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- 2021-07-03 发布
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考点一 原电池原理及其应用
考点清单
基础知识
一、原电池的工作原理
1.原电池
将① 化学 能转化为② 电 能的装置。
2.构成条件
(1)具有两个活泼性不同的电极(金属和金属或金属和导电的非金属)。
(2)电解质溶液。
(3)形成闭合回路。
3.原电池的两极
负极:通常是活泼性较强的金属,发生③ 氧化 反应。
正极:通常是活泼性较弱的金属或能导电的非金属,发生④ 还原 反应。
4.电极反应式的书写和电子移动方向
(1)电极反应式的书写(以Zn-Cu原电池为例,如图)
负极:⑤ Zn ,电极反应式:⑥ Zn-2e- Zn2+ 。
正极:⑦ Cu ,电极反应式:⑧ Cu2++2e- Cu 。
电池总反应:⑨ Zn+Cu2+ Zn2++Cu 。
(2)电子移动方向
电子由⑩ 负极 释放,经外电路流入 正极 ,电解质溶液中的阳离
子移向正极,某些阳离子在正极上得电子被 还原 ,形成一个闭合回
路。
电池 电极反应式 总反应式
碱性锌
锰电池
负极:Zn+2OH--2e- Zn(OH)2 Zn+2MnO2+2H2O
2MnOOH+Zn(OH)2
正极:2MnO2+2H2O+2e-
2MnOOH+2OH-
铅蓄
电池
负极:Pb(s)+S (aq)-2e-
PbSO4(s)
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
2PbSO4(s)+2H2O(l)
正极:PbO2(s)+4H+(aq)+S
(aq)
+2e- PbSO4(s)+2H2O(l)
二、化学电源
氢镍电池 负极:H2+2OH--2e- 2H2O 2NiOOH+H2 2Ni(OH)2
正极:2NiOOH+2H2O+2e-
2Ni(OH)2+2OH-
氢氧燃料
电池(H2SO4
作电解质)
负极:2H2-4e- 4H+ 2H2+O2 2H2O
正极:O2+4H++4e- 2H2O
氢氧燃料
电池(KOH
作电解质)
负极:2H2+4OH--4e- 4H2O 2H2+O2 2H2O
正极:O2+2H2O+4e- 4OH-
电池 电极反应式 总反应式
CH4燃料电池
(H2SO4作电解质)
负极:CH4+2H2O-8e- CO2+
8H+
CH4+2O2 CO2+2H2O
正极:2O2+8H++8e- 4H2O
CH3OH燃料
电池(NaOH
作电解质)
负极:2CH3OH+16OH--12e-
2C +12H2O
2CH3OH+3O2+4NaOH
2Na2CO3+6H2O
正极:3O2+6H2O+12e- 12OH-
电池 电极反应式 总反应式
三、原电池原理的应用
1.金属的腐蚀
(1)化学腐蚀:金属跟接触到的干燥气体(如O2、Cl2、SO2等)或非电解质液
体(如石油)等直接发生化学反应而引起的腐蚀。
(2)电化学腐蚀
a.定义: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,这种腐蚀叫电化学腐蚀。
注意 金属的腐蚀主要是发生电化学腐蚀。
b.吸氧腐蚀与析氢腐蚀(以钢铁的电化学腐蚀为例)
2.金属的防护
(1)改变金属的内部结构。例如把Ni、Cr等加入普通钢中制成不锈钢。
(2)覆盖保护层:a.涂油脂、喷油漆、搪瓷、覆盖塑料等;b.电镀耐腐蚀的金
属(Zn、Sn、Cr、Ni等)。
类型 吸氧腐蚀 析氢腐蚀
条件 水膜酸性很弱或呈中性 水膜呈酸性
正极反应(C) O2+2H2O+4e- 4OH- 2H++2e- H2↑
负极反应(Fe) Fe-2e- Fe2+
其他反应 Fe2++2OH- Fe(OH)2↓
4Fe(OH)2+2H2O+O2 4Fe(OH)3
Fe(OH)3失去部分水转化为铁锈
(3)电化学保护法:通常采用如下两种方法。a.牺牲阳极的阴极保护法。这
种方法通常是在被保护的钢铁设备上(如锅炉的内壁、船舶的外壳等)装
上若干镁合金或锌块。b.外加电流的阴极保护法。这种方法是把被保护
的钢铁设备(如钢闸门)作为 阴 极,用惰性电极作为 阳 极,两者
均存在于电解质溶液(如海水)里,外接直流电源。通电后,电子被强制流向
被保护的钢铁设备,使钢铁表面腐蚀电流降至零或接近于零,从而起到保护
作用。
3.金属腐蚀快慢的比较
不纯的金属在潮湿的空气中形成原电池发生电化学腐蚀,活泼金属因被腐
蚀而损耗。金属腐蚀的快慢与下列两种因素有关:
(1)与构成原电池的材料有关,两极材料的活泼性差别越大,电动势越大,进
行氧化还原反应的速率越快,活泼金属被腐蚀的速率就越快。
(2)与金属所接触的介质有关,通常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。
一般来说,可用下列原则判断金属腐蚀的快慢:
电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的
腐蚀
考点二 电解原理及其应用
基础知识
一、电解原理
1.电解
使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原
反应的过程。
2.电解池
(1)装置特点
① 电 能转化为② 化学 能。
(2)形成条件
a.与直流电源相连的两个电极。
b.电解质溶液(或熔融态电解质)。
c.形成闭合回路。
3.电极反应规律
(1)阴极
与电源③ 负 极相连,④ 得到 电子发生⑤ 还原 反应。
(2)阳极
与电源⑥ 正 极相连,⑦ 失去 电子发生⑧ 氧化 反应。
二、电解原理的应用
1.氯碱工业
(1)食盐水的精制
(2)主要生产过程
说明 阳离子交换膜(以电解饱和NaCl溶液为例)只允许阳离子(Na+)通过,
而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过,这样既能阻止H2和Cl2混合爆炸,
又能避免Cl2和NaOH溶液反应生成NaClO影响烧碱质量。
(3)电极反应及总反应
阳极:⑨ 2Cl--2e- Cl2↑ 。
阴极:⑩ 2H++2e- H2↑ 。
总反应(离子方程式): 2Cl-+2H2O 2OH-+Cl2↑+H2↑ 。
2.电镀
(1)电镀的特点
电镀时,阳极是 镀层金属 ,阴极是 镀件 ,一般用含有镀层金属
离子的溶液作电镀液;电镀池工作时,阳极质量 减小 ,阴极质量
增大 ,电解质溶液浓度 不变 。
(2)铜的电解精炼
阳极(用 粗铜 ): Cu-2e- Cu2+ 。
粗铜中的金、银等金属杂质,因失电子能力比铜弱,难以在阳极失去电子变
成阳离子,以阳极泥的形式沉积下来。
阴极(用 纯铜 ): Cu2++2e- Cu 。
3.电冶金
金属冶炼就是使矿石中的金属离子获得电子,从其化合物中还原出来。通
式为 Mn++ne- M 。
钠的冶炼:NaCl在熔融状态下发生电离,通直流电,阴极反应式为 2Na++
2e- 2Na ,阳极反应式为 2Cl--2e- Cl2↑ 。
核心精讲
一、惰性电极电解电解质溶液的规律
类型 电极反应特
点
实例 电解
物质
电解质
的变化
pH 使电解质
溶液复原
的方法
电解
水型
阴极:4H++4e-
2H2↑
阳极:4OH—
4e- 2H2O
+O2↑
NaOH 水 浓度增大 增大 加水
H2SO4 水 浓度增大 减小 加水
Na2SO4 水 浓度增大 不变 加水
电解
电解
质型
电解质电离
出的阴、阳
离子分别在
两极放电
HCl 电解质 浓度减小 增大 加氯化氢
CuCl2 电解质 浓度减小 — 加氯化铜
放H2
生碱型
阴极:放出H2
阳极:电解质
阴离子放电
NaCl 电解质
和水
生成新
电解质
增大 加氯化氢
放O2
生酸型
阴极:电解质
阳离子放电
阳极:OH-放电
CuSO4 电解质
和水
生成新
电解质
减小 加氧化铜
类型 电极反应特
点
实例 电解
物质
电解质
的变化
pH 使电解质溶
液复原的方
法
说明 (1)用惰性电极电解强碱、含氧酸、活泼金属的含氧酸盐的稀溶液
时,实际上是电解H2O,溶质的质量分数增大,浓度增大。
(2)电解时产物的判断要遵循阴、阳离子的放电顺序。
(3)电解后要恢复原电解质溶液的浓度,需加适量的某物质,该物质可以是
阴极与阳极产物的化合物。例如用惰性电极电解CuSO4溶液,要恢复原溶
液的浓度,可向电解后的溶液中加入CuO,但不能加入Cu(OH)2,因为Cu(OH)2
与生成的H2SO4反应后使水量增加。
原电池 电解池 电镀池
定义 将化学能转变成电能
的装置
将电能转变成化学能
的装置
应用电解原理在某些
金属表面镀上一层其
他金属或合金的装置
装置举例
二、原电池、电解池、电镀池的比较
形成条件 ①活泼性不同的两电极
②电解质溶液(电极插入其中,
并能与电极发生自发反应)
③形成闭合回路
①两电极接直流电源
②两电极插入电解质溶液(
或熔融电解质)中
③形成闭合回路
①镀层金属接电源正极,待
镀金属接电源负极
②电镀液必须含有镀层金
属的离子(电镀过程中电
镀液浓度不变)
电极名称 负极:氧化反应,金属失电子或
者氢气等还原性物质失电子
正极:还原反应,溶液中的阳离
子得电子或者氧气等得电子
阳极:氧化反应,溶液中的
阴离子失电子,或金属电极
失电子
阴极:还原反应,溶液中的
阳离子得电子
阳极:金属电极失电子
阴极:电镀液中镀层金属
阳离子得电子(在电镀控
制的条件下,水电离产生
的H+及OH-一般不放电)
原电池 电解池 电镀池
负极 正极 电源负极 阴极
电源正极 阳极
同电解池
(1)同一原电池的正、负极的电极反应中得失电子数相等。(2)同一电解池的阴、阳极的电极反应
中得失电子数相等。(3)串联电路中的各个电极反应得失电子数相等。上述三种情况下,在计算电
解产物的量时,应按得失电子数相等计算
原电池 电解池 电镀池
一、原电池电极反应式的书写方法
1.一般电极反应式的书写
知能拓展
2.复杂电极反应式的书写
总体思路:复杂电极
反应式=总反应式-较简单一极电极反应式
(1)燃料电池正极反应式的书写
正极通入的气体一般是氧气,根据电解质的不同,分以下几种情况:
①在酸性溶液中生成水:
O2+4H++4e- 2H2O;
②在碱性溶液中生成氢氧根离子:
O2+2H2O+4e- 4OH-;
③在固体电解质(高温下能传导O2-)中生成O2-:
O2+4e- 2O2-;
④在熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)中生成碳酸根离子:
O2+2CO2+4e- 2C 。
(2)燃料电池负极反应式的书写
负极通入的是燃料,发生氧化反应,负极生成的离子一般与正极产物结合,
有以下几种情况:
①若负极通入的气体是氢气,则
a.酸性溶液中:H2-2e- 2H+;
b.碱性溶液中:H2-2e-+2OH- 2H2O;
c.熔融氧化物中:H2-2e-+O2- H2O。
②若负极通入的气体为含碳的化合物,如CO、CH4、CH3OH等,碳元素均
转化为+4价碳的化合物,在酸性溶液中生成CO2,在碱性溶液中生成C ,熔
融碳酸盐中生成CO2,熔融氧化物中生成C ;含有的氢元素最终生成水。
如CH3OH燃料电池负极反应式在酸性溶液中为CH3OH-6e-+H2O CO2↑+
6H+;在碱性溶液中为CH3OH-6e-+8OH- C +6H2O。
例1 (2019河南汝州期末,18)图甲是一种利用微生物将废水中的尿素
[CO(NH2)2
]的化学能直接转化为电能,并生成对环境友好物质的装置,同时利用此装置
的电能在铁上镀铜(如图乙)。下列说法中正确的是 ( )
A.铜电极应与X相连接
B.H+透过质子交换膜由右向左移动
C.当N电极消耗0.25 mol气体时,铁电极增重16 g
D.M电极反应式:H2NCONH2+H2O-6e- CO2↑+N2↑+6H+
解题导引 微生物电池是燃料电池的一种,实质还是氧化还原反应。根据
示意图判断电池的正、负极,再结合图中微粒变化的情况书写出电极反应
式。
解析 A项,根据图甲可判断出N极为正极,M极为负极,电镀时,待镀金属作
阴极,镀层金属作阳极,即铁连接X,Cu连接Y,故A错误;B项,H+从负极流向正
极,即从M极流向N极,故B错误;C项,N极反应式为O2+4H++4e- 2H2O,铁
极反应式为Cu2++2e- Cu,当N电极消耗0.25 mol气体时,铁电极质量增加
32 g,故C错误;D项,M极为负极,产生H+,因此电极反应式为CO(NH2)2+H2O-
6e- CO2↑+N2↑+6H+,故D正确。
答案 D
二、与电化学相关的计算
如可以通过4 mol e-为桥梁构建如下关系式:
例2 (2019山西吕梁期末,11)某镍冶炼车间排放的漂洗废水中含有一定浓
度的Ni2+和Cl-,图甲是双膜三室电沉积法回收废水中的Ni2+的示意图,图乙
描述的是实验中阴极液pH与镍回收率之间的关系。下列说法不正确的是
( )
图甲
图乙
A.交换膜a为阳离子交换膜
B.阳极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+
C.阴极液 pH=1时,镍的回收率低主要是有较多的H2生成
D.浓缩室得到1 L 0.5 mol/L的盐酸时,阴极回收得到11.8 g镍
解题导引 为维持电荷的守恒,电极反应剩余的离子通过离子交换膜渗透
补充,为交换膜的判断提供了依据。根据离子的放电顺序写出电极反应
式。
解析 阳极氢氧根离子失电子生成氧气,氢离子通过交换膜a进入浓缩室,
所以交换膜a为阳离子交换膜,故A正确;阳极反应式为2H2O-4e- O2↑+
4H+,故B正确;阴极发生还原反应,酸性强时主要是氢离子发生还原反应生
成氢气,酸性弱时主要是Ni2+发生还原反应生成Ni,故C正确;浓缩室得到1 L
0.5 mol/L的盐酸时,转移电子0.4 mol,阴极生成镍和氢气,所以阴极回收得
到的镍小于11.8 g,故D错误。
答案 D
传统化石能源面临枯竭,对能量的高效转化和利用是目前化学科学领域研
究的热点。如2019年课标Ⅲ卷第13题以具有高稳定性和高循环效率的
3D-Zn—NiOOH二次电池为载体,将科学研究热点引入考题,考查新型电池的
结构、充放电工作原理、电极反应等内容。
实践探究
例 (2019江西南昌一模,13)微生物燃料电池(MFC)是一种现代化氨氮去
除技术。如图为MFC碳氮联合同时去除的转化系统原理示意图。下列说
法正确的是 ( )
A.好氧微生物反应器中反应为N +2O2 N +2H++H2O
B.B极电势比A极电势低
C.A极的电极反应式为CH3COO-+8e-+2H2O 2CO2↑+7H+
D.当电路中通过1 mol电子时,理论上总共生成2.24 L N2
解析 A项,N 在好氧微生物反应器中转化为N ,方程式为N +2O2
N +2H++H2O;B项,分析题图可知,A为原电池的负极,B为原电池的正
极,B极电势比A极电势高;C项,A极的电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O
2CO2↑+7H+;D项,当电路中通过1 mol电子时,理论上总共生成标准状
况下2.24 L N2。
答案 A
题目价值 能举例说明化学在解决能源危机中的重要作用,能分析能源的
利用对自然环境和社会发展的影响,能综合考虑化学变化中的物质变化和
能量变化来分析、解决实际问题,如新型电池的开发、金属的防腐等。
1.活学妙用,溯本求源
对于复杂的组合装置,要分析题意确定装置是“原电池”还是“电解池”,
从氧化还原反应的角度,结合电子、离子的移动方向,确定装置的正、负极
或阴、阳极,紧紧抓住原电池、电解池的工作原理,防止被复杂的装置所迷
惑。
创新思维
例1 (2019安徽江南十校联考,13)利用电解质溶液的浓度对电极电势
的影响,可设计浓差电池。下图为一套浓差电池和电解质溶液再生的配套
装置示意图,闭合开关K之前,两个Cu电极的质量相等。下列有关这套装置
的说法中错误的是 ( )
A.循环物质E为水
B.乙池中Cu电极为阴极,发生还原反应
C.甲池中的电极反应式为Cu2++2e- Cu
D.若外电路中通过1 mol电子,两电极的质量差为64 g
思路分析 由S 的移动方向可知右边Cu电极为负极,发生氧化反应。当
电路中通过1 mol电子时,左边电极质量增加32 g,右边电极质量减小32 g,
两极的质量差为64 g。电解质再生池是利用太阳能将CuSO4稀溶液蒸发,
分离为CuSO4浓溶液和水后,再返回浓差电池。
答案 B
2.实事求是,尊重科学
化学是一门以实验为基础的自然科学,人们对科学规律的发现是通过对自
然现象的反复观察、探究和验证逐步完成的,化学离不开实验,当实验的现
象、结果与熟悉的知识不相符时,我们要尊重实验客观事实,实事求是,不
盲从于熟悉的知识。
例2 (2019云南保山检测,12)中国科学家用墨汁书写后的纸张作为空
气电极,设计并组装了轻型、柔性、能折叠的可充电锂-空气电池(如图甲),
电池的工作原理如图乙。下列有关说法正确的是 ( )
C.闭合开关K给锂电池充电,X对应充电电极上的反应为Li++e- Li
D.放电时,Li+由正极经过有机电解质溶液移向负极
A.放电时,纸张中的纤维素作为锂电池的负极
B.充电时,若阳极放出1 mol O2,则有4 mol e-回到电源正极
思路分析 可充电锂-空气电池放电时,活泼的锂是负极,电极反应式为Li-e-
Li+;墨汁中的石墨作锂电池的正极,电极反应式为O2+2Li++2e- Li2O2,
Li+由负极经有机电解质溶液移向正极。闭合开关K给锂电池充电,电池
负极接电源的负极,充电时阳极上发生失电子的氧化反应。
解析 可充电锂-空气电池放电时,锂作负极,A错误;充电时,阳极的电极反
应式为Li2O2-2e- O2↑+2Li+,若阳极放出1 mol O2,则有2 mol e-回到电源
正极,B错误;闭合开关K给锂电池充电,X对应充电电极为阴极,阴极上的反
应式为Li++e- Li,C正确;放电时,阳离子向正极移动,Li+由负极经过有机
电解质溶液移向正极,D错误。
答案 C