第二节 化学电源
学习目标
核心素养
1.了解化学电源的分类。2．熟悉几种常见化学电源的组成及工作原理，会熟练书写电极反应式。3．了解化学电源的广泛应用、废旧电池对环境的危害及处理方法。
1.证据推理与模型认知：建立对原电池过程的系统分析思路的认识模型，提高对原电池本质的认识。2．科学态度与社会责任：依据生活和工业生产上的过程，设计简单的原电池，有致力于新型电池开发的科学态度与社会责任。
一、化学电池
1．定义
将化学能变成电能的装置。
2．分类
3．优点
化学电池的能量转换效率较高，供能稳定可靠。
4．判断电池优劣的主要标准
(1)比能量
即单位质量或单位体积所能输出电能的多少。
(2)比功率
即单位质量或单位体积所能输出功率的大小。
(3)电池的可储存时间的长短。
二、一次电池
1．锌锰干电池
(1)碱性锌锰电池的构造
(2)工作原理
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
(3)特点：比能量和可储存时间比普通锌锰电池均有提高，适用于大电流和连续放电。
2．银锌电池
(1)纽扣式银锌电池的构造
(2)工作原理
负极：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；
正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。
(3)特点：此种电池比能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。
3．锂电池
(1)电极材料：
负极：Li；正极：MnO2、CuO、FeS2等。
(2)特点：
比能量高、电压高、工作温度宽、可储存时间长。
三、二次电池
二次电池放电后可以再充电使活性物质获得再生，又称充电电池或蓄电池。
1．铅蓄电池的构造
负极：Pb，正极：PbO2，电解质溶液：H2SO4溶液。
2．工作原理
(1)放电时
负极：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)；
正极：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)；
总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)＋2H2O(l)。
(2)充电时
铅蓄电池的充电反应是放电反应的逆过程。
阴极：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)；
阳极：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)；
总反应：2PbSO4(s)＋2H2O(l)===Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)。
上述充放电反应可写成一个可逆反应方程式：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)。
3．性能及应用
电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉、生产生活中应用广泛，缺点是比能量低、笨重、废弃电池污染环境。
四、燃料电池
1．燃料电池的工作原理
(1)连续地将燃料(如氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体)和氧化剂的化学能直接转换成电能。
(2)电极材料本身不参与氧化还原反应。
(3)工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除。
2．燃料电池的优点
(1)能量转化率高
燃料电池的能量转化率超过80%，普通燃烧过程能量转化率仅30%多。
(2)污染小。
3．氢氧燃料电池
(1)碱性电解质
电极反应为：
负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O；
正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
总反应：2H2＋O2===2H2O
(2)酸性电解质
电极反应为：
负极：2H2－4e－===4H＋；
正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
总反应：2H2＋O2===2H2O
探究点一 燃料电池电极反应式的书写
1．燃料电池的组成
(1)电极：惰性电极。
(2)燃料：包括H2、烃(如CH4)、醇(如C2H5OH)、肼(N2H4)等。
(3)电解质：①酸性电解质溶液，如H2SO4溶液；②碱性电解质溶液，如NaOH溶液；③熔融氧化物，如Y2O；④熔融碳酸盐，如K2CO3等。
2．书写燃料电池反应式的基本步骤
(1)第一步：写出电池总反应式。
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加和后的反应。
如氢氧燃料电池的总反应为2H2＋O2===2H2O；甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O ①
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O ②
①＋②式得燃料电池总反应为CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。
(2)第二步：写出电池的正极反应式。
根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应有所不同，一般为以下四种情况：
①酸性电解质溶液环境下电极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
②碱性电解质溶液环境下电极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
③固体电解质(高温下能传导O2－)环境下电极反应式：O2＋4e－===2O2－。
④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：O2＋2CO2＋4e－===2CO。
(3)第三步：根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式。
电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系：电池的总反应式＝电池正极反应式＋电池负极反应式(消去电子)。
故根据第一、二步写出的反应：电池的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式，注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反应物O2。
3．实例
以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法：
(1)酸性条件
燃料电池总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O ①
燃料电池正极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O ②
①－②×2，得燃料电池负极反应：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋
(2)碱性条件
燃料电池总反应：CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O ①
燃料电池正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ ②
①－②×2，得燃料电池负极反应：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)
燃料电池总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O ①
燃料电池正极反应：O2＋4e－===2O2－ ②
①－②×2，得燃料电池负极反应：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境
电池总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O①
正极电极反应式：O2＋2CO2＋4e－===2CO②
①－②×2，得负极反应式：CH4＋4CO－8e－===5CO2＋2H2O。
注意事项：①电池的负极通入可燃性气体，失电子，发生氧化反应。电池的正极通入氧气或空气，得电子，发生还原反应。
②电极材料一般不参加化学反应，只是一个催化转化元件。
③书写电极反应式时，要分清电解质溶液的酸碱性。在碱性电解质溶液中，电极反应式中不能出现H＋；在酸性电解质溶液中，电极反应式中不能出现OH－。
④正、负两极的电极反应式在得失电子守恒的前提下，相加后的电池反应必然是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加反应式，如甲烷燃料电池。
⑤电极反应式遵循质量守恒、电荷守恒定律。
1．燃料电池与一般化学电池之间的区别是什么？
提示：燃料电池与一般化学电池的区别：一般化学电池的活性物质储存在电池内部，受电池容量的限制；燃料电池的电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，反应产物不断地被排除，可以连续不断地提供电能。
2．氢氧燃料电池的能量利用率是100%，产物为水，不污染环境。正确吗？
提示：氢氧燃料电池中产物为水，不污染环境，但能量利用率达不到100%。
3．如果用稀硫酸作电解质溶液，氢氧燃料电池在放电后溶液的pH将发生怎样的变化？
提示：反应过程中电解质不被消耗，但氢气和氧气反应生成水，使溶液变稀，pH增大。
【例1】 用两根铂丝作电极插入KOH溶液中，再分别向两极通入甲烷气体和氧气，可形成原电池——燃料电池，该电池放电时发生的反应为CH4＋2KOH＋2O2===K2CO3＋3H2O，下列说法错误的是( )
A．通甲烷的一极为负极，通氧气的一极为正极
B．放电时，通入O2一极附近溶液的pH升高
C．放电一段时间后，KOH的物质的量不发生变化
D．通甲烷一极的电极反应式是CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
【思路分析】 燃料电池的总反应一般与燃烧反应相同，在燃料电池中可燃物作负极发生失电子的氧化反应，助燃物(一般是O2)作正极发生得电子的还原反应。
【解析】 原电池的负极发生氧化反应，正极发生还原反应，由总反应式知，此燃料电池的电极反应式是：正极2O2＋4H2O＋8e－===8OH－；负极CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O，由此可见选项A、B、D都正确。放电时KOH的物质的量减小。
【答案】 C
下图是四种燃料电池的工作原理示意图，其中正极反应生成水的是( C )
解析：A项，正极反应生成O2－；B项，正极反应生成OH－；C项，正极反应生成H2O；D项，正极反应生成CO。
探究点二 化学电源电极反应式的书写
1．化学电源电极反应式的书写步骤
(1)列出物质，标电子的得失；(2)选离子，配电荷；(3)配个数，巧用水；(4)两式加，验总式。
以2H2＋O2===2H2O为例，当电解质溶液为KOH溶液时的负极反应式的书写步骤：
①根据总反应方程式列出总式两边化合价升高的有关物质为H2，转移电子数为4e－：2H2－4e－===4H＋。
②根据电解质溶液的酸碱性，用H＋或OH－或其他离子配平，使两边电荷总数相等。2H2－4e－＋4OH－===4H2O。
注意：电子带负电荷；在碱性溶液中，电极反应式不出现H＋。
③利用元素守恒验证，即得2H2－4e－＋4OH－===4H2O。
2．给出总反应式，书写电极反应式
(1)根据总反应式，分析有关元素的化合价变化情况，找出此反应中的氧化反应和还原反应，负极反应式为：还原剂→氧化产物；正极反应式为：氧化剂→还原产物，选择一个较简单的去写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果。
3．给出装置，书写电极反应式
先分析给定的化学电源的装置图，确定电源的正、负极及正、负极的反应物，结合电解质溶液确定产物，然后按电极反应式书写步骤即可。
4．可充电电池电极反应式的书写
书写充电电池的电极反应式时，首先从放电过程入手，首先分析反应的总方程式，放电时负极发生氧化反应：元素化合价升高，通常是电极本身或电极中充入的物质失电子，正极则发生还原反应，元素的化合价降低；
其次分析充电过程：充电时的阴极反应式与放电时的负极反应式书写方向正好相反，充电时的阳极反应式与放电时的正极反应式书写方向相反；
第三，书写时特别注意两极反应生成的离子能否在电解质溶液中共存，若不能共存，则该离子还应与电解质溶液中的某种离子发生反应。
第四，充电电池反应原理中化合物一般不溶于水，书写电极反应式时不能拆分。
如何给可充电电池充放电？
提示：可充电电池充放电时电池的接法：
【例2】 高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。下列叙述不正确的是( )
A．放电时负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
B．充电时阳极反应：Fe(OH)3＋5OH－－3e－===FeO＋4H2O
C．放电时每转移3
mol电子，正极有1
mol
K2FeO4被氧化
D．放电时正极附近溶液的碱性增强
【思路分析】 二次电池放电时为原电池，其充电和放电时的电极反应相反。
【解析】 该电池放电时负极发生氧化反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，正极发生还原反应：FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－，正极附近溶液碱性增强，A、D正确，C不正确；充电时阳极发生氧化反应：Fe(OH)3＋5OH－－3e－===FeO＋4H2O，B正确。
【答案】 C
已知某种微生物燃料电池工作原理如图所示(B极区溶液为酸性电解质溶液)。下列有关该电池的说法中，正确的是( D )
A．外电路电子从B极移向A极
B．溶液中H＋由B
极区移向A极区
C．电池工作一段时间后B极区溶液的pH减小
D．A极电极反应式为CH3COOH－8e－＋2H2O===2CO2↑＋8H＋
解析：根据图知，A电极上碳元素化合价由0价变为＋4价，则A是负极，B是正极，负极反应式为CH3COOH－8e－＋2H2O===2CO2↑＋8H＋，电解质溶液呈酸性，则正极反应式为
O2＋4e－＋4H＋===2H2O，正极区反应生成H2O，溶液浓度变小，pH增大。
1．据报道，锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染。其电池反应为2Zn＋O2===2ZnO，原料为锌粒、电解质溶液和空气，则下列叙述正确的是( B )
A．锌为正极，空气进入负极反应
B．负极反应为Zn－2e－===Zn2＋
C．正极发生氧化反应
D．电解质溶液可能是强酸溶液
解析：在原电池中，负极是还原性物质，失去电子，发生氧化反应；正极是氧化性物质，得到电子，发生还原反应。从原电池的电池反应为2Zn＋O2===2ZnO知，产物与强酸反应，所以电解质溶液肯定不是强酸溶液。
2．碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌—锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：Zn(s)＋2MnO2(s)＋H2O(l)===Zn(OH)2(s)＋Mn2O3(s)，下列说法错误的是( C )
A．电池工作时，锌失去电子
B．电池正极的电极反应式为：
2MnO2(s)＋H2O(l)＋2e－===Mn2O3(s)＋2OH－(aq)
C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极
D．外电路中每通过0.2
mol电子，锌的质量理论上减小6.5
g
解析：电池工作时锌在负极失去电子，故A正确；只要能够理解正极的反应物是MnO2，同时能够应用电子转移数目、电荷守恒与元素守恒即可正确地书写电极反应式，而本题只要对其进行正误判断，因此只要从上述三个方面进行验证即可，B选项正确；C中外电路的电子应该由负极流出，流入正极，故C错误；D中只要根据简单的计算，即理解每反应1
mol
Zn，失去2
mol电子，因此D正确。
3.纽扣电池可用于计算器、电子表等的电源。有一种纽扣电池，其电极分别为Zn和Ag2O，以KOH溶液为电解质溶液，电池的总反应为Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。关于该电池的叙述不正确的是( B )
A．使用时电子由Zn极经外电路流向Ag2O极，Zn是负极
B．使用时电子由Ag2O极经外电路流向Zn极，Ag2O是负极
C．正极的电极反应为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
D．Zn极发生氧化反应，Ag2O极发生还原反应
解析：由总方程式可以看出，负极为Zn，正极为Ag2O，使用时电子由负极流向正极，A项正确，B项错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，C项正确，D项也正确。
4．一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为：CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。下列有关说法正确的是( C )
A．检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动
B．若有0.4
mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48
L氧气
C．电池反应的化学方程式为：CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O
D．正极上发生的反应为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－
解析：电解质溶液中阳离子应向正极移动，A项错误；酸性溶液中，正极上的电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，D项错误；结合正极反应，转移0.4
mol电子时，消耗0.1
mol
O2，其在标准状况下的体积为2.24
L，B项错误；C项符合题目要求。
5．铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe(OH)2＋2Ni(OH)2。
下列有关该电池的说法不正确的是( C )
A．电池的电解质溶液呈碱性，正极为Ni2O3、负极为Fe
B．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2
C．电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低
D．电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O
解析：在铁镍蓄电池中，Fe作负极，Ni2O3作正极，由于生成Fe(OH)2，则电解质溶液呈碱性，A项正确；电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2，B项正确；电池充电时，阴极反应为Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，阴极附近溶液的pH升高，C项错误；由充电时的总反应减去阴极反应，可得阳极反应，D项正确。
6．美国圣路易斯大学研制了一种新型的乙醇电池，它用磺酸类质子溶剂，在200
℃左右时供电，乙醇电池比甲醇电池效率高出32倍且更安全。电池总反应为C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O，电池示意如图，下列说法不正确的是( D )
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－===2H2O
D．电池工作时，1
mol乙醇被氧化时就有6
mol电子转移
7．一种甲醇、氧气和强碱溶液作电解质的新型手机电池，可连续使用一个月，其电池反应为：2CH3OH＋3O2＋4OH－2CO＋6H2O，则有关说法正确的是( B )
A．放电时，CH3OH参与反应的电极为正极
B．放电时，负极的电极反应为CH3OH＋8OH－－6e－===CO＋6H2O
C．标准状况下，通入5.6
L
O2并完全反应后，有0.5
mol电子转移
D．放电一段时间后，通入氧气的电极附近溶液的pH降低
解析：从电池反应可知，CH3OH为原电池的负极，A选项错误；正极反应为：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，标准状况下，5.6
L
O2为0.25
mol，转移电子数为1
mol，C选项错误；从正极反应可以看出，正极附近溶液OH－的浓度增大，pH升高，D选项错误。
8．被誉为改变未来世界的十大新科技之一的燃料电池具有无污染、无噪音、高效率的特点。如图所示为氢氧燃料电池的结构示意图，电解质溶液为KOH溶液，电极材料为疏松多孔石墨棒。当氧气和氢气分别连续不断地从正、负两极通入燃料电池时，便可在闭合回路中不断地产生电流。试回答下列问题：
(1)图中通过负载的电子流动方向为向右(填“向左”或“向右”)。
(2)写出氢氧燃料电池工作时的电极反应和总反应。
正极：2H2O＋O2＋4e－===4OH－，
负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O，
总反应：2H2＋O2===2H2O。
(3)为了获得氢气，除了充分利用太阳能外，工业上利用石油产品与水在催化剂作用下制取氢气。写出C3H8和H2O反应生成H2和CO化学方程式C3H8＋3H2O3CO＋7H2。
(4)若将此燃料电池改为甲烷—空气燃料电池，该电池工作时的负极反应为CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O。
解析：H2在负极上被氧化，O2在正极上被还原，电解质溶液为KOH溶液，在书写电极反应时不出现H＋。书写甲烷—空气燃料电池的电极反应时，甲烷被O2氧化的产物是CO2，在碱溶液中继续反应生成CO。
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12
-第1课时 电解原理
学习目标
核心素养
1.了解电解、电解池的概念，会描述电解池的工作原理。2．能够正确书写电解池的电极反应式和总反应式。3．理解并掌握电解规律和电解产物的判断方法。
1.宏观辨识与微观探析：从宏观和微观的角度理解电解池中电子的移动、阴阳离子的移动、氧化反应及还原反应的发生、电流的形成过程和原理。2．证据推理与模型认知：建立对电解池过程的系统分析思路的认识模型，提高对电解池本质的认识。
电解原理
1．电解
(1)概念：使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。
(2)特点。
①电解是最强有力的氧化还原手段，是不可逆(填“可逆”或“不可逆”)的。
②从本质上看，电解质溶液的导电过程就是电解质溶液的电解过程。
2．电解池
(1)概念：将电能转变为化学能的装置。
(2)构成条件：①两个电极，②电解质溶液或熔融电解质，③直流电源，④构成闭合回路。
(3)工作原理(以惰性电极电解氯化铜为例)。
①实验装置：
②原理分析：
探究点一 电解池电极名称和电解产物的判断
1．电极名称的判断
(1)根据电源正、负极，离子移动方向、发生反应类型判断，具体如下：
(2)依据电极产物——如果电极上析出Cl2或O2，它一定是阳极；如果电极上产生H2或析出金属，它一定是阴极。
(3)根据实验现象判断阴、阳极
实际题目中往往不给出电解池的电源，而是给出一些实验现象，据此先判断出是何种离子放电，从而确定出电源的正负极和电解池的阴阳极，并进行有关问题的分析。
①滴入酚酞试剂显红色的一极(说明H＋放电显碱性)是阴极，接电源的负极，电极反应是2H＋＋2e－===H2↑。
②滴入石蕊试剂显红色的一极(说明OH－放电显酸性)是阳极，接电源的正极，电极反应是4OH－－4e－===2H2O＋O2↑。
③电极增重的一极(说明不活泼金属离子放电析出金属)是阴极，接电源的负极，如Cu2＋放电时Cu2＋＋2e－===Cu。
2．电解时电极产物的判断
(1)阳极产物的判断
首先看电极，如果是活性电极(金属活动性顺序表Ag以前)，则电极材料失电子，电极溶解，溶液中的阴离子不能失电子。如果是惰性电极(Pt、Au、石墨)，则看溶液中的离子的失电子能力。此时根据阴离子放电顺序加以判断(放电顺序即为得、失电子能力顺序)。
阳极上的放电顺序：S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>NO>SO>F－。
即：活性阳极(金属)>无氧酸根离子>OH－>含氧酸根离子>F－。
注意：在溶液中含氧酸根离子不放电，常指最高价(中心原子)含氧酸根离子不放电，但非最高价(中心原子)含氧酸根离子的放电能力比OH－的强，如SO、MnO等。
(2)阴极阳离子的放电顺序
阳离子的放电顺序基本上符合金属活动性顺序表，在阳离子放电能力由强到弱排列时，一般将H＋的位置放在Cu2＋之后。但在电镀条件下，H＋的位置放在Zn2＋之后，Fe2＋、Zn2＋与H＋顺序颠倒，即在水溶液中Fe2＋、Zn2＋的得电子能力比H＋强，可认为水电离产生的c(H＋)很小之故。
1．用惰性电极电解氯化镁溶液，在阴极观察到现象是怎样的？
提示：用惰性电极电解氯化镁溶液，Mg2＋和H＋向阴极移动，因H＋的氧化性强，故H＋放电产生氢气，同时生成的OH－与Mg2＋结合产生氢氧化镁沉淀。
2．用铁电极电解氯化钠溶液，在阳极产生的是黄绿色气体吗？
提示：不是。此时铁电极是活性电极，在阳极是铁失去电子溶解，氯离子不放电。
【例1】 现用铂电极电解1
L浓度均为0.1
mol·L－1的HCl、CuSO4的混合溶液，装置如图，下列说法正确的是( )
A．电解开始时阴极有H2放出
B．电解开始时阳极上发生：Cu2＋＋2e－===Cu
C．当电路中通过的电子物质的量超过0.1
mol时，此时阴极放电的离子发生变化
D．整个电解过程中，SO不参与电极反应
【解析】 依据放电顺序阴极先放电的是Cu2＋，故阴极开始析出的是Cu，A错误；阳极先放电的是Cl－，故阳极开始产生的是Cl2，B错误；由阴极反应Cu2＋＋2e－===Cu，n(Cu2＋)＝0.1
mol，当电路中通过电子的量达到0.2
mol时，Cu2＋放电完毕，阴极放电离子变为H＋，C错误；阴离子Cl－先放电，后是OH－，在水溶液中SO不参与电极反应，D正确。
【答案】 D
如图是一个石墨作电极，电解稀的Na2SO4溶液的装置，通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列有关叙述正确的是( D )
A．逸出气体的体积，A电极的小于B电极的
B．一电极逸出无味气体，另一电极逸出刺激性气味气体
C．A电极附近呈红色，B电极附近呈蓝色
D．电解一段时间后，将全部电解液转移到同一烧杯中，充分搅拌后溶解呈中性
解析：A、B电极反应式分别为4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－、2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，相同温度和压强下，A电极生成气体体积大于B电极，A错误；阳极上生成O2，阴极上生成H2，O2和H2都是无色无味气体，B错误；由电极反应式知，A电极附近溶液呈碱性，B电极附近溶液呈酸性，则A电极溶液呈蓝色，B电极溶液呈红色，C错误；惰性电极电解稀的Na2SO4溶液，实际是电解水，将全部电解液转移到同一烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性，D正确。
探究点二 惰性电极电解电解质溶液的规律
1．以惰性电极电解电解质溶液，分析电解反应的一般方法和步骤
①分析电解质溶液的组成，找出有关离子，并分为阴离子、阳离子两组；
②分别对阴、阳离子排出放电顺序，写出电极反应式；
③合并两个电极反应式，得出电解反应的总化学方程式或离子方程式。
2．电解反应类型
①电解水型：含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐(如H2SO4、HNO3、NaOH、K2CO3等)溶液的电解。
阴极：4H＋＋4e－===2H2↑(还原反应)
阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑(氧化反应)
总反应化学方程式：2H2O2H2↑＋O2↑
②自身分解型：无氧酸(氢氟酸除外)、不活泼金属的无氧酸盐(氟化物除外)(如：CuCl2等)溶液的电解。以电解CuCl2溶液为例：
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应)
阴极：Cu2＋＋2e－===Cu(还原反应)
总反应化学方程式：CuCl2Cu＋Cl2↑
③放氢生碱型：活泼金属的无氧酸盐(氟化物除外)(如NaCl、KI、MgCl2等)溶液的电解。以电解NaCl溶液为例：
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应)
阴极：2H＋＋2e－===H2↑(还原反应)
总反应化学方程式：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑
④放氧生酸型：不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4、AgNO3等)溶液的电解。以电解CuSO4溶液为例：
阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑(氧化反应)
阴极：Cu2＋＋2e－===Cu(还原反应)
总反应化学方程式：2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4
3．电解后溶液的变化及恢复原组成的措施
4.规律总结
(1)在水溶液中，K＋、Na＋、Mg2＋、Al3＋等离子不可能在阴极放电，即用电解水溶液的方法不可能得到K、Na、Mg、Al等活泼金属。
(2)由NaCl迁移到KBr，其电解反应相似，离子方程式为2Br－＋2H2OBr2↑＋2OH－＋H2↑，由NaCl迁移到MgCl2，电极反应相同，但电解的离子方程式不同，为2Cl－＋2H2O＋Mg2＋Mg(OH)2↓＋H2↑＋Cl2↑。
(3)使电解质复原的原则是“出去什么便加什么”，对于CuSO4溶液，不能加Cu(OH)2，只能加CuO(或CuCO3)。
(4)电解后溶液pH的变化规律
①电极区域：a.阴极H＋放电产生H2，阴极区pH变大；b.阳极OH－放电产生O2，阳极区pH变小。
②电解质溶液：a.电解过程中，既产生H2，又产生O2，实质是电解水，溶液浓度增大，因而原溶液呈酸性的pH变小，原溶液呈碱性的pH变大，原溶液呈中性的pH不变。b.电解过程中，无H2和O2产生，pH几乎不变。③电解过程中，只产生H2，溶液中OH－浓度增大，pH变大。④电解过程中，只产生O2，溶液中H＋浓度增大，pH变小。
1．惰性电极电解氢氧化钾溶液时，氢氧化钾的物质的量如何变化？溶液的pH如何变化？
提示：惰性电极电解氢氧化钾溶液时，实质是电解水，氢氧化钾的物质的量不变，但溶剂水的量减小，其物质的量浓度增大，故溶液的pH增大。
2．惰性电极电解硝酸银溶液一段时间，若恢复原溶液的状态，应加入何种物质？
提示：惰性电极电解硝酸银溶液的反应是4AgNO3＋2H2O4Ag＋O2↑＋4HNO3，因此要恢复原溶液的状态，可加入氧化银或碳酸银。
【例2】 用惰性电极实现电解，下列说法正确的是( )
A．电解稀硫酸溶液，实质上是电解水，故溶液pH不变
B．电解稀氢氧化钠溶液，要消耗OH－，故溶液pH减小
C．电解硫酸钠溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1?2
D．电解氯化铜溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1?1
【解析】 电解稀H2SO4，实质是电解水，因溶剂减少，H2SO4浓度将增大，故溶液的pH变小；电解稀NaOH溶液，虽然OH－在阳极放电，但H＋同时也在阴极放电，其实质同样是电解水，溶液的浓度也将变大，故溶液的pH变大；电解Na2SO4溶液，其实质也是电解水，在阴极和阳极分别析出H2和O2，二者的物质的量之比为2?1，而非1?2；电解CuCl2溶液，在阴、阳两极上分别析出Cu和Cl2，二者的物质的量之比为1?1。
【答案】 D
用指定材料作阳极和阴极来电解一定浓度的溶液甲，然后加入物质乙能使溶液恢复到原来的浓度，则适当的组合是( D )
阳极
阴极
溶液甲
物质乙
A
Pt
Pt
NaOH
NaOH固体
B
Pt
Pt
CuSO4
Cu(OH)2固体
C
C
Fe
NaCl
盐酸
D
Pt
Pt
H2SO4
H2O
解析：A中可加入水，B中可加入CuO或CuCO3固体，C中可通入HCl气体。
1．用惰性电极电解下列各组物质的水溶液时，发生的电极反应完全相同的是( A )
A．NaOH、H2SO4
B．CuCl2、Cu(NO3)2
C．Na2SO4、NaCl
D．KNO3、AgNO3
解析：用惰性电极电解NaOH、H2SO4的水溶液时实质均为电解水，电极反应均相同，A正确；电解B、C两组溶液时，阳极反应不同，阴极反应相同，B、C错误；电解KNO3、AgNO3两组溶液，阳极反应相同，阴极反应不同，D错误。
2．如图所示，X、Y分别是直流电源的两极，通电后发现a极板质量增加，b极板有无色无味的气体放出，符合这一情况的是( A )
解析：由题意可知，a极板质量增加，说明电解时有金属析出，发生还原反应，a应为阴极，因此X极应是负极，排除B、C；b极板有无色无味气体放出，此气体为O2，排除D。
3．能够使反应Cu＋2H2O===Cu(OH)2＋H2↑发生的是( C )
A．铜片作原电池的负极，石墨作原电池的正极，氯化钠溶液作电解质溶液
B．铜锌合金在潮湿空气中发生电化学腐蚀
C．用铜片作阴、阳电极，电解硫酸钠溶液
D．用铜片作阴、阳电极，电解硫酸铜溶液
解析：金属铜和水之间发生的反应是非自发的氧化还原反应，应设计成电解池，在反应Cu＋2H2O===Cu(OH)2＋H2↑中，失电子的是金属铜，所以必须选择金属铜作阳极材料，其他导电的物质作阴极材料即可，在阴极上应该是水中的氢离子得电子的反应，电解质溶液中其他离子的得电子能力要比氢离子弱，可以选择硫酸钠来作电解质。
4．用惰性电极电解物质的量浓度相同、体积比为1?3的CuSO4和NaCl的混合溶液，可能发生的反应有( D )
①2Cu2＋＋2H2O2Cu＋4H＋＋O2↑
②Cu2＋＋2Cl－Cu＋Cl2↑
③2Cl－＋2H＋H2↑＋Cl2↑
④2H2O2H2↑＋O2↑
A．①②③
B．①②④
C．②③④
D．②④
解析：由n(CuSO4)?n(NaCl)＝1?3得n(Cu2＋)?n(Cl－)＝1?3，根据放电顺序，阴离子：Cl－>OH－>SO，阳离子Cu2＋>H＋>Na＋，知该电解过程分为3个阶段，第一阶段：电解CuCl2溶液：Cu2＋＋2Cl－Cu＋Cl2↑；第二阶段：电解NaCl溶液：2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑，第三阶段，电解H2O：2H2O2H2↑＋O2↑。
5．按下图甲装置进行实验，若图乙中横坐标x表示通过电极的电子的物质的量，下列叙述正确的是( B )
A．F表示反应生成Cu的物质的量
B．E表示反应实际消耗H2O的物质的量
C．E表示反应生成O2的物质的量
D．F表示反应生成H2SO4的物质的量
解析：惰性电极电解硫酸铜溶液，生成物是铜、氧气和硫酸，反应的化学方程式是2H2O＋2CuSO42H2SO4＋2Cu＋O2↑。反应中生成1
mol氧气转移4
mol电子，而转移4
mol电子生成2
mol铜，所以F表示反应生成氧气的物质的量，E表示反应生成Cu的物质的量或生成硫酸的物质的量或消耗水的物质的量或消耗硫酸铜的物质的量。
6.下图中，两电极上发生的电极反应为：a极：Cu2＋＋2e－===Cu；b极：Fe－2e－===Fe2＋。下列说法不正确的是( B )
A．装置中电解质溶液一定含有Cu2＋
B．该装置一定是化学能转化为电能
C．a、b可能是同种电极材料
D．a极上一定发生还原反应
解析：该装置既可构成原电池，也可构成电解池。当构成原电池时，a极材料是活动性比铁差的金属或石墨，b极为铁，电解质溶液含Cu2＋；当构成电解池时，a极作阴极，b极作阳极且必须是铁电极，电解液中含Cu2＋。
7．如图所示，A、B、C三个装置中的烧杯分别盛有足量的CuCl2溶液。
(1)A、B、C三个装置中属于原电池的是A(填标号，下同)，属于电解池的是BC。
(2)A池中Zn是负极，发生氧化反应(填“氧化”或“还原”，下同)，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋；Cu是正极，发生还原反应，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，A中总反应的化学方程式为Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋。
(3)B池中C是阴极，发生还原反应，电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu；Pt是阳极，发生氧化反应，电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑。B池中总反应的化学方程式为CuCl2Cu＋Cl2↑。
(4)C池中Zn是阴极，发生还原反应，电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu；Cu是阳极，发生氧化反应，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋。反应过程中，溶液浓度不变(填“变大”“变小”或“不变”)。
解析：判断装置是原电池还是电解池，关键是看它有没有外接直流电源，有则为电解池，无则为原电池。由此可知A为原电池，B和C为电解池，且C较为特殊，实际为电镀铜的装置。
原电池中电极分为正极、负极，相对活泼的金属作负极失去电子发生氧化反应，相对较不活泼的金属作正极。所以A中Zn作负极失去电子被氧化，发生反应为Zn－2e－===Zn2＋；Cu为正极，电解液中阳离子在正极上得电子被还原，发生反应为Cu2＋＋2e－===Cu。A池中总反应为上述两个半反应的和，即Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋。
电解池中规定与直流电源负极相连的电极为阴极，与直流电源正极相连的电极为阳极。在外电场的作用下，溶液中的H＋和Cu2＋均移向阴极C棒，但因盐溶液中阳离子得电子能力Cu2＋>H＋，因而发生还原反应Cu2＋＋2e－===Cu。同时溶液中失电子能力较强的Cl－在阳极Pt表面被氧化，电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑。总反应方程式为CuCl2Cu＋Cl2↑。
装置C中阳极为活性电极Cu，当阳极不是惰性电极时，电极本身会被强迫失电子而发生氧化反应Cu－2e－===Cu2＋，生成离子进入溶液，此时溶液中阴离子不能失电子。而阴极上发生还原反应Cu2＋＋2e－===Cu，两极反应速率相等，溶液中其他离子不发生反应，因而溶液浓度保持不变。
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-第2课时 电解原理的应用
学习目标
核心素养
1.了解电解在氯碱工业中的应用。2．了解电解在电镀、电解精炼及电冶金方面的应用。
1.变化观念与平衡思想：了解一般电解池的缺点，进一步理解带有离子交换膜的电解池的实用性。2．科学态度与社会责任：依据生活和工业生产上的过程，设计简单的原电池或电解池，有致力于新型电池开发的科学态度与社会责任。
1．电解饱和食盐水
2．电镀
(1)定义：电镀是应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他的金属或合金的方法。
(2)目的：使金属增强抗腐蚀能力，增加美观和表面硬度。
(3)实例(在铁件上镀铜)。
①阴极：a.材料：Fe，
b．电极反应式：Cu2＋＋2e－===Cu；
②阳极：a.材料：Cu，
b．电极反应式：Cu－2e－===Cu2＋；
③电解质溶液：CuSO4溶液。
3．电解精炼铜
4．电冶金(写出电极反应)
探究点一 原电池、电解池、电镀池的区别
1．如何理解电镀的“一多、一少、一不变”？
提示：电镀特点：“一多、一少、一不变”。
一多是指阴极上有镀层金属沉积，一少是指阳极上有镀层金属溶解，一不变是指电解质溶液的浓度不变。
2．电镀铜和电解精炼铜两个实验中，随着反应的进行，溶液中的Cu2＋各有何变化？
提示：电镀铜实验时，溶液中的Cu2＋始终恒定，而在电解精炼铜中，由于阳极上溶解的金属为Fe、Zn、Ni、Cu等，而在阴极上只有Cu析出，根据电子守恒，溶解的Cu的量小于析出的Cu的量，所以溶液中Cu2＋的浓度逐渐减小。
【例1】 如图所示的两个装置中，溶液的体积均为200
mL，开始时电解质溶液的浓度均为0.1
mol/L。工作一段时间后，测得导线中均通过0.02
mol电子。若不考虑盐的水解和溶液体积的变化，则下列叙述中正确的是( )
A．产生气体的体积：①>②
B．溶液的pH变化：①增大，②减小
C．电极上析出固体物质的质量：①>②
D．电极反应式：①的阴极：Cu2＋＋2e－===Cu，②的负极：2H＋＋2e－===H2↑
【解析】 本题考查电解原理和原电池知识。①为电解池，②为原电池。①电极反应：阳极：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，阴极：2Cu2＋＋4e－===2Cu，②电极反应：正极：2H＋＋2e－===H2↑，负极：Zn－2e－===Zn2＋，D项错误；由电极反应式可知产生气体的体积：②>①，A项错误；溶液pH变化为①减小、②增大，B项错误；①中电极上析出Cu，②中无固体析出，故析出固体质量：①>②，C项正确。
【答案】 C
如下图所示，下列叙述正确的是( A )
A．Y为阴极，发生还原反应
B．X为正极，发生氧化反应
C．Y与滤纸接触处有氧气生成
D．X极与滤纸接触处变红
解析：本题左侧装置相当于一个原电池，Zn比Cu活泼，Zn作负极，Cu作正极。原电池提供直流电，用铜电极电解硫酸钠溶液，X极与电源的正极相连作阳极，发生氧化反应，电极反应式为：Cu－2e－===Cu2＋，Y极与电源的负极相连作阴极，发生还原反应，电极反应式为：2H＋＋2e－===H2↑，因此Y极与滤纸接触处变红。
探究点二 电解的有关计算
1．电解计算的原则
(1)阳极失去的电子数＝阴极得到的电子数。
(2)串联电路中通过电解池的电子总数相等。
(3)电源输出的电子总数和电解池中转移的电子总数相等。
2．电解计算的常用方法
有关电解的计算通常是求电解后某产物的质量、气体的体积、某元素的化合价、元素的相对原子质量、溶液的pH及物质的量浓度等。不论哪种计算，均可概括为下列三种方法：
电子守恒法计算
用于串联电路，通过阴、阳两极的电量相同等类型的计算，其依据是电路上转移的电子数相等
总反应式计算
先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列比例式计算
关系式计算
根据得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁，建立计算所需要的关系式
跨学科计算
无论是原电池还是电解池，无论是一个“池”还是多个任意“池”串联，在电路和电极上单位时间通过的电量相同。在理解电解原理的基础上，结合物理中的电学知识，建立电流强度、时间、电量与电子数的关系，即物理与化学学科的联系：Q＝It＝n(e－)×NA×1.60×10－19C
3.电化学计算中注意的几个等量关系式
(1)当电流通过一个或多个串联的电解池时，它们皆处于同一闭合电路中，所以同一时间内通过的电子的物质的量相等。
(2)常见电化学计算的对应关系：
H2～Cl2～O2～Cu～2Ag～2H＋～2OH－
如电解中析出气体时，在同温同压下析出各气体物质的量之比为n(H2)?n(Cl2)?n(O2)＝1?1?0.5。
(3)电解混合溶液时要注意电解的阶段性，电极反应式和电池总反应式，电解产物与转移电子数之间的关系式是电化学计算的主要依据。
电解饱和食盐水时为什么阴极区溶液变红？
提示：因为电解饱和食盐水时，由于H＋在阴极上得到电子而生成H2破坏了附近的水的电离平衡，促进了水的继续电离，结果阴极区溶液中的OH－的浓度增大使c(H＋)【例2】 500
mL
NaNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO)＝0.3
mol·L－1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到1.12
L气体(标准状况)，假定电解后溶液体积仍为500
mL，下列说法正确的是( )
A．原混合溶液中c(Na＋)＝0.2
mol·L－1
B．电解后溶液中c(H＋)＝0.2
mol·L－1
C．上述电解过程中共转移0.4
mol电子
D．电解后得到的Cu的物质的量为0.1
mol
【解析】 阳极是阴离子放电(放电能力：OH－>NO)，根据题给信息，阳极一定是OH－放电，生成0.05
mol氧气，转移0.2
mol电子；阴极离子放电能力：Cu2＋>H＋>Na＋，所以Cu2＋先放电，然后是H＋放电，阴极生成0.05
mol氢气时，转移0.1
mol电子，根据得失电子守恒知，Cu2＋转移0.1
mol电子，n(Cu2＋)＝0.05
mol。所以原溶液中n[Cu(NO3)2]＝0.05
mol，n(NO)＝0.3
mol·L－1×0.5
L＝0.15
mol，n(NaNO3)＝0.05
mol。原混合溶液中c(Na＋)＝0.1
mol·L－1，A项错误；结合以上分析及电解总方程式Cu2＋＋2H2OCu＋H2↑＋O2↑＋2H＋可知，生成0.05
mol
Cu、0.05
mol
O2、0.05
mol
H2和0.1
mol
H＋，电解后溶液中c(H＋)＝＝0.2
mol·L－1，B项正确，D项错误；上述电解过程中共转移0.2
mol电子，C项错误。
【答案】 B
下图为相互串联的甲、乙两个电解池，甲池利用电解原理在铁上镀银，试回答：
(1)A是铁、阴极(填电极材料和电极名称)，电极反应式是Ag＋＋e－===Ag；B是银、阳极(填电极材料和电极名称)，电极反应式是Ag－e－===Ag＋，应选用的电解质溶液是硝酸银溶液。
(2)乙池中若滴入少量酚酞溶液，开始电解一段时间，铁极附近呈红色；C极附近呈无色。
(3)若甲槽阴极增重43.2
g，则乙槽中阳极上放出的气体在标准状况下的体积是4_480
mL。
若乙槽中剩余溶液仍为400
mL，则电解后所得NaOH溶液的物质的量浓度为1_mol·L－1。
1．将粗铜和硫酸铜溶液组成电解池，利用电解的方法可以将粗铜提纯。下列叙述正确的是( C )
A．阳极发生还原反应
B．电解过程中，阳极质量减少量与阴极质量增加量相等
C．粗铜连接电源的正极，发生的主要电极反应为：Cu－2e－===Cu2＋
D．由于阳极上铜溶解的速率与阴极上铜沉积的速率相等，所以溶液中硫酸铜的浓度保持不变
解析：连接电源的正极是电解池的阳极，阳极铜发生氧化反应而被溶解；粗铜中含有比铜活泼的锌、镍、铁等杂质，电解过程中先失去电子，变成金属阳离子进入溶液中，所以电解过程中阳极质量减少量与阴极质量增加量并不相等，阳极上铜溶解的速率与阴极上铜沉积的速率也不相等，所以溶液中硫酸铜的浓度减小。
2．电解CuSO4溶液时，若要求达到以下三点要求：①阳极质量减少 ②阴极质量增加 ③电解质溶液中Cu2＋浓度不变，则可选用的电极是( B )
A．含Zn、Ag的铜合金作阳极，纯铜作阴极
B．纯铜作阳极，含Zn、Ag的铜合金作阴极
C．用纯铁作阳极，用纯铜作阴极
D．用石墨作阳极，用惰性电极(Pt)作阴极
解析：题目中的三点要求正好符合了电镀时的三个特点。
3．金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是(已知：氧化性Fe2＋A．阳极发生还原反应，其电极反应式为：Ni2＋＋2e－===Ni
B．电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等
C．电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋
D．电解后，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt
解析：电解时，阳极上金属按还原性由强到弱的顺序(Zn>Fe>Ni>Cu>Pt)发生氧化反应，即Zn－2e－===Zn2＋；Fe－2e－===Fe2＋；Ni－2e－===Ni2＋。Cu、Pt还原性比Ni弱，不能失去电子，当阳极上Ni失电子溶解后，它们以单质的形式沉积在电解槽的底部，形成阳极泥。阴极上金属离子按氧化性由强到弱的顺序(Ni2＋>Fe2＋>Zn2＋)发生还原反应，即Ni2＋＋2e－===Ni。Fe2＋、Zn2＋比Ni2＋氧化性弱，并不在阴极上析出，而是留在电解液里。阳极发生氧化反应，A错误；电解过程中，阳极Zn、Fe、Ni溶解，阴极只有Ni析出，两电极质量的改变不等，B错误；电解液中除Zn2＋、Fe2＋外，还有Ni2＋，C错误。
4．氯碱工业的一种节能新工艺是将电解池与燃料电池相组合，相关物料的传输与转化关系如图所示(电极未标出)。下列说法正确的是( A )
A．电解池的阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
B．通入空气的电极为负极
C．电解池中产生2
mol
Cl2时，理论上燃料电池中消耗0.5
mol
O2
D．a、b、c的大小关系为a>b＝c
解析：题给电解池的阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，A项正确。题给燃料电池为氢氧燃料电池，通入空气的电极为正极，B项错误。由整个电路中得失电子守恒可知，电解池中产生2
mol
Cl2，理论上转移4
mol
e－，则燃料电池中消耗1
mol
O2，C项错误。题给燃料电池的负极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O，正极反应式为O2＋4e－＋2H2O===
4OH－，所以a、b、c的大小关系为c>a>b，D项错误。
5．下面有关电化学的图示，完全正确的是( C )
解析：粗铜精炼，粗铜作阳极，精铜作阴极，A错误；依据原电池原理分析，活泼金属锌作负极，铜作正极，B错误；电解饱和食盐水，电流流向阳极，铁棒为阴极，电解过程中生成氢气，碳棒作电解池阳极，溶液中氯离子失电子生成氯气，检验氯气用碘化钾淀粉溶液，C正确；镀件铁作阴极，锌作阳极进行电镀，D错误。
6．如图两个电解槽中，a、b、c、d均为石墨电极。若电解过程中共有0.02
mol电子通过，下列叙述中正确的是( C )
A．甲烧杯中a极上最多可析出铜0.64
g
B．甲烧杯中b极上电极反应式：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．乙烧杯中滴入酚酞溶液，d极附近先变红
D．烧杯中c极上电极反应式为4H＋＋4e－===2H2↑
解析：根据图示，a、b、c、d电极反应分别是2H2O－4e－===4H＋＋O2↑、Cu2＋＋2e－===Cu、2Cl－－2e－===Cl2↑、2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－；甲烧杯中a极不析出铜，A错误；甲烧杯中b极上电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，B错误；乙烧杯中滴入酚酞溶液，d极发生2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，碱性增强，溶液先变红，C正确；烧杯中c极上电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，D错误。
7．用惰性电极电解M(NO3)x的水溶液，当阴极上增重a
g时，在阳极上同时产生b
L氧气(标准状况下)，从而可知M的相对原子质量是( C )
A.
B.
C.
D.
解析：生成b
L
O2转移电子为
mol，据电子守恒得到M的物质的量为
mol＝
mol，则M的摩尔质量为a÷＝
g/mol，M的相对原子质量为。
8．如图装置所示，C、D、E、F、X、Y都是惰性电极，甲、乙中溶液的体积和浓度都相同(假设通电前后溶液体积不变)，A、B为外接直流电源的两极。将直流电源接通后，F极附近呈红色。
请回答：
(1)B极是电源的负极，一段时间后，甲中溶液颜色变浅，丁中X极附近的颜色逐渐变浅，Y极附近的颜色逐渐变深，这表明氢氧化铁胶体粒子带正电荷，在电场作用下向Y极移动。
(2)若甲、乙装置中的C、D、E、F电极均只有一种单质生成时，对应单质的物质的量之比为1?2?2?2。
(3)现用丙装置给铜件镀银，则H应该是铜件(填“镀层金属”或“铜件”)，电镀液是AgNO3溶液。当乙中溶液的pH是13时(此时乙溶液体积为500
mL)，丙中镀件上析出银的质量为5.4_g，甲中溶液的pH变小(填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)若将C电极换为铁，其他装置都不变，则甲中发生总反应的离子方程式是Fe＋Cu2＋Cu＋Fe2＋。
解析：(1)F极附近呈红色，说明F是阴极，E是阳极，则A为正极，B为负极。甲中因Cu2＋放电使溶液颜色变浅。丁中Y极附近颜色变深，说明Fe(OH)3胶粒向阴极移动，即Fe(OH)3胶粒带正电荷。(2)C、D、E、F的电极产物分别为O2、Cu、Cl2、H2，由于电路中通过的电量相等，所以其物质的量之比为1?2?2?2。(3)乙中溶液pH＝13，生成n(NaOH)＝0.1
mol·L－1×0.5
L＝0.05
mol，电路中通过的电子的物质的量为0.05
mol，所以丙中镀件上析出银的质量为0.05
mol×108
g·mol－1＝5.4
g。(4)当活泼金属作阳极时，金属先于溶液中的阴离子放电而溶解，故甲中发生反应的离子方程式为Fe＋Cu2＋Fe2＋＋Cu。
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-第四节 金属的电化学腐蚀与防护
学习目标
核心素养
1.了解金属腐蚀及其危害。2．了解金属电化学腐蚀的原因。3．能正确书写析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极反应式和总反应式。4．掌握金属腐蚀的防护方法。
1.科学探究与创新意识：了解生活和生产中金属的腐蚀，依据金属腐蚀的本质，设计金属防腐措施，提升科学探究与创新意识。2．科学态度与社会责任：根据对生活和生产中金属的腐蚀的了解，树立减弱金属的腐蚀对生活和生产的影响的科学态度与社会责任。
一、金属的电化学腐蚀
1．金属腐蚀
(1)概念：金属或合金与周围的气体或液体物质发生氧化还原反应而引起损耗的现象。
(2)实质：金属原子失去电子变成阳离子的过程。即金属发生了氧化反应。
(3)类型：根据与金属接触的介质不同，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
2．化学腐蚀
金属与接触到的干燥气体(如O2、Cl2、SO2等)或非电解质液体(石油)等直接发生化学反应而引起的腐蚀。腐蚀的速率随温度升高而加快。
3．电化学腐蚀
(1)概念：不纯的金属与电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化。
(2)实例：在潮湿的空气里，钢铁的表面形成了一层电解质溶液的薄膜，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好构成了原电池。其中，铁是负极，碳是正极。
(3)析氢腐蚀和吸氧腐蚀
4.钢铁生锈原理的实验探究
(1)实验目的：探究饱和食盐水浸泡过的铁钉发生吸氧腐蚀。
(2)实验步骤：将经过酸洗除锈的铁钉，用饱和食盐水浸泡一下，放入如图所示的具支试管中。几分钟后，观察导管中水柱的变化。
(3)实验现象：导管中水柱上升，铁钉表面有铁锈生成。
(4)实验分析：装置中Fe、C、饱和食盐水一起构成了原电池，Fe作负极，碳作正极，饱和食盐水作电解质溶液，由于NaCl溶液呈中性，因此钢铁发生吸氧腐蚀。
二、金属的电化学防护
1．金属的防护
2．金属的电化学防护
探究点一 金属的腐蚀和防护
1．化学腐蚀和电化学腐蚀的联系和区别
特别提醒：判断金属的腐蚀类型要从本质入手，化学腐蚀和电化学腐蚀的本质区别在于是否发生原电池反应。电化学腐蚀中，只有在金属活动性顺序表中位于氢前面的金属才可能发生析氢腐蚀，而位于氢之后的金属只能发生吸氧腐蚀，吸氧腐蚀比析氢腐蚀更为普遍。
2．析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较
温馨提示：①由于在通常情况下，金属表面不会遇到酸性较强的溶液，所以吸氧腐蚀是金属腐蚀的主要形式，而且析氢腐蚀最终也会被吸氧腐蚀所代替。
②电化学腐蚀中吸氧腐蚀比析氢腐蚀更普遍，在金属活动顺序表中位于氢前面和氢之后的金属都能发生吸氧腐蚀，但只有在金属活动顺序表中位于氢前面的金属才可能发生析氢腐蚀。
1．纯铁片放入稀硫酸中发生的是什么腐蚀？
提示：纯铁片放入稀硫酸中反应：Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑，发生的是化学腐蚀。
2．某铜件表面的水膜酸性较强，则易发生析氢腐蚀吗？
提示：不是，虽然铜件表面的水膜酸性较强，但铜是不活泼金属，不与氢离子发生反应，故发生的是吸氧腐蚀。
3．炒过菜的铁锅未及时洗净(残液中有NaCl)，第二天便会被腐蚀而出现红褐色铁锈，铁锅的腐蚀属于什么腐蚀？原因是什么？
提示：铁锅的腐蚀属于电化学腐蚀中的吸氧腐蚀；因为铁锅是铁合金，其中含碳，铁锅中的铁和碳就会和表面残留的强电解质NaCl的水溶液形成许多微小的原电池；并且NaCl溶液呈中性，所以发生吸氧腐蚀。
【例1】 为探究钢铁的吸氧腐蚀原理设计了如图所示的装置，下列有关说法中错误的是( )
A．正极的电极反应方程式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B．将石墨电极改成Mg电极，难以观察到铁锈生成
C．若向自来水中加入少量NaCl(s)，可较快地看到铁锈
D．分别向铁、石墨电极附近吹入O2，前者铁锈出现得快
【思路分析】 判断金属的腐蚀类型要从腐蚀的本质入手，化学腐蚀和电化学腐蚀的本质区别在于是否发生原电池反应。
【解析】 铁是负极，失电子被氧化成Fe2＋，在正极氧气得电子发生还原反应生成OH－，反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，A项正确；将氧气吹向石墨电极的腐蚀速率比吹向铁电极快，D项错误；向自来水中加入NaCl(s)，可使电解质溶液的导电能力增强，加快腐蚀速率，C项正确；但若将石墨电极换成Mg电极，则负极为Mg，Fe被保护，难以看到铁生锈，B项正确。
【答案】 D
如图装置中，U形管内为红墨水，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。下列有关叙述错误的是( B )
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：a为中性环境，发生吸氧腐蚀，氧气被消耗，气体压强减小；b中酸性较强，发生析氢腐蚀，有氢气放出，气体压强增大，所以红墨水柱两边的液面变为左高右低，选项B不正确。
探究点二 金属腐蚀快慢的判断
1．影响金属腐蚀快慢的因素
(1)与构成微电池的材料有关(即金属本身的性质和金属制品的纯度)。两极材料的活动性差别越大，氧化还原反应的速率越快，活泼金属被腐蚀的速率就越快。不纯的金属或合金，发生电化学腐蚀时，活泼金属因腐蚀而发生损耗。
(2)与金属所接触的电解质强弱有关。活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于在非电解质溶液中的腐蚀，在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中的腐蚀。对于同一种电解质溶液，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。
2．判断原则
(1)在不同条件下，金属腐蚀的快慢比较：电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护腐蚀。其中，电解原理防护>原电池原理的防护。
(2)对同一种金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。
(3)两极活动性不同的金属，活动性差别越大，腐蚀越快。
(4)对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。
(5)镀层破损后，镀锡铁比镀锌铁更易腐蚀(Zn的金属活动性大于铁，锡的金属活动性小于铁)。
(6)酸雨使金属腐蚀加快。
(7)纯度越高的金属，腐蚀速率越慢。
(8)不纯的金属或合金，在潮湿空气中的腐蚀速率远大于在干燥、隔绝空气条件下的腐蚀速率。
为什么相对于内河行驶的轮船，海轮更容易腐蚀？
提示：因为海水中电解质溶液的浓度比河水中电解质溶液的浓度大得多，则发生电化学腐蚀更容易。故海轮更容易被腐蚀。
【例2】 如图所示，各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为( )
A．②>①>③>④>⑤>⑥
B．⑤>④>③>①>②>⑥
C．⑤>④>②>①>③>⑥
D．⑤>③>②>④>①>⑥
【思路分析】 先判断装置是形成原电池还是电解池，再分析金属Fe作正极还是负极，阳极还是阴极。
【解析】 ①中Fe为负极，杂质碳为正极，属于钢铁的吸氧腐蚀，腐蚀速率较慢。②、③、④实质均为原电池装置。③中Fe为正极，被保护；②、④中Fe为负极，均被腐蚀。但相对来说Fe和Cu的金属活动性差别较Fe和Sn的大，故Fe－Cu原电池中Fe的腐蚀速率较快；⑤中Fe接电源正极作阳极，Cu接电源负极作阴极，加快了Fe的腐蚀；⑥中Fe接电源负极作阴极，Cu接电源正极作阳极，防止了Fe的腐蚀。根据以上分析可知：铁在海水中被腐蚀由快到慢的顺序为⑤>④>②>①>③>⑥。
【答案】 C
为研究金属腐蚀的条件和速率，某课外兴趣活动小组学生用金属丝将三根大小相同的铁钉分别固定在如下图所示的三个装置中，再放置于玻璃钟罩里保存相同的一段时间，下列对实验结束时现象的描述不正确的是( B )
A．实验结束时，装置Ⅰ左侧的液面一定会下降
B．实验结束时，装置Ⅰ左侧的液面比装置Ⅱ的低
C．实验结束时，装置Ⅱ中的铁钉腐蚀最严重
D．实验结束时，装置Ⅲ中的铁钉几乎没有被腐蚀
解析：这是一道将原电池原理应用于判断金属腐蚀快慢的题。装置Ⅰ中的铁钉处于盐酸的蒸气中，发生析氢腐蚀，使左侧液面下降；装置Ⅱ中的铁钉同样处于盐酸的蒸气中，所不同的是悬挂铁钉的金属丝由铁丝换成了铜丝，由于Fe比Cu活泼，在这种氛围中构成的原电池会加快铁钉的腐蚀而放出更多的H2，使左侧液面下降更多，右侧液面上升更多；装置Ⅲ中虽然悬挂铁钉的还是铜丝，但由于浓硫酸有吸水性、无挥发性，使铁钉处于一种较为干燥的空气中，因而在短时间内几乎没有被腐蚀。
1．下列关于金属的腐蚀及防腐说法错误的是( B )
A．马口铁(镀锡铁)镀层破损铁的腐蚀速率加快
B．为了防止钢铁设备腐蚀，利用外加电流的阴极保护法，应另附加一惰性电极，惰性电极作阴极
C．可以采用改变金属组成或结构的方法防止金属腐蚀
D．为保护海轮的船壳，利用牺牲阳极的阴极保护法，常在船壳上镶入锌块
解析：马口铁(镀锡铁)的表面一旦破损，构成原电池，Fe为负极，则铁腐蚀加快，A正确；电解池中，阳极被腐蚀，阴极被保护，故应将钢铁设备作阴极，B错误；将金属制成合金，即改变金属的组成和结构，能起到防止金属腐蚀的作用，C正确；海轮外壳镶嵌锌块，此时铁作为原电池的正极而被保护，不易被腐蚀，这是采用了牺牲阳极的阴极保护法，D正确。
2．下列叙述错误的是( C )
A．生铁中含有碳，抗腐蚀能力比纯铁弱
B．用锡焊接的铁质器件，焊接处易生锈
C．在铁制品上镀铜时，镀件为阳极，铜盐为电镀液
D．铁管上镶嵌锌块，铁管不易被腐蚀
解析：生铁中含有能导电的碳，二者可以形成原电池，加快了铁的腐蚀，A项正确；铁和锡作为原电池的两极，铁会被腐蚀，B项正确；电镀铜时，镀层金属作阳极，镀件作阴极，C项错误；锌铁形成原电池，锌作负极被腐蚀，D项正确。
3．如图所示，液面上浮着一个空心铁球。数天后可观察到的现象是( B )
①铁球表面出现红棕色锈斑
②铁球表面出现黑色锈斑
③量筒内水位下降
④量筒内水位上升
A．①③
B．①④
C．②③
D．③④
解析：量筒内的空气、溶有O2的食盐水和铁球(铁碳合金)组成原电池，发生了吸氧腐蚀，其负极反应是2Fe－4e－===2Fe2＋，正极反应是O2＋2H2O＋4e－===4OH－；Fe2＋与OH－结合成Fe(OH)2，再被氧化成Fe(OH)3，Fe(OH)3脱水成为Fe2O3·xH2O而在铁球表面出现红棕色锈斑；由于量筒中的O2被吸收，所以量筒内的水位会上升。
4．下列有关金属腐蚀与防护的说法不正确的是( D )
A．纯银器的表面在空气中因化学腐蚀渐渐变暗
B．当镀锡铁制品的镀层破损时，镀层不能对铁制品起保护作用
C．在海轮外壳连接锌块保护外壳不受腐蚀是采用了牺牲阳极的阴极保护法
D．可将地下输油钢管与外加直流电源的正极相连以保护它不受腐蚀
解析：纯银器的表面在空气中易生成硫化物失去光泽，属于化学腐蚀，A项正确；当镀锡铁制品镀层破损后，由于铁比锡活泼，形成原电池时，铁作原电池的负极，加快铁的腐蚀，B项正确；锌比铁活泼，当在海轮外壳上连接锌块后，锌失电子而海轮外壳被保护，此法为牺牲阳极的阴极保护法，C项正确；要采用电解原理保护金属，应将金属与直流电源的负极相连，即作电解池的阴极，D项错误。
5．金属的腐蚀造成了相当大的经济损失和环境污染，因此，人们想了很多方法防止金属的腐蚀。下列关于金属腐蚀的叙述正确的是( D )
A．铁壳轮船在河水中航行比在海水中航行更易被腐蚀
B．常温下，铁易被干燥的氯气腐蚀
C．钢铁发生吸氧腐蚀时，发生的负极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－
D．为了防止枪炮表面的钢铁被腐蚀，可以在钢铁表面进行烤蓝处理
解析：海水中盐的含量高，加速了金属的电化学腐蚀，A错误；在常温下，干燥的氯气与铁不反应，B错误；钢铁发生吸氧腐蚀时，负极反应为Fe－2e－===Fe2＋，C错误；在钢铁表面进行烤蓝处理，则钢铁表面形成一层致密的氧化膜，能阻止金属被腐蚀，D正确。
6．铜板上的铁铆钉处的吸氧腐蚀原理如图所示，下列说法中不正确的是( A )
A．正极的电极反应：2H＋＋2e－===H2↑
B．此过程中还涉及的反应：
4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3
C．此过程中铜并不被腐蚀
D．此过程中电子从Fe流向Cu
解析：铁铆钉发生吸氧腐蚀时，负极的电极反应为2Fe－4e－===2Fe2＋，正极的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，溶液中发生反应：Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓。生成的Fe(OH)2继续被氧化：4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3，Fe(OH)3脱去一部分水形成铁锈。
7．如图所示装置中，小试管内为红墨水，带有支管的U形管中盛有pH＝4的雨水和生铁片。经观察，装置中有如下现象：开始时，插在小试管中的导管内的液面下降；一段时间后，导管内的液面回升，略高于U形管中的液面。下列有关解释合理的是( C )
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，生铁片始终发生析氢腐蚀
C．红墨水液面回升时，正极的电极反应为O2＋2H2O＋4e－＝4OH－
D．U形管中溶液的pH逐渐减小
解析：生铁片发生电化学腐蚀时，铁作负极，碳作正极，反应开始时导管内液面下降，说明导管内压强增大，有气体生成，是析氢腐蚀；一段时间后液面上升，说明导管内压强减小，有气体被吸收，是吸氧腐蚀。故C项正确。
8．钢铁工业是国家工业的基础。请回答钢铁腐蚀、防护过程中的有关问题。
(1)生产中可用盐酸来除铁锈，现将一生锈的铁片放入盐酸中，当铁锈被除尽后，发生的化合反应的化学方程式为2FeCl3＋Fe===3FeCl2。
(2)下列哪个装置可防止铁棒被腐蚀？BD。
(3)在实际生产中，可在铁件的表面镀铜防止铁被腐蚀。装置如图所示，请回答：
①A电极对应的金属是Cu(写元素符号)，B电极的电极反应是Cu2＋＋2e－===Cu。
②若电镀前铁、铜两片金属的质量相同，电镀完成后将它们取出洗净、烘干、称量，二者的质量差为5.12
g，则电镀时电路中通过的电子为0.08
mol。
③镀层破损后，镀铜铁比镀锌铁更容易被腐蚀，请简要说明原因：铁比铜活泼，镀层破损后，在潮湿环境中形成原电池，铁为负极，加速铁的腐蚀(其他合理答案也可)。
解析：(1)铁锈的主要成分是Fe2O3，Fe2O3和盐酸反应生成Fe3＋，铁锈被除尽后发生反应2FeCl3＋Fe===3FeCl2。
(2)B项是牺牲阳极(Zn)的阴极(Fe)保护法，D项是外接电源的阴极(Fe)保护法。
(3)①电镀的特点是待镀金属作阴极，镀层金属作阳极，则A为阳极应是铜，B为阴极，B电极的电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu。
②两极质量差为5.12
g，则每极变化的质量为＝2.56
g，转移电子的物质的量为×2＝0.08
mol。
③镀层破损后易形成原电池，铁比铜活泼，铁作负极更易被腐蚀。
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-第一节 原电池
学习目标
核心素养
1.以铜锌原电池为例，了解原电池的工作原理。2．会正确判断原电池的正极和负极，能正确书写电极反应式和电池反应方程式。3．能设计简单的原电池。
1.宏观辨识与微观探析：从宏观和微观的角度理解电子的移动、阴阳离子的移动、氧化反应及还原反应的发生、电流的形成过程和原理。2．变化观念与平衡思想：进一步深化对化学能与电能相互转化的认识，了解从简单原电池发展到带有盐桥原电池的过程变化，理解带有盐桥原电池的实用性。
一、原电池及其工作原理
1．原电池
(1)概念：将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。
2．原电池工作原理(以锌铜原电池为例)
3.原电池形成条件
(1)两个活泼性不同的电极
较活泼金属作负极，较不活泼金属或非金属作正极。
(2)电解质溶液
两电极必须浸在电解质溶液中。
(3)形成闭合回路
用导线(或盐桥)分别连通外电路、内电路。
(4)自发氧化还原反应
实质性非物质形式条件。
二、原电池的设计
理论上，能自发进行的氧化还原反应均能设计成原电池。实际设计时应注意以下几方面。
(1)外电路
负极(还原性较强的物质)正极(较稳定的金属或能导电的非金属)。
(2)内电路
将两极浸入电解质溶液中，使正、负离子作定向运动。
(3)闭合电路
探究点一 原电池的构成条件和工作原理
1．原电池的构成条件
(1)具有不同的电极，较活泼的金属作负极，失去电子，发生氧化反应；较不活泼金属或非金属(石墨等)作正极，得到电子，发生还原反应，此电极本身不变。
(2)具有电解质溶液。
(3)具有导线相连(或直接接触)组成的闭合回路。
(4)有能自发进行的氧化还原反应(有明显电流产生时需具备此条件)。
a．不要形成“活泼金属一定作负极”的思维定式，如下图甲池中Mg作负极：Mg－2e－===Mg2＋，Al作正极：2H＋＋2e－===H2↑；乙池中由于镁不与强碱反应而Al和NaOH溶液的反应能自发进行，所以Al作负极：Al－3e－＋4OH－===AlO＋2H2O，Mg作正极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。
b．原电池中，电极材料可能与电解质反应，也可能与电解质不反应。如下图：
c．形成闭合回路的方式有多种，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极直接接触。如下图：
d．有的原电池产生的电流大，可以对外做功；有的原电池，电极上发生的反应很慢，产生的电流极其微弱，不能对外做功(如电极是Fe、C，电解质溶液是NaCl溶液)。
2．半电池、盐桥、内电路、外电路
(1)半电池
原电池由两个半电池组成。原电池把一个能自发进行的氧化还原反应分在两个不同的区域进行，正极区进行还原反应，负极区进行氧化反应，通过导线转移电子。
(2)盐桥
①盐桥中的盐溶液是电解质溶液，能使两个烧杯中的溶液连成一个通路。
②当有盐桥存在时，随着反应的进行，溶液保持电中性，让氧化还原反应得以持续进行，从而使原电池不断地产生电流。
③盐桥的制作方法。
方法1：取1
g琼脂置于烧杯中，加入100
mL饱和KCl溶液，加热，使琼脂变成糊状，趁热加入U形管中，待冷却后即可充当盐桥。
方法2：将KCl饱和溶液装入U形管中，用棉花堵住管口即可。
(3)内电路、外电路
①在原电池中，用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路提供电子；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子。
②在原电池的内部，两极浸在电解质溶液中，并通过阴、阳离子的定向移动而形成内电路。
3．原电池的工作原理
原电池是一个闭合的电路，其中的电荷流动，从电路的构成方面来说，有外电路上电荷的流动和内电路上电荷的流动；从电荷的类型方面来说，有电子的流动和阴、阳离子的流动，其中的具体情况见下图。
注意：电子在导线中流动而不能在溶液中通过，自由离子在溶液中迁移而不能在导线中通过。原电池中通过离子的迁移和电子的流动而形成闭合回路，从而将化学能转化为电能。如果取出盐桥，则不产生电流。
盐桥是装有含琼胶的饱和KCl溶液的U形管，原电池工作时，K＋、Cl－的移动方向是怎样的？
提示：原电池工作时，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故K＋向正极区移动，Cl－向负极区移动。
【例1】 锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是( )
A．铜电极上发生氧化反应
B．原电池工作一段时间后，甲池的c(SO)减小
C．原电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加
D．阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
【解析】 由锌铜原电池原理可知，锌电极为负极，失电子，发生氧化反应，铜电极为正极，得电子，发生还原反应，A项错误；阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，两池中c(SO)不变，B项错误；电解过程中Zn2＋由甲池通过阳离子交换膜进入乙池，乙池中Cu2＋＋2e－===Cu，其溶液中的离子转换为Cu2＋→Zn2＋，摩尔质量M(Cu2＋)【答案】 C
下列装置中，电流表指针能发生偏转的是( D )
解析：A项中锌电极和乙烧杯中的电解质溶液不能发生氧化还原反应，不能构成原电池，A错误。B项中冰醋酸不导电，不构成原电池，B错误。C项中装置符合构成原电池的条件，但两极直接接触，相当于短路，因此电路中无电流，C错误。根据原电池构成条件判断，D装置能构成原电池，D正确。
探究点二
1．原电池正负极的判断
(1)由组成原电池的两极材料判断
较活泼的金属为负极，较不活泼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向判断
外电路中，电流由正极流向负极，电子由负极流向正极。
(3)根据原电池电解质溶液中离子的移动方向判断
在原电池电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极。
(4)根据原电池中两极发生的反应判断
原电池中，负极总是发生氧化反应，正极总是发生还原反应。若给出一个总方程式，则可根据化合价升降来判断。
(5)根据电极质量的变化判断
原电池工作后，某一电极质量增加，说明溶液中的阳离子在该电极上放电，该极为正极；反之，如果某一电极质量减轻，则该电极溶解，为负极。
(6)根据电极上有气泡产生判断
原电池工作后，如果某一电极上有气体产生，通常是因为该电极发生了析出H2的反应，说明该电极为正极。
(7)根据某电极(X)附近pH的变化判断
析氢或吸氧的电极反应发生后，均能使该电极附近电解质溶液的pH增大，因而原电池工作后，X极附近的pH增大了，说明X极为正极。
特别提醒：原电池的电极类型不仅跟电极材料有关，还与电解质溶液的性质有关。如镁—铝电极在稀硫酸中构成原电池，镁为负极，铝为正极，但若以氢氧化钠为电解质溶液，则铝为负极，镁为正极。
2．原电池电极反应式的书写
(1)题目给定原电池的装置图，未给总反应式：
①首先找出原电池的正、负极，即分别找出氧化剂和还原剂。
②结合介质判断出还原产物和氧化产物。
③写出电极反应式(注意两极得失电子数相等)，将两极反应式相加可得总反应式。
(2)题目中给出原电池的总反应式：
①分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况，找出氧化剂及其对应的还原产物，氧化剂发生的反应即为正极反应；找出还原剂及其对应的氧化产物，还原剂参加的反应即为负极反应。
②当氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物由多种元素组成时，还应注意介质的反应。
③若有一电极反应较难写出，可先写出较易写出的电极反应，然后再利用总反应式减去该电极反应即得到另一电极反应。
名师释疑：
在书写电极反应式时应当注意哪些方面？
①两极得失电子数目相等；
②电极反应式常用“===”不用“―→”表示；
③电极反应式中若有气体生成，需加“↑”；而弱电解质或难溶物均以分子式表示，其余以离子符号表示；
④写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒，可在电极反应式一端根据需要添加H＋或OH－或H2O；
⑤两电极反应、电池总反应的三个方程式，若已知其中两个，可由方程式的加减得到第三个。
1．在原电池的电极材料的选择上有哪些注意事项？
提示：(1)若两个电极材料本身都能与电解质溶液反应，则两极活动性中须有差异；(2)若电极材料本身都不参加电极反应，则一极储存还原剂，一极储存氧化剂；(3)若只有一个电极材料本身与电解质溶液反应，则另一个电极一般是碳棒等导电材料。
2．在原电池中，负极的金属性一定比正极的金属性强吗？
提示：不一定。在判断原电池正、负极时，不要只考虑金属活动性的相对强弱，还要考虑电解质溶液。故应由电池反应来确定电极名称，发生氧化反应的金属作负极。如下图甲池中Mg作负极：Mg－2e－===Mg2＋，Al作正极：2H＋＋2e－===H2↑；乙池中由于镁不与强碱反应而Al和NaOH溶液能反应，所以Al作负极：Al－3e－＋4OH－===AlO＋2H2O，Mg作正极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。
3．在原电池中，电极材料一定与电解质溶液反应吗？
提示：不一定。在原电池中，电极材料可能与电解质溶液反应，也可能与电解质溶液不反应。如图所示：
【例2】 分析如图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是( )
A．①②中Mg作为负极，③④中Fe作为负极
B．②中Mg作为正极，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑
C．③中Fe作为负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
D．④中Cu作为正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
【思路分析】 判断原电池的两极是解题的关键，同时注意特殊电解质溶液的存在会使电池的两极发生改变。
【解析】 Mg比Al活泼，在①中Mg作负极，但在NaOH溶液中，Mg与NaOH溶液不反应，而Al可以反应，故②中Al是负极。③在浓HNO3中铁会钝化，故Cu为负极，Fe为正极。在④中由于不断向Cu极附近通入空气，而O2比溶液中的H＋得电子能力强，故Cu极发生的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
【答案】 B
如图所示装置，电流表A发生偏转，同时A极逐渐变粗，B极逐渐变细，C为电解质溶液，则A、B、C应是下列各组中的( D )
A．A是Zn，B是Cu，C为稀H2SO4
B．A是Cu，B是Zn，C为稀H2SO4
C．A是Fe，B是Ag，C为稀AgNO3溶液
D．A是Ag，B是Fe，C为稀AgNO3溶液
解析：A极逐渐变粗，说明A为原电池的正极，溶液中的金属阳离子得到电子后在A极上析出；B极变细，说明B为原电池的负极，失去电子后变成离子进入了溶液中。A和B两项反应为Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，则A选项中A极变细，B选项中A极不变；C和D两项反应为Fe＋2AgNO3===2Ag＋Fe(NO3)2，其中C选项中A极变细，D选项中A极变粗，答案为D项。
探究点三 原电池原理的应用
1．比较金属的活动性强弱
(1)原理：一般原电池中活动性较强的金属作负极，活动性较弱的金属作正极。
(2)应用：A、B两种金属用导线连接后插入稀H2SO4中，若A极溶解，B极上有气泡冒出，则金属活动性：A>B。
2．加快化学反应的进行
(1)原理：在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，溶液中的粒子运动时相互间的干扰小，使化学反应加快。
(2)应用：实验室中用Zn与稀H2SO4反应制取H2时，通常滴入几滴CuSO4溶液。这样做的原因是Zn与置换出的Cu、稀H2SO4构成了原电池，加快了反应的进行。
3．原电池的设计
从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。
(1)基本方法：以氧化还原反应为基础，确定原电池的正负极、电解质溶液及电极反应，其方法是：还原剂作负极，比负极不活泼的金属或非金属导体作正极，氧化剂的溶液作电解质溶液。
(2)电解质溶液的选择：电解质是使负极放电的物质。因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质与负极发生反应(如空气中的氧气)。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则左、右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子的盐溶液。
(3)电极材料的选择：电池的电极必须导电，电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料。正极和负极之间只有产生电势差，电子才能定向移动，所以正极和负极不用同一种材料。一般情况下，两个电极的构成分为下列四种情况：
①活动性不同的两种金属。例如，锌铜原电池中，锌作电池的负极，铜作电池的正极。
②金属和非金属。例如，锌锰干电池中，锌片作电池的负极，石墨棒作电池的正极。
③金属和化合物。例如，铅蓄电池中，铅作电池的负极，二氧化铅作电池的正极。
④惰性电极。例如，氢氧燃料电池中，两个电极均可用Pt。
(4)形成闭合回路。
以Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑为例设计原电池的思路如下：
1．把A、B两块金属插入稀硫酸中，用导线相连可以组成原电池，结果A极减轻，则A、B两种金属哪种更活泼？
提示：A极减轻，说明A失去电子溶解，故A金属更活泼。
2．将反应Zn＋Fe2＋===Zn2＋＋Fe设计成原电池，则该电池的电解质可能是什么？
提示：该电池的电解质可能是FeSO4、FeCl2或Fe(NO3)2。
【例3】 铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。
(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：________________________________________。
(2)若将(1)中的反应设计成原电池，请在方框内画出原电池的装置图，并写出电极反应式。
正极反应：________________________________________；
负极反应：___________________________________________。
【思路分析】 首先根据题给离子方程式确定原电池的正负极，由此写出两个半电池的电极反应，然后根据电极反应确定电解质溶液。
【解析】 首先分析Fe3＋与Cu的反应中的氧化剂、还原剂，然后依据原电池原理，再设计成原电池。依据反应：2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，Cu失电子，应为原电池的负极，正极材料选用不如铜活泼的碳棒或铂丝均可，电解质溶液选用FeCl3溶液。
【答案】 (1)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
(2)装置如下图
或
2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ Cu－2e－===Cu2＋
依据氧化还原反应Zn(s)＋Cu2＋(aq)===Zn2＋(aq)＋Cu(s)设计的原电池装置如图所示。请回答下列问题：
(1)X电极的电极材料是Zn；电解质溶液Y是CuCl2溶液(合理即可)。
(2)铜电极为电池的正极，发生的电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，X电极上发生的电极反应为Zn－2e－===Zn2＋。
(3)外电路中的电子是从Zn(填写电极材料，下同)极流向Cu极。
(4)盐桥中的Cl－向Zn极移动；若将盐桥撤掉，则电流计的指针将不偏转。
解析：在该原电池装置中Zn作负极，Cu作正极。盐桥中的Cl－向Zn极移动，阳离子(K＋)向正极移动。
1．下列说法正确的是( C )
A．构成原电池正极和负极的材料必须是金属
B．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原
C．实验室欲快速制取氢气，可利用粗锌与稀硫酸反应
D．原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能
解析：原电池也可以用石墨作电极，A错误。电子流出的一极是负极，负极发生氧化反应，B错误。粗锌中的杂质与锌及稀硫酸构成原电池，加快锌与稀硫酸的反应，C正确。原电池将化学能转化为电能，转化效率较高，但不能全部转化为电能，原电池工作时发热就是一部分能量转化为热能，D错误。
2．将等质量的两份锌粉装入A、B两试管中，分别加入过量的稀硫酸，并向A试管中加入少量CuSO4溶液。下列图像表示产生H2的体积V(相同状况下)与时间t的关系，其中正确的是( D )
解析：A试管中加入少量CuSO4溶液，发生反应Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4，则Cu、Zn、稀硫酸构成原电池，加快产生H2的速率，但由于A试管中有少量Zn与CuSO4发生反应生成Cu，故A试管中参加反应生成H2的Zn比B试管中少，则A试管中产生H2的体积比B试管中小。
3．将纯锌片和纯铜片按下图所示方式插入相同浓度的稀硫酸中，一段时间后，下列叙述正确的是( C )
A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极
C．两烧杯中溶液的pH均增大
D．甲中产生气泡的反应速率比乙中的慢
解析：甲中形成了原电池，氢气在铜极放出，而乙不能形成闭合回路，不能产生电流，铜片不是负极，A、B项错误；甲中产生气泡的反应速率比乙中的快，因为甲中锌失去的电子流向铜，铜周围生成氢气，乙中只是锌参加反应，反应过程中会使锌片周围产生大量的ZnSO4，H＋浓度下降，从而使反应速率减小，D项错误。
4．实验发现，298
K时，在FeCl3酸性溶液中加入少量锌粒后，Fe3＋立即被还原成Fe2＋。某化学兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示的原电池装置。下列有关说法中正确的是( B )
A．该原电池的正极反应：Zn－2e－===Zn2＋
B．左边烧杯中溶液的红色逐渐褪去
C．该电池铂电极上有气泡生成
D．该电池总反应：3Zn＋2Fe3＋===2Fe＋3Zn2＋
解析：Zn失去电子，发生氧化反应，Zn为负极，A项错误；Fe3＋被还原为Fe2＋，溶液红色逐渐褪去，B项正确；铂电极作正极，无气泡生成，C项错误；该电池总反应：Zn＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Zn2＋，D项错误。
5．如图所示的原电池装置，X、Y为两电极，电解质溶液为稀硫酸，外电路中的电子流向如图所示，对此装置的下列说法正确的是( C )
A．外电路的电流方向为X→外电路→Y
B．若两电极分别为Zn和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn
C．若两电极都是金属，则它们的活动性为X>Y
D．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应
解析：由图可知，电子的流动方向是X→外电路→Y，则电流的方向就为Y→外电路→X；X为原电池的负极，Y为正极，X的活动性比Y的强；X极应发生氧化反应，Y极应发生还原反应。所以A、B、D错误，C正确。
6.如图所示，烧杯内盛有浓HNO3，在烧杯中放入用铜线相连的铁、铅两个电极，已知原电池停止工作时，Fe、Pb都有剩余。下列有关说法正确的是( D )
A．Fe比Pb活泼，始终作负极
B．Fe在浓HNO3中钝化，始终不会溶解
C．电池停止工作时，烧杯中生成了Fe(NO3)3
D．利用浓HNO3作电解质溶液不符合“绿色化学”思想
解析：开始时，电解质溶液是浓HNO3，Fe在浓HNO3中钝化，所以开始时Pb是负极：Pb－2e－===Pb2＋，A项错误；随着反应的进行，浓HNO3变成稀HNO3，Fe变为原电池的负极：Fe－2e－===Fe2＋，B项错误；由于最终Fe有剩余，所以不会生成Fe(NO3)3，C项错误；根据Pb与浓HNO3反应：Pb＋4HNO3(浓)===Pb(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，过量的Fe与稀HNO3发生反应：3Fe＋8HNO3(稀)===3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，可知反应产生了有害气体NO2、NO，会污染环境，不符合“绿色化学”思想，D项正确。
7．如下图所示的八个装置中，属于原电池的是( B )
A．全部
B．④⑥⑦
C．③④⑤⑥⑦⑧
D．除①②③外
解析：构成原电池的基本条件：电解质溶液；两个电极，其中一个相对较活泼，另一个相对较不活泼，两个电极直接或间接地连接在一起，并插入电解质溶液中；能自发地发生氧化还原反应；形成闭合回路。构成原电池的基本条件是相互联系的。在这几个基本条件中，氧化还原反应是核心。构成原电池的基本条件不仅是判断原电池的依据，也是进行原电池设计的基本依据。故选B。
8．由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。
根据实验现象回答下列问题：
(1)装置甲中负极的电极反应式是A－2e－===A2＋。
(2)装置乙中正极的电极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu。
(3)装置丙中溶液的pH变大(填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)四种金属活动性由强到弱的顺序是D>A>B>C。
解析：甲、乙、丙均为原电池装置。依据原电池原理，甲中A不断溶解，则A为负极，B为正极，活动性A>B；乙中C极增重，即析出Cu，则B为负极，活动性B>C；丙中A上有气体即H2产生，则A为正极，活动性D>A，随着H＋的消耗，pH变大。
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