Cuatro puntos de conocimiento importantes en materias optativas de química publicados por People's Education Press
Capítulo 4 Conceptos básicos de electroquímica
La primera batería primaria
1 Concepto: El dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica se llama batería primaria_______
2. Condiciones de composición: ① Dos electrodos con diferentes actividades ② Solución de electrolito ③ Los electrodos se conectan con cables y se insertan en el electrolito para formar un circuito cerrado
3. Dirección del flujo de electrones: Externo circuito: electrodo negativo - - Cable - electrodo positivo
Circuito interno: la solución electrolítica en la que los aniones en el puente salino se mueven al electrodo negativo y los cationes en el puente salino se mueven a la solución electrolítica en el electrodo positivo.
4. Reacción del electrodo: Tome como ejemplo una batería primaria de zinc-cobre:
Electrodo negativo: reacción de oxidación: Zn-2e=Zn2+ (metal más activo)
Electrodo positivo: Reacción de reducción: 2H++2e=H2 ↑ (metal menos activo)
Fórmula de reacción total: Zn+2H+=Zn2++H2 ↑
Juicio de positivo y electrodos negativos:
(1) Material del electrodo esclavo: generalmente, el metal más activo es el electrodo negativo o el metal es el electrodo negativo y el no metal es el electrodo positivo;
(2) Desde la dirección del flujo de electrones, el electrodo negativo fluye hacia el electrodo positivo.
(3) Desde la dirección del flujo de corriente, el electrodo positivo fluye hacia el electrodo negativo.
(4) Según la distribución de iones en la solución electrolítica La dirección del movimiento es que los cationes fluyen hacia el electrodo positivo y los aniones hacia el electrodo negativo.
(5) Según al fenómeno experimental ①__Un polo está disuelto y el electrodo negativo__ ②Un polo ha ganado peso o tiene burbujas y un polo es el electrodo positivo
Sección 2 Química Baterías
1. : baterías químicas, células solares, baterías de energía atómica
2. Baterías químicas: dispositivos que convierten directamente la energía química en energía eléctrica
3. , pilas de combustible
1. Baterías primarias: baterías primarias comunes: baterías alcalinas de zinc-manganeso, baterías de zinc-plata, baterías de litio, etc.
2.
1. Batería secundaria: después de descargarse, se puede recargar para regenerar el material activo y se puede reutilizar muchas veces.
2. Reacción del electrodo: batería de plomo ácido
Descarga: Electrodo negativo (plomo): Pb＋-2e?=PbSO4↓
Electrodo positivo (óxido de plomo) : PbO2+4H+ ++2e?=PbSO4↓+2H2O
Carga: Cátodo: PbSO4+2H2O-2e?=PbO2+4H++
Ánodo: PbSO4+2e?=Pb+
Las dos ecuaciones se pueden escribir como una reacción reversible: PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4↓+2H2O
3. batería de níquel-hidrógeno, batería de iones de litio, batería de polímero de iones de litio
3. Pila de combustible
1. Es una celda primaria que reacciona directamente con el combustible y el oxidante. generar corriente eléctrica
2. Reacción del electrodo: una reacción electroquímica que ocurre en las pilas de combustible en general. El producto final es el mismo que el producto de combustión. La reacción total de la batería se puede escribir en función de la reacción de combustión, pero la Las condiciones de la reacción no están indicadas. , se produce una reacción de oxidación en el electrodo negativo y una reacción de reducción en el electrodo positivo. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la solución de electrolito general debe participar en la reacción del electrodo. Tomando como ejemplo la pila de combustible de hidrógeno y oxígeno, el platino son los electrodos positivo y negativo, y el medio se divide en ácido, alcalino y neutro.
Cuando la solución electrolítica es ácida: electrodo negativo: 2H2-4e?=4H+electrodo positivo: O2+4e?4H+=2H2O
Cuando la solución electrolítica es alcalina: electrodo negativo : 2H2+4OH?-4e ?=4H2O electrodo negativo: O2+2H2O+4e?=4OH?
Otro tipo de pila de combustible utiliza una lámina de metal de platino insertada en una solución de KOH como electrodo, y metano como combustible y oxígeno como oxidante pasan a través de los dos polos respectivamente.
La fórmula de reacción del electrodo es: electrodo negativo: CH4+10OH--8?e?=7H2O
electrodo positivo: 4H2O+2O2+8e?=8OH-.
La fórmula de reacción total de la batería es: CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O
3. Ventajas de las pilas de combustible: alta tasa de conversión de energía, menos desperdicio y bajo funcionamiento. ruido
IV, Eliminación de baterías usadas: reciclaje
Sección 3 Celda electrolítica
1. Principio de la electrólisis
1. : convierte la energía eléctrica en energía química El dispositivo también se llama celda electrolítica
2. Electrólisis: un proceso en el que la corriente eléctrica (corriente directa aplicada) pasa a través de la solución de electrolito y provoca una reacción redox (pasiva, no espontáneo) en el ánodo y el cátodo.
3. Descarga: cuando los iones llegan al electrodo, pierden o ganan electrones y se produce una reacción redox.
4. (fuente de alimentación) electrodo negativo - (celda electrolítica) cátodo - (movimiento direccional de iones) solución electrolítica - (celda electrolítica) ánodo - (fuente de alimentación) electrodo positivo
5. p>
Ánodo: electrodo conectado al electrodo positivo de la fuente de alimentación de CC, donde se produce la reacción de oxidación.
Cátodo: electrodo conectado al electrodo negativo de la fuente de alimentación de CC, donde se produce una reacción de reducción. ocurre
6. Reacción del electrodo de electrólisis de la solución CuCl2: Ánodo: 2Cl--2e?=Cl2 (oxidación) Cátodo: Cu2++2e ?=Cu (reducción)
Reacción total fórmula: CuCl2=Cu+Cl2 ↑
7. La esencia de la electrólisis: el proceso conductor de la solución de electrolito es el proceso de electrólisis de la solución de electrolito
☆ Resumen de reglas: El La ecuación iónica de la reacción de electrólisis se escribe:
Secuencia de descarga de cationes: Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+ (refiriéndose a la ionización ácida)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+ >Mg2+>Na+>Ca2+. >K+
Secuencia de descarga de aniones: cuando es un electrodo inerte: S2->I->Br->Cl->OH->NO3->SO42-(y otros iones ácidos que contienen oxígeno)> F-(SO32-/MnO4->OH-)
Cuando es un electrodo activo: el propio electrodo se disuelve y se descarga
Ten en cuenta que primero debes fijarte en el material del electrodo, ya sea un electrodo inerte o un electrodo activo, si el material del ánodo es un metal como un electrodo activo (Fe, Cu), la reacción del ánodo es que el material del electrodo pierde electrones y se convierte en iones y entra en la solución; Es un material inerte, se basará en la secuencia de descarga de aniones y cationes, y la ley del ánodo y los ánodos de oxígeno para escribir la ecuación de reacción del electrodo.
Las reglas de los productos de descomposición de soluciones acuosas de electrolitos
Tipos de características de reacción de electrodos Ejemplos de objetos de electrólisis Concentración de electrolitos pH Recuperación de soluciones de electrolitos
Aniones y cationes ionizados por electrolito de tipo electrolito de descomposición Descargue el electrolito de HCl en ambos polos respectivamente para disminuir y aumentar el HCl
CuCl2---CuCl2
Libere H2 para generar un cátodo alcalino: el agua libera H2 para generar álcali
ánodo: El anión electrolito descarga el electrolito NaCl y el agua para generar un nuevo electrolito y aumenta el HCl
Cátodo generador de ácido de oxígeno: Descarga del catión electrolito
Ánodo: El agua libera O2 para generar ácido, se genera electrolito CuSO4 y agua. El nuevo electrolito reduce el óxido de cobre
Cátodo de agua electrolizada: 4H++4e-==2H2 ↑
Ánodo: 4OH--4e-=O2 ↑+2H2ONaOH agua aumenta Agua grande
H2SO4 disminuye
Na2SO4 permanece sin cambios
Clasificación de los cuatro tipos de electrolitos anteriores:
( 1) Tipo de agua electrolizada: oxiácidos, bases fuertes, sales ácidas de oxígeno de metales activos
(2) Tipo de electrolito electrolítico: ácidos anaeróbicos, sales ácidas anóxicas de metales inactivos (excepto fluoruro)
(3) Tipo generador de álcali que libera hidrógeno: sales ácidas anoxoácidas de metales activos
(4) Tipo generador de ácido que libera oxígeno: sales ácidas que contienen oxígeno de metales inactivos
II. Aplicación del principio de electrólisis
1. Electrólisis de agua salada saturada para producir sosa cáustica, cloro e hidrógeno
(1) Aplicación de galvanoplastia del principio de electrólisis a una capa delgada. de otros metales en la superficie de ciertos metales o método de aleación
(2) Selección de electrodo y solución de electrolito:
Ánodo: metal recubierto, pierde electrones y se convierte en iones en la solución; M—ne—==Mn+
p>Cátodo: Metal a recubrir (piezas revestidas): Los iones metálicos en la solución obtienen electrones y se convierten en átomos metálicos, que se unen a la superficie del metal
Mn++ne—==M
Solución de electrolito: una solución que contiene iones metálicos para el revestimiento se utiliza como solución de galvanoplastia
Principio de reacción del revestimiento de cobre: ánodo (cobre puro ): Cu-2e-=Cu2+, cátodo (partes chapadas): Cu2++2e -=Cu,
Electrolito: solución de sal de cobre soluble, como solución de CuSO4
(3 ) Una de las aplicaciones de galvanoplastia: refinación de cobre: ánodo: cobre blister; cátodo: cobre puro Solución de electrolito: sulfato de cobre
2. Electrometalurgia
(1) Electrometalurgia: los cationes metálicos en el mineral gana electrones y se reduce de sus compuestos para fundir metales activos, como sodio, magnesio, calcio, aluminio
(2) Electrólisis del cloruro de sodio: antes de aplicar la electricidad, el cloruro de sodio se funde a alta temperatura : NaCl==Na++Cl—
Paso Después de corriente continua: Ánodo: 2Na++2e—==2Na Cátodo: 2Cl—2e—==Cl2 ↑
☆ Resumen de reglas: reglas de evaluación para celdas primarias, celdas electrolíticas y celdas de galvanoplastia
(1) Si no hay fuente de alimentación externa, se cumplen las tres condiciones para formar una batería primaria. ① Hay dos electrodos con diferentes actividades; ② Los dos polos están conectados entre sí con cables y se insertan directamente en la solución electrolítica conectada. ③ Los metales más activos pueden sufrir reacciones de oxidación-reducción con la solución electrolítica (a veces debido al H+); reacción producida por ionización con agua), siempre y cuando se cumplan estas tres condiciones al mismo tiempo, se trata de una batería primaria.
(2) Si hay una fuente de alimentación externa y los dos polos se insertan en la solución electrolítica, puede ser una celda electrolítica o una celda de galvanoplastia cuando el cátodo es un metal, el ánodo también lo es; un metal y es del mismo tipo que los iones metálicos en el elemento de solución electrolítica, es un baño de revestimiento.
(3) Si se conectan varias celdas en serie y hay una fuente de alimentación externa, el dispositivo conectado a la fuente de alimentación es una celda electrolítica o una celda de galvanoplastia. Si no hay fuente de alimentación externa, primero seleccione el electrodo metálico más activo como electrodo negativo (electrodo de salida electrónica) de la batería primaria, el dispositivo relevante es la batería primaria y el resto son celdas de galvanoplastia o celdas electrolíticas.
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☆Comparación de celdas primarias, celdas electrolíticas y celdas de galvanoplastia
Categorías de propiedades
Células primarias Celda electrolítica Celda de galvanoplastia
Definición
(Características del dispositivo) Un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica Un dispositivo que convierte La energía eléctrica en energía química utiliza el principio de electrólisis para revestir ciertas superficies metálicas en la capa lateral
Características de la reacción Reacción espontánea Reacción no espontánea Reacción no espontánea
Características del dispositivo Sin suministro de energía, los materiales de dos niveles son diferentes y tienen suministro de energía, los materiales de dos niveles pueden ser iguales o diferentes y tienen suministro de energía
Forman dos polos con diferentes condiciones y actividades
Solución de electrolito
Forme un circuito cerrado y conecte los dos electrodos a la fuente de alimentación de CC
Los dos electrodos se insertan en la solución de electrolito
Forma un circuito cerrado: 1. El metal de recubrimiento está conectado al polo positivo de la fuente de alimentación y el metal a recubrir está conectado al polo negativo 2. La solución de galvanoplastia debe contener iones del metal de recubrimiento; p>Nombre del electrodo: polo negativo: metal más activo
Electrodo positivo: metal menos activo (no metal que puede conducir electricidad) ánodo: conectado al electrodo positivo de la fuente de alimentación
Cátodo: conectado al electrodo negativo de la fuente de alimentación. El nombre es el mismo que electrólisis, pero con restricciones
Ánodo: Debe ser de metal chapado
Cátodo: piezas chapadas.
Reacción del electrodo Electrodo negativo: reacción de oxidación, el metal pierde electrones
Electrodo positivo: reacción de reducción, electrones de los cationes en la solución O el oxígeno gana electrones (corrosión por absorción de oxígeno) ánodo: reacción de oxidación, los aniones en la solución pierden electrones, o el metal del electrodo pierde electrones
Cátodo: reacción de reducción, los cationes en la solución ganan electrones
Ánodo: el electrodo de metal pierde electrones
Cátodo: Los cationes en la solución de recubrimiento ganan electrones
Los electrones fluyen hacia el electrodo negativo → el electrodo positivo de la fuente de alimentación y el electrodo negativo → el cátodo
El electrodo positivo de la fuente de alimentación → igual que el ánodo de la celda electrolítica
Movimiento de las partículas cargadas en la solución Los cationes se mueven hacia el electrodo positivo
Los aniones se mueven hacia el electrodo negativo y los cationes se mueven hacia el cátodo
El movimiento de los aniones hacia el ánodo es el mismo que en las celdas electrolíticas
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La reacción de oxidación y la reacción de reducción ocurren en ambos polos
☆☆El diagrama de conexión de electrones de ganancia y pérdida entre los polos de la batería primaria y la celda electrolítica:
Ánodo (pérdida) e -Electrodo positivo (ganancia) e-electrodo negativo (perdido) e-cátodo (ganancia)
Sección 4 Corrosión electroquímica y protección del metal
1. Corrosión electroquímica del metal
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( 1) Contenido de corrosión del metal: (2) La esencia de la corrosión del metal: es un proceso en el que los átomos del metal pierden electrones y se oxidan
(3) Clasificación de la corrosión del metal:
Corrosión química: corrosión causada por una reacción química directa entre el metal y el material en contacto.
Corrosión electroquímica: cuando un metal impuro entra en contacto con una solución electrolítica, se produce una reacción galvánica. Los metales relativamente activos pierden electrones y se oxidan. Este tipo de corrosión se llama corrosión electroquímica.
Comparación de corrosión química y corrosión galvánica
Corrosión eléctrica Corrosión química
Condiciones Metal o aleación impuro está en contacto con una solución electrolítica El metal está en contacto directo con elementos no -electrolito
p>Fenómeno: se genera corriente débil pero no se genera corriente
El proceso de oxidación de metales que son más activos en la naturaleza El proceso de oxidación del metal
Relación La corrosión química y la corrosión galvánica a menudo ocurren al mismo tiempo, pero la corrosión galvánica es más común y el daño es más grave
(4) Clasificación de la corrosión electroquímica:
Corrosión por desprendimiento de hidrógeno: se libera gas hidrógeno continuamente durante el proceso de corrosión
①Condiciones: la película de agua formada en el aire húmedo es altamente ácida (gases como CO2, SO2, H2S se disuelven en la película de agua)
②Reacción del electrodo: Electrodo negativo: Fe–2e-=Fe2+
Electrodo positivo: 2H++2e-=H2 ↑
Fórmula general: Fe+2H+ =Fe2++H2 ↑
Corrosión por absorción de oxígeno - absorción durante el proceso de reacción Oxígeno
①Condiciones: Solución neutra o débilmente ácida
②Reacción del electrodo: Electrodo negativo: 2Fe–4e-=2Fe2+
Electrodo positivo: O2+4e-+ 2H2O=4OH-
Fórmula general: 2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2
Ecuación iónica: Fe2++2OH-=Fe(OH)2
El Fe(OH)2 generado se oxida con O2 en el aire para generar Fe(OH)3, Fe(OH) 2+O2+2H2O==4Fe(OH)3
Fe(OH) )3 elimina parte del agua para formar Fe2O3 p>Corrosión causada por el principio de electrólisis>Corrosión causada por el principio de celda galvánica>Químico corrosión>Corrosión con medidas anticorrosión
El orden de las medidas anticorrosión de mejor a peor es el siguiente:
Fuente de alimentación externa Método de protección catódica > Método de protección de electrodo positivo de sacrificio electrodo negativo > Corrosión con condiciones generales anticorrosión > Corrosión sin condiciones anticorrosión
2. Protección electroquímica de metales
1. Utilice el principio de protección electroquímica de metal de la batería primaria. /p>
(1) Método de protección catódica del ánodo de sacrificio
Principio: durante la reacción galvánica de la batería, el electrodo negativo se corroe, pero el electrodo positivo no cambia
Aplicación: Instale varios bloques de zinc en el equipo de acero protegido para corroer los bloques de zinc y proteger el equipo de acero.
Negativo: los bloques de zinc están corroídos. Positivo: el equipo de acero está protegido.
(2) Método de protección catódica de corriente impresa
Principio: cuando se aplica electricidad, se acumula una gran cantidad de electrones en el equipo de acero, de modo que la corriente generada por la reacción de la batería primaria de metal no se puede transportar. evitando así la corrosión del metal
Aplicación: el equipo de acero protegido se utiliza como cátodo y el electrodo inerte se utiliza como ánodo auxiliar, los cuales existen en la solución electrolítica y están conectados a un fuente de alimentación CC externa. Después de aplicar electricidad, una gran cantidad de electrones se acumulan en el equipo de acero, inhibiendo la reacción del acero que pierde electrones.
2. Cambiar la estructura del metal: convertir el metal en una aleación anticorrosión.
3. Separar el metal de los reactivos corrosivos: galvanoplastia, pintura, recubrimiento de grasa, pasivación de superficies, etc. .