届高考二轮复习人教版第三编化学反应原理专题十电化学 学案.docx
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届高考二轮复习人教版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↑
酸
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
盐
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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