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- 2021-07-08 发布
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第2讲 化学能与电能的转化
[考试说明]
知识内容
考试要求
(1)原电池的概念
a
(2)铜锌原电池的原理及电极反应式
b
(3)原电池的构成条件
b
(4)常见化学电源
c
(5)原电池的构造与工作原理,盐桥的作用
b
(6)判断与设计简单的原电池
c
(7)原电池的电极反应式及电池反应方程式
b
(8)原电池的正、负极和电子流向的判断
c
(9)银锌电池、铅蓄电池、燃料电池的工作原理与应用价值
b
(10)电解池的概念
b
续 表
知识内容
考试要求
(11)电解CuCl2溶液的原理及电极反应式
b
(12)电解池的构成条件
b
(13)原电池、电解池的判断
c
(14)电解池的构造与工作原理
b
(15)电解池的电极反应式与电解反应方程式
b
(16)金属冶炼、氯碱工业、电镀在生产生活中的应用
b
(17)金属腐蚀的危害
a
(18)金属发生电化学腐蚀的基本原理
c
(19)金属的防护
b
原电池原理及其应用[学生用书P43]
1.原电池的工作原理
如图是两种锌铜原电池示意图:
(1)反应原理
电极名称
负极
正极
电极材料
锌片
铜片
电极反应
Zn-2e-===Zn2+
Cu2++2e-===Cu
反应类型
氧化反应
还原反应
电池反应
Zn+Cu2+===Zn2++Cu
(2)原电池中的三个方向
①电子流动方向:从负极流出沿导线流入正极;
②电流流动方向:从正极沿导线流向负极;
③离子迁移方向:电解质溶液中,阴离子向负极迁移,阳离子向正极迁移。
2.原电池正、负极的判断
(1)根据电极材料。一般是较活泼的金属为负极,活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
(2)根据电子流动方向或电流方向。电子流动方向:由负极→正极;电流方向:由正极→负极。
(3)根据原电池电解质溶液中离子的移动方向。在原电池的电解质溶液内,阳离子向正极移动,而阴离子向负极移动。
(4)根据原电池两极发生的变化。原电池的负极失电子,发生氧化反应;而正极得电子,发生还原反应。
3.不同介质下电极反应式的书写技巧和步骤
电极反应式属于以离子反应表达的氧化还原半反应,要遵循离子方程式拆分物质的规则。
(1)先写出电极反应式的主要框架(待配平)
①酸性电解液
负极:还原剂-xe-―→氧化产物+H+
正极:氧化剂+xe-+H+―→还原产物
②非酸性电解质(或液)(包括碱溶液、熔融碳酸盐及氧化物)
负极:还原剂-xe-+阴离子―→氧化产物
正极:氧化剂+xe-―→阴离子+还原产物
(2)依据化合价变化分别计算氧化剂、还原剂与电子的比例。
(3)根据电荷守恒配平离子,最后根据原子守恒配平其余物质。
题组一 原电池原理的应用
1.如图所示进行实验,下列说法不正确的是( )
A.装置甲的锌片上和装置乙的铜片上均可观察到有气泡产生
B.甲、乙装置中的能量变化均为化学能转化为电能
C.装置乙中的锌、铜之间用导线连接电流计,可观察到电流计指针发生偏转
D.装置乙中负极的电极反应式:Zn-2e-===Zn2+
解析:选B。装置甲为锌片与稀硫酸反应装置,可观察到锌片上有气泡;装置乙为铜锌原电池,锌片、铜片和硫酸形成的原电池中,铜片为原电池正极,该极上氢离子得电子生成氢气,电极反应为2H++2e-===H2↑,故装置乙的铜片上也可观察到有气泡产生,锌片为原电池负极,锌失电子,负极上的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,电子由负极经导线流向正极,整个电路形成回路,产生电流,化学能转变为电能,锌、铜之间用导线连接电流计,可观察到电流计指针发生偏转。故A、C、D正确。甲装置不是原电池,能量变化不是化学能转化为电能,没有产生电流,而乙装置是原电池,原电池中的能量变化为化学能转化为电能,B不正确。
2.(2017·浙江4月选考,T17)银锌电池是一种常见化学电源,其反应原理:Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。其工作示意图如下。下列说法不正确的是( )
A.Zn电极是负极
B.Ag2O电极发生还原反应
C.Zn电极的电极反应式:Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2
D.放电前后电解质溶液的pH保持不变
解析:选D。由银锌电池的反应原理:Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag知,Zn的化合价升高,被氧化,作负极,其电极反应式为Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2。因总反应消耗H2O,使得OH-的浓度增大,所以放电前后电解质溶液的pH增大。
题组二 电极反应式的考查
3.MgAgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是( )
A.负极反应式为Mg-2e-===Mg2+
B.正极反应式为Ag++e-===Ag
C.电池放电时Cl-由正极向负极迁移
D.负极会发生副反应 Mg+2H2O===Mg(OH)2+H2↑
解析:选B。该电池中Mg作负极,失去电子发生氧化反应,生成Mg2+,A项正确;正极反应为AgCl+e-===Ag+Cl-,B项错误;电池放电时,Cl-从正极向负极移动,C项正确;在负极,Mg会发生副反应Mg+2H2O===Mg(OH)2+H2↑,D项正确。
4.(2018·浙江4月选考,T17)锂(Li)空气电池的工作原理如图所示。
下列说法不正确的是( )
A.金属锂作负极,发生氧化反应
B.Li+通过有机电解质向水溶液处移动
C.正极的电极反应:O2+4e-===2O2-
D.电池总反应:4Li+O2+2H2O===4LiOH
答案:C
介质对电极反应式书写的影响
(1)中性溶液中,反应物若是H+得电子或OH-失电子,则H+或OH-均来自水的电离。
(2)酸性溶液中,反应物或生成物中均没有OH-。
(3)碱性溶液中,反应物或生成物中均没有H+。
(4)水溶液中不能出现O2-。
化学电源[学生用书P44]
新型电池是对电化学原理的综合考查,在新高考中依托新型电池考查的电化学原理知识有以下几点。
1.判断电极
(1)放电时正、负极的判断
①负极:元素化合价升高或发生氧化反应的物质;
②正极:元素化合价降低或发生还原反应的物质。
(2)充电时阴、阳极的判断
①阴极:放电时的负极在充电时为阴极;
②阳极:放电时的正极在充电时为阳极。
2.微粒流向
(1)电子流向
①电解池:电源负极―→阴极,阳极―→电源正极;
②原电池:负极―→正极。
提示:无论是电解池还是原电池电子均不能流经电解质溶液。
(2)离子流向
①电解池:阳离子移向阴极,阴离子移向阳极;
②原电池:阳离子移向正极,阴离子移向负极。
3.书写电极反应式
(1)放电时电极反应式的书写
①依据条件,指出参与负极和正极反应的物质,根据化合价的变化,判断转移电子的数目;
②根据守恒书写负极(或正极)反应式,特别应注意电极产物是否与电解质溶液共存。
(2)充电时电极反应式的书写
充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反,充电时的阳极反应为放电时正极反应的逆过程,充电时的阴极反应为放电时负极反应的逆过程。
1.(2019·浙江4月选考,T12)化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。
下列说法不正确的是( )
A.甲:Zn2+向Cu电极方向移动,Cu电极附近溶液中H+浓度增加
B.乙:正极的电极反应式为Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-
C.丙:锌筒做负极,发生氧化反应,锌筒会变薄
D.丁:使用一段时间后,电解质溶液的酸性减弱,导电能力下降
答案:A
2.(2017·浙江11月选考,T17)金属(M)空气电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.金属M做电池负极
B.电解质是熔融的MO
C.正极的电极反应O2+4e-+2H2O===4OH-
D.电池反应2M+O2+2H2O===2M(OH)2
解析:选B。由原电池中阴离子移向负极,阳离子移向正极,结合题图可知金属M做电池负极,电解质溶液是碱性溶液,负极的电极反应为M-2e-===M2+,正极的电极反应为O2+4e-+2H2O===4OH-,电池总反应为2M+O2+2H2O===2M(OH)2。
3.(2018·浙江11月选考,T17)最近,科学家研发了“全氢电池”,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.右边吸附层中发生了还原反应
B.负极的电极反应是H2-2e-+2OH-===2H2O
C.电池的总反应是2H2+O2===2H2O
D.电解质溶液中Na+向右移动,ClO向左移动
解析:选C。观察“全氢电池”的工作原理图示可知,将氢气送到燃料电池的负极,经过催化剂的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,左边吸附层是H2进入的一极,属于负极,发生氧化反应,则右边吸附层为正极,发生还原反应,A选项正确;H2进入的一极是负极,由于是在NaOH溶液的环境中,所以负极的电极反应是H2-2e-+2OH-===2H2O,B选项正确;电子经外电路,由燃料电池的负极到达正极,与氢离子(质子)结合为H2,所以不存在2H2+O2 ===2H2O,电池的总反应是HClO4+NaOH===NaClO4+H2O(H2在反应前后被消去),C
选项不正确;在原电池中,由于右侧消耗氢离子(质子),左侧产生氢离子(质子),为了平衡电荷,电解质溶液中Na+向右移动,ClO向左移动,D选项正确。
书写电极反应式时的三个原则
(1)共存原则:因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同,所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。碱性溶液中CO2不可能存在,也不可能有H+参加反应;当电解质溶液呈酸性时,不可能有OH-参加反应。
(2)得氧失氧原则:得氧时,在反应物中加H2O(电解质为酸性时)或OH-(电解质为碱性或中性时);失氧时,在反应物中加H2O(电解质为碱性或中性时)或H+(电解质为酸性时)。
(3)中性吸氧反应成碱原则:在中性电解质溶液中,通过金属吸氧所建立起来的原电池反应,其反应的最后产物是碱。
电解原理及其应用 金属的腐蚀与防护[学生用书P44]
1.电解池
(1)以用惰性电极电解CuCl2溶液为例:
总反应方程式:CuCl2Cu+Cl2↑。
(2)电解池中电子和离子的移动
注意:电子只在导线中移动,不可流经溶液。
2.牢记电解池的电极反应及其放电顺序
(1)阳离子在阴极上的放电顺序:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>……
(2)阴离子在阳极上的放电顺序:S2->I->Br->Cl->OH->……
3.判断电解池阴、阳极的“四方法”
(1)根据所连接的外加电源判断,与直流电源正极相连的为阳极,与直流电源负极相连的为阴极。
(2)根据电子流动方向判断,电子流动方向:由电源负极流向阴极,由阳极流向电源正极。
(3)根据电解池里电解质溶液中离子的移动方向判断,阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动。
(4)根据电解池两极上的现象判断,一般情况下:
①阴极上的现象:析出金属(质量增加)或有无色气体(H2)放出;
②阳极上的现象:有非金属单质生成,呈气态的有Cl2、O2或电极质量减小(活性电极作阳极)。
4.掌握电解的四大类型及规律
类型
电极反应特点
实例
电解物质
电解液浓度
pH
电解液复原
电解水型
阴极:4H++4e-===2H2↑
阳极:4OH--4e-===2H2O+O2↑
NaOH
H2O
增大
增大
加H2O
H2SO4
减小
Na2SO4
不变
电解电解质型
电解质的阴、阳离子
HCl
电解质
减小
增大
通HCl气体
分别在两极放电
CuCl2
加CuCl2
放H2生碱型
阴极:H2O放H2生成碱
阳极:电解质阴离子放电
NaCl
电解质和水
生成新电解质
增大
通HCl气体
放O2生酸型
阴极:电解质阳离子放电
阳极:H2O放O2生成酸
CuSO4
减小
加CuO或CuCO3
5.金属的腐蚀与防护
(1)两种防护方法
①加防护层
(2)金属腐蚀的快慢规律
电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>一般化学腐蚀>有防腐措施的腐蚀。
(3)防腐措施效果比较
外加电流的阴极保护法>牺牲阳极的阴极保护法>有一般防腐条件的防护>未采取任何防护措施。
题组一 电解原理及其应用
1.[2018·浙江4月选考,T30(一)]以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]水溶液为原料,通过电解法可以制备四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH],装置如图所示。
(1)收集到(CH3)4NOH的区域是______(填a、b、c或d)。
(2)写出电池总反应:__________________________________________________。
答案:(1)d
(2)2(CH3)4NCl+2H2O2(CH3)4NOH+H2↑+Cl2↑
2.[2017·浙江11月选考,T30(二)]科学家发现,以H2O和N2为原料,熔融NaOHKOH为电解质,纳米Fe2O3作催化剂,在250 ℃和常压下可实现电化学合成氨。阴极区发生的变化可视为按两步进行,请补充完整。
电极反应式:____________________________________和2Fe+3H2O+N2===2NH3+Fe2O3。
答案:Fe2O3+3H2O+6e-===2Fe+6OH-
3.[2019·浙江4月选考,T30(4)]以铂阳极和石墨阴极设计电解池,通过电解NH4HSO4溶液产生(NH4)2S2O8,再与水反应得到H2O2,其中生成的NH4HSO4可以循环使用。
(1)阳极的电极反应式是_______________________________________________。
(2)制备H2O2的总反应方程式是_________________________________。
答案:(1)2HSO-2e-===S2O+2H+或2SO-2e-===S2O (2)2H2OH2O2+H2↑
4.
[2018·浙江11月选考,T30(二)]高铁酸钾(K2FeO4)可用作水处理剂。某同学通过“化学—电解法”探究K2FeO4的合成,其原理如图所示。接通电源,调节电压,将一定量Cl2通入KOH溶液,然后滴入含Fe3+的溶液,控制温度,可制得K2FeO4。
(1)请写出“化学法”得到FeO的离子方程式:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)请写出阳极的电极反应式(含FeO):
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:(1)依据氧化还原原理,氯气与氢氧化钾反应生成次氯酸根离子,可以氧化三价铁离子生成高铁酸根:2Fe3++3ClO-+10OH-===2FeO+3Cl-+5H2O或2Fe(OH)3+3ClO-+4OH-===2FeO+3Cl-+5H2O。
(2)根据电解法制备,三价铁离子失去电子生成高铁酸根,电极反应式为Fe3+-3e-+8OH-===FeO+4H2O或Fe(OH)3-3e-+5OH-===FeO+4H2O。
答案:(1)2Fe3++3ClO-+10OH-===2FeO+3Cl-+5H2O[或2Fe(OH)3+3ClO-+4OH-===2FeO+3Cl-+5H2O]
(2)Fe3++8OH--3e-===FeO+4H2O
[或Fe(OH)3+5OH--3e-===FeO+4H2O]
书写电解池电极方程式的常见失分点
(1)阴极不管是什么材料,电极本身都不反应,一定是溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电。
(2)要确保两极电子转移数目相同,且总反应式注明条件“电解”。
(3)电解水溶液时,应注意放电顺序中H+、OH-之后的离子一般不参与放电。
题组二 金属的腐蚀与防护
5.(2019·舟山高三选考模拟)钼酸钠和月桂酰肌氨酸的混合液常作为碳素钢的缓蚀剂。常温下,碳素钢在三种不同介质中的腐蚀速率实验结果如图所示。下列说法不正确的是( )
A.盐酸的浓度越大,腐蚀速率越快
B.钼酸钠和月桂酰肌氨酸的浓度相等时,腐蚀速率最小
C.碳素钢的腐蚀速率不随硫酸的浓度增大而增大,说明反应速率不与c(H+)成正比
D.对比盐酸和硫酸两条曲线,可知Cl-也会影响碳素钢的腐蚀速率
解析:选C。由酸的浓度对腐蚀速率的影响图可知,盐酸的浓度越大,腐蚀速率越快,A项正确;由图可知,曲线的最低点腐蚀速率最小,则钼酸钠和月桂酰肌氨酸的浓度相等时,腐蚀速率最小,B项正确;浓硫酸有强氧化性,能使金属表面形成致密的氧化膜保护层,则硫酸浓度较大时,不能说明腐蚀速率与氢离子浓度的关系,C项错误;碳素钢在盐酸和硫酸中的腐蚀速率随酸浓度的变化有明显差异,可知Cl-有利于碳素钢的腐蚀,SO不利于碳素钢的腐蚀,D项正确。