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电化学
电化学基础
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【课前自主复习与思考】
1.阅读并思考《创新设计》相关内容。
2.原电池、电解池的工作原理、应用。
3.原电池、电解池电极反应式的书写。
【结合自主复习内容思考如下问题】
1.用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂-KNO3的U型管)构成一个原电池。
以下关于该原电池的叙述正确的是
①在外电路中,电流由铜电极流向银电极
②正极反应为Ag++e-===Ag
③实验过程中取出盐桥,电池仍能继续工作
④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同
A.①②B.②③C.②④D.③④
2.用阳极X和阴极Y电解Z的水溶液,电解一段时间后,再加入W,能使溶液恢复到电解前的状态,符合题意的是
组号
X
Y
Z
W
A
C
Fe
NaCl
H2O
B
Pt
Cu
CuSO4
CuSO4溶液
C
C
C
H2SO4
H2O
D
Ag
Fe
AgNO3
AgNO3晶体
【考纲点拨】
1.理解原电池和电解池的工作原理,能写出常见的简单电极反应和电池反应方程式。
2.了解常见的化学电源,认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。
3.认识金属腐蚀的危害,理解金属发生电化学腐蚀的原因,能运用恰当的措施防止铁、铝等金属腐蚀。
4.了解提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型化学电源的重要性。
认识化学在解决能源危机中的重要作用。
【自主研究例题】
1.控制合适的条件,将反应2Fe3++2I-
Fe2++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+发生还原反应
C.电流计计数为零时,反应达化学平衡状态
D.电流计计数为零后,在甲中加入FeCl2固体,乙中石墨电极为负极
教师点评:
本题主要考查了原电池的工作原理,可先问学生这样几个问题:
⑴能运用氧化还原反应理论拆分氧化反应、还原反应吗?
⑵图中装置的石墨电极分别是电池的什么极,能写出各电极的反应式吗?
⑶电流计读数为零说明题给反应达到什么状态?
乙中I-失去电子,故为氧化反应,A正确;由总反应方程式知,Fe3+被还原为Fe2+,B正确;当电流计计数为零时,即说明没有电子发生转移,可证明反应达到平衡状态,C正确;加入Fe2+导致平衡逆向移动,则Fe2+失去电子生成Fe3+,作为负极,D错误。
所以答案:
D。
2.如下图所示装置,A、B中电极为多孔的惰性电极;C、D为夹在湿的Na2SO4滤纸条上的铂夹,a、b为电源的两极。
若在A、B中充满KOH溶液后倒立于盛有KOH的水槽中。
切断K1,闭合K2、K3,通直流电,电解一段时间后A、B中均有气体产生。
⑴电源的a极为(填“正”或“负”)极。
⑵在湿的Na2SO4滤纸条中心滴KMnO4溶液,现象是。
⑶写出A中电极反应式。
⑷若电解一段时间后A、B中均有气体包围电极。
此时切断K2、K3,闭合K1,电流表的指针偏转,此时B极电极反应式为。
教师点评:
电解水时,利用气体体积的差异判断电极的名称,进而判断电池的正、负极和滤纸中的阴、阳极;切断K2、K3,闭合K1,电流表的指针发生了偏转,说明此时氢气和氧气形成了原电池。
⑴由图看出,切断K1,闭合K2、K3,通直流电,水槽中构成了惰性电极电解KOH水溶液的装置,实质是电解水,所以生成氢气和氧气,且氢气的体积是氧气体积的2倍,即B中的气体是氢气,B中的电极为阴极。
与B相连的电源a为负极。
⑷切断K2、K3,闭合K1,水槽中就构成了氢氧燃料电池,有氧气的一端是正极,有氢气的一端是负极,注意电解质溶液是碱性溶液。
答案:
⑴负⑵紫色向D靠近⑶4OH--4e-===O2↑+2H2O
⑷H2-2e-+2OH-===2H2O
我思我疑:
【高考链接】
【例1】(2010浙江卷.9)Li-Al/FeS电池是一种正在开发的车载电池,该电池中正极的电极反应式为:
2Li++FeS+2e-===Li2S+Fe有关该电池的下列中,正确的是
A.Li-Al在电池中作为负极材料,该材料中Li的化合价为+1价
B.该电池的电池反应式为:
2Li+FeS===Li2S+Fe
C.负极的电极反应式为Al-3e-=Al3+
D.充电时,阴极发生的电极反应式为:
Li2S+Fe-2e-===2Li++FeS
【答案】C
【解析】本题涵盖电解池与原电池的主体内容,涉及电极判断与电极反应式书写等问题。
根据给出的正极得电子的反应,原电池的电极材料Li-Al/FeS可以判断放电时(原电池)负极的电极反应式为Al-3e-=Al3+。
A、Li和Al分别是两极材料。
B、应有Al的参加。
D、应当是阳极失电子反应。
原电池与电解池的教学一定要重视电极反应式书写。
电极反应式书写是原电池和电解池内容或原理的核心。
原电池的教学可以从原电池反应的总反应式:
可以自发进行的氧化还原反应,负极反应(因负极就是参加反应的电极)开始。
电解池的教学要从外加电源的正负极,分析阳极(活性电极时本身参加反应)开始,最终获得被进行的氧化还原反应。
简单记住:
沸(负)羊(阳)羊(氧化)。
【例2】(2010广东理综卷.23)铜锌原电池(如图9)工作时,下列叙述正确的是
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,电子从负极流向正极
D.盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
【答案】BC
【解析】Zn是负极,故A错;电池总反应和没有形成原电池的氧化还原反应相同,故B正确;根据闭合回路的电流方向,在外电路中,电子由负极流向正极,故C正确;在溶液中,阳离子往正极移动,故D错误。
【例3】(2010福建卷.11)铅蓄电池的工作原理为:
Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,研读右图,
下列判断不正确的是()
A.K闭合时,d电极反应式:
PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO42-
B.K闭合时,II中SO42-向c电极迁移
C.当电路中转移0.2mol电子时,I中消耗的H2SO4为0.2mol
D.K闭合一段时间后,II可单独作为原电池,d电极为正极
【答案】C
【解析】K闭合时Ⅰ为电解池,Ⅱ为
电解池,Ⅱ中发生充电反应,d电极为阳极发生氧化反应,其反应式为PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO42-所以A正确。
在上述总反应式中,得失电子总数为2e-,当电路中转移0.2mol电子时,可以计算出Ⅰ中消耗的硫酸的量为0.2mol,所以B对。
K闭合一段时间,也就是充电一段时间后Ⅱ可以作为原电池,由于c表面生成Pb,放电时做电源的负极,d表面生成PbO2,做电源的正极,所以D也正确。
K闭合时d是阳极,阴离子向阳极移动,所以C错。
【例4】(09全国卷Ⅰ.28)下图所示装置中,甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100g
5.00%的NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和100g10.00%的K2SO4溶液,电极均为石墨电极。
⑴接通电源,经过一段时间后,测得丙中K2SO4浓度为10.47%,乙中c电极质量增加。
据此回答问题:
①电源的N端为极;
②电极b上发生的电极反应为;
③列式计算电极b上生成的气体在标准状态下的体积:
;
④电极c的质量变化是g;
⑤电解前后各溶液的酸、碱性大小是否发生变化,简述其原因:
甲溶液;
乙溶液;
丙溶液;
⑵如果电解过程中铜全部析出,此时电解能否继续进行,为什么?
【答案】⑴①正极②4OH--4e-=2H2O+O2↑。
③2.8L④16g⑤甲增大,因为相当于电解水;乙减小,OH-放电,H+增多。
丙不变,相当于电解水。
⑵可以因为CuSO4溶液已转变为H2SO4溶液,反应也就变为水的电解反应
【解析】⑴①乙中C电极质量增加,则c处发生的反应为:
Cu2++2e-=Cu,即C处为阴极,由此可推出b为阳极,a为阴极,M为负极,N为正极。
丙中为K2SO4,相当于电解水,设电解的水的质量为xg。
由电解前后溶质质量相等有,100×10%=(100-x)×10.47%,得x=4.5g,故为0.25mol。
由方程式2H2+O2
2H2O可知,生成2molH2O,转移4mol电子,所以整个反应中转化0.5mol电子,而整个电路是串联的,故每个烧杯中的电极上转移电子数是相等的。
②甲中为NaOH,相当于电解H2O,阳极b处为阴离子OH-放电,即4OH--4e-=2H2O+O2↑。
③转移0.5mol电子,则生成O2为0.5/4=0.125mol,标况下的体积为0.125×22.4=2.8L。
④Cu2++2e-=Cu,转移0.5mol电子,则生成的m(Cu)=0.5/2×64=16g。
⑤甲中相当于电解水,故NaOH的浓度增大,pH变大。
乙中阴极为Cu2+放电,阳极为OH
-放电,所以H+增多,故pH减小。
丙中为电解水,对于K2SO4而言,其pH几乎不变。
⑵铜全部析出,可以继续电解H2SO4,有电解液即可电解。
【归纳与思考】
【自主检测】
1.(2010江苏卷.11)右图是一种航天器能量储存系统原理示意图。
下列说法正确的是
A.该系统中只存在3种形式的能量转化
B.装置Y中负极的电极反应式为:
O2+2H2O+4e-===4OH-
C.装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生
D.装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放,并能实现化学能与电能间的完全转化
2.(2010全国卷1)右图是一种染料敏化太阳能电池的示意图。
电池的一个点极由有机光敏燃料(S)涂覆在TiO2纳米晶体表面制成,另一电极由导电玻璃镀铂构成,电池中发生的反应为:
TiO2/S
TiO2/S*(激发态)
TiO2/S*
TiO2/S++e-
I3-+2e-
3I-
2TiO2/S++3I-
TiO2/S+I3-
下列关于该电池叙述错误的是:
A.电池工作时,是将太阳能转化为电能
B.电池工作时,I-离子在镀铂导电玻璃电极上放电
C.电池中镀铂导电玻璃为正极
D.电池的电解质溶液中I-和I3-的浓度不会减少
3.(2010安徽卷.11)某固体酸燃料电池以CaHSO4固体为电解质传递H+,其基本结构见下图,电池总反应可表示为:
2H2+O2=2H2O,下列有关说法正确的是
A.电子通过外电路从b极流向a极
B.b极上的电极反应式为:
O2+2H2O+4e-=4OH-
C.每转移0.1mol电子,消耗1.12L的H2
D.H+由a极通过固体酸电解质传递到b极
4.(09广东理科基础
.25)钢铁生锈过程发生如下反应:
①2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2;
②4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3;
③2Fe(OH)3===Fe2O3+3H2O。
下列说法正确的是
A.反应①、②中电子转移数目相等
B.反应①中氧化剂是氧气和水
C.与铜质水龙头连接处的钢质水管不易发生腐蚀
D.钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀
5.电解100mL含c(H+)=0.30mol/L的下列溶液,当电路中通过0.04mol电子时,
理论上析出金属质量最大的是
A.0.10mol/LAg+B.0.20mol/LZn2+C.0.20mol/LCu2+D.0.20mol/LPb2+
6.根据右图,可判断出下列离子方程式错误的是
A.2Ag(s)+Cd2+(aq)===2Ag+(aq)+Cd(s)
B.Co2+(aq)+Cd(s)===Co(s)+Cd2+(aq)
C.2Ag+(aq)+Cd(s)===2Ag(s)+Cd2+(aq)
D.2Ag+(aq)+Co(s)===2Ag(s)+Co2+(aq)
7.一种新型酸性乙醇电池用磺酸类质子作溶剂,
比甲醇电池效率高出32倍,电池反应式为:
C2H5OH
+3O2===2CO2+3H2O,电池构造如右图所示。
下列
说法正确的是
A.放电过程中,电源内部的H+从正极区向负极区迁移
B.通入乙醇的电极是与正极
C.该电池的正极反应为:
4H++O2+4e-===2H2O
D.用该电池作电源,用惰性电极电解饱和NaCl溶液时,
每消耗0.2molC2H5OH,阴极产生标准状况下气体的体积为13.44L
8.用惰性电极电解一定量的硫酸铜溶液,电解一段时间后,向电解液中加入0.1mol碱式碳酸铜晶体(不含结晶水),恰好使溶液恢复到电解前的浓度和pH。
下列叙述不正确的是
A.电解过程产生的气体体积(在标准状况下)为5.6L
电解
B.电解过程转移的电子数为3.612×1023个
C.电解过程中只发生了2CuSO4+2H2O===2Cu+O2↑+2H2SO4
D.加入碱式碳酸铜的反应是:
Cu2(OH)2CO3+2H2SO4===2CuSO4+CO2↑+3H2O
9.为探究钢铁的吸氧腐蚀原理设计了如图所示装置,下列
说法中错误的是
A.正极的电极方程式为:
O2+2H2O+4e-===4OH-
B.将石墨改成镁电极,难以观察到铁锈生成
C.若向自来水中加入少量NaCl(s),可较快地看到铁锈
D.分别向铁、石墨电极附近吹入O2,前者铁锈出现得快
10.电浮选凝聚法是工业上采用的一种污水处理方法:
保持污水的pH在5.0~6.0之间,通过电解生成Fe(OH)3沉淀。
Fe(OH)3具有吸附性,可吸附污物而沉积下来,具有净化水的作用。
阴极产生的气泡把污水中的悬浮物带到水面形成浮渣层,刮去(或撇掉)浮渣层,即起到浮选净化的作用。
某科研小组用电浮选法处理污水,设计装置如图所示:
⑴实验时若污水中离子浓度较小,导电能力较差,产生气泡速率较慢,无法使悬浮物形成浮渣。
此时应向污水中加入适量的。
A.H2SO4B.BaSO4C.Na2SO4D.NaOHE.CH3CH2OH
⑵电解池阳极的电极反应式分别是①;②4OH--4e-===2H2O+O2↑
⑶电极反应①和②的生成物反应得到Fe(OH)3沉淀的离子方程式是
。
⑷熔融盐燃料电池是以熔融碳酸盐为电解质,以CH4为燃料,空气为氧化剂,稀土金属材料为电极。
已知负极的电极反应是CH4+4CO32--8e-===5CO2+2H2O。
①正极的电极反应是。
②为了使该燃料电池长时间运行,电池的电解质组成应保持稳定。
为此电池工作时必须有部分A物质参加循环。
则A物质的化学式是。
⑸实验过程中,若在阴极产生了44.8L(标况)气体,则熔融盐燃料电池消耗CH4L(标况)。
【自主测评参考答案】
1.【答案】C
【解析】本题主要考查的是电化学知识。
A项,在该装置系统中,有四种能量转化的关系,即太阳能、电能、化学能和机械能之间的相互转化;B项,装置Y为氢氧燃料电池,负极电极反应为H2-2e-+2OH-=2H2O;C项,相当于用光能电解水,产生H2和O2,实现燃料(H2)和氧化剂(O2)的再生;D项,在反应过程中,有能力的损耗和热效应的产生,不可能实现化学能和电能的完全转化。
综上分析可知,本题选C项。
2.【答案】B
【解析】B选项错误,从示意图可看在外电路中电子由负极流向正极,也即镀铂电极做正极,发生还原反应:
I3-+2e-=3I-;A选项正确,这是个太阳能电池,从装置示意图可看出是个原电池,最终是将光能转化为化学能,应为把上面四个反应加起来可知,化学物质并没有减少;C正确,见B选项的解析;D正确,此太阳能电池中总的反应一部分实质就是:
D正确,此太阳能电池中总的反应一部分实质就是:
I3
-
3I-的转化(还有I2+I-
I3-),另一部分就是光敏有机物从激发态与基态的相互转化而已,所有化学物质最终均不被损耗!
3.【答案】D
【解析】首先明确a为负极,这样电子应该是通过外电路由a极流向b,A错;B选项反应应为O2+4e-+4H+===2H2O;C没有告知标准状况。
4.
【答案】A
【解析】①反应中消耗O2的量相等,两个反应也仅有O2作为氧化剂,故转移电子数是相等的,A项正确。
①中H2O的H、O两元素的化合价没有变,故不作氧化剂,B项错;铜和钢构成原电池,腐蚀速度加快,C项错;钢铁是铁和碳的混合物,在潮湿的空气的中易发生吸氧腐蚀,属于电化学腐蚀,故D项错。
5.【答案】C
【解析】100mL溶液中各离子的物质的量分别为n(H+)=0.03mol,n(Ag+)=0.01mol,n(Zn2+)=0.02mol,n(Cu2+)=0.02mol,n(Pb2+)=0.02mol,当分别电解它们的溶液通过0.04mol电子时,A中0.01molAg全部析出,其质量为1.08g,B中H+首先放电,因此析出Zn为0.005mol,质量为0.325g,C中0.02molCu全部析出,质量为1.28g,D中H+首先得电子,析出Pb为0.005mol,质量为1.035g,因此C中析出金属质量最大。
6.【答案】A
【解析】从两个原电池的电极可以判断出三种金属的活泼性关系为:
Cd>Co>Ag,根据根据还原反应可知A项错误。
7.【答案】C
【解析】A项,H+应向正极区迁移;B项,通入O2的电极为正极;D项每消耗0.2molC2H5OH,转移的电子为2.4mol,此时阴极上产生的气体政府上为1.2mol,在标况下即为26.88L。
8.【答案】C
【解析】加0.1molCu2(OH)2CO3恢复到原状,可将其看做0.1mol的2CuO·H2O·CO2,
电解
电解
说明电解过程发生的反应为:
①2CuSO4+2H2O===2Cu+O2↑+2H2SO4和②H2O===2H2↑+O2↑。
其中反应①析出铜0.2mol,消耗硫酸铜0.2mol,反应②消耗水为0.1mol。
反应①生成氧气0.1mol,反应②生成气体为0.15mol,共生成气体5.6L(标况);反应①转移电子0.4mol,反应②转移电子0.2mol,共转移电子0.6mol,转移电子数为3.612×1023个。
9.【答案】D
【解析】铁是负极,失电子被氧化成Fe2+,在正极氧气得电子发生还原反应被还原生成OH-,故将氧气吹向石墨电极的腐蚀速率比吹向铁电极的快,A正确,D错;向自来水中加入NaCl(s),可使电解质溶液的导电能力增强,加快腐蚀速率,C正确;但若将石墨电极换成Mg电极,则负极为Mg,Fe被保护,难以看到铁生锈,B正确。
10.【答案】⑴C
⑵Fe-2e-===Fe2+
⑶4Fe2++10H2O+O2===4Fe(OH)3↓+8H+
⑷①O2+2CO2+4e-===2CO32-(2O2+4CO2+8e-===4CO32-)
②CO2
⑸11.2
【解析】⑴通过电解生成Fe(OH)3沉淀,不能加酸,A项不符合;BaSO4难溶于水,B项不符合;Na2SO4参水溶液没有影响,可以增强导电能力,故C项符合;保持污水的pH在5.0~6.0之间,NaOH显然不符合;CH3CH2OH为非电解质,导电能力差,E项不符合;故答案为C。
⑵燃料电池中,通入CH4的一极为负极,通入空气的一极为正极,故烧杯中铁为阳极,电极反应为:
Fe-2e-===Fe2+。
⑶电极反应①和②的生成物反应得到Fe(OH)3沉淀的离子方程式是:
4Fe2++10H2O+O2===4Fe(OH)3↓+8H+。
⑷①已知负极的电极反应是:
CH4+4CO32--8e-===5CO2+2H2O,而总反应方程式是:
CH4+2O2===CO2+2H2O,用总反应式减去负极反应式即得正极反应式:
O2+2CO2+4e-==2CO32-。
②根据电极反应,A物质的化学式是CO2。
⑸阴极的电极反应为:
2H++2e-===H2,产生44.8L(标况)气体,转移4mole-;根据:
CH4+4CO32--8e-===5CO2+2H2O知,熔融盐电池消耗CH411.2L。
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