高考化学二轮专题七电化学.docx
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高考化学二轮专题七电化学
[考纲要求] 1.了解原电池和电解池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。
2.了解常见化学电源及其工作原理。
3.理解金属发生电化学腐蚀的原因;了解金属腐蚀的危害和防止金属腐蚀的措施。
考点一 原电池原理的全面突破
1.通常只有能自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。
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
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
盐桥的作用
(1)平衡电荷;
(2)避免断路时发生化学腐蚀(隔离作用)
说明
(1)无论是装置Ⅰ还是装置Ⅱ,电子均不能通过电解质溶液。
(2)在装置Ⅰ中,由于不可避免会直接发生Zn+Cu2+===Cu+Zn2+而使化学能转化为热能,所以装置Ⅱ的能量转化率高。
题组一 对比设计两类原电池
1.[2013·广东理综,33
(2)(3)]
(2)能量之间可相互转化:
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完成原电池甲的装置示意图(见上图),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以铜片为电极之一,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、乙两种原电池可更有效地将化学能转化为电能的是________,其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)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
(2)的材料中应选__________作阳极。
答案
(2)①
(或其他合理答案)
②电极逐渐溶解,表面有红色固体析出
③甲 在甲装置中,负极不和Cu2+接触,避免了Cu2+直接与负极发生反应而使化学能转化为热能
(3)锌片
解析
(2)①根据题给条件和原电池的构成条件可得:
a.若用Zn、Cu、CuSO4(aq)、ZnSO4(aq)组成原电池,Zn作负极,Cu作正极,Zn插入到ZnSO4(aq)中,Cu插入到CuSO4(aq)中。
b.若用Fe、Cu、FeSO4(aq)、CuSO4(aq)组成原电池,Fe作负极,Cu作正极,Fe插入到FeSO4(aq)中,Cu插入到CuSO4(aq)中。
c.注意,画图时要注意电极名称、电极材料、电解质溶液名称(或化学式),并形成闭合回路。
②由于金属活动性Zn>Fe>Cu,锌片或铁片作负极,由于Zn或Fe直接与CuSO4溶液接触,工作一段时间后,负极逐渐溶解,表面有红色固体析出。
③带有盐桥的甲原电池中负极没有和CuSO4溶液直接接触,二者不会直接发生置换反应,化学能不会转化为热能,几乎全部转化为电能;而原电池乙中的负极与CuSO4溶液直接接触,两者会发生置换反应,部分化学能转化为热能,化学能不可能全部转化为电能。
(3)由牺牲阳极的阴极保护法可得,铁片作正极(阴极)时被保护,作负极(阳极)时被腐蚀,所以应选择比铁片更活泼的锌作负极(阳极)才能有效地保护铁不被腐蚀。
方法归纳
原电池的设计思路
首先根据离子方程式判断出氧化剂、还原剂,明确电极反应。
然后再分析两剂状态确定电极材料,若为固态时可作电极,若为溶液时则只能作电解质溶液。
然后补充缺少的电极材料及电解质溶液。
电极材料一般添加与电解质溶液中阳离子相同的金属作电极(使用惰性电极也可),电解质溶液则是一般含有与电极材料形成的阳离子相同的物质。
最后再插入盐桥即可。
题组二 “盐桥”的作用与化学平衡的移动
2.控制适合的条件,将反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成如下图所示的原电池。
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+被还原
C.电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态
D.电流计读数为零后,在甲中溶入FeCl2固体,乙中的石墨电极为负极
答案 D
解析 由图示结合原电池原理分析可知,Fe3+得电子生成Fe2+被还原,I-失去电子生成I2被氧化,所以A、B正确;电流计读数为零时Fe3+得电子速率等于Fe2+失电子速率,反应达到平衡状态;D项在甲中溶入FeCl2固体,平衡2Fe3++2I-2Fe2++I2向左移动,I2被还原为I-,乙中石墨为正极,不正确。
3.某同学为探究Ag+和Fe2+的反应,按下图连接装置并加入药品(盐桥中的物质不参与反应),发现电压表指针偏移。
电子由石墨经导线流向银。
放置一段时间后,向甲烧杯中逐渐加入浓Fe2(SO4)3溶液,发现电压表指针的变化依次为偏移减小―→回到零点―→逆向偏移。
则电压表指针逆向偏移后,银为________极(填“正”或“负”)。
由实验得出Ag+和Fe2+反应的离子方程式是________________________________________________________________。
答案 负 Fe2++Ag+Fe3++Ag
失误防范
1.把氧化剂、还原剂均为溶液状态的氧化还原反应设计成原电池时,必须使用盐桥才能实现氧化剂与还原剂的分离,否则不会有明显的电流出现。
2.电子流向的分析方法
(1)改变条件,平衡移动;
(2)平衡移动,电子转移;
(3)电子转移,判断区域;
(4)根据区域,判断流向;
(5)根据流向,判断电极。
考点二 几种重要的化学电池
高考中常见的新型电池有“氢镍电池”、“高铁电池”、“碱性锌锰电池”、“海洋电池”、“燃料电池”(如新型细菌燃料电池、氢氧燃料电池、丁烷燃料电池、甲醇质子交换膜燃料电池、CO燃料电池)、“锂离子电池”、“锌银电池”、“纽扣电池”、“Mg—AgCl电池”、“Mg—H2O2电池”等。
新型电池是对电化学原理的综合考查,在高考中依托新型电池考查的电化学原理知识有以下几点。
1.判断电极
(1)“放电”时正、负极的判断
①负极:
元素化合价升高或发生氧化反应的物质;
②正极:
元素化合价降低或发生还原反应的物质。
(2)“充电”时阴、阳极的判断
①阴极:
“放电”时的负极在“充电”时为阴极;
②阳极:
“放电”时的正极在“充电”时为阳极。
2.微粒流向
(1)电子流向
①电解池:
电源负极→阴极,阳极→电源正极;
②原电池:
负极→正极。
提示:
无论是电解池还是原电池电子均不能流经电解质溶液。
(2)离子流向
①电解池:
阳离子移向阴极,阴离子移向阳极;
②原电池:
阳离子移向正极,阴离子移向负极。
3.书写电极反应式
(1)“放电”时电极反应式的书写
①依据条件,指出参与负极和正极反应的物质,根据化合价的变化,判断转移电子的数目;
②根据守恒书写负极(或正极)反应式,特别应注意电极产物是否与电解质溶液共存。
(2)“充电”时电极反应式的书写
充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反,充电的阳极反应为放电时正极反应的逆过程,充电的阴极反应为放电时负极反应的逆过程。
特别提醒 在书写“放电”时电极反应式时,要注意:
(1)阳离子在正极上参与反应,在负极上就必须生成;
(2)阴离子在负极上参与反应,在正极上就必须生成。
题组一 “一池多变”的燃料电池
1.一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪,负极上的反应为CH3CH2OH-4e-+H2O===CH3COOH+4H+。
下列有关说法正确的是( )
A.检测时,电解质溶液中的H+向负极移动
B.若有0.4mol电子转移,则在标准状况下消耗4.48L氧气
C.电池反应的化学方程式为CH3CH2OH+O2===CH3COOH+H2O
D.正极上发生的反应为O2+4e-+2H2O===4OH-
答案 C
解析 解答本题时审题是关键,反应是在酸性电解质溶液中进行的。
在原电池中,阳离子要往正极移动,故A错;因电解质溶液是酸性的,不可能存在OH-,故正极的反应式为O2+4H++4e-===2H2O,转移4mol电子时消耗1molO2,则转移0.4mol电子时消耗2.24LO2,故B、D错;电池反应式即正、负极反应式之和,将两极的反应式相加可知C正确。
2.(2015·江苏,10)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.反应CH4+H2O
3H2+CO,每消耗1molCH4转移12mol电子
B.电极A上H2参与的电极反应为H2+2OH--2e-===2H2O
C.电池工作时,CO
向电极B移动
D.电极B上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-===2CO
答案 D
解析 A项,
H4→
O,则该反应中每消耗1molCH4转移6mol电子,错误;该电池的传导介质为熔融的碳酸盐,所以A电极即负极上H2参与的电极反应为H2-2e-+CO
===CO2+H2O,错误;C项,原电池工作时,阴离子移向负极,而B极是正极,错误;D项,B电极即正极上O2参与的电极反应为O2+4e-+2CO2===2CO
,正确。
类型“全”归纳
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-
题组二 “久考不衰”的可逆电池
(一)“传统”可逆电池的考查
3.镍镉(Ni—Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。
已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液,其充、放电按下式进行:
Cd+2NiOOH+2H2O
Cd(OH)2+2Ni(OH)2。
有关该电池的说法正确的是( )
A.放电时负极得电子,质量减轻
B.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动
C.充电时阴极附近溶液的pH减小
D.充电时阳极反应:
Ni(OH)2-e-+OH-===NiOOH+H2O
答案 D
解析 该可充电电池的放电过程的电极反应式为负极:
Cd-2e-+2OH-===Cd(OH)2;正极:
2NiOOH+2H2O+2e-===2Ni(OH)2+2OH-,所以正确选项为D。
(二)“新型”可逆电池的考查
4.(2014·新课标全国卷Ⅱ,12)2013年3月我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离子电池体系。
下列叙述错误的是( )
A.a为电池的正极
B.电池充电反应为LiMn2O4===Li1-xMn2O4+xLi
C.放电时,a极锂的化合价发生变化
D.放电时,溶液中Li+从b向a迁移
答案 C
解析 图示所给出的是原电池装置。
A项,由图示分析,金属锂易失电子,由原电池原理可知,含有锂的一端为原电池的负极,即b为负极,a为正极,故正确;B项,电池充电时为电解池,反应式为原电池反应的逆反应,故正确;C项,放电时,a极为原电池的正极,发生还原反应的是Mn元素,锂元素的化合价没有变化,故不正确;D项,放电时为原电池,锂离子应向正极(a极)迁移,故正确。
5.
(1)[2015·四川理综,11(5)]FeSO4在一定条件下可制得FeS2(二硫化亚铁)纳米材料。
该材料可用于制造高容量锂电池,电池放电时的总反应为4Li+FeS2===Fe+2Li2S,正极反应式是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)[2015·广东理综,32(5)]一种可超快充电的新型铝电池,充放电时AlCl
和Al2Cl
两种离子在Al电极上相互转化,其他离子不参与电极反应,放电时负极Al的电极反应式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)FeS2+4Li++4e-===Fe+2Li2S或FeS2+4e-===Fe+2S2-
(2)Al-3e-+7AlCl
===4Al2Cl
方法归纳
锂离子电池充放电分析
常见的锂离子电极材料
正极材料:
LiMO2(M:
Co、Ni、Mn等)
LiM2O4(M:
Co、Ni、Mn等)
LiMPO4(M:
Fe等)
负极材料:
石墨(能吸附锂原子)
负极反应:
LixCn-xe-===xLi++nC
正极反应:
Li1-xMO2+xLi++xe-===LiMO2
总反应:
Li1-xMO2+LixCn
nC+LiMO2。
题组三 “广泛应用”的高科技电池
6.气体的自动化检测中常常应用原电池原理的传感器。
下图为电池的工作示意图,气体扩散进入传感器,在敏感电极上发生反应,传感器就会接收到电信号。
下表列出了待测气体及敏感电极上部分反应产物。
则下列说法中正确的是( )
待测气体
敏感电极部分产物
NO2
NO
Cl2
HCl
CO
CO2
H2S
H2SO4
A.上述气体检测时,敏感电极均作原电池正极
B.检测Cl2气体时,敏感电极的电极反应为Cl2+2e-===2Cl-
C.检测H2S气体时,对电极充入空气,对电极上电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-
D.检测H2S和CO体积分数相同的两份空气样本时,传感器上产生的电流大小相同
答案 B
解析 A项,NO2―→NO,得电子,作正极,Cl2―→HCl,得电子,作正极,CO―→CO2,失电子,作负极,H2S―→H2SO4,失电子,作负极;B项,根据产物可以判断Cl2得电子,生成Cl-,正确;C项,应为O2+4e-+4H+===2H2O;D项,H2S生成H2SO4失去8e-,而CO生成CO2失去2e-,所以检测体积分数相同的两气体时传感器上产生的电流大小不相同。
考点三 电解池的“不寻常”应用
“六点”突破电解池
1.分清阴、阳极,与电源正极相连的为阳极,与电源负极相连的为阴极,两极的反应为“阳氧阴还”。
2.剖析离子移向,阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。
3.注意放电顺序。
4.书写电极反应式,注意得失电子守恒。
5.正确判断产物。
(1)阳极产物的判断首先看电极,如果是活性电极作阳极,则电极材料失电子,电极溶解(注意:
铁作阳极溶解生成Fe2+,而不是Fe3+);如果是惰性电极,则需看溶液中阴离子的失电子能力,阴离子放电顺序为S2->I->Br->Cl->OH-(水)。
(2)阴极产物的判断直接根据阳离子的放电顺序进行判断:
Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)
6.恢复原态措施。
电解后有关电解质溶液恢复原态的问题应该用质量守恒法分析。
一般是加入阳极产物和阴极产物的化合物,但也有特殊情况,如用惰性电极电解CuSO4溶液,Cu2+完全放电之前,可加入CuO或CuCO3复原,而Cu2+完全放电之后,应加入Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3复原。
题组一 电解原理在“治理环境”中的不寻常应用
1.(2015·四川理综,4)用右图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液pH为9~10,阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体。
下列说法不正确的是( )
A.用石墨作阳极,铁作阴极
B.阳极的电极反应式:
Cl-+2OH--2e-===ClO-+H2O
C.阴极的电极反应式:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.除去CN-的反应:
2CN-+5ClO-+2H+===N2↑+2CO2↑+5Cl-+H2O
答案 D
解析 Cl-在阳极发生氧化反应生成ClO-,水电离出的H+在阴极发生还原反应生成H2,又由于电解质溶液呈碱性,故A、B、C项正确;D项,溶液呈碱性,离子方程式中不能出现H+,正确的离子方程式为2CN-+5ClO-+H2O===N2↑+2CO2↑+5Cl-+2OH-,错误。
2.[2015·北京理综,27(4)]利用如图所示装置从海水中提取CO2,有利于减少环境温室气体含量。
①结合方程式简述提取CO2的原理:
________________________________________________
________________________。
②用该装置产生的物质处理b室排出的海水,合格后排回大海。
处理至合格的方法是________________________________________________________________________。
答案 ①a室:
2H2O―4e-===O2↑+4H+,H+通过阳离子膜进入b室,发生反应:
HCO
+H+===CO2↑+H2O
②c室的反应:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-,用c室排出的碱液将从b室排出的酸液调至接近装置入口海水的pH
解析 ①a室的电极连接电源的正极,作阳极,发生氧化反应:
2H2O―4e-===O2↑+4H+,c(H+)增大,H+从a室通过阳离子膜进入b室,发生反应:
HCO
+H+===CO2↑+H2O。
②海水的pH≈8,电解后的海水pH<6,呈酸性;c室的反应:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-,可用c室排出的碱液与从b室排出的酸液中和调至接近装置入口海水的pH,即处理合格。
题组二 电解原理在“制备物质”中的不寻常应用
3.
(1)[2014·新课标全国卷Ⅰ,27(4)]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_____________________________________
___________________________________。
(2)[2014·北京理综,26(4)]电解NO制备NH4NO3,其工作原理如图所示,为使电解产物全部转化为NH4NO3,需补充物质A,A是________,说明理由:
___________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________。
答案
(1)①2H2O-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
③PO
H2PO
或H3PO2被氧化
(2)NH3 根据反应:
8NO+7H2O
3NH4NO3+2HNO3,电解产生的HNO3多
4.[2015·山东理综,29
(1)]利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。
LiOH可由电解法制备,钴氧化物可通过处理钴渣获得。
利用如图装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。
B极区电解液为________溶液(填化学式),阳极电极反应式为_________________________________________
__________________________,电解过程中Li+向________电极迁移(填“A”或“B”)。
答案 LiOH 2Cl--2e-===Cl2↑ B
解析 B极区生成H2,同时会生成LiOH,则B极区电解液为LiOH溶液;电极A为阳极,在阳极区LiCl溶液中Cl-放电,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑;在电解过程中Li+(阳离子)向B电极(阴极区)迁移。
考点四 金属腐蚀与防护的“两种比较”、“两种方法”
1.两种比较
(1)析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较
类型
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜呈酸性
水膜呈弱酸性或中性
正极
反应
2H++2e-
===H2↑
O2+2H2O+4e-
===4OH-
负极反应
Fe-2e-===Fe2+
其他
反应
Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓
4Fe(OH)2+O2+2H2O===
4Fe(OH)3
Fe(OH)3失去部分水转化为铁锈
(2)腐蚀快慢的比较
①一般来说可用下列原则判断:
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;
②对同一金属来说,腐蚀的快慢:
强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中;
③活泼性不同的两种金属,活泼性差别
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