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版高考化学二轮复习第三编化学反应原理专题十电化学学案

专题十 电化学

[考试标准]

知识条目

必考要求

加试要求

1.化学能与电能的转化

①原电池的概念

②铜—锌原电池的原理及电极反应式

③原电池的构成条件

④常见化学电源

⑤电解池的概念

⑥电解CuCl2溶液的原理及电极反应式

⑦电解池的构成条件

⑧原电池、电解池的判断

a

b

a

b

a

b

b

c

b

b

b

c

2.化学能与电能的转化

①原电池的构造与工作原理,盐桥的作用

②判断与设计简单的原电池

③原电池的电极反应式及电池反应方程式

④原电池的正、负极和电子流向的判断

⑤电解池的构造与工作原理

⑥电解池的电极反应式与电解反应方程式

⑦金属冶炼、氯碱工业、电镀在生产生活中的应用

⑧银锌电池、铅蓄电池、燃料电池的工作原理与应用价值

b

c

b

c

b

b

b

b

3.金属的腐蚀与防护

①金属腐蚀的危害

②金属发生电化学腐蚀的基本原理

③金属的防护

a

c

b

考点一 原电池、化学电源

1.原电池的工作原理

(1)概念和反应本质

原电池是把化学能转化为电能的装置,其反应本质是氧化还原反应。

(2)工作原理

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

电子流向

由Zn片沿导线流向Cu片

②原理归纳

(3)原电池的构成条件

①一看反应:

看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。

②二看两电极:

一般是活泼性不同的两电极。

③三看是否形成闭合回路,形成闭合回路需三个条件:

a.电解质溶液;

b.两电极直接或间接接触;

c.两电极插入电解质溶液中。

(4)盐桥原电池(加试)

①构造

②盐桥的组成和作用

a.盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼脂制成的胶冻。

b.盐桥的作用:

连接内电路,形成闭合回路;平衡电荷,使原电池不断产生电流。

c.盐桥含饱和KCl溶液,K+移向正极,Cl-移向负极。

③单池原电池和盐桥原电池的对比

图1和图2两装置的相同点:

正负极、电极反应、总反应、反应现象。

负极:

Zn-2e-===Zn2+

正极:

Cu2++2e-===Cu

总反应:

Zn+Cu2+===Cu+Zn2+

不同点:

图1中Zn在CuSO4溶液中直接接触Cu2+,会有一部分Zn与Cu2+直接反应,该装置中既有化学能转化成了电能,又有一部分化学能转化成了热能,装置的温度会升高。

图2中Zn和CuSO4溶液分别在两个池子中,Zn与Cu2+不直接接触,不存在Zn与Cu2+直接反应的过程,所以仅是化学能转化成了电能,电流稳定,且持续时间长。

关键点:

盐桥原电池中,还原剂在负极区,而氧化剂在正极区。

2.常见化学电源

(1)碱性锌锰电池——一次电池

电池组成:

锌、碳棒、二氧化锰、氯化锌、氯化铵

特点:

用途广泛

正极反应:

2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-;

负极反应:

Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;

总反应:

Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2。

(2)银锌钮扣电池——一次电池

电池组成:

锌、氧化银、氢氧化钾溶液

特点:

放电平稳,电流大

负极反应:

Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;

正极反应:

Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-;

总反应:

Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。

(3)铅蓄电池——二次电池

电池组成:

铅、二氧化铅、硫酸

特点:

广泛用于机动车辆

铅蓄电池是最常见的二次电池,负极材料是Pb,正极材料是PbO2。

①放电时的反应

a.负极反应:

Pb+SO

-2e-===PbSO4;

b.正极反应:

PbO2+4H++SO

+2e-===PbSO4+2H2O。

②充电时的反应

a.阴极反应:

PbSO4+2e-===Pb+SO

b.阳极反应:

PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO

总反应:

PbO2+Pb+2H2SO4

2PbSO4+2H2O。

(4)镍氢电池——二次电池

电池组成:

贮氢合金、泡沫氧化镍、氢氧化钾溶液

特点:

寿命长、性能好、比能量高

①放电时的反应

负极反应:

MH-e-+OH-===M+H2O;

正极反应:

NiO(OH)+e-+H2O===Ni(OH)2+OH-。

②充电时的反应

阴极反应:

M+H2O+e-===MH+OH-;

阳极反应:

Ni(OH)2+OH--e-===NiO(OH)+H2O;

总反应:

NiO(OH)+MH

Ni(OH)2+M。

说明 可逆电池的充、放电不能理解为可逆反应。

(5)氢氧燃料电池

电池组成:

铂碳/氢气、铂碳/氧气、氢氧化钾溶液(或H2SO4溶液)

特点:

用于航天飞机、牵引车等。

氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,可分酸性和碱性两种。

种类

酸性

碱性

负极反应式

2H2-4e-===4H+

2H2+4OH--4e-===4H2O

正极反应式

O2+4e-+4H+===2H2O

O2+2H2O+4e-===4OH-

电池总反应式

2H2+O2===2H2O

题组一 原电池的构成及工作原理

1.下面装置中,能构成原电池的是________(填序号)。

答案 ②④⑥⑦⑨

2.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:

Cu2++2e-===Cu

C.无论a和b是否连接,铁片均会溶解,溶液均由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

答案 D

解析 A项,a、b不连接,铁与硫酸铜反应生成硫酸亚铁和铜,铁上析出铜,正确;B项,a、b用导电连接,形成原电池,铁作负极,铜作正极,铜上铜离子得到电子生成铜,正确;C项,a、b是否连接,铁都溶解,溶液由硫酸铜变成硫酸亚铁,正确;D项,a连接电源的正极,作阳极,铜离子向铁电极移动,错误。

题组二 “盐桥”原电池(加试)

3.下图为一种原电池,下列有关说法中正确的是(  )

A.甲中盛ZnSO4溶液,乙中盛CuSO4溶液,锌为阴极

B.乙中盛CuSO4溶液,Cu2+在铜电极上被氧化

C.电池工作时,盐桥中的阳离子移向甲,阴离子移向乙,溶液仍保持电中性

D.在Zn极上发生的电极反应为Zn-2e-===Zn2+

答案 D

解析 锌为负极,不是阴极,A项错误;Cu2+在乙中得电子,被还原成Cu,B项错误;甲中阳离子增多,故盐桥中阴离子进入甲,同理,盐桥中阳离子进入乙,C项错误;金属Zn比Cu活泼,作负极,其电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,D项正确。

4.某学生利用下面实验装置探究盐桥式原电池的工作原理。

按照实验步骤依次回答下列问题:

(1)导线中电子流向为________(用a、b表示)。

(2)写出装置中锌电极上的电极反应式:

___________________________________。

(3)若装置中铜电极的质量增加0.64g,则导线中转移的电子数目为________(用NA表示)。

(4)装置的盐桥中除添加琼脂外,还要添加KCl的饱和溶液,电池工作时,对盐桥中的K+、Cl-的移动方向的表述正确的是________。

A.盐桥中的K+向左侧烧杯移动、Cl-向右侧烧杯移动

B.盐桥中的K+向右侧烧杯移动、Cl-向左侧烧杯移动

C.盐桥中的K+、Cl-都向左侧烧杯移动

D.盐桥中的K+、Cl-几乎都不移动

答案 

(1)由a流向b 

(2)Zn-2e-===Zn2+(3)0.02NA (4)B

解析 

(1)锌铜原电池中,锌比铜活泼,故锌为负极,铜为正极。

原电池中,电子由负极流向正极,故电子的流向为a→b。

(2)Zn为负极,锌电极上的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+。

(3)0.64g铜的物质的量为0.01mol,由电极反应式Cu2++2e-===Cu可知,生成1mol铜,转移2mol电子,故生成0.01mol铜,导线中转移0.02mol电子,电子数目为0.02NA。

(4)左侧烧杯中锌失电子变成锌离子,使得锌电极附近带正电荷,吸引阴离子向左侧烧杯移动,右侧烧杯中铜离子得到电子变成铜,使得铜电极附近带负电荷,吸引阳离子向右侧烧杯移动,故盐桥中的K+向右侧烧杯移动、Cl-向左侧烧杯移动。

故选B。

题组三 原电池工作原理应用——化学电源的设计

(一)“常规”化学电源

5.(2017·浙江省“七彩阳光”新高考研究联盟高三上学期考试)干电池模拟实验装置如图。

下列说法不正确的是(  )

A.锌片作负极,碳棒作正极

B.电子从锌片流向碳棒,电流方向则相反

C.NH4Cl是电解质,在锌片逐渐消耗过程中MnO2不断被氧化

D.该电池是一次电池,废旧电池中锌可回收

答案 C

解析 锌是活泼金属,则锌片作负极,碳棒作正极,A项正确;原电池中电子从负极沿导线流向正极,电流从正极流向负极,B项正确;以糊状NH4Cl作电解质,其中加入的MnO2被还原,C项错误;该电池是一次电池,废旧电池中锌可回收,D项正确。

6.(2017·丽水、衢州、湖州三地市9月教学质量检测)锌-空气电池适宜用作城市电动车的动力电源,该电池放电时Zn转化为ZnO,其工作原理如图。

下列说法正确的是(  )

A.氧气在石墨电极上发生氧化反应

B.负极反应为Zn+H2O-2e-===ZnO+2H+

C.放电前后电解质溶液的pH基本不变

D.放电时OH-向石墨电极移动

答案 C

解析 A项,氧气在石墨电极上发生得到电子的还原反应,错误;B项,溶液显碱性,负极反应为Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O,错误;C项,总反应式为O2+2Zn===2ZnO,因此放电前后电解质溶液的pH基本不变,正确;D项,放电时OH-向负极即向锌电极移动,错误。

(二)新型化学电源

类型一 “燃料”电池

7.(2017·温州市高三9月选考适应性测试)一种酸性“二甲醚(CH3OCH3)直接燃料电池”具有启动快、能量密度高、效率好等优点,其电池原理如图所示。

下列有关该电池的说法不正确的是(  )

A.a电极是该电池的负极

B.b电极上发生的反应为O2+4H++4e-===2H2O

C.H+由a电极向b电极迁移

D.电池工作时,电子从a电极→灯泡→b电极→电解液→a电极

答案 D

解析 二甲醚(CH3OCH3)直接燃料电池通入氧气的一极为正极,所以a是负极、b是正极,故A正确;b是正极,O2得电子发生还原反应:

O2+4H++4e-===2H2O,故B正确;原电池中阳离子移向正极,H+由a电极向b电极迁移,故C正确;电池工作时,电子从a电极→灯泡→b电极,电解液中没有电子移动,故D错误。

8.(2017·绍兴一中高三限时训练)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。

下列有关该电池的说法正确的是(  )

A.CH4+H2O

3H2+CO,1molCH4参加反应转移12mol电子

B.电极A为正极

C.电池工作时,CO

向电极B移动

D.O2在B电极上被还原

答案 D

不同“介质”下燃料电池电极反应式的书写,大多数学生感到较难。

主要集中在:

一是得失电子数目的判断,二是电极产物的判断。

下面以CH3OH、O2燃料电池为例,分析电极反应式的书写:

(1)酸性介质,如H2SO4:

CH3OH在负极上失去电子生成CO2气体,O2在正极上得到电子,在H+作用下生成H2O。

电极反应式为

负极:

CH3OH-6e-+H2O===CO2+6H+

正极:

O2+6e-+6H+===3H2O

(2)碱性介质,如KOH溶液:

CH3OH在负极上失去电子,在碱性条件下生成CO

,1molCH3OH失去6mole-,O2在正极上得到电子生成OH-,电极反应式为

负极:

CH3OH-6e-+8OH-===CO

+6H2O

正极:

O2+6e-+3H2O===6OH-

(3)熔融盐介质,如K2CO3:

在电池工作时,CO

移向负极。

CH3OH在负极上失去电子,在CO

的作用下生成CO2气体,O2在正极上得到电子,在CO2的作用下生成CO

,其电极反应式为

负极:

CH3OH-6e-+3CO

===4CO2+2H2O

正极:

O2+6e-+3CO2===3CO

(4)掺杂Y2O3的ZrO3固体作电解质,在高温下能传导正极生成的O2-;根据O2-移向负极,在负极上CH3OH失电子生成CO2气体,而O2在正极上得电子生成O2-,电极反应式为

负极:

CH3OH-6e-+3O2-===CO2+2H2O

正极:

O2+6e-===3O2-

类型二 锂电池

9.(2017·全国卷Ⅲ,11)全固态锂硫电池能量密度高、成本低,其工作原理如图所示,其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料,电池反应为16Li+xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)。

下列说法错误的是(  )

A.电池工作时,正极可发生反应:

2Li2S6+2Li++2e-===3Li2S4

B.电池工作时,外电路中流过0.02mol电子,负极材料减重0.14g

C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性

D.电池充电时间越长,电池中Li2S2的量越多

答案 D

解析 A项,原电池电解质中阳离子移向正极,根据全固态锂硫电池工作原理图示中Li+移动方向可知,电极a为正极,正极发生还原反应,由总反应可知正极依次发生S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2的还原反应,正确;B项,电池工作时负极电极方程式为Li-e-===Li+,当外电路中流过0.02mol电子时,负极消耗的Li的物质的量为0.02mol,其质量为0.14g,正确;C项,石墨烯具有良好的导电性,故可以提高电极a的导电能力,正确;D项,电池充电时为电解池,此时电解总反应为8Li2Sx

16Li+xS8(2≤x≤8),故Li2S2的量会越来越少,错误。

类型三 新型可逆电池——储氢电池

10.镍氢电池(NiMH)目前已成为混合动力汽车的一种主要电池。

NiMH中的M表示储氢金属或合金。

该电池在充电过程中的总反应方程式:

Ni(OH)2+M===NiOOH+MH。

已知:

6NiOOH+NH3+H2O+OH-===6Ni(OH)2+NO

下列说法正确的是(  )

A.NiMH电池放电过程中,正极的电极反应式:

NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-

B.充电过程中OH-从阳极向阴极迁移

C.充电过程中阴极的电极反应式:

H2O+M+e-===MH+OH-,H2O中的H被M还原

D.NiMH电池中可以用KOH溶液、氨水等作为电解质溶液

答案 A

解析 NiMH电池放电过程中,NiOOH得到电子,故正极的电极反应式为NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-,A项正确;充电过程中阴离子向阳极移动,OH-从阴极向阳极迁移,B项错误;充电过程中阴极的电极反应式:

H2O+M+e-===MH+OH-,H2O中的H离子得到电子被还原生成H2,生成的H2被储氢合金M吸收,相互作用生成MH,H2O中的H不是被M还原,C项错误;根据已知NiMH可以与氨水和碱反应,故不能用氨水、KOH溶液作为电解质溶液,D项错误。

考点二 电解池、金属的腐蚀与防护(加试)

1.电解池的原理及应用

(1)电解池

①概念:

把电能转化为化学能的装置。

②构成条件

a.有与电源相连的两个电极。

b.电解质溶液(或熔融电解质)。

c.形成闭合回路。

③电极名称及电极反应式(如图)

④电子和离子的移动方向

特别提醒 电解时,在外电路中有电子通过,而在溶液中是依靠离子定向移动形成电流,即电子本身不会通过电解质溶液。

(2)分析电解过程的思维程序

①首先判断阴、阳极,分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。

②再分析电解质水溶液的组成,找全离子并分阴、阳两组(不要忘记水溶液中的H+和OH-)。

③然后排出阴、阳两极的放电顺序

阴极:

阳离子放电顺序:

Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。

阳极:

活泼电极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。

注意 a.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。

b.最常用、最重要的放电顺序:

阳极:

Cl->OH-;阴极:

Ag+>Cu2+>H+。

c.电解水溶液时,K+~Al3+不可能在阴极放电,即不可能用电解水溶液的方法得到K、Ca、Na、Mg、Al等金属。

④分析电极反应,判断电极产物,写出电极反应式,要注意遵循原子守恒和电荷守恒。

⑤最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式。

(3)电解原理的应用

①电解饱和食盐水

a.电极反应

阳极反应式:

2Cl--2e-===Cl2↑(氧化反应)

阴极反应式:

2H++2e-===H2↑(还原反应)

b.总反应方程式

2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑

离子反应方程式:

2Cl-+2H2O

2OH-+H2↑+Cl2↑

c.应用:

氯碱工业制烧碱、氯气和氢气。

②电镀

下图为金属表面镀银的工作示意图,据此回答下列问题:

a.镀件作阴极,镀层金属银作阳极。

b.电解质溶液是AgNO3溶液等含镀层金属阳离子的盐溶液。

c.电极反应:

阳极:

Ag-e-===Ag+;阴极:

Ag++e-===Ag。

d.特点:

阳极溶解,阴极沉积,电镀液的浓度不变。

③电解精炼铜

a.电极材料:

阳极为粗铜;阴极为纯铜。

b.电解质溶液:

含Cu2+的盐溶液。

c.电极反应:

阳极:

Zn-2e-===Zn2+、Fe-2e-===Fe2+、Ni-2e-===Ni2+、Cu-2e-===Cu2+;

阴极:

Cu2++2e-===Cu。

④电冶金

利用电解熔融盐的方法来冶炼活泼金属Na、K、Ca、Mg、Al等。

a.冶炼钠

2NaCl(熔融)

2Na+Cl2↑

电极反应:

阳极:

2Cl--2e-===Cl2↑;

阴极:

2Na++2e-===2Na。

b.冶炼铝

2Al2O3(熔融)

4Al+3O2↑

电极反应:

阳极:

6O2--12e-===3O2↑;

阴极:

4Al3++12e-===4Al。

2.金属的腐蚀与防护

(1)金属腐蚀的本质

金属原子失去电子变为金属阳离子,金属发生氧化反应。

(2)金属腐蚀的类型

①化学腐蚀与电化学腐蚀

类型

化学腐蚀

电化学腐蚀

条件

金属跟其他物质直接接触

不纯金属或合金跟电解质溶液接触

现象

无电流产生

有微弱电流产生

本质

金属被氧化

较活泼金属被氧化

联系

两者往往同时发生,电化学腐蚀更普遍

②析氢腐蚀与吸氧腐蚀

以钢铁的腐蚀为例进行分析:

类型

析氢腐蚀

吸氧腐蚀

条件

水膜酸性较强(pH≤4.3)

水膜酸性很弱或呈中性

电极反应

负极

Fe-2e-===Fe2+

正极

2H++2e-===H2↑

O2+2H2O+4e-===4OH-

总反应式

Fe+2H+===Fe2++H2↑

2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2

吸氧腐蚀更普遍

(3)金属的防护

①电化学防护

牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理

a.负极:

比被保护金属活泼的金属;

b.正极:

被保护的金属设备。

外加电流的阴极保护法——电解原理

a.阴极:

被保护的金属设备;

b.阳极:

惰性金属或石墨。

②改变金属的内部结构,如制成合金、不锈钢等。

③加防护层,如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法。

题组一 分类突破电解的规律

1.用分析电解过程的思维程序分析电解下列物质的过程,并总结电解规律(用惰性电极电解)。

填写表中空白:

(1)电解水型

电解质

(水溶液)

电极方程式

电解物质

总化学

方程式

电解质浓度

溶液pH

溶液

复原

含氧酸

(如H2SO4)

阳极:

4OH--4e-===O2↑+2H2O

阴极:

4H++4e-===2H2↑

H2O

2H2O

O2↑+2H2↑

增大

减小

加H2O

强碱(如NaOH)

增大

加H2O

活泼金属的含氧酸盐(如KNO3、Na2SO4)

不变

加H2O

(2)电解电解质型

电解质

(水溶液)

电极方程式

电解物质

总化学

方程式

电解质浓度

溶液pH

溶液

复原

无氧酸(如HCl),HF除外

阳极:

2Cl--2e-===Cl2↑

阴极:

2H++2e-===H2↑

2HCl

H2↑+Cl2↑

减小

增大

通入HCl气体

不活泼金属的无氧酸盐(如CuCl2),氟化物除外

阳极:

2Cl--2e-===Cl2↑

阴极:

Cu2++2e-===Cu

CuCl2

Cu+Cl2↑

加CuCl2

固体

(3)放H2生碱型

电解质

(水溶液)

电极方程式

电解

物质

总化学

方程式

电解质

浓度

溶液pH

溶液

复原

活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)

阳极:

2Cl--2e-===Cl2↑

阴极:

2H++2e-===H2↑

水和盐

2Cl-+2H2O

Cl2↑+H2↑+2OH-

生成新电解质

增大

通入

HCl

气体

 

(4)放O2生酸型

电解质

(水溶液)

电极方程式

电解

物质

总化学方程式

电解质

浓度

溶液pH

溶液

复原

不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)

阳极:

4OH--4e-===2H2O+O2↑

阴极:

2Cu2++4e-===2Cu

水和盐

2Cu2++2H2O

2Cu+O2↑+4H+

生成

新电

解质

减小

加CuO或CuCO3

复原措施探究

(1)要使电解后的NaCl溶液复原,滴加盐酸可以吗?

提示 不可以,电解NaCl溶液时析出的是等物质的量的Cl2和H2,所以应通入氯化氢气体,加入盐酸会引入过多的水。

(2)要使电解后的CuSO4溶液复原,加入Cu(OH)2固体可以吗?

提示 应具体情况具体分析,若通电一段时间,CuSO4未电解完(即Cu2+未全部放电),使溶液复原应加入CuO,而加入Cu(OH)2会使溶液的浓度减小;若Cu2+全部放电,又继续通电一段时间(此时电解水),要使溶液复原应加入Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3,若只加入CuO,此时浓度偏大。

(3)若用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后,需加入98gCu(OH)2固体才能使电解质溶液复原,则这段时间,整个电路中转移的电子数为多少?

提示 4NA

(4)通过以上分析,电解质溶液复原应遵循什么原则?

提示 电解质溶液的复原应遵循“从溶液中析出什么补什么”的原则,即从溶液中析出哪种元素的原子,则应按比例补入哪些原子。

题组二 突破电极反应式、电解方程式的书写

2.按要求书写电极反应式和总方程式:

(1)用惰性电极电解AgNO3溶液

阳极反应式:

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