化学电源电解培优学案12.docx
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化学电源电解培优学案12
第四章电化学基础
第一节原电池
一、原电池
★【引申拓展】
1、原电池中电子流动方向和外电路电流方向；
2、原电池中，电极材料可能与电解质溶液反应，也可能与电解质溶液不反应。
3、不要形成“活泼金属做负极”的思维定式，如下图中甲池中Mg作负极：
Al作正极；而
乙池中由于Mg不与强碱反应而Al和NaOH溶液的反应能自发进行，所以Al作负极。
★盐桥
盐桥的作用：
使两个半电池中的溶液连成一个通路，盐桥中通过的是阴、阳离子。
盐桥的优点：
使原电池中氧化剂和还原剂几乎完全隔离，并在不同区域之间实现了电子的定向移动，使原电池能持续、稳定地产生电流。
【高考链接】
1、（2013.全国新课标Ⅰ高考）银质器皿日久表面会逐渐变黑，这是生成了Ag2S的缘故。
根据电化学原理可进行如下处理：
在铝质容器中加入食盐溶液，再讲变黑的银器浸入该溶液中，一段时间后发现黑色会褪去，下列说法正确的是：
A．处理过程中银器一直保持恒重
B．银器为正极，Ag2S被还原生成单质银
C．该过程中总反应为：
2Al+3Ag2S=====6Ag+Al2S3
D．黑色褪去的原因是黑色Ag2S转化为白色的AgCl
2、100ml2mol/L的盐酸跟过量的锌片反应，既能加快反应速率，又不影响生成氢气的总量，可采用的方法是
A．加入适量的6mol/L的盐酸B．加入数滴氯化铜溶液
C．加入适量蒸馏水D．加入适量的氯化钠溶液
3、控制合适的条件，将反应2Fe3++2Iˉ2Fe2++I2设计成如图所示的原电池，下列判断不正确的是
A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应
B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3+被还原
C．灵敏电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态
D．灵敏电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
二、化学电源
1、一次电池
（2）银锌电池
（3）锂电池
【高考链接】
2、二次电池
（1）铅蓄电池
放电：
负极（铅）：
Pb＋
－2e＝PbSO4↓
正极（氧化铅）：
PbO2＋4H+＋
＋2e＝PbSO4↓＋2H2O
充电：
阴极：
PbSO4＋2H2O－2e＝PbO2＋4H+＋
阳极：
PbSO4＋2e＝Pb＋
两式可以写成一个可逆反应：
PbO2＋Pb＋2H2SO42PbSO4↓＋2H2O
（2）银锌蓄电池
构成：
该电池以Ag2O、锌汞合金作电极材料，KOH作电解质，其电极反应为：
负极：
Zn＋2OH－—2e=====Zn（OH）2
正极：
Ag2O＋H2O＋2e====2Ag＋2OH－
充电过程表示为：
阴极：
Zn（OH）2＋2e====Zn＋2OH－
阳极：
2Ag＋2OH－—2e=====Ag2O＋H2O
总反应为：
Zn＋Ag2O＋H2OZn（OH）2＋2Ag
（3）镉镍电池
负极材料：
Cd
正极材料：
NiOOH
电解质：
KOH
制得0.05molCl2时，在理论上电池内部消耗的H2SO4的物质的量是
（4）燃料电池
【规律方法】
1、电极反应式的书写规律：
①一般而言，燃料作还原剂，O2作氧化剂，氧化剂在正极得到电子，还原剂在负极失去电子。
②书写电极反应是应充分注意电解质溶液的影响
★中性溶液反应物中无H+和OH－
★酸性溶液反应物、生成物中均无OH－
★碱性溶液反应物、生成物中均无H+
★水溶液中不可能出现O2ˉ
★电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3和Na2CO3熔融盐混和物）
在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子可结合CO2生成CO32-离子，则其正极反应式为O2＋2CO2+4e-=2CO32-。
★电解质为固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇）
该固体电解质在高温下可允许O2-离子在其间通过，故其正极反应式应为O2＋4e-=2O2-。
2、燃料电池电极反应式的书写
★正极反应：
燃料电池的正极是氧化剂，发生还原反应：
通常是：
O2+4e+2H2O====4OHˉ（碱性）；O2+4e+4H+====2H2O（酸性）
★负极反应：
通常有两种方法（思路）
方法一：
守恒分析法
首先确定还原剂、氧化产物及失去的电子数，然后依据介质（H+或OH－）来使电荷和原子个数守恒。
如以甲烷燃料电池（NaOH作电解质溶液）为例：
①CH4是还原剂，CO2是还原产物，C元素化合价升高8价，失去8个电子，但CO2在碱性溶液中是以CO32ˉ形式存在的。
②平衡电荷：
左边失去8个电子，产物中CO32ˉ带2个负电荷，故应在右边加上10个负电荷，即CH4－—8e+10OHˉCO32ˉ
③将H、O原子数配平得：
CH4－—8e+10OHˉ====CO32ˉ+7H2O
若为酸性电解质，则书写步骤为：
①CH4是还原剂，CO2是还原产物，C元素化合价升高8价，失去8个电子，
②平衡电荷：
左边失去8个电子，不可能加OHˉ，应在右边加H+
即：
CH4－—8eCO2+8H+
③左边加H2O并配平得：
CH4－—8e+2H2OCO2+8H+
方法二：
反应式相减法
用电池总反应减去正极的电极反应式可得出负极的电极反应式。
如以碱性电解质为例的甲烷燃料电池：
总反应为：
CH4+2O2+2OHˉ=====CO32ˉ+3H2O
【随堂巩固】
1、写出下列燃料电池的电极反应式。
（1）以甲醇为燃料，KOH为电解质溶液；
（2）氢氧燃料电池以H2SO4作电解质溶液：
（3）氢氧燃料电池以KOH作电解质溶液：
（4）氢氧燃料电池以Na2SO4作电解质溶液：
【补充知识】
①肼（N2H4）燃料电池（KOH）
正极反应：
O2+4e+2H2O====4OHˉ
负极反应：
N2H4+4OHˉ-4e=====N2+4H2O
例题：
一种用甲醇、氧气和强碱溶液制成的手机电池，可连续使用一个月，其电池反应为：
2CH3OH+3O2+4OHˉ2CO32-+6H2O，则下列有关说法正确的是
A．放电时，CH3OH参与反应的电极为正极
B．放电时，负极的电极反应为：
CH3OH+8OHˉ-6e====CO32-+6H2O
C．标准状况下，通入5.6LO2并完全反应后，有0.5mol电子转移
D．放电一段时间后，通入氧气的电极附近的pH降低
三、电解池
1、电极产物的判断
（1）阳极产物的判断：
总的原则是：
还原性强先放电。
①如果是惰性电极（如Pt、石墨等），应根据溶液中阴离子的失电子顺序加以判断，常见的阴离子放电顺序为：
S2->I->Br->Cl->OH-（H2O）>NO3->SO42-（含氧酸根离子）>F-
【注意】
在溶液中含氧酸根不放电，常指的是最高价含氧酸根不放电，但非最高价含氧酸根的放电能力比OH-要强，如（SO32-/MnO4->OH-）
②如果是活性电极，则电极本身失去电子，电极溶解，溶液中的阴离子不能失去电子。
即：
活性阳极（金属）＞无氧酸根离子＞OH-＞含氧酸根离子＞F-
（2）阴极产物的判断：
原则是氧化性强的先放电
与电极材料无关，直接根据溶液中阳离子的放电（得电子）顺序进行判断，阳离子的放电顺序为：
Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+（浓度大由酸电离）>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+（浓度较小时，由水电离提供）＞Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+
即在水溶液中，活泼金属的阳离子（K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+等）不可能放电析出金属。
【注意】电解池的阴极不管是惰性电极还是活性电极，都是溶液（或熔融电解质）中的阳离子放电，电解本身不可能溶解，也就是说，再活泼的金属都不可能在阴极放电。
★电极（惰性电极）产物的判断可简单记忆为：
阳极：
无氧酸根＞OH＞含氧酸根
阴极：
不活泼金属阳离子＞H+＞活泼金属阳离子
2、电解质溶液的电解规律（惰性电极）
类型
电极反应特点
实例
电解对象
电解质浓度
pH
电解质溶液复原
分解电解质型
电解质电离出的阴阳离子分别在两极放电
HCl
电解质
减小
增大
HCl
CuCl2
---
CuCl2
放H2生成碱型
阴极：
水放H2生碱
阳极：
电解质阴离子放电
NaCl
电解质和水
生成新电解质
增大
HCl
放氧生酸型
阴极：
电解质阳离子放电
阳极：
水放O2生酸
CuSO4
电解质和水
生成新电解质
减小
氧化铜
电解水型
阴极：
4H++4e-==2H2↑
阳极：
4OH--4e-=O2↑+2H2O
NaOH
水
增大
增大
水
H2SO4
减小
Na2SO4
不变
3、电解原理的应用
（1）电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气-------氯碱工业：
（2）电镀
阳极：
镀层金属，失去电子，成为离子进入溶液M—ne—==Mn+
阴极：
待镀金属（镀件）：
溶液中的金属离子得到电子，成为金属原子，附着在金属表面
Mn++ne—==M
电解质溶液：
含有镀层金属离子的溶液做电镀液
镀铜反应原理
阳极（纯铜）：
Cu-2e-=Cu2+，阴极（镀件）：
Cu2++2e-=Cu，
电解液：
可溶性铜盐溶液，如CuSO4溶液
【易错点津】
①电镀时，放电能力不仅与本身性质有关，还与离子浓度、pH等有关，当c（Zn2+）较大时，Zn2+放电能力大于H+。
所以在电镀的条件下，H+的位置放在Zn2+后，可以认为是水电离产生的c（H+）很小的缘故。
②金属阳离子浓度很大时：
Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+
（3）铜的精炼
阳极：
粗铜；阴极：
纯铜电解质溶液：
硫酸铜
（4）电冶金使矿石中的金属阳离子获得电子，从它们的化合物中还原出来用于冶炼活泼金属，如电解熔融的NaCl制取钠、电解熔融的氧化铝制取铝。
四、金属的电化学腐蚀与防护
1、电化学腐蚀
（1）析氢腐蚀（酸性氛围中）：
正极析出氢气。
如钢铁的析氢腐蚀。
原因是表面溶解有酸性气体等形成酸性水膜。
（2）吸氧腐蚀：
表面形成了溶解有氧气的水膜。
2、金属的电化学防护
（1）改变金属内部结构
（2）表面覆盖保护层
（3）电化学保护法
①牺牲阳极的阴极保护法：
原电池
②外加电流的阴极保护法：
电解池
【规律方法】金属腐蚀快慢的比较
（1）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
（2）对同一种金属来说，在不同介质中腐蚀的快慢顺序为：
强电解质＞弱电解质＞非电解质。
（3）在活动性不同的两种金属构成的原电池中，活动性差别越大，腐蚀越快。
（4）对同一中电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，金属腐蚀越快。
（5）由于金属表面一般不会遇到酸性较强的溶液，故吸氧腐蚀是金属腐蚀的主要形式，另外，只有在金属活动性顺序中位于氢前面的金属才可能发生析氢腐蚀，而位于氢之后的金属只能发生吸氧腐蚀。
【单元巩固】
一、选择题
1、高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压，高铁电池的总反应为：
3Zn＋2K2FeO4＋8H2O
3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4KOH。
下列叙述不正确的是（ ）
A．放电时锌作负极
B．充电时氢氧化铁被氧化
C．放电时溶液的碱性增强
D．充电时转移3mole－，有2molFeO42－被还原
2、被称为“软电池”的纸质电池，采用一个薄层纸片（在其一边镀锌，在其另一边镀二氧化锰）作为传导体。
在纸内的离子“流过”水和氧化锌组成的电解液。
电池总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnO（OH）
下列说法正确的是（ ）
A．该电池的正极为锌
B．该电池反应中二氧化锰起催化剂作用
C．当0.1molZn完全溶解时，流经电解液的电子个数为1.204×1023
D．电池正极反应式为MnO2＋e－＋H2O===MnO（OH）＋OH－
3、（2011·广东理综）某小组为研究电化学原理，设计如图装置。
下列叙述不正确的是（ ）
A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出
B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为：
Cu2＋＋2e－===Cu
C．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色
D．a和b分别连接直流电源正、负极，电压足够大时，Cu2＋向铜电极移动
4、乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，电池总反应为：
C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O，下列说法错误的是（ ）
A．电池工作时，质子向电池的正极迁移
B．电池工作时，电流由b极沿导线流向a极
C．a为负极，电极反应式是C2H5OH＋3H2O＋12e－===2CO2＋12H＋
D．b为正极，电极反应式是4H＋＋O2＋4e－===2H2O
5、钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为：
2Fe＋2H2O＋O2===2Fe（OH）2。
以下说法正确的是（ ）
A．负极发生的反应为：
Fe－2e－===Fe2＋
B．正极发生的反应为：
2H2O＋O2＋2e－===4OH－
C．原电池是将电能转变为化学能的装置
D．钢柱在水下部分比在水面处更容易腐蚀
6、现将氯化铝溶液蒸干灼烧并熔融后用铂电极进行电解，下列有关电极产物的判断正确的是（ ）
A．阴极产物是氢气B．阳极产物是氧气
C．阴极产物是铝和氧气D．阳极产物只有氯气
7、串联电路中的四个电解池分别装有0.1mol·L－1的下列溶液，用铂电极电解，连接直流电源一段时间后，溶液的pH变小的是（ ）
A．盐酸B．NaClC．AgNO3D．KNO3
8、右图装置中，U形管内为红墨水，a、b试管内分别盛有食盐水和氯化铵溶液（呈酸性），各加入生铁块，放置一段时间。
下列有关描述错误的是（ ）
A．生铁块中的碳是原电池的正极
B．红墨水柱两边的液面变为左低右高
C．两试管中相同的电极反应式是：
Fe－2e－===Fe2＋
D．a试管中发生了吸氧腐蚀，b试管中发生了析氢腐蚀
9、
10、某同学组装了如图所示的电化学装置，电极Ⅰ为Zn，其它电极均为Cu。
下列说法正确的是
A．极Ⅰ发生氧化反应
B．相同时间内，电极Ⅱ与电极Ⅳ的质量变化相同
C．电极Ⅲ的电极反应为：
4OH－－4eˉ====O2+2H2O
D．电流方向：
电极Ⅳ电流计电极Ⅰ
二、非选择题
11、右图中是电解氯化钠溶液（含酚酞）的装置。
有毒气体收集的装置省略没有画出，两电极均是惰性电极。
（1）a电极的名称___________________________________________。
（2）电解过程中观察到的现象_________________________________。
（3）确定N出口的气体最简单的方法是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）电解的总反应离子方程式为_______________________________________________。
（5）若将b电极换成铁作电极，写出在电解过程中U形管底部出现的现象________________________________________________________________________。
12、钒（V）及其化合物广泛应用于工业催化、新材料和新能源等领域。
全钒液流储能电池是利用不同价态离子对发生的氧化还原反应来实现化学能和电能相互转化的装置，其原理如图所示。
（1）当左槽溶液颜色逐渐由黄变蓝，其电极反应式为______________________。
（2）充电过程中，右槽溶液颜色逐渐由____________色变为____________色。
（3）放电过程中氢离子的作用是________________和____________；充电时若转移的电子数为3.01×1023，左槽溶液中n（H＋）的变化量为____________。
13、熔融碳酸盐燃料电池（MCFS），发明于1889年。
现有一个碳酸盐燃料电池，以一定比例Li2CO3和Na2CO3低熔混合物为电解质，操作温度为650℃，在此温度下以镍为催化剂，以煤气（CO、H2的体积比为1∶1）直接作燃料，其工作原理如图所示。
请回答下列问题：
（1）B极为____________极，发生____________（填“氧化”或“还原”）反应。
（2）电池总反应为_____________________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）以此电源电解足量的CuSO4溶液，阳极产生气体0.56L（已换算为标准状况），则阴极产物的质量为____________g。
电解后溶液体积为1L，溶液的pH约为____________。
（4）电池中的电解质碳酸钠形成的水溶液体系不能用带玻璃塞的试剂瓶保存，其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________（用离子方程式表示）。
答案
1、【解析】由电池反应知，Zn从0价变为＋2价，失去电子，Zn作原电池的负极，A项正确；充电时，Fe（OH）3中的＋3价的铁被氧化为K2FeO4中的＋6价的铁，B项正确；放电时，生成OH－，对应的溶液碱性增强，C项正确；放电时，此反应转移6mole－，对应有2molFeO42－被还原，D项错误。
答案：
D
2、【解析】：
该电池的负极反应式为Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2O，故A错误；用电池总反应式减去负极反应式可得正极反应式：
2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnO（OH）＋2OH－，故B错误，D正确；电子不能流经电解液，只能在外电路中流动，C错误。
答案：
D
3、【解析】：
本题考查电化学，意在考查考生对原电池、电解池的电板反应、现象和电极反应式的书写等的掌握情况。
a、b不连接，未形成原电池，Cu2＋与Fe在接触面上直接反应，A项正确；a、b用导线连接，铜片作正极，Cu2＋在该电极上得电子，B项正确；a、b连接与否，溶液中的Cu2＋均得电子发生还原反应生成Cu，Fe均失电子发生氧化反应生成Fe2＋，故溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色，C项正确；a与电源正极相连时，Cu片作阳极，Cu2＋向Fe电极移动，D项错误。
答案：
D
4、【解析】：
本题以燃料电池为依托考查电化学原理。
负极上发生的是氧化反应，乙醇应失电子，所以C错误。
答案：
C
5、【解析】：
从电池反应式可知，Fe失电子转变成Fe2＋，Fe为负极，A项对；正极反应式为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，B项错；原电池是将化学能转化为电能的装置，C项错；水面的O2浓度较水下浓度高，水面处的金属更易被腐蚀，D项错。
答案A
6、【解析】：
将AlCl3溶液蒸干得Al（OH）3，灼烧时Al（OH）3分解生成Al2O3，电解熔融Al2O3时，阳极反应为6O2－－12e－===3O2↑，阴极反应为4Al3＋＋12e－===4Al，总反应式为2Al2O3（熔融）
4Al＋3O2↑。
答案：
B
7、【解析】：
对于电解盐酸溶液，相当于电解HCl，盐酸溶液浓度降低，H＋浓度降低，pH增大。
电解NaCl溶液时H＋在阴极上放电，阴极附近OH－浓度增大；阳极上Cl－放电，阳极区域H＋、OH－浓度基本不变，因而电解后整个溶液pH会变大。
电解AgNO3溶液时，阴极Ag＋放电；阳极是OH－放电，阳极区域H＋浓度变大，溶液pH会显著变小（相当于生成稀HNO3）。
电解KNO3的实质是电解水，pH不变。
答案：
C
8、【解析】：
a、b中生铁发生电化学腐蚀，碳作正极，铁作负极；a中NaCl溶液呈中性，发生吸氧腐蚀，O2被消耗，试管内气体压强降低，b试管中盛装NH4Cl溶液，酸性较强，发生析氢腐蚀，产生H2，试管内气体压强增大，故红墨水柱两边的液面应左高右低。
答案：
B
9、B
10、答案D
二、非选择题
11、【解析】：
根据电子的流向，可以判断a极的名称，a极连接的是直流电源电子流出的一极，为负极，因此，a极是电解池的阴极；那么b极为阳极，产物为Cl2，检验Cl2的方法是用湿润的淀粉碘化钾试纸；当将b极改为铁电极时，铁失去电子变成阳离子进入溶液，与阴极产生的OH－结合生成Fe（OH）2沉淀，然后沉淀转化为Fe（OH）3。
答案：
（1）阴极
（2）两极均有气泡产生；a极区溶液变成红色；b极液面上气体变为黄绿色；b极区溶液变为浅黄绿色
（3）用湿润的淀粉碘化钾试纸检验，若变蓝，则是Cl2
（4）2Cl－＋2H2O
Cl2↑＋H2↑＋2OH－
（5）底部有白色沉淀产生，很快变为灰绿色，最终变为红褐色
12、【解析】：
本题考查以钒为材料的化学原理题，涉及化学反应速率和电化学知识。
（1）解题关键是根据溶液中颜色变化，确定元素化合价变化，进而推断该装置是原电池还是电解池。
由图示知，电源或负载的正、负极已确定。
原电池的正极发生还原反应，左槽中，黄变蓝即为VO2＋生成VO2＋，V的化合价从＋5降低为＋4，得一个电子，O原子减少。
从图中知，其中H＋发生了移动，参与反应，由此写出电极反应式VO2＋＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O。
（2）作为原电池，左槽得电子（正极），而右槽失电子（负极）。
充电作为电解池处理，由右槽中V3＋得电子（阴极），对应化合价降低，即为V3＋生成V2＋，颜色由绿变为紫。
（3）由电极反应式知，H＋参与了反应。
溶液中离子的定向移动可形成电流。
n＝N/NA＝3.01×1023/6.02×1023＝0.5（mol），充电时，转移电子为0.5mol时，左室发生氧化反应：
VO2＋＋H2O－e－===VO2＋＋2H＋，右室发生还原反应：
V3＋＋e－===V2＋，由于SO42－不能迁移，这样右室的负电荷多了0.5mol，由电荷守恒知，需要左室迁移0.5molH＋进入右室。
左槽中H＋物质的量变化量为0.5mol。
答案：
（1）VO2＋＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O
（2）绿 紫
（3）参与正极反应 通过交换膜定向移动，使电流通过溶液 0.5mol
13、【解析】：
（2）由图可知产物为CO2、H2O，且CO、H2的体积比为1∶1，即可写出方程式；（3）阳极4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，产生0.025mol的O2，则消耗0.1molOH－、失0.1mol电子，生成H＋为0.1mol，所以阴极得0.1mol电子，依Cu2＋＋2e－===Cu可知生成0.05molCu；（4）碳酸钠水解呈碱性，能腐蚀玻璃，使塞与瓶粘在一起。
答案：
（1）正 还原
（2）CO＋H2＋O2===CO2＋H2O
（3）3.2
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