高考化学二轮复习专题突破电化学教案.docx
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高考化学二轮复习专题突破电化学教案
专题七电化学
【考纲要求】
1.了解原电池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。
2.了解常见的化学电源的种类及其工作原理。
3.了解电解池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。
4.理解金属发生电化学腐蚀的原因,金属腐蚀的危害,防止金属腐蚀的措施。
【考情分析】
近几年高考试题可发现,可充电电池试题的关键在于能否正确书写电极反应式;书写电极反应式的关键是能否正确书写放电时的电极反应式。
要正确书写放电时的电极反应式,既要弄清得失电子的物质,还要特别注意电极产物是否与电解质溶液共存,要写出实际存在的电极反应式。
然后根据原电池的负极反应与电解池的阳极反应、原电池的正极反应与电解池的阴极反应互为逆反应,即可快速写出充电时的电极反应式。
各电极反应式顺利写出以后,即可正确解题。
我们推断电化学及其应用仍为高考命题的重点。
命题角度主要为原电池和电解池原理及应用;从题型看主要是选择题和填空题,
【课时安排】3课时
【教学过程】
考点一:
原电池原理及电极反应方程式的书写
一、知识梳理
1.原电池原理
(1)原电池工作时,其本质是通过自发进行的氧化还原反应,使反应中电子转移而产生电流。
反应中的氧化反应和还原反应分别在两个电极上发生,这便形成了带电粒子按一定方向流动的闭合回路。
(2)原电池工作原理示意图
2.正、负极的判断
3.电极反应式的书写
(1)一般电极反应式的书写
(2)复杂电极反应式的书写
复杂电极反应式=总反应式—较简单一极的电极反应式
二、典例探究
例1.铜锌原电池(如图)工作时,有关叙述正确的是( )
A.正极反应为Zn-2e-===Zn2+
B.电池反应为Zn+Cu2+===Zn2++Cu
C.在外电路中,电子从正极流向负极
D.盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
解析:
原电池中活泼金属做负极,负极发生氧化反应。
所以Zn是负极,反应电极方程式为:
Zn-2e-===Zn2+,阳离子增加,盐桥中阴离子移向该溶液。
电子从负极流向正极。
答案选B。
例2:
二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点,其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93kW·h·kg-1)。
若电解质为酸性,二甲醚直接燃料电池的负极反应为_____________,一个二甲醚分子经过电化学氧化,可以产生________个电子的电量;该电池的理论输出电压为1.20V,能量密度E=________________(列式计算。
能量密度=电池输出电能/燃料质量,1kW·h=3.6×106J)。
解析:
二甲醚直接燃料电池的总反应为CH3OCH3+3O2===2CO2+3H2O,负极反应式的书写步骤:
第一步先写反应物、生成物:
CH3OCH3——2CO2;
第二步写明转移电子数:
CH3OCH3-12e-——2CO2;
第三步配平:
3H2O+CH3OCH3-12e-===2CO2+12H+。
1mol二甲醚被氧化生成2molCO2,失12NA个电子,故1个二甲醚分子转移12个电子。
据能量密度=电池输出电能/燃料质量,若燃料质量为1kg,则:
÷(3.6×106J·kW-1·h-1)≈8.39kW·h·kg-1
【答案】
(1)CH3OCH3+3H2O===2CO2+12H++12e-12
÷(3.6×106J·kW-1·h-1)≈8.39kW·h·kg-1
三、特别提醒
书写电极反应式时,正负极的判断是关键,看两极与电解质溶液得、失电子而快速推断出正、负极,同时还应充分注意介质与电极生成物的反应:
①负极生成的金属离子在碱性溶液中能与OH-反应生成难溶性碱,如在碱性条件下,钢铁腐蚀中负极生成的Fe2+与溶液中的OH-结合生成Fe(OH)2;②在碱性条件下电极析出的CO2能与OH-反应生成CO
等。
考点二:
原电池原理的应用
一、知识梳理
1.加快氧化还原反应的速率
一个自发进行的氧化还原反应,设计成原电池时反应速率增大。
例如,在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。
2.比较金属活动性强弱
在酸性(非氧化性酸)电解质溶液中,两种金属分别作原电池的两极时,作负极的金属比作正极的金属活泼。
3.用于金属的防护
使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。
例如,要保护一个铁制的输水管道或钢铁桥梁等,可将锌与其相连,使锌作原电池的负极。
4.设计制作化学电源
设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。
具体方法是:
(1)首先判断出电池反应中的还原剂和氧化剂,将还原剂(一般为比较活泼金属)作负极,活泼性比负极弱的金属或非金属导体作正极,含氧化剂对应离子的电解质溶液作电解液。
(2)如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥),则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属的阳离子。
(3)按要求画出原电池装置图。
如根据以下反应设计的原电池:
原理
装置图
化学反应:
CuCl2+Fe===FeCl2+Cu
还原剂:
Fe;
氧化剂:
CuCl2
电极反应:
负极:
Fe-2e-===Fe2+
正极:
Cu2++2e-===Cu
或
二、典例探究
例3:
(1)能量之间可以相互转化:
电解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能,而原电池可将化学能转化为电能。
设计两种类型的原电池,探究其能量转化效率。
限选材料:
ZnSO4(aq),FeSO4(aq),CuSO4(aq);铜片,铁片,锌片和导线。
1成原电池甲的装置示意图(见下图),并作相应标注。
要求:
在同一烧杯中,电极与溶液含相同的金属元素。
②铜片为电极之一,CuSO4(aq)为电解质溶液,只在一个烧杯中组装原电池乙,工作一段时间后,可观察到负极_________________。
③甲、乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是________,其原因是_________________。
(2)根据牺牲阳极的阴极保护法原理,为减缓电解质溶液中铁片的腐蚀,在
(1)的材料中应选________作阳极。
【答案】
(1)①如右图
②电极逐渐溶解,表面有红色固体析出
③甲 负极不和铜离子接触,避免了铜离子直接与负极发生反应而使化
学能转化为热能
(2)锌片
【解析】
(1)①因为电子的流向是从左到右,所以我们可以这样设计原
电池:
左侧烧杯内盛放ZnSO4溶液,电极用锌片(或左侧烧杯内盛放FeSO4溶液,电极用铁片),右侧烧杯内盛放CuSO4溶液,电极用铜片,即可实现Zn+CuSO4===ZnSO4+Cu(或Fe+CuSO4===Cu+FeSO4);②由所给的电极材料可知,当铜片作电极时,铜片一定是正极,则负极是活泼的金属(失电子,发生氧化反应),反应现象是电极逐渐溶解,表面有红色固体析出;③以锌片和铜片作电极为例,如果不用盐桥,则除了发生原电池反应外还发生锌和铜离子的直接的置换反应,会使部分化学能以热能的形式转化掉,而盐桥的使用可以避免锌和铜离子的直接接触,从而避免了化学能转化为热能,提高电池效率。
(2)根据牺牲阳极的阴极保护法,可知被保护的金属作阴极,即铁片作阴极,锌片作阳极。
三、特别提醒
应用原电池原理可以将任何自发进行的氧化还原反应设计成原电池,但有的电池相当微弱,同时要注意电解质溶液不一定参与反应,如燃料电池,水中一般要加入强碱或强酸,以增强溶液的导电性。
考点三:
电解原理及有关计算
一、知识梳理
1.电解池工作原理示意图
2.电解原理分析
(1)通电前,电解质溶液中电离(包括电解质和水的电离)的离子作无规则运动。
(2)通电时
①离子移动方向:
阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。
②放电能力
③电极反应
3.电极产物的判断
(1)阳极:
首先依据电极材料,若为活泼电极,则电极本身失电子被氧化,若为惰性电极(C、Pt、Au),再依据阴离子放电顺序考虑。
(2)阴极:
依据阳离子放电顺序考虑。
4.电解离子方程式的书写
(1)必须在短线上标明电解。
(2)只是电解质被分解,电解化学方程式中只写电解质及分解产物。
如电解CuCl2溶液:
Cu2++2Cl-
Cu+Cl2↑
(3)只有水被分解,只写水电解即可。
如电解稀硫酸、NaOH溶液、Na2SO4溶液:
2H2O
2H2↑+O2↑
(4)电解质、水同时被分解,则都要写出,凡是水电离的H+或OH-放电时,在写电解的离子方程式必须写水(弱电解质)。
如电解饱和食盐水:
2Cl-+2H2O
2OH-+Cl2↑+H2↑
5.电解计算的类型和方法
(1)计算类型
电解池中有关量的计算或判断主要包括以下几方面:
根据直流电源提供的电量求产物的量(析出固体的质量、产生气体的体积等)、溶液的pH、相对原子质量或某元素的化合价、化学式等。
(2)解题方法
①根据电子守恒法计算:
用于串联电路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。
②根据总反应式计算:
先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列比例式计算。
③根据关系式计算:
根据得失电子守恒关系,在已知量与未知量之间,建立计算所需的关系式如:
4e-~4H+~2H2~4OH-~O2~2Cl2~2Cu
二、典例探究
例4.下图所示的电解池Ⅰ和Ⅱ中,a、b、c和d均为Pt电极。
电解过程中,电极b和d上没有气体逸出,但质量均增大,且增重b>d。
符合上述实验结果的盐溶液是( )
选项
X
Y
A
MgSO4
CuSO4
B
AgNO3
Pb(NO3)2
C
FeSO4
Al2(SO4)3
D
CuSO4
AgNO3
【答案】B.【解析】 题意表明b、d没有气体逸出,所以析出金属,由质量关系知,B正确。
例5.用石墨作电极电解CuSO4溶液。
通电一段时间后,欲使电解液恢复到起始状态,应向溶液中加入适量的( )
A.CuSO4B.H2OC.CuOD.CuSO4·5H2O
答案:
C;解析:
电解CuSO4溶液分别从溶液析出铜单质,放出氧气,根据减少什么原子加什么原子,所以应加入CuO。
例6.人工肾脏可采用间接电化学方法除去代谢产
物中的尿素,原理如图。
(1)电源的负极为________(填“A”或“B”)。
(2)阳极室中发生的反应依次为_____________、________。
(3)电解结束后,阴极室溶液的pH与电解前相比将________;若两极共收集到气体13.44L(标准状况),则除去的尿素为________g(忽略气体的溶解)。
答案:
(1)B
(2)2Cl--2e-===Cl2↑CO(NH2)2+3Cl2+H2O===N2+CO2+6HCl(3)不变 7.2
【解析】
(1)产生Cl2极为阳极知A为正极,B为负极。
(2)阳极室发生的反应依次为2Cl--2e-===Cl2↑。
由产物CO2、N2知CO(NH2)2在此室反应被氧化,CO(NH2)2―→CO2+N2,发生还原反应的为Cl2。
故方程式为CO(NH2)2+3Cl2+H2O===N2+CO2+6HCl
(3)阴极室2H++2e-===H2↑;阳极室产生的H+通过质子交换膜进入阴极室,从而使阴极室H+浓度保持不变。
pH与电解前相比不变。
两极共收集到的气体n(气体)=
=0.6mol,
三、方法总结
以惰性电极电解电解质溶液的规律
类型
电极反应特点
实例
电解质溶浓度
pH
电解质液复原
电解水型
阴:
4H++4e-===2H2↑
阳:
4OH--4e-===2H2O+O2↑
NaOH
增大
增大
加水
H2SO4
增大
减小
加水
Na2SO4
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
减小
增大
通氯化氢
CuCl2
减小
加氯化铜
放H2生碱型
阴极:
H2O放H2生碱
阳极:
电解质阴离子放电
NaCl
生成新电解质
增大
通氯化氢
放O2生酸型
阴极:
电解质阳离子放电
阳极:
H2O放O2生酸
CuSO4
生成新电解质
减小
加氧化铜
四、特别提醒
(1)若阴极为H+放电,则阴极区c(OH-)增大;若阳极为OH-放电,则阳极区c(H+)增大;若阴极、阳极同时有H+、OH-放电,相当于电解水,电解质溶液浓度增大。
(2)用惰性电极电解电解质溶液时,若要使电解后的溶液恢复到原状态,应遵循“缺什么加什么,缺多少加多少”的原则,一般加入阴极产物与阳极产物的化合物。
(3)电解过程中产生的H+或OH-,其物质的量等于转移电子的物质的量。
考点四:
电解原理的应用
一、知识梳理
1.氯碱工业
(1)主要生产过程
(2)电极反应
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑阴极:
2H++2e-===H2↑
总反应:
2NaCl+2H2O
Cl2↑+H2↑+2NaOH
2.电镀(如铁件镀锌)
电镀液:
含Zn2+的盐溶液(如ZnCl2溶液)
阳极(Zn):
Zn-2e-===Zn2+
阴极(铁件):
Zn2++2e-===Zn
电镀过程中电镀液浓度不发生变化。
镀层金属作阳极,镀件作阴极,电镀液中必须含有镀层金属离子。
3.电解精炼
如粗铜(含Zn、Fe、Ag等)的提纯
电解质溶液:
含Cu2+的盐溶液(如CuSO4溶液)
阳极(粗铜):
Zn-2e-===Zn2+Cu-2e-=Cu2+Fe-2e-===Fe2+
阴极(纯铜):
Cu2++2e-===Cu
电解过程中,活泼性比Cu弱的Ag等不放电,形成阳极泥(可从阳极泥中提纯Ag等);电解质溶液中c(Cu2+)会不断减小,应定期更换电解质溶液。
4.可充电电池
(1)对可充电电池充电和放电两过程认识:
放电是原电池反应,充电是电解池反应。
(2)对可充电电池电极极性和材料的判断:
①放电时:
可先标出放电(原电池)总反应式电子转移的方向和数目,失去电子的一极为负极,该物质即为负极材料;得到电子的一极为正极,该物质即为正极材料。
②充电时:
方法同前,失去电子的一极为阳极,该物质即为阳极材料;得到电子的一极为阴极,该物质即为阴极材料。
(3)可充电电池充电时与电源的连接:
可充电电池用完后充电时,原电池的负极与外电源的负极相连,原电池的正极与外电源的正极相连。
二、典例探究
例7.如图为电解精炼银的示意图,
________(填“a”或“b”)极为含有杂质的粗银,若b极有少量红棕色气体产生,则生成该气体的电极反应式为_____________________________。
【答案】a NO
+2H++e-===NO2↑+H2O
【解析】电解精炼银时,用含杂质的粗银作阳极,用纯银作阴极,含Ag+的电解质溶液做电解液。
图中b极与电源的负极相连,则b极为阴极,NO
在阴极放电生成红棕色的NO2,电极反应式为NO
+2H++e-===NO2↑+H2O。
例8.镁电池毒性低、污染小,电压高而平稳,它逐渐成为人们研制绿色电池的关注焦点。
其中一种镁电池的反应原理为:
xMg+Mo3S4
MgxMo3S4,下列说法不正确的是( )
A.放电时,Mo3S4发生氧化反应
B.放电时,正极反应式:
Mo3S4+2xe-===Mo3S
C.充电时,Mg2+向阴极迁移
D.充电时,阴极反应式:
xMg2++2xe-===xMg
【答案】 A 解析:
由题意可知,放电时发生原电池反应,Mg由0价变为+2价,被氧化,发生氧化反应,作原电池的负极;Mo3S4为正极,正极反应式为:
Mo3S4+2xe-===Mo3S
,A错,B正确;电池充电时发生电解反应,阴极发生还原反应,金属阳离子Mg2+放电,反应式为:
xMg2++2xe-===xMg,电解质溶液中,阳离子Mg2+向阴极移动,C、D正确。
例9.甲、乙两个容器中,分别加入0.1mol·L-1NaCl溶液与0.1mol·L-1AgNO3溶液后,以Pt为电极进行电解时,在A、B、C、D各电极上生成物的物质的量之比为(H2O除外)________。
【解析】 此装置相当于两个电解槽串联到一起,在整个电路中电子转移总数相等。
首先判断各极是阳极还是阴极,再分析各极发生的反应。
A极(阴极)反应:
2H++2e-===H2↑,B极(阳极)反应:
2Cl--2e-===Cl2↑;C极(阴极)反应:
Ag++e-===Ag;D极(阳极)反应:
4OH--4e-===2H2O+O2↑。
根据电子守恒可知,若整个电路中有4mol电子转移,生成H2、Cl2、Ag、O2的物质的量分别为2mol、2mol、4mol、1mol,因此各电极上生成物的物质的量之比为2∶2∶4∶1。
【答案】 2∶2∶4∶1
三、方法总结:
1.分析电解原理五步骤
第一步,看电极材料。
若阳极为铁、锌、铜、银等活性电极,金属发生氧化反应;
第二步,将电解质溶液中的离子分组,并按放电顺序确定反应的先后顺序;
第三步,写出电极反应式,注意介质是否参与电极反应;
第四步,分析电极材料、电解质溶液发生的变化;
第五步,联系问题找到答题的切入点。
2.电化学计算中多池串联规律和电解过程的分析方法
(1)多池串联规律
①各电极上转移电子数相同,阴阳极交替相接。
②转移的电子数=任一电极上析出物质的物质的量×每析出1mol该物质转移的电子数。
(2)电解过程的分析方法
①电解某给定量的溶液时,往往涉及电解过程的分析,即不同阶段同一电极上放电的微粒不同。
②电解混和溶液时,往往也会涉及电解过程的分析。
如电解含有相同物质的量的硫酸铜和氯化钠混合溶液:
第一阶段,阳极上氯离子放电生成氯气,阴极上铜离子放电生成铜单质;第二阶段,阳极上氢氧根离子放电生成氧气,阴极上铜离子放电生成铜单质;第三阶段,阳极上氢氧根离子放电生成氧气,阴极上氢离子放电生成氢气。
考点五:
金属的腐蚀与防护
一、知识梳理
1、金属腐蚀规律
金属腐蚀既受到其组成的影响,又受到外界因素的影响。
通常金属腐蚀遵循以下规律。
(1)在同一电解质溶液中,金属腐蚀的快慢是:
电解池的阳极>原电池的负极>化学腐蚀>原电池的正极>电解池的阴极。
(2)在不同溶液中:
金属在强电解质溶液中的腐蚀>金属在弱电解质溶液中的腐蚀>金属在非电解质溶液中的腐蚀。
(3)对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快。
(4)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,只有在金属活动性顺序表中排在氢以前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。
2.金属的防护措施图示
二、典例探究
例10.如图所示,各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序
__________________________________________________________。
【解析】 ①为化学腐蚀,腐蚀较慢,②、③实质上为原电池装置,②中Fe作正极被保护,③中Fe作负极,被腐蚀;④是Fe接电源正极作阳极,Cu接电源负极作阴极的电解池,加快了Fe的腐蚀;⑤中Fe接电源负极作阴极,Cu接电源正极作阳极,防止了Fe的腐蚀。
根据以上分析可知:
铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为④>③>①>②>⑤。
例11.糕点包装中常用的脱氧剂组成为还原性铁粉、氯化钠、炭粉等,其脱氧原理与钢铁的吸氧腐蚀相同。
下列分析正确的是( )
A.脱氧过程是吸热反应,可降低温度,延长糕点保质期
B.脱氧过程中铁作原电池正极,电极反应为:
Fe-3e-===Fe3+
C.脱氧过程中碳作原电池负极,电极反应为:
2H2O+O2+4e-===4OH-
D.含有1.12g铁粉的脱氧剂,理论上最多能吸收氧气336mL(标准状况)
答案:
D;解析:
根据题意铁作为电池负极(Fe-2e-===Fe2+)碳作原电池正极(2H2O+O2+4e-===4OH-)因此B、C错误,脱氧过程是放热反应,A项错误,D项生成的Fe2+继续被O2氧化。
【课堂小结】
2个方面:
(1)能量转化:
化学能、电能相互转化;
(2)反应本质:
氧化还原反应。
两极反应类型:
(1)负极:
氧化反应;正极:
还原反应。
(2)阴极:
还原反应;阳极:
氧化反应。
两极放电顺序
①阳极:
活性电极:
电极材料放电
惰性电极:
S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子
②阴极:
Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+
【课后作业】专题七电化学练习
【教学反思】
因高考题目有限,所以关于电化学主要是综合性考查,其题型包括五判断(判断工作原理题型、判断电极、判断电子流向、判断电极上析出的产物、判断电极附近或整个溶液的酸碱性;)、二写(写电极反应式和总反应方程式)、一比较(金属的活动性)。
尤其是电极方程式书写。
在教学中要注意方法的引导,使学生能真正掌握其实质。
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