电化学笔记

电化学

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第一节 原电池

形成条件

1. 自发氧化还原反应
2. 有两个活泼性不同的电极
3. 电解质溶液
4. 闭合回路

原理

1. 电极名称
   正极：不活泼，得电子。
   负极：较活泼，失电子。
2. 电子流向：负极 → 正极
3. 离子流向：阴离子→负极 阳离子→正极
4. 电极反应： 负极氧化，正极还原

实质

• 把一个氧化还原反应的氧化反应和还原反应分别设置在正、负两个电极发生，使还原剂失的电子沿导线传递给氧化剂，从而形成电子的定向移动。

改进

• 琼脂的作用：

1. 形成闭合回路
2. 平衡两个半池子电荷

应用

1. 加快速率（ 锌铜原电池 ）
2. 比较金属性强弱
3. 保护金属避免腐蚀（ 船的水线以下镶(Zn)，划破不影响 ）
4. 制化学电源

一次电池

1. 锌—锰干电池 (电解液(KOH))
   $ Zn - 2e^- + 2OH^- = Zn(OH)_2 $
   (2MnO_2 + 2e^-+2H_2O=2MnO(OH) + 2OH^-)
2. 锂电池
   比能量：单位质量/体积 电池向外输送电能的多少
   (Li - e^- = Li^+) 或 (LiC_6-e^-=Li^+C_6)
   (2Li + 2CH_3COOH = 2CH_3COOLi + H_2↑)
   (2Li + 2C_2H_5OH = 2C_2H_5OLi+2H_2↑)
   (2Li + 2H_2O = 2LiOH + H_2↑)
3. 特殊电池
   负：(Cu - 2e^-=Cu^{2+})
   正：(Cu + 2NO_3^- +2e^-+4H^+=2NO_2↑ + 2H_2O+Cu^{2+})

• 若参加电极反应的(H^+)或(OH^-)来自(H_2O)的电离，总反应写成(H_2O)的形式。

4. 燃料电池

• 负极：燃料((H_2， C_2H_5OH，C_3H_8，CO，丙环，NH_3·N_2H_4，H_2S，SO_2)等)
• 正极：氧化剂(可以得电子：(O_2，Cl_2，N_2O_4，H_2O_2)等)
  电解液：(H_2SO_4，KOH)，熔融氧化物，熔融碳酸盐
  酸式：正：(2CO - 4e^-+2H_2O=2CO_2+4H^+)
  $ (负：)O_2+4e^-+4H+ = 2H_2O$
  碱式：正：(2CO + 4e^-+8OH^-=2CO_3^{2-}+4H_2O)
  $ (负：)O_2+4e^-+2H_2O = 4OH^-$
  总：(2CO+O_2+4OH^-=2CO_3^{2-}+2H_2O)
  熔融氧化物((CrO_2))：负：(2CO-4e^-+2O^{2-}=2CO_2)
  $ (正：)O_2+4e^-=2O{2-}$

• 电极方程式书写规律

1. 时刻注意电极产物（离子，气体）与电解液是否反应
2. 一般一极耗(H^+, OH^-,O^{2-},CO_3^{2-})，另一极生成(H^+, OH^-,O^{2-},CO_3^{2-})
3. 电荷守恒：得(e^-)相当于带负电荷，失(e^-)相当于带正电荷。

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第二节 电解池

电能 ---> 化学能

形成条件

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1. 电源
2. 两极
3. 电解液
4. 闭合回路
   (H_2O = H^+ + OH^-)

原理

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1. 电极名称
2. 电子流向
   负极 -> 阴极 阳极->正极
3. 离子流向
   阳离子->阴极 阴离子->阳极
4. 电极反应
   阳极 失电子 氧化反应
   阴极 得电子 还原反应

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• 电极方程式书写

• 阳极

• $Mg Al Cu Ag Zn Fe $ 活性电极

• $Pt Au $ 惰性电极

• 阴极

(K^+ < Ca^{2+} < Na^+ < Mg^{2+} < Al^{3+} < Zn^{2+} < Fe^{2+} < H^+ <Cu^{2+} < Fe^{3+} < Hg^{2+} < Ag^+)

↑↓→

练习
$ $ 惰性电极电解(CuSO_4(aq))

• 阳极：(4OH^- - 4e^- = 2H_2O + O_2↑)
• 阴极：(2Cu^{2+} + 4e^- = 2Cu)
• 总： $2Cu^{2+} + 2H_2O=2Cu+O_2↑+4H^+ ( **惰性电极电解)Fe$**
• 阳极：(Fe-2e^-=Fe^{2+})
• 阴极：(2H^++2e^-=H_2↑)
• 总： (Fe + 2H_2O=Fe(OH)_2↓+H_2↑)
  惰性电极电解(Ag)
• 阳极：(2Ag-2e^-+2Cl^-=2AgCl)
• 阴极：(2H^++2e^-=H_2↑)
• 总： (2Ag+2H_2O+2Cl^-=2AgCl+H_2↑+2OH^-)
  惰性电极电解(MgCl_2)
• 阳极：(2Cl_2^- - 2e^- = Cl_2)
• 阴极：(2H_2O + 2e^- + Mg^{2+} = H_2↑ + Mg(OH)_2)
• 总: (Mg^{2+} + 2Cl^- + 2H_2O = H_2↑ + Cl_2 + Mg(OH)_2)

电解原理的应用

• 氯碱工业——电解(NaCl(aq))，得(H_2,Cl_2,NaOH)阳离子交换膜
• 家用消毒液制取
  阴：
  阳：
  总：
• 粗通精炼
• 电解池