选修4 化学反应原理化学能与电能.docx
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选修4化学反应原理化学能与电能
选修4第四章化学能与电能
[考纲解读]
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。
考点一 原电池
1.概念
把________能转化为________能的装置。
2.工作原理
以锌铜原电池为例
电极名称
负极
正极
电极材料
电极反应
反应类型
电子流向
由Zn沿导线流向Cu
盐桥中离子移向
盐桥含饱和KCl溶液,K+移向正极,Cl-移向负极
3.原电池构成条件
(1)两个______________的电极。
(2)将电极插入________________中。
(3)用导线连接电极构成__________。
(4)能自发进行的____________。
4.正、负极判断
【考点过关】
1.有关电化学知识的描述正确的是( )
A.CaO+H2O===Ca(OH)2,可以放出大量的热,故可把该反应设计成原电池,把其中的化学能转化为电能
B.某原电池反应为Cu+2AgNO3===Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥中可以是装有含琼胶的KCl饱和溶液
C.原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成
D.理论上说,任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池
2.分析下图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是( )
A.①②中Mg作负极,③④中Fe作负极
B.②中Mg作正极,电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑
C.③中Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+
D.④中Cu作正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑
【概念深化】
(1)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动,与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。
(2)无论在原电池还是在电解池中,电子均不能通过电解质溶液。
(3)原电池的负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。
(4)原电池电极的“正”极与“负”极与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关。
考点二 化学电源
1.碱性锌锰干电池——一次电池
总反应式:
Zn+2MnO2+2H2O===2MnO(OH)+Zn(OH)2。
正极反应:
2MnO2+2H2O+2e-===2MnO(OH)+2OH-;负极反应:
____________________________。
2.锌银电池——一次电池
负极反应:
Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O;正极反应:
Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-;
总反应式:
_______________________________。
3.二次电池(可充电电池)
铅蓄电池是最常见的二次电池,负极材料是________,正极材料是________。
(1)放电时的反应
①负极反应:
_____________________________②正极反应:
_____________________________
③总反应:
Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O
(2)充电时的反应
①阴极反应:
______________________________②阳极反应:
______________________________
③总反应:
2PbSO4+2H2O===Pb+PbO2+2H2SO4
(3)可充电电池原理示意图
4.燃料电池
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。
酸性
碱性
负极反应式
2H2-4e-===4H+
2H2+4OH--4e-===4H2O
正极反应式
O2+2H2O+4e-===4OH-
电池总
反应式
2H2+O2===2H2O
【考点过关】
3.铅蓄电池是典型的可充电电池,它的正负极极板是惰性材料,请
回答下列问题(不考虑氢、氧的氧化还原):
(1)电解液中H2SO4的浓度将变_____________________________;
当外电路通过1mol电子时,理论上负极板的质量增加________g。
(2)在完全放电耗尽PbO2和Pb时,若按右图连接,电解一段时间
后,则在A电极上生成_______,B电极上生成___________,此时铅蓄电池的正负极的极性将________。
4.
(1)氢氧燃料电池以KOH溶液作电解质溶液时,工作一段时间后,电解质溶液的浓度将________,溶液的pH___。
(填“变小”、“增大”或“不变”)
(2)氢氧燃料电池以H2SO4溶液作电解质溶液时,工作一段时间后,电解质溶液的浓度将________,溶液的pH_________。
(填“变小”、“增大”或“不变”)
考点三 原电池原理的应用
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
两种金属分别作原电池的两极时,一般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,要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
【考点过关】
5.有A、B、C、D四块金属片,进行如下实验:
①A、B用导线相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,A极为负极;②C、D用导线相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,电流由D→导线→C;
③A、C相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,C极产生大量气泡;④B、D相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,D极发生氧化反应。
据此,判断四种金属的活动性顺序是( )
A.A>B>C>DB.A>C>D>B
C.C>A>B>DD.B>D>C>A
考点四 电解的原理
1.电解定义在________作用下,电解质在两个电极上分别发生______和__________的过程。
2.能量转化形式________转化为________。
3.电解池
(1)构成条件
①有与________相连的两个电极。
②__________(或__________)。
③形成____________。
(2)电极名称及电极反应(如图)
(3)电子和离子移动方向
①电子:
从电源________流向电解池的________;从电解池的________流向电源的________。
②离子:
阳离子移向电解池的________;
阴离子移向电解池的________。
4.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。
(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)最后合并两个电极反应式得出电解反应的总化学方程式或离子方程式。
5.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)
电解质(水溶液)
电极方程式
被电解的物质
电极产物
溶液pH变化的原因、结果
电解质溶液复原
阳极
阴极
含氧酸(如H2SO4)
阳极:
____
阴极:
____________
水减少,酸溶液的浓度____,pH____
加____
强碱(如NaOH)
阳极:
____________
阴极:
____________
水减少,碱溶液的浓度____,pH____
加____
活泼金属的含氧酸盐(如KNO3、Na2SO4)
阳极:
____________阴极:
____________
水减少,盐溶液的浓度____,pH__________(若为水解的盐)
加____
无氧酸(如HCl),除HF外
阳极:
____________阴极:
____________
(如Cl2)
H+放电,c(H+)减小,pH____
不活泼金属的无氧酸盐(如CuCl2),除氟化物外
阳极:
____________阴极:
____________
(如Cl2)
(如Cu)
pH基本不变
加______
活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)
阳极:
____ ___
阴极:
___________
(如Cl2)
H+放电,c(H+)减小,c(OH-)增大,pH____
不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)
阳极:
____________阴极:
____________
(如Cu)
OH-放电,c(OH-)减小,c(H+)增大,pH____
加____或
【考点过关】
8.电解过程中放H2生碱型和放O2生酸型的实质是什么?
10.Ⅰ.以铝材为阳极,在H2SO4溶液中电解,铝材表面形成氧化膜,阳极电极反应式为______。
Ⅱ.用Al单质作阳极,石墨作阴极,NaHCO3溶液作电解液进行电解,生成难溶物R,R受热分解生成化合物Q。
写出阳极生成R的电极反应式:
_________________________。
11.CuI是一种不溶于水的白色固体,可以由反应:
2Cu2++4I-===2CuI↓+I2得到。
现以石墨为阴极,以Cu为阳极电解KI溶液,通电前向电解液中加入少量酚酞和淀粉溶液。
回答下列问题:
(1)阳极区的现象____________________________。
(2)阳极电极反应式___________________________。
【概念深化】
(1)书写电解池中电极反应式时,要以实际放电的离子表示,但书写总电解反应方程式时,弱电解质要写成分子式。
(2)要确保两极电子转移数目相同,且注明条件“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。
考点五 电解原理的应用
1.电解饱和食盐水
(1)电极反应
阳极反应式:
__________________(________反应)阴极反应式:
__________________(________反应)
(2)总反应方程式:
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
离子反应方程式:
2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑
(3)应用:
氯碱工业制________、________和________。
2.电镀右图为金属表面镀银的工作示意图,据此回答下列问题:
(1)镀件作____极,镀层金属银作____极。
(2)电解质溶液是________。
(3)电极反应:
阳极:
________________________________;阴极:
________________________________。
(4)特点:
____极溶解,____极沉积,电镀液的浓度________。
3.电解精炼铜
(1)电极材料:
阳极为________;阴极为________。
(2)电解质溶液:
含Cu2+的盐溶液。
(3)电极反应:
阳极:
________________________________;阴极:
________________________________。
4.电冶金
利用电解熔融盐的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
(1)冶炼钠2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
电极反应:
阳极:
_______________________________,阴极:
_______________________________。
(2)冶炼铝2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
电极反应:
阳极:
________________________________,阴极:
________________________________。
【考点过关】
13.工业品氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸根杂质,可用离子交换膜法电解提纯。
电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过),其工作原理如图所示:
(1)该电解槽的阳极反应式是_________________________________________________。
(2)通电开始后,阴极附近溶液pH会增大,请简述原因___________________________。
(3)除去杂质后的氢氧化钾溶液从液体出口 (填“A”或“B”)导出。
14.利用电解法可将含有Fe、Zn、Ag、Pt等杂质的粗铜提纯,下列叙述正确的是( )
A.电解时以精铜作阳极B.电解时阴极发生氧化反应
C.粗铜连接电源负极,其电极反应是Cu-2e-===Cu2+
D.电解后,电解槽底部会形成含少量Ag、Pt等金属的阳极泥
考点六 金属的腐蚀和防护
1.金属腐蚀的本质
金属原子__________变为__________,金属发生________________________________。
2.金属腐蚀的类型
(1)化学腐蚀与电化学腐蚀
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属跟__________接触
不纯金属或合金跟________接触
现象
____电流产生
______电流产生
本质
金属被____
较活泼金属被____
联系
两者往往同时发生,______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:
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
电
极
反
应
负极
正极
总反应式
联系
________更普遍
铁锈的形成:
4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3,2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O(铁锈)+(3-x)H2O。
3.金属的防护
(1)电化学防护①牺牲阳极的阴极保护法—______原理
a.________:
比被保护金属活泼的金属;b.________:
被保护的金属设备。
②外加电流的阴极保护法—________原理
a.________:
被保护的金属设备;b.________:
惰性金属。
(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。
【考点过关】
15.下列对几种常见的金属防腐方法的描述错误的是( )
选项
方法
对相应方法的描述
A
改变金属内部的组成结构
此法实际上是将金属制成合金,增强抗腐蚀能力
B
在金属表面覆盖保护层
保护层破损后,就完全失去了对金属的保护作用
C
外加电源的阴极保护法
接外加直流电源构成电解池,被保护的金属作阴极
D
牺牲阳极的阴极保护法
构成原电池,被保护的金属作正极
17.下面各容器中盛有海水,铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是( )
A.④>②>①>③B.②>①>③>④C.④>②>③>①D.③>②>④>①
【概念深化】
判断金属腐蚀快慢的规律
电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。
【解题方法】
【指点一:
原电池电极反应式的书写程序】
1.“加减法”书写电极反应式
(1)先确定原电池的正负极,列出正负极上的反应物质,并标出相同数目电子的得失。
(2)注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。
若不共存,则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式;若正极上的反应物质是O2,且电解质溶液为中性或碱性,则水必须写入正极反应式中,且O2生成OH-,若电解质溶液为酸性,则H+必须写入正极反应式中,O2生成水。
(3)正负极反应式相加得到电池反应的总反应式。
若已知电池反应的总反应式,可先写出较易书写的一极的电极反应式,然后在电子守恒的基础上,总反应式减去较易写出的一极的电极反应式,即得到较难写出的另一极的电极反应式。
【例1】 有人设计以Pt和Zn为电极材料,埋入人体内作为某种心脏病人的心脏起搏器的能源。
它依靠跟人体内体液中含有的一定浓度的溶解氧、H+和Zn2+进行工作,试写出该电池的两极反应式。
【例2】 LiSOCl2电池可用于心脏起搏器。
该电池的电极材料分别为锂和碳,电解液是LiAlCl4SOCl2。
电池的总反应可表示为4Li+2SOCl2===4LiCl+S+SO2。
请回答下列问题:
(1)电池的负极材料为__________,发生的电极反应为___________________________。
(2)电池正极发生的电极反应为_______________________________________________。
2.燃料电池电极反应式的书写
电极:
惰性电极。
燃料包含:
H2、CO、烃(如CH4、C2H6)、醇(如C2H5OH)等。
电解质包含:
①酸性电解质溶液,如H2SO4溶液;②碱性电解质溶液,如NaOH溶液;③熔融氧化物,如Y2O3;④熔融碳酸盐,如K2CO3等。
第一步:
写出电池总反应式
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加合后的反应。
如氢氧燃料电池的总反应式为2H2+O2===2H2O;
甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应式为
CH4+2O2===CO2+2H2O ①CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O ②
①式+②式得燃料电池总反应式为CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O
第二步:
写出电池的正极反应式
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质都是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应有所不同,其实,我们只要熟记以下四种情况:
(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+4H++4e-===2H2O
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+2H2O+4e-===4OH-
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:
O2+4e-===2O2-
(4)熔融碳酸盐(如:
熔融K2CO3)环境下电极反应式:
O2+2CO2+4e-===2CO
。
第三步:
根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式
电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系:
电池的总反应式=电池正极反应式+电池负极反应式
故根据第一、二步写出的反应,有:
电池的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式,注意在将两个反应式相减时,要约去正极的反应物O2。
【例4】 以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法:
(1)酸性条件燃料电池总反应式:
CH4+2O2===CO2+2H2O①
燃料电池正极反应式:
O2+4H++4e-===2H2O②
①-②×2,得燃料电池负极反应式:
_________________________________________。
(2)碱性条件燃料电池总反应式:
CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O①
燃料电池正极反应式:
O2+2H2O+4e-===4OH-②
①-②×2,得燃料电池负极反应式:
________________________________________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)燃料电池总反应式:
CH4+2O2===CO2+2H2O①
燃料电池正极反应式:
O2+4e-===2O2-②
①-②×2,得燃料电池负极反应式:
__________________________________________。
(4)熔融碳酸盐(如:
熔融K2CO3)环境下电池总反应式:
CH4+2O2===CO2+2H2O。
正极电极反应式:
O2+2CO2+4e-===2CO
。
电池总反应式-正极电极反应式得负极电极反应式:
____。
【例6】 已知反应AsO
+2I-+2H+AsO
+I2+H2O是可逆反应。
设计如图装置(C1、C2均为石墨电极),分别进行下述操作:
Ⅰ.向B烧杯中逐滴加入浓盐酸
Ⅱ.向B烧杯中逐滴加入40%NaOH溶液
结果发现电流表指针均发生偏转。
试回答下列问题:
(1)两次操作中指针为什么发生偏转?
(2)两次操作过程中指针偏转方向为什么相反?
试用化学平衡移动原理解释之。
(3)(Ⅰ)操作过程中C1棒上发生的反应为_______________________________________;
(4)(Ⅱ)操作过程中C2棒上发生的反应为________________________________________。
(5)操作Ⅱ过程中,盐桥中的K+移向 烧杯溶液(填“A”或“B”)。
【例7】 根据氧化还原反应:
2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s)设计的原电池如图所示,其中盐桥内装琼脂饱和KNO3溶液。
请回答下列问题:
(1)电极X的材料是__________;电解质溶液Y是________________________________。
(2)银电极为电池的______极,写出两电极的电极反应式:
银电极:
__________________________________________________________________;
X电极:
__________________________________________________________________。
(3)外电路中的电子是从______电极流向________电极。
(4)盐桥中向CuSO4溶液中迁移的离子是__________(填序号)。
A.K+B.NO
C.Ag+D.SO
(5)其中CuSO4溶液能否被H2SO4(稀)溶液代替________。
Ag电极能否被石墨代替_____。
【指点三:
应对电化学定量计算的三种方法】
1.根据电子守恒法计算
用于串联电路、阴阳两极产物、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
凡是总反应式中反映出的物质的量关系都可以列比例式计算。
3.根据关系计算
由得失电子守恒定律关系建立已知量与未知量之间的桥梁,建立计算所需的关系式,如
物质:
H2~O2~Cl2~Cu~Ag~H+~OH-~e-
n(mol)21224444
【例1】 在如图中,甲烧杯中盛有100mL0.50mol·L-1AgNO3溶液,乙烧杯中盛有100mL0.25mol·L-1CuCl2溶液,A、B、C、D均为质量相同的石墨电极,如果电解一段时间后,发现A极比C极重1.9g,则
(1)电源E为________极,F为________极。
(2)A极的电极反应式为___________________________,析出物质______m
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