)的金属不
被腐蚀，如果能使被保护的金属成为 阴极 ，就不易被腐蚀。
（1）牺牲阳极法
学科网（北京）股份有限公司原理：原电池原理
要求：被保护的金属作 正极 ，活泼性更强的金属作 负极 。
应用：锅炉内壁、船舶外壳、钢铁闸门安装镁合金或锌块。
实例 实验4-4-1：
如图装置反应一段时间后，往Fe电极区滴入2滴 黄 色K[Fe(CN) ](铁氰化钾)溶液，观察实验现象。
3 6
已知Fe2＋与[Fe(CN) ]3－反应生成带有特征蓝色的KFe[Fe(CN) ]沉淀。
6 6
实验装置 电流表 阳极(负极区) 阴极(正极区)
现象 指针 偏转 Zn溶解 有 气泡 产生， 无 蓝色沉淀生成
有关反应 — Zn－2e－===Zn2＋ 2H＋＋2e－===H↑
2
结论 溶液中不含 F e 2 ＋ ，铁作正极未被腐蚀
实例 实验4-4-2：
培养皿中放入含有NaCl的琼脂，并注入5～6滴酚酞和K[Fe(CN) ]溶液，取两个2～3 cm的铁钉，用砂纸
3 6
擦光，将裹有锌皮的铁钉放入a，缠有铜丝的铁钉放入b。
实验
装置
现象 铁钉周围 变红 铁钉周围生成 蓝色沉淀 ，铜丝周围 变红
结论 铁作为 负极 时易腐蚀，作为 正极 时未腐蚀
（2）外加电流法
学科网（北京）股份有限公司原理：电解池原理
要求：被保护的金属作为 阴极 ，与电源的 负极 相连。
应用：钢铁闸门，高压线铁架，地下管道连接直流电源的 负极 。
学科网（北京）股份有限公司学科网（北京）股份有限公司
