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。