想象一下，在寂静的火星表面，“祝融号”探测器是如何在极寒的夜晚生存并维持运转的？答案就隐藏在微观世界的电子跳跃之中——电化学。
电化学是研究化学能与电能相互转化规律的科学。它是通过氧化还原反应中电子的定向移动，实现能量受控释放与储存的技术核心。在现代能源体系中，这种转化表现为两种基本形式：
核心定理与逻辑
- 自发与受控：原电池通过自发的氧化还原反应，将化学键能直接转化为电子的动能（电能），实现了能量的瞬时释放。
- 驱动与储存：电解池则利用外部电流强行推动非自发反应，将电子动能重新封存于化学键中，完成能量的储存。
- 闭环生态：这种“化学键能 ↔ 电子动能”的交换，不仅为我们的手机和电动汽车提供动力，也是电冶金、金属防腐以及未来氢能经济的基础。
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QUESTION 1
[简答题] 以废旧铅酸蓄电池中的含铅废料和 $H_2SO_4$ 为原料，可以制备高纯 PbO。在此过程中涉及如下两个反应：① $2Fe^{2+} + PbO_2 + 4H^+ + SO_4^{2-} = 2Fe^{3+} + PbSO_4 + 2H_2O$
② $2Fe^{3+} + Pb + SO_4^{2-} = 2Fe^{2+} + PbSO_4$
(1) 写出 Pb 与 $PbO_2$ 反应生成 $PbSO_4$ 的化学方程式。
(2) 在上述过程中，$Fe^{2+}$ 的作用是什么？
(3) 请设计实验方案证明 $Fe^{2+}$ 的作用。
✅ Correct!
参考答案：
(1) $Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 = 2PbSO_4 + 2H_2O$。
(2) $Fe^{2+}$ 在反应中作为催化剂（中间产物），通过 $Fe^{2+}/Fe^{3+}$ 的循环加速了 Pb 与 $PbO_2$ 的氧化还原反应。
(3) 实验方案：取两组等质量的含铅废料与稀硫酸混合物，在其中一组加入少量 $FeSO_4$ 溶液，另一组不加。观察并对比两组反应产生 $PbSO_4$ 的速率；待反应结束后，检测溶液中 $Fe^{2+}$ 的质量和性质是否保持不变。
(1) $Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 = 2PbSO_4 + 2H_2O$。
(2) $Fe^{2+}$ 在反应中作为催化剂（中间产物），通过 $Fe^{2+}/Fe^{3+}$ 的循环加速了 Pb 与 $PbO_2$ 的氧化还原反应。
(3) 实验方案：取两组等质量的含铅废料与稀硫酸混合物，在其中一组加入少量 $FeSO_4$ 溶液，另一组不加。观察并对比两组反应产生 $PbSO_4$ 的速率；待反应结束后，检测溶液中 $Fe^{2+}$ 的质量和性质是否保持不变。
❌ Incorrect
注意观察反应①和②中铁离子的价态变化。$Fe^{2+}$ 在反应①中消耗，在反应②中又重新生成，这符合什么物质的特征？
QUESTION 2
[简答题] 什么是金属的化学腐蚀？什么是金属的电化学腐蚀？举例说明金属腐蚀的危害。
✅ Correct!
参考答案：
1. 化学腐蚀：金属跟接触到的物质（如 $O_2$、$Cl_2$、$SO_2$ 等）直接发生化学反应而引起的腐蚀。反应过程中无电流产生。
2. 电化学腐蚀：不纯的金属与电解质溶液接触时，发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。
3. 危害：腐蚀导致桥梁、建筑、输油管道损毁甚至坍塌，造成巨大的经济损失，并可能引发严重的生产安全和环境污染事故。
1. 化学腐蚀：金属跟接触到的物质（如 $O_2$、$Cl_2$、$SO_2$ 等）直接发生化学反应而引起的腐蚀。反应过程中无电流产生。
2. 电化学腐蚀：不纯的金属与电解质溶液接触时，发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。
3. 危害：腐蚀导致桥梁、建筑、输油管道损毁甚至坍塌，造成巨大的经济损失，并可能引发严重的生产安全和环境污染事故。
❌ Incorrect
区分的关键点在于是否形成了“原电池结构”以及是否有“电流”产生。
QUESTION 3
[多选题] 下图所示装置的烧杯中均盛有海水，其中能保护铁不被腐蚀的是（ ）A. Fe 和 C 直接接触
B. Fe 和 C 用导线连接
C. Fe 和 Sn 连接
D. Fe 和 Zn 连接
A
B
C
D
✅ Correct!
正确。D选项中，Zn比Fe活泼，作为原电池的负极被腐蚀，而Fe作为正极受到保护，这种方法称为“牺牲阳极法”。
❌ Incorrect
若要保护Fe，需让Fe充当原电池的正极或电解池的阴极。请比较选项中金属的活泼性。
QUESTION 4
[多选题] 碱性锌锰电池的总反应为：$Zn + 2MnO_2 + 2H_2O = 2MnO(OH) + Zn(OH)2$。下列关于该电池的说法正确的是（ ）。Zn 是正极，发生还原反应
MnO2 是正极，发生还原反应
工作时电子由 MnO2 经外电路流向 Zn
该电池属于二次电池，可多次充放电
✅ Correct!
正确。根据总反应，Zn价态升高（失电子），是负极；$MnO_2$中Mn价态降低（得电子），是正极发生还原反应。
❌ Incorrect
负极失电子，化合价升高；正极得电子，化合价降低。碱性锌锰电池通常是一次电池。
深度探究：祝融号的能量生存法则
利用电化学原理解决极端环境生存问题
火星夜晚长达12小时以上且气温极低。祝融号通过太阳能帆板在白天将能量存入锂离子蓄电池。请根据电化学原理分析该系统。
Q
1. 太阳能帆板给蓄电池充电时，蓄电池在电路中相当于原电池还是电解池？写出能量转化形式。
Answer:
相当于电解池。能量转化形式为：太阳能 $\rightarrow$ 电能 $\rightarrow$ 化学能。
相当于电解池。能量转化形式为：太阳能 $\rightarrow$ 电能 $\rightarrow$ 化学能。
Q
2. 结合金属腐蚀快慢规律，若蓄电池外壳金属部分发生锈蚀，在酸性降尘环境下与在中性环境下反应产物有何不同？
Answer:
酸性环境下主要发生析氢腐蚀，负极金属失电子，正极 $H^+$ 得电子释放 $H_2$；中性环境下发生吸氧腐蚀，正极 $O_2$ 得电子生成 $OH^-$，最终通常形成红褐色的氢氧化铁或氧化铁水合物。
酸性环境下主要发生析氢腐蚀，负极金属失电子，正极 $H^+$ 得电子释放 $H_2$；中性环境下发生吸氧腐蚀，正极 $O_2$ 得电子生成 $OH^-$，最终通常形成红褐色的氢氧化铁或氧化铁水合物。