高三化学二轮复习 第1部分 专题2 化学基本理论 突破点7 原电池与电解池.docx
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高三化学二轮复习第1部分专题2化学基本理论突破点7原电池与电解池
突破点7 原电池与电解池
提炼1 原电池与电解池工作原理
1.原电池和电解池的比较
2.原电池正、负极的判断方法
3.电解池阴、阳极的判断方法
提炼2 电极反应式书写及电极产物分析
1.原电池电极反应式的书写
(2)复杂电极反应式的书写
如CH4碱性燃料电池负极反应式的书写:
CH4+2O2+2OH-===CO
+3H2O……总反应式
2O2+4H2O+8e-===8OH-……正极反应式
CH4+10OH--8e-===7H2O+CO
……负极反应式
2.电解池电极反应式的书写步骤
提示:
(1)Fe作阳极时,电极反应式为:
Fe-2e-===Fe2+。
(2)Fe3+在阴极放电时,电极反应式为:
Fe3++e-===Fe2+。
3.燃料电池电极反应式的书写方法
(1)找位置、写式子:
负极反应式应符合“还原剂-ne-―→氧化产物”的形式;正极反应式符合“氧化剂+ne-―→还原产物”的形式。
燃料中的碳、氢元素及助燃剂氧气在不同介质中放电后的具体存在形式不同。
①酸性介质:
碳、氢元素分别转化为CO2、H+;O2转化为H2O。
②碱性介质:
碳、氢元素分别转化为CO
、H2O;O2转化为OH-。
(2)查电荷,添离子:
检查
(1)中电极反应式的电荷是否守恒,若是在溶液中进行的反应,则可通过添加OH-或H+的方法使电荷守恒,但要注意,在酸性溶液中不添加OH-,在碱性溶液中不添加H+。
若是在熔融态电解质中进行的反应,则可添加熔融态电解质中的相应离子。
(3)查原子,添物质:
检查是否符合原子守恒,若是在溶液中进行的反应,可添加H2O使原子守恒。
(4)对于较复杂的电极反应,可用总反应式减去较简单一极的电极反应式得到。
4.可充电电池原理分析
(1)充电时电极的连接:
充电的目的是使电池恢复其供电能力,因此负极应与电源的负极相连以获得电子,可简记为负接负后作阴极,正接正后作阳极。
(2)工作时的电极反应式:
同一电极上的电极反应式,在充电与放电时,形式上恰好是相反的;同一电极周围的溶液,充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。
提炼3 金属的腐蚀与防护1.金属腐蚀快慢程度的判断方法
2.金属电化学保护的两种方法
回访1 (2016·全国乙卷)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和SO
可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。
下列叙述正确的是( )
【导学号:
14942031】
A.通电后中间隔室的SO
离子向正极迁移,正极区溶液pH增大
B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品
C.负极反应为2H2O-4e-===O2+4H+,负极区溶液pH降低
D.当电路中通过1mol电子的电量时,会有0.5mol的O2生成
B [A项正极区发生的反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+,由于生成H+,正极区溶液中阳离子增多,故中间隔室的SO
向正极迁移,正极区溶液的pH减小。
B项负极区发生的反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,阴离子增多,中间隔室的Na+向负极迁移,故负极区产生NaOH,正极区产生H2SO4。
C项由B项分析可知,负极区产生OH-,负极区溶液的pH升高。
D项正极区发生的反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+,当电路中通过1mol电子的电量时,生成0.25molO2。
]
回访2 (2016·全国甲卷)MgAgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。
下列叙述错误的是( )
A.负极反应式为Mg-2e-===Mg2+
B.正极反应式为Ag++e-===Ag
C.电池放电时Cl-由正极向负极迁移
D.负极会发生副反应Mg+2H2O===Mg(OH)2+H2↑
B [MgAgCl电池的电极反应:
负极Mg-2e-===Mg2+,正极2AgCl+2e-===2Ag+2Cl-,A项正确,B项错误。
在原电池的电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极,C项正确。
Mg是活泼金属,能和H2O发生反应生成Mg(OH)2和H2,D项正确。
]
回访3 (2015·全国卷Ⅰ)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置,其工作原理如图所示。
下列有关微生物电池的说法错误的是( )
A.正极反应中有CO2生成
B.微生物促进了反应中电子的转移
C.质子通过交换膜从负极区移向正极区
D.电池总反应为C6H12O6+6O2===6CO2+6H2O
A [图示所给出的是原电池装置。
A.有氧气反应的一极为正极,发生还原反应,因为有质子通过,故正极电极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O,C6H12O6在微生物的作用下发生氧化反应,电极反应式为C6H12O6-24e-+6H2O===6CO2+24H+,负极上有CO2产生,故A不正确。
B.微生物电池是指在微生物作用下将化学能转化为电能的装置,所以微生物促进了反应中电子的转移,故B正确。
C.质子是阳离子,阳离子由负极区移向正极区,故C正确。
D.正极的电极反应式为6O2+24e-+24H+===12H2O,负极的电极反应式为C6H12O6-24e-+6H2O===6CO2+24H+,两式相加得电池总反应为C6H12O6+6O2===6CO2+6H2O,故D正确。
]
回访4 (2014·新课标全国卷Ⅰ节选)次磷酸(H3PO2)是一种精细磷化工产品,具有较强的还原性。
H3PO2也可用电渗析法制备。
“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过):
(1)写出阳极的电极反应式____________________________________。
(2)分析产品室可得到H3PO2的原因___________________________。
(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2:
将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。
并撤去阳极室与产品室之间的阳膜,从而合并了阳极室与产品室。
其缺点是产品中混有_____杂质。
该杂质产生的原因是______。
[解析]
(1)阳极发生氧化反应,在反应中OH-失去电子,电极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑。
(2)H2O放电产生H+,H+进入产品室,原料室中的H2PO
穿过阴膜扩散至产品室,二者发生反应:
H++H2PO
H3PO2。
(3)如果撤去阳膜,H2PO
或H3PO2可能被氧化。
[答案]
(1)2H2O-4e-===O2↑+4H+
(2)阳极室的H+穿过阳膜扩散至产品室,原料室的H2PO
穿过阴膜扩散至产品室,二者反应生成H3PO2
(3)PO
H2PO
或H3PO2被氧化
热点题型1 新型化学电源
1.(2016·厦门质检)锂空气电池是高能量密度的新型电池,结构如图所示。
下列说法正确的是( )
A.固体电解质只有Li+可通过
B.电池反应为4Li+O2
2Li2O
C.充电时,水性电解液的pH将升高
D.放电时,若外电路有0.1mole-通过时,理论上将消耗1.12LO2(标准状况)
A [A项,固体电解质只有Li+可通过,形成闭合回路,正确;B项,电池反应:
4Li+O2+2H2O
4LiOH,错误;C项,充电时,水性电解液中的电极反应式为4OH--4e-===O2↑+2H2O,消耗OH-,pH降低,错误;D项,通过0.1mol电子时,消耗的O2在标准状况下体积为
×22.4L·mol-1=0.56L,错误。
]
2.(2016·黄冈调研)如图甲是利用一种微生物将废水中的尿素(H2NCONH2)的化学能直接转化为电能并生成环境友好物质的装置,同时利用此装置的电能在铁上镀铜。
下列说法正确的是( )
甲
乙
A.H+透过质子交换膜由右向左移动
B.铜电极应与X相连接
C.M电极反应式:
H2NCONH2+H2O-6e-===CO2↑+N2↑+6H+
D.当N电极消耗0.25mol气体时,铁电极增重16g
C [根据图中信息可知,N极发生的电极反应式:
O2+4H++4e-===2H2O,故M为负极,N为正极,X为阴极,Y为阳极。
A项,H+透过质子交换膜由负极向正极移动,错误;B项,铜电极失电子作阳极应与Y相连接,铁电极作阴极与X相连接,错误;C项,M电极失电子,电极反应式:
H2NCONH2+H2O-6e-===CO2↑+N2↑+6H+,正确;D项,铁电极上铜离子得电子生成铜,当N电极消耗0.25mol气体时,转移1mol电子,铁电极增重32g,错误。
]
3.(2016·全国丙卷)锌空气燃料电池可用作电动车动力电源,电池的电解质溶液为KOH溶液,反应为2Zn+O2+4OH-+2H2O===2Zn(OH)
。
下列说法正确的是( )
【导学号:
14942032】
A.充电时,电解质溶液中K+向阳极移动
B.充电时,电解质溶液中c(OH-)逐渐减小
C.放电时,负极反应为:
Zn+4OH--2e-===Zn(OH)
D.放电时,电路中通过2mol电子,消耗氧气22.4L(标准状况)
C [A项,充电时装置为电解池,溶液中的阳离子向阴极移动。
B项,充电时的总反应为放电时的逆反应:
2Zn(OH)
===2Zn+O2+4OH-+2H2O,c(OH-)逐渐增大。
C项,放电时负极失电子发生氧化反应,由放电时的总反应可知,负极反应式为Zn+4OH--2e-===Zn(OH)
。
D项,由放电时的总反应可知,电路中通过2mol电子时,消耗0.5molO2,其体积为11.2L(标准状况)。
]
4.(2016·东北三省四市一模)高铁酸盐在能源、环保等方面有着广泛的用途。
高铁酸钾(K2FeO4)是一种理想的水处理剂,高铁电池的研制正在进行中。
如图甲是高铁电池的模拟实验装置:
甲
乙
(1)该电池放电时正极的电极反应式为_____________________________;
若维持电流强度为1A,电池工作十分钟,理论消耗Zn________g。
(已知F=96500C/mol)
(2)盐桥中盛有饱和KCl溶液,此盐桥中氯离子向________(填“左”或“右”)移动;若用阳离子交换膜代替盐桥,则钾离子向________(填“左”或“右”)移动。
(3)图乙为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电过程曲线,由此可得出高铁电池的优点有_________________________________。
[解析]
(1)根据高铁电池装置可确定Zn和C分别作负极和正极,放电时FeO
在正极发生还原反应,其电极反应式为FeO
+4H2O+3e-===Fe(OH)3↓+5OH-;电池工作十分钟,Q=It=1A×600s=600C,转移电子的物质的量n(e-)=
≈0.0062mol,反应中1molZn转移2mol电子,根据正比关系
=
,即求得m(Zn)=0.2g。
(2)原电池工作时,盐桥中阴离子向负极移动,即Cl-向右移动,改用阳离子交换膜代替盐桥,阳离子向正极移动,即K+向左移动。
(3)从图乙可看出高铁电池和高能碱性电池相比,具有使用时间长、工作电压稳定的优点。
[答案]
(1)FeO
+4H2O+3e-===Fe(OH)3↓+5OH- 0.2
(2)右 左
(3)使用时间长、工作电压稳定
解决新型化学电源问题的关键
1.电池类型:
可充电电池首先明确放电方向是原电池,充电方向是电解池。
2.电极名称:
放电时是原电池,为正极、负极;充电时是电解池,为阳极、阴极。
3.电极材料和电极反应:
电极反应物、电极产物及其状态,电极材料是否参与电极反应;电子或电流的流动方向,离子的移动方向。
4.电解质溶液:
电解质溶液是否参与电池反应;电解质溶液是否与电极产物反应。
5.反应式:
电极反应式和电池总反应式。
6.反应的量的关系:
电极质量的变化、电极产物的量、转移电子的量等。
热点题型2 电解原理及其应用
1.(2016·济南调研)用电解法处理含硝酸根离子(NO
)废水的原理如图所示。
下列说法错误的是( )
A.铅蓄电池的A极为正极,电极材料为PbO2
B.铅蓄电池放电时负极质量增加
C.该电解池的阴极反应为2NO
+12H++10e-===N2↑+6H2O
D.若电路中通过2mol电子,则阳极室溶液质量减少32g(忽略气体的溶解)
D [根据图示,电解池的右侧区域硝酸根离子被还原为氮气,所以应为电解池的阴极,进而确定A、B电极分别是铅蓄电池的正、负极。
A项正确,铅蓄电池的反应原理是Pb+PbO2+4H++2SO
2PbSO4+2H2O,A为正极,反应为PbO2+2e-+4H++SO
===PbSO4+2H2O;B项正确,负极反应为Pb-2e-+SO
===PbSO4,放电过程中固体电极质量增加;C项正确,阴极发生还原反应,硝酸根离子被还原为氮气;D项错误,阳极区溶液中,水电离的氢氧根离子放电2H2O-4e-===O2↑+4H+,电路中每通过2mol电子,则溶液质量损失16g。
]
2.(2016·北京高考)用石墨电极完成下列电解实验。
实验一
实验二
装置
现象
a、d处试纸变蓝;b处变红,局部褪色;c处无明显变化
两个石墨电极附近有气泡产生;n处有气泡产生……
下列对实验现象的解释或推测不合理的是( )
A.a、d处:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
B.b处:
2Cl--2e-===Cl2↑
C.c处发生了反应:
Fe-2e-===Fe2+
D.根据实验一的原理,实验二中m处能析出铜
B [根据a、d处试纸变蓝,可判断a、d两点都为电解池的阴极,发生的电极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,A选项正确;b处变红,局部褪色,说明b为电解池的阳极,2Cl--2e-===Cl2↑,氯气溶于水生成盐酸和次氯酸:
Cl2+H2O===HCl+HClO,HCl溶液显酸性,HClO具有漂白性,B选项不正确;c处为阳极,铁失去电子生成亚铁离子,发生的电极反应为Fe-2e-===Fe2+,C选项正确;实验一中ac形成电解池,db形成电解池,所以实验二中也形成电解池,铜珠的左端为电解池的阳极,铜失电子生成铜离子,m、n是铜珠的右端,为电解池的阴极,开始时产生气体,后来铜离子得到电子生成单质铜,故D选项正确。
]
3.(2016·杭州质检)如图所示的阴、阳离子交换膜电解槽中,用惰性电极电解Na2SO4溶液可制得硫酸和氢氧化钠溶液。
下列说法不正确的是( )
【导学号:
14942033】
A.阳极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-
B.N为阴离子交换膜
C.进口b补充的是稀NaOH溶液
D.电解过程中阳极附近的pH不断降低
A [A项,电解Na2SO4溶液,实际上是电解水,所以阳极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,错误;B项,由H2出口知电极A为阴极,电极B为阳极,阳极水中的OH-放电,故要不断补充阴离子,故N为阴离子交换膜,正确;C项,电极A为阴极,水中的H+放电,大量的氢氧化钠在阴极附近生成,故在b口加入稀氢氧化钠以增强导电性,正确;D项,阳极反应不断地消耗水中的氢氧根离子,故pH不断降低,正确。
]
4.(2016·咸阳一模节选)制备KMnO4的最佳方法是电解法,实验室以镍片(不参与反应)和铁片作电极,电解K2MnO4溶液(绿色)制备KMnO4,装置如图:
请回答下列问题:
(1)A应与直流电源________极相连接,铁片电极上有气体放出,电极反应式为______________________________________________________________。
(2)电解过程中可观察到溶液由绿色变为________。
(3)电解一段时间后,溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
[解析]
(1)电解K2MnO4溶液(绿色)制备KMnO4,MnO
发生氧化反应,则Ni作阳极,而Fe作阴极,故Fe与直流电源的负极相连,铁片上H+得电子发生还原反应,故有气体放出。
(2)电解一段时间后,MnO
转化为MnO
,溶液由绿色变为紫色。
(3)电解总反应式为2K2MnO4+2H2O
2KMnO4+2KOH+H2↑,则电解一段时间后,生成KOH,溶液的pH增大。
[答案]
(1)负
2H++2e-===H2↑(或2H2O+2e-===H2↑+2OH-)
(2)紫色
(3)增大
1.有关电解池的分析思路
2.电解池中电极反应式的书写步骤
热点题型3 电化学原理的综合应用
1.(2016·山西四校联考)用酸性甲醛燃料电池为电源进行电解的实验装置如图所示,下列说法中正确的是( )
A.当a、b都是铜作电极时,电解的总反应方程式为2CuSO4+2H2O
2H2SO4+2Cu+O2↑
B.燃料电池工作时,正极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-
C.当燃料电池消耗2.24L甲醛气体时,电路中理论上转移0.2mole-
D.燃料电池工作时,负极反应为HCHO+H2O-2e-===HCOOH+2H+
D [A项,若a、b都是铜作电极,则阳极是Cu放电,而不是电解质溶液中的OH-放电,错误;B项,酸性介质中不可能生成大量OH-,错误,正确的为O2+4H++4e-===2H2O;C项,未说明气体是否在标准状况下而无法计算,错误;D项,负极是燃料(HCHO)在酸性条件下失去电子发生氧化反应,正确。
]
2.(2016·枣庄滕州月考)用下列装置能达到预期目的的是( )
A.甲图装置可用于电解精炼铝
B.乙图装置可得到持续、稳定的电流
C.丙图装置可达到保护钢闸门的目的
D.丁图装置可达到保护钢闸门的目的
D [电解精炼铝时,粗铝作阳极,纯铝作阴极,但电解质溶液不能是氯化铝溶液,否则阴极上会析出氢气,可以用熔融的氧化铝作电解质,A项错误;原电池可以产生电流,但不能提供持续、稳定的电流,B项错误;丙中形成原电池,钢闸门是负极,易被腐蚀,不能达到保护钢闸门的目的,C项错误;丁中形成电解池,钢闸门是阴极,不易被腐蚀,可达到保护钢闸门的目的,D项正确。
]
3.(2016·湖南益阳三模)用惰性电极电解2L0.5mol/L的硝酸银溶液,当在电路中通过0.1mol电子后,调换正、负极,电路中又通过了0.2mol电子,此时溶液pH为(假设溶液体积不变)( )
A.1 B.2
C.3 D.无法确定
A [2L0.5mol/L的硝酸银溶液含n(Ag+)=1mol,调换正、负极前,阳极电极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑;阴极电极反应式为4Ag++4e-===4Ag,则电路中通过0.1mole-时生成0.1molAg,同时反应0.1molOH-,得到0.1molH+;调换正、负极后,阳极电极反应式为4Ag-4e-===4Ag+(先),4OH--4e-===2H2O+O2↑(后);阴极电极反应式为4Ag++4e-===4Ag,故总共得到0.2molH+,c(H+)=
=0.1mol/L,pH=-lgc(H+)=1。
]
4.(2016·河南商丘二模)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。
Fe(OH)3胶体有吸附性,可吸附水中的污染物而沉积下来,具有净化水的作用,其原理如图所示。
下列说法正确的是( )
A.石墨电极上发生氧化反应
B.根据图示,物质A为CO2
C.甲烷燃料电池中CO
向空气一极移动
D.为增强污水的导电能力,可向污水中加入适量乙醇
B [甲烷发生氧化反应,所在电极为电源的负极,故石墨为阴极,发生还原反应,A项错误;甲烷在负极的反应为CH4-8e-+4CO
===5CO2+2H2O,A为CO2,B项正确;CO
在工作过程中向负极移动,通入空气的一极为电源的正极,C项错误;乙醇为非电解质,不能增强水溶液的导电能力,D项错误。
]
5.(名师押题)甲醇是一种重要的燃料,在电化学领域有着重要的用途。
请回答下列问题:
(1)一种新型的甲醇燃料手机电池,其持续供电时间长达320小时,电池总反应式为2CH3OH+4NaOH+3O2===2Na2CO3+6H2O。
该电池的负极反应式为
______________________________________________________________。
(2)甲醇空气燃料电池的工作原理如图甲所示(箭头表示物质的进入或排出):
①甲电极为该燃料电池的________(选填“正极”或“负极”)。
②a、b、c、d四个进出口的物质分别为________、________、________、________(填写化学式或结构简式)。
③用该电池作供电电源,用惰性电极电解足量的CuSO4溶液,若阴极增重19.2g,则理论上消耗甲醇________g。
电解后,溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
图甲
图乙
(3)尿素树脂生产过程中所排放的废水中往往含有甲醇,这种含甲醇的废水会对环境造成污染。
向该废水中加入一定量的酸性CoSO4溶液,然后采用图乙所示装置进行电解即可除去甲醇,除甲醇的原理:
电解产物Co3+将废水中的甲醇氧化为CO2。
①阳极为_______(选填“石墨Ⅰ”或“石墨Ⅱ”)。
阳极反应式为_______。
②请用离子方程式表示该法除甲醇的原理为_________________。
③排放该电解后的废水的铁质管道易被腐蚀,除与Co2+发生置换反应外,还发生电化学腐蚀,发生还原反应的电极反应式为____________________。
[解析]
(1)由电池总反应式知,甲醇在负极失电子,被氧化为CO2,CO2在碱性条件下转化成CO
。
(2)①原电池中,阳离子从负极移向正极,该燃料电池中H+由甲电极移向乙电极,故甲电极为负极。
②负极为甲醇失电子的氧化反应,故b口进入的是CH3OH,a口排出的是CO2;正极为氧气得电子被还原为水的反应,故c口进入的物质是O2,d口排出的物质是H2O。
③电解CuSO4溶液时,阴极发生反应Cu2++2e-===Cu,阴极增重19.2g,则电路中通过电子的物质的量为
×2=0.6mol,由该燃料电池的负极反应式CH3OH-6e-+H2O===CO2↑+6H+可知,消耗甲醇的质量为
×32g·mol-1=3.2g。
电解CuSO4溶液的总反应式为2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4,电解过程中有H2SO4生成,故溶液pH减小。
(3)①电解装置中,连接电源正极的是阳极,阳极上发生氧化反应:
Co2+失电子被氧化为Co3+。
②根据题目提示,除去甲醇的反应中,反应物为Co3+和甲醇,甲醇被氧化为CO2,而Co3+被还原为Co2+。
③该电解后的废水为酸性溶液,钢铁发生析氢腐蚀。
[答案]
(1)CH3OH+8OH--6e-===CO
+6H2O
(2)①负极 ②CO2 CH3OH O2 H2O ③3.2 减小
(3)①石墨Ⅰ Co2+-e-===Co3+ ②6Co3++CH3OH+H2O===6Co2++CO2↑+6H+ ③2H++2e-===H2↑
1.电化学计算的基本方法
原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液的pH计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算、产物的
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