选择性必修1 第四章 化学反应与电能
人教版（2019）选择性必修1《化学反应原理》 · 河南高二。
本章把氧化还原反应拆成两个半反应，电极判断与电极反应式书写是电化学大题的基本功。
1 知识点总结
1.1 原电池
原电池把化学能转化为电能。构成条件：活动性不同的两个电极、电解质溶液、形成闭合回路、有能自发进行的氧化还原反应。
反应中，还原剂在负极失电子，发生氧化反应；氧化剂在正极得电子，发生还原反应。电子由负极经外电路流向正极，电流方向与电子相反。
以铜锌原电池（$\mathrm{Zn}$ 稀 $\mathrm{H_2SO_4}$ $\mathrm{Cu}$）为例：
- 负极（$\mathrm{Zn}$）：$\mathrm{Zn - 2e^- = Zn^{2+}}$
- 正极（$\mathrm{Cu}$）：$\mathrm{2H^+ + 2e^- = H_2\uparrow}$
判断电极的一般方法：活泼金属作负极，失电子；较不活泼的导体作正极。氢氧燃料电池中，通燃料的一极是负极。
盐桥用来连通内电路、平衡电荷，使电流持续。装有盐桥的原电池里，阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
例 1 写出氢氧燃料电池（酸性电解质）的电极反应式与总反应式。
解：燃料 $\mathrm{H_2}$ 在负极被氧化，$\mathrm{O_2}$ 在正极被还原。
负极：$\mathrm{2H_2 - 4e^- = 4H^+}$
正极：$\mathrm{O_2 + 4H^+ + 4e^- = 2H_2O}$
两极相加得总反应：
$$ \mathrm{2H_2 + O_2 = 2H_2O} $$
写电极反应时先确定介质，酸性介质中正极用 $\mathrm{H^+}$ 配平，碱性介质中正极借 $\mathrm{H_2O}$ 生成 $\mathrm{OH^-}$。
1.2 电解池
电解池把电能转化为化学能。它与外接电源相连，接电源负极的一极叫阴极，接电源正极的一极叫阳极。
- 阴极：发生还原反应，阳离子在阴极得电子。
- 阳极：发生氧化反应，阴离子在阳极失电子。
放电顺序要记牢。阴极上阳离子的得电子能力为 $\mathrm{Ag^+ > Fe^{3+} > Cu^{2+} > H^+ > Fe^{2+} > Zn^{2+}}$。阳极上，活性电极（$\mathrm{Cu}$、$\mathrm{Ag}$ 等）本身失电子而溶解；惰性电极（$\mathrm{C}$、$\mathrm{Pt}$）上则由溶液中的阴离子失电子，顺序为 $\mathrm{S^{2-} > I^- > Br^- > Cl^- > OH^- >}$ 含氧酸根。
以电解饱和食盐水为例：
- 阳极（惰性）：$\mathrm{2Cl^- - 2e^- = Cl_2\uparrow}$
- 阴极：$\mathrm{2H_2O + 2e^- = H_2\uparrow + 2OH^-}$
总反应 $\mathrm{2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{\text{电解}} 2NaOH + H_2\uparrow + Cl_2\uparrow}$。
电镀时待镀金属作阴极，镀层金属作阳极，含镀层金属离子的溶液作电镀液。电解精炼铜时粗铜作阳极，纯铜作阴极。
1.3 金属的腐蚀与防护
金属腐蚀分化学腐蚀与电化学腐蚀，后者更普遍。电化学腐蚀中金属作负极被氧化。
析氢腐蚀：在酸性较强的环境中，正极上 $\mathrm{H^+}$ 得电子放出 $\mathrm{H_2}$，负极 $\mathrm{Fe - 2e^- = Fe^{2+}}$。
吸氧腐蚀：在中性或弱酸性环境中，正极上 $\mathrm{O_2}$ 得电子，这是更常见的腐蚀。
$$ \mathrm{O_2 + 2H_2O + 4e^- = 4OH^-} $$
防护方法主要有三类：改变金属内部结构，如制成不锈钢；在表面覆盖保护层，如涂漆、镀层；电化学保护。电化学保护又分牺牲阳极法与外加电流法。牺牲阳极法是接一块比铁活泼的金属（如 $\mathrm{Zn}$），$\mathrm{Zn}$ 作负极被腐蚀，铁被保护；外加电流法用直流电源把被保护金属接在负极上。
例 2 在铁件表面镀锌，说明哪一极接铁件、哪一极接锌，并写出两极反应。
解：镀锌时铁件作阴极，锌作阳极，电镀液用含 $\mathrm{Zn^{2+}}$ 的溶液。
阳极（$\mathrm{Zn}$）：$\mathrm{Zn - 2e^- = Zn^{2+}}$
阴极（铁件）：$\mathrm{Zn^{2+} + 2e^- = Zn}$
电镀液的浓度基本不变，阳极溶解的金属离子补充进溶液，与阴极沉积的量相等。
2 易错题总结
| 易错点 | 常见错法 | 正确做法 | 原因 |
|---|---|---|---|
| 原电池电极判断 | 把正极当成失电子极 | 负极失电子，正极得电子 | 负极发生氧化反应 |
| 电子流向 | 说电子由正极流向负极 | 电子由负极经外电路流向正极 | 负极电子多，向外输出 |
| 电解池阴阳极 | 把阳极与电源正极的对应记反 | 阳极接电源正极，阴极接负极 | 「阳」对应正极，按字面记 |
| 电解产物判断 | 惰性电极电解时忽略放电顺序 | 按离子放电顺序判断 | 氧化性强的离子先得电子 |
| 电化学计算 | 直接比较电流或电量大小 | 用电子守恒换算 | 各电极转移的电子数按计量相等 |
| 腐蚀类型 | 认为中性环境发生析氢腐蚀 | 中性或弱酸性发生吸氧腐蚀 | 吸氧腐蚀更普遍 |
| 牺牲阳极法 | 把被保护金属接电源负极也叫牺牲阳极法 | 接活泼金属才是牺牲阳极法 | 两种保护方法原理不同 |
2.1 易错典型题
题 用惰性电极电解 $\mathrm{CuSO_4}$ 溶液，写出阳极和阴极的电极反应式。
错法：阳极写 $\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- = Cu}$，阴极写 $\mathrm{2H_2O - 4e^- = O_2\uparrow + 4H^+}$。把阴阳极的产物接反了。
正解：阳极吸引阴离子，$\mathrm{SO_4^{2-}}$ 不放电，实际是水电离出的 $\mathrm{OH^-}$ 失电子；阴极吸引阳离子，$\mathrm{Cu^{2+}}$ 先于 $\mathrm{H^+}$ 得电子。
阳极：$\mathrm{2H_2O - 4e^- = O_2\uparrow + 4H^+}$
阴极：$\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- = Cu}$
总反应 $\mathrm{2CuSO_4 + 2H_2O \xrightarrow{\text{电解}} 2Cu + O_2\uparrow + 2H_2SO_4}$。
要点：先分阴阳极，再按放电顺序各写一个半反应，写完后核对两极转移的电子数是否相等。