高中电化学思维导图

# 《高中电化学思维导图》

## 一、电化学基本概念

### 1.1 定义

*   **电化学:** 研究化学能与电能相互转化的科学。
*   **电化学反应:** 伴随有电子转移的化学反应 (氧化还原反应)。

### 1.2 氧化还原反应回顾

*   **氧化:** 失电子，化合价升高。
*   **还原:** 得电子，化合价降低。
*   **氧化剂:** 具有氧化性的物质，得电子，被还原。
*   **还原剂:** 具有还原性的物质，失电子，被氧化。
*   **氧化产物:** 氧化剂被还原后生成的物质。
*   **还原产物:** 还原剂被氧化后生成的物质。

### 1.3 电极

*   **阳极:** 发生氧化反应的电极 (连接电源正极或原电池中较活泼金属)。
*   **阴极:** 发生还原反应的电极 (连接电源负极或原电池中较不活泼金属)。

## 二、原电池

### 2.1 定义

*   **原电池:** 将化学能转化为电能的装置。

### 2.2 构成条件

*   **两个活泼性不同的电极:** 一般由金属、金属与金属氧化物、金属与非金属等构成。
*   **电解质溶液:** 能与其中一个电极发生自发氧化还原反应。
*   **形成闭合回路:** 保证电子的定向移动。

### 2.3 工作原理

*   **氧化反应:** 较活泼金属 (负极) 失电子，发生氧化反应。
*   **还原反应:** 电解质溶液中的离子 (正极) 得电子，发生还原反应。
*   **电子流动方向:** 从负极流向正极，通过外电路。
*   **电流方向:** 从正极流向负极，与电子流向相反。

### 2.4 常见原电池

* **锌铜原电池 (Danielle Cell):**
 * 电极：锌 (负极), 铜 (正极)。
 * 电解质：硫酸锌溶液, 硫酸铜溶液。
 * 电极反应:
 * 负极: Zn - 2e- → Zn2+
 * 正极: Cu2+ + 2e- → Cu
 * 总反应: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
* **燃料电池:**
 * **氢氧燃料电池 (酸性介质):**
 * 负极: 2H2 - 4e- → 4H+
 * 正极: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
 * 总反应: 2H2 + O2 → 2H2O
 * **氢氧燃料电池 (碱性介质):**
 * 负极: 2H2 + 4OH- - 4e- → 4H2O
 * 正极: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
 * 总反应: 2H2 + O2 → 2H2O
 * **甲醇燃料电池:** 原理类似氢氧燃料电池，注意根据电解质溶液的酸碱性书写电极反应式。

### 2.5 应用

*   **化学电源:** 干电池、蓄电池等。
*   **金属的腐蚀与防护:** 加快金属的腐蚀 (电化学腐蚀)，保护金属 (牺牲阳极的阴极保护)。

## 三、电解池

### 3.1 定义

*   **电解池:** 将电能转化为化学能的装置。

### 3.2 构成条件

*   **外接电源:** 提供电能。
*   **两个电极:** 惰性电极或活性电极。
*   **电解质溶液或熔融电解质:** 提供自由移动的离子。
*   **形成闭合回路:** 保证电流的通过。

### 3.3 工作原理

*   **阳极:** 连接电源正极，发生氧化反应 (溶液中阴离子或电极材料失电子)。
*   **阴极:** 连接电源负极，发生还原反应 (溶液中阳离子得电子)。
*   **离子移动方向:**
    *   阳离子向阴极移动。
    *   阴离子向阳极移动。

### 3.4 电极反应的书写 (电解电解质溶液)

* **阳极 (放电顺序，由易到难):** S2- > I- > Br- > Cl- > OH- > 含氧酸根 > F-
 * 若阳极为活性电极，则电极材料失电子。
* **阴极 (放电顺序，由易到难):** Ag+ > Hg2+ > Fe3+ > Cu2+ > H+ > Pb2+ > Sn2+ > Fe2+ > Zn2+ > Al3+ > Mg2+ > Na+ > Ca2+ > K+
 * 若电解质溶液中 H+ 离子放电，则产生 H2。

### 3.5 常见电解池

* **电解食盐水:**
 * 电极：惰性电极。
 * 电解质：NaCl溶液。
 * 电极反应:
 * 阳极: 2Cl- - 2e- → Cl2↑
 * 阴极: 2H+ + 2e- → H2↑ (实质是 H2O 电离出的 H+)
 * 总反应: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2↑ + Cl2↑
* **电解硫酸铜溶液:**
 * 电极：惰性电极。
 * 电解质：CuSO4溶液。
 * 电极反应:
 * 阳极: 4OH- - 4e- → 2H2O + O2↑ (实质是 H2O 电离出的 OH-)
 * 阴极: Cu2+ + 2e- → Cu
 * 总反应: 2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + O2↑ + 2H2SO4
* **电解熔融氯化钠:**
 * 电极：惰性电极。
 * 电解质：熔融 NaCl。
 * 电极反应:
 * 阳极: 2Cl- - 2e- → Cl2↑
 * 阴极: Na+ + e- → Na
 * 总反应: 2NaCl(熔融) → 2Na + Cl2↑

### 3.6 应用

*   **电解冶金:** 冶炼活泼金属，如钠、镁、铝等。
*   **电镀:** 在金属表面镀上一层金属，起到保护或美观作用。
*   **氯碱工业:** 电解食盐水制取氯气、氢气和氢氧化钠。
*   **精炼铜:** 用电解的方法提纯铜。

## 四、电化学计算

### 4.1 电子守恒

*   氧化还原反应中，得失电子总数相等。

### 4.2 物质的量的计算

*   根据电极反应式，计算生成或消耗的物质的量。

### 4.3 pH 的变化

*   电解水、电解酸、电解碱等，溶液 pH 会发生变化。

## 五、金属的腐蚀与防护

### 5.1 化学腐蚀

*   金属与干燥的氧气或其他氧化剂直接作用而引起的腐蚀。

### 5.2 电化学腐蚀

* **吸氧腐蚀:** 在中性或弱酸性条件下，金属表面吸附水膜，形成微原电池，氧气在正极发生还原反应。
 * 钢铁吸氧腐蚀: 2Fe + O2 + 2H2O → 2Fe2+ + 4OH-
 * 进一步反应: Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2; 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3; 2Fe(OH)3 → Fe2O3·xH2O
* **析氢腐蚀:** 在酸性较强的条件下，金属表面形成微原电池，氢离子在正极发生还原反应。
 * 钢铁析氢腐蚀: Fe + 2H+ → Fe2+ + H2↑

### 5.3 金属防护

*   **改变金属内部结构:** 制成合金。
*   **覆盖保护层:** 涂油漆、镀金属、喷涂塑料等。
*   **电化学保护法:**
    *   **牺牲阳极的阴极保护:** 将活泼金属 (如锌) 与被保护金属连接，锌作负极，被腐蚀，而保护金属作正极，得到保护。
    *   **外加电流的阴极保护:** 通过外加直流电源，使被保护金属与电源负极相连，成为阴极，从而受到保护。

《高中电化学思维导图》

一、电化学基本概念

1.1 定义

电化学: 研究化学能与电能相互转化的科学。
电化学反应: 伴随有电子转移的化学反应 (氧化还原反应)。

1.2 氧化还原反应回顾

氧化: 失电子，化合价升高。
还原: 得电子，化合价降低。
氧化剂: 具有氧化性的物质，得电子，被还原。
还原剂: 具有还原性的物质，失电子，被氧化。
氧化产物: 氧化剂被还原后生成的物质。
还原产物: 还原剂被氧化后生成的物质。

1.3 电极

阳极: 发生氧化反应的电极 (连接电源正极或原电池中较活泼金属)。
阴极: 发生还原反应的电极 (连接电源负极或原电池中较不活泼金属)。

二、原电池

2.1 定义

原电池: 将化学能转化为电能的装置。

2.2 构成条件

两个活泼性不同的电极: 一般由金属、金属与金属氧化物、金属与非金属等构成。
电解质溶液: 能与其中一个电极发生自发氧化还原反应。
形成闭合回路: 保证电子的定向移动。

2.3 工作原理

氧化反应: 较活泼金属 (负极) 失电子，发生氧化反应。
还原反应: 电解质溶液中的离子 (正极) 得电子，发生还原反应。
电子流动方向: 从负极流向正极，通过外电路。
电流方向: 从正极流向负极，与电子流向相反。

2.4 常见原电池

锌铜原电池 (Danielle Cell):
- 电极：锌 (负极), 铜 (正极)。
- 电解质：硫酸锌溶液, 硫酸铜溶液。
- 电极反应:
  - 负极: Zn - 2e^- → Zn²⁺
  - 正极: Cu²⁺ + 2e^- → Cu
- 总反应: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
燃料电池:
- 氢氧燃料电池 (酸性介质):
  - 负极: 2H₂ - 4e^- → 4H⁺
  - 正极: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O
  - 总反应: 2H₂ + O₂ → 2H₂O
- 氢氧燃料电池 (碱性介质):
  - 负极: 2H₂ + 4OH^- - 4e^- → 4H₂O
  - 正极: O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^-
  - 总反应: 2H₂ + O₂ → 2H₂O
- 甲醇燃料电池: 原理类似氢氧燃料电池，注意根据电解质溶液的酸碱性书写电极反应式。

2.5 应用

化学电源: 干电池、蓄电池等。
金属的腐蚀与防护: 加快金属的腐蚀 (电化学腐蚀)，保护金属 (牺牲阳极的阴极保护)。

三、电解池

3.1 定义

电解池: 将电能转化为化学能的装置。

3.2 构成条件

外接电源: 提供电能。
两个电极: 惰性电极或活性电极。
电解质溶液或熔融电解质: 提供自由移动的离子。
形成闭合回路: 保证电流的通过。

3.3 工作原理

阳极: 连接电源正极，发生氧化反应 (溶液中阴离子或电极材料失电子)。
阴极: 连接电源负极，发生还原反应 (溶液中阳离子得电子)。
离子移动方向:
- 阳离子向阴极移动。
- 阴离子向阳极移动。

3.4 电极反应的书写 (电解电解质溶液)

阳极 (放电顺序，由易到难): S^2- > I^- > Br^- > Cl^- > OH^- > 含氧酸根 > F^-
- 若阳极为活性电极，则电极材料失电子。
阴极 (放电顺序，由易到难): Ag⁺ > Hg²⁺ > Fe³⁺ > Cu²⁺ > H⁺ > Pb²⁺ > Sn²⁺ > Fe²⁺ > Zn²⁺ > Al³⁺ > Mg²⁺ > Na⁺ > Ca²⁺ > K⁺
- 若电解质溶液中 H⁺ 离子放电，则产生 H₂。

3.5 常见电解池

电解食盐水:
- 电极：惰性电极。
- 电解质：NaCl溶液。
- 电极反应:
  - 阳极: 2Cl^- - 2e^- → Cl₂↑
  - 阴极: 2H⁺ + 2e^- → H₂↑ (实质是 H₂O 电离出的 H⁺)
- 总反应: 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑
电解硫酸铜溶液:
- 电极：惰性电极。
- 电解质：CuSO₄溶液。
- 电极反应:
  - 阳极: 4OH^- - 4e^- → 2H₂O + O₂↑ (实质是 H₂O 电离出的 OH^-)
  - 阴极: Cu²⁺ + 2e^- → Cu
- 总反应: 2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂↑ + 2H₂SO₄
电解熔融氯化钠:
- 电极：惰性电极。
- 电解质：熔融 NaCl。
- 电极反应:
  - 阳极: 2Cl^- - 2e^- → Cl₂↑
  - 阴极: Na⁺ + e^- → Na
- 总反应: 2NaCl(熔融) → 2Na + Cl₂↑

3.6 应用

电解冶金: 冶炼活泼金属，如钠、镁、铝等。
电镀: 在金属表面镀上一层金属，起到保护或美观作用。
氯碱工业: 电解食盐水制取氯气、氢气和氢氧化钠。
精炼铜: 用电解的方法提纯铜。

四、电化学计算

4.1 电子守恒

氧化还原反应中，得失电子总数相等。

4.2 物质的量的计算

根据电极反应式，计算生成或消耗的物质的量。

4.3 pH 的变化

电解水、电解酸、电解碱等，溶液 pH 会发生变化。

五、金属的腐蚀与防护

5.1 化学腐蚀

金属与干燥的氧气或其他氧化剂直接作用而引起的腐蚀。

5.2 电化学腐蚀

吸氧腐蚀: 在中性或弱酸性条件下，金属表面吸附水膜，形成微原电池，氧气在正极发生还原反应。
- 钢铁吸氧腐蚀: 2Fe + O₂ + 2H₂O → 2Fe²⁺ + 4OH^-
- 进一步反应: Fe²⁺ + 2OH^- → Fe(OH)₂; 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃; 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃·xH₂O
析氢腐蚀: 在酸性较强的条件下，金属表面形成微原电池，氢离子在正极发生还原反应。
- 钢铁析氢腐蚀: Fe + 2H⁺ → Fe²⁺ + H₂↑

5.3 金属防护

改变金属内部结构: 制成合金。
覆盖保护层: 涂油漆、镀金属、喷涂塑料等。
电化学保护法:
- 牺牲阳极的阴极保护: 将活泼金属 (如锌) 与被保护金属连接，锌作负极，被腐蚀，而保护金属作正极，得到保护。
- 外加电流的阴极保护: 通过外加直流电源，使被保护金属与电源负极相连，成为阴极，从而受到保护。

上一个主题：西游记思维导图下一个主题：新闻学概论思维导图