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版高中化学二轮复习专题七电化学练习
专题七电化学
[考纲要求] 1.理解原电池和电解池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应和总反应方程式。
2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。
3.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。
考点一 原电池的工作原理及其应用
1.图解原电池工作原理
2.原电池装置图的升级考查
说明
(1)无论是装置①还是装置②,电子均不能通过电解质溶液。
(2)在装置①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②的能量转化率高。
(3)盐桥的作用:
原电池装置由装置①到装置②的变化是由盐桥连接两个“半电池装置”,其中盐桥的作用有三种:
①隔绝正负极反应物,避免直接接触,导致电流不稳定;②通过离子的定向移动,构成闭合回路;③平衡电极区的电荷。
(4)离子交换膜作用:
由装置②到装置③的变化是“盐桥”变成“质子交换膜”。
离子交换膜是一种选择性透过膜,允许相应离子通过,离子迁移方向遵循电池中离子迁移方向。
题组一 原电池电极反应式书写集训
(一)辨析“介质”书写电极反应式
1.按要求书写不同“介质”下甲醇燃料电池的电极反应式。
(1)酸性介质,如H2SO4溶液:
负极:
CH3OH-6e-+H2O===CO2+6H+。
正极:
O2+6e-+6H+===3H2O。
(2)碱性介质,如KOH溶液:
负极:
CH3OH-6e-+8OH-===CO
+6H2O。
正极:
O2+6e-+3H2O===6OH-。
(3)熔融盐介质,如K2CO3:
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O2-:
负极:
CH3OH-6e-+3O2-===CO2+2H2O。
正极:
O2+6e-===3O2-。
(二)明确“充、放电”书写电极反应式
2.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。
负极:
Cd-2e-+2OH-===Cd(OH)2。
阳极:
2Ni(OH)2+2OH--2e-===2NiOOH+2H2O。
(三)识别“交换膜”提取信息,书写电极反应式
3.如将燃煤产生的二氧化碳回收利用,可达到低碳排放的目的。
如下图是通过人工光合作用,以CO2和H2O为原料制备HCOOH和O2的原理示意图。
负极:
2H2O-4e-===O2+4H+。
正极:
2CO2+4H++4e-===2HCOOH。
4.金属(M)-空气电池(如图)具有原料易得、能量密度高等优点,有望成为新能源汽车和移动设备的电源。
该类电池放电的总反应方程式为4M+nO2+2nH2O===4M(OH)n。
负极:
4M-4ne-===4Mn+。
正极:
nO2+2nH2O+4ne-===4nOH-。
5.液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小等优点。
一种以液态肼(N2H4)为燃料的电池装置如图所示。
负极:
N2H4-4e-+4OH-===N2+4H2O。
正极:
O2+4e-+2H2O===4OH-。
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。
题组二 “盐桥”的作用与化学平衡的移动
6.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.电流表读数为零时,反应达到化学平衡状态
D.电流表读数为零后,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;电流表读数为零时,Fe3+得电子速率等于Fe2+失电子速率,反应达到平衡状态,所以C正确;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。
7.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________(填“正”或“负”)极。
由实验得出Ag+和Fe2+反应的离子方程式是__________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案 负 Fe2++Ag+Fe3++Ag
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。
题组三 化学电池集训
(一)燃料电池
8.一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,阳离子要向正极移动,故A错误;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错误;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。
9.(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;B项,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。
10.甲醇燃料电池(简称DMFC)由于其结构简单、能量转化率高、对环境无污染,可作为常规能源的替代品而越来越受到关注。
DMFC的工作原理如下图所示:
通入a气体的电极是电池的________(填“正极”或“负极”),其电极反应为________________________________________________________________________。
答案 负极 CH3OH-6e-+H2O===CO2+6H+
解析 根据图知,交换膜是质子交换膜,则电解质溶液呈酸性,根据氢离子移动方向知,通入a的电极为负极,通入b的电极为正极,负极上甲醇失去电子发生氧化反应,负极反应式为CH3OH-6e-+H2O===CO2+6H+,正极上氧气得电子发生还原反应,电极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O。
(二)可逆电池
11.(2016·全国卷Ⅲ,11)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( )
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)
答案 C
解析 A项,充电时,电解质溶液中K+向阴极移动,错误;B项,放电时总反应方程式为2Zn+O2+4OH-+2H2O===2Zn(OH)
,则充电时电解质溶液中c(OH-)逐渐增大,错误;C项,在碱性环境中负极Zn失电子生成的Zn2+将与OH-结合生成Zn(OH)
,正确;D项,O2~4e-,故电路中通过2mol电子,消耗氧气0.5mol,标准状况下体积为11.2L,错误。
12.(2016·四川理综,5)某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池,放电时电池总反应为Li1-xCoO2+LixC6===LiCoO2+C6(x<1)。
下列关于该电池的说法不正确的是( )
A.放电时,Li+在电解质中由负极向正极迁移
B.放电时,负极的电极反应式为LixC6-xe-===xLi++C6
C.充电时,若转移1mole-,石墨(C6)电极将增重7xg
D.充电时,阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
答案 C
解析 放电时,负极反应为LixC6-xe-===xLi++C6,正极反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2,A、B正确;充电时,阴极反应为xLi++C6+xe-===LixC6,转移1mole-时,石墨C6电极将增重7g,C项错误;充电时,阳极反应为放电时正极反应的逆反应:
LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+,D项正确。
13.(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。
14.(2016·北京市海淀区高三上学期期末)2015年斯坦福大学研究人员研制出一种可在一分钟内完成充、放电的超常性能铝离子电池,内部用AlCl
和有机阳离子构成电解质溶液,其放电工作原理如下图所示。
下列说法不正确的是( )
A.放电时,铝为负极、石墨为正极
B.放电时,有机阳离子向铝电极方向移动
C.放电时的负极反应:
Al-3e-+7AlCl
===4Al2Cl
D.充电时的阳极反应:
Cn+AlCl
-e-===CnAlCl4
答案 B
解析 A项,放电时是原电池,铝是活性电极,石墨为惰性电极,铝为负极、石墨为正极,正确;B项,在原电池中,阳离子向正极移动,有机阳离子由铝电极向石墨电极方向移动,错误;C项,根据示意图,放电时,铝为负极,失去电子与AlCl
生成Al2Cl
,负极反应:
Al-3e-+7AlCl
===4Al2Cl
,正确;D项,充电时,阳极发生氧化反应,电极反应式为Cn+AlCl
-e-===CnAlCl4,正确。
(三)储“氢”电池
15.镍氢电池的化学方程式为NiO(OH)+MH
NiO+M+H2O(M为储氢合金,电解质为KOH),下列说法不正确的是( )
A.充电过程中,电池的负极上发生的反应为H2O+M+e-===MH+OH-
B.储氢合金位于电池的负极
C.放电时,OH-向电池的负极移动
D.充电过程中,化学能转化为电能储存在电池中
答案 D
解析 本题考查了电化学反应原理、电极反应式的书写等,意在考查学生的理解能力及应用能力。
据镍氢电池反应原理和化学方程式可知,充电过程为电解池,电池的负极得到电子,发生的反应为H2O+M+e-===MH+OH-,A项正确;根据化学方程式可知,电池的负极有氢生成,M为储氢合金,只能位于电池的负极,B项正确;放电时,阴离子向负极移动,故电解质中的OH-移向负极,C项正确;充电过程是电能转化为化学能的过程,D项错误。
16.镍氢电池(NiMH)目前已经成为混合动力汽车的一种主要电池类型。
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是:
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,正极的电极反应式为NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-
B.充电过程中OH-离子从阳极向阴极迁移
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 A项,放电过程中,NiOOH得电子,化合价降低,发生还原反应,正确;B项,充电过程中发生电解池反应,OH-从阴极向阳极迁移,错误;C项,充电过程中,阴极M得到电子,M被还原,H2O中的H化合价没有发生变化,错误;D项,NiMH在KOH溶液、氨水中会发生氧化还原反应,错误。
考点二 电解池及其应用
1.图解电解池工作原理(阳极为惰性电极)
2.正确判断电极产物
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)
3.对比掌握电解规律(阳极为惰性电极)
电解类型
电解质实例
溶液复原物质
电解水
NaOH、H2SO4或Na2SO4
水
电解电解质
HCl或CuCl2
原电解质
放氢生碱型
NaCl
HCl气体
放氧生酸型
CuSO4或AgNO3
CuO或Ag2O
注意 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 辨析电解原理易错点
1.正误判断,下列说法正确的打“√”,错误的打“×”
(1)电解质溶液导电发生化学变化(√)
(2)电解精炼铜和电镀铜,电解液的浓度均会发生很大的变化(×)
(3)电解饱和食盐水,在阳极区得到NaOH溶液(×)
(4)工业上可用电解MgCl2溶液、AlCl3溶液的方法制备Mg和Al(×)
(5)电解精炼铜时,阳极泥可以作为提炼贵金属的原料(√)
(6)用惰性电极电解CuSO4溶液,若加入0.1molCu(OH)2固体可使电解质溶液复原,则整个电路中转移电子数为0.4mol(√)
题组二 电解池电极反应式书写集训
(一)基本电极反应式的书写
2.按要求书写电极反应式
(1)用惰性电极电解NaCl溶液
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑。
阴极:
2H++2e-===H2↑。
(2)用惰性电极电解CuSO4溶液
阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑(或2H2O-4e-===O2↑+4H+)。
阴极:
Cu2++2e-===Cu。
(3)铁作阳极,石墨作阴极电解NaOH溶液
阳极:
Fe-2e-+2OH-===Fe(OH)2。
阴极:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-。
(4)用惰性电极电解熔融MgCl2
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑。
阴极:
Mg2++2e-===Mg。
(二)提取“信息”书写电极反应式
3.按要求书写电极反应式
(1)以铝材为阳极,在H2SO4溶液中电解,铝材表面形成氧化膜,阳极反应式为________________________________________________________________________。
答案 2Al-6e-+3H2O===Al2O3+6H+
(2)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:
_______________________________。
答案 Al+3HCO
-3e-===Al(OH)3↓+3CO2↑
(3)离子液体是一种室温熔融盐,为非水体系。
由有机阳离子、Al2Cl
和AlCl
组成的离子液体作电解液时,可在钢制品上电镀铝。
已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应,则电极反应式为
阳极:
Al-3e-+7AlCl
===4Al2Cl
。
阴极:
4Al2Cl
+3e-===Al+7AlCl
。
(4)用惰性电极电解K2MnO4溶液能得到化合物KMnO4,则电极反应式为
阳极:
MnO
-e-===MnO
。
阴极:
2H++2e-===H2↑。
(5)将一定浓度的磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、氯化锂混合液作为电解液,以铁棒作阳极,石墨为阴极,电解析出LiFePO4沉淀,则阳极反应式为____________________________________
________________________________________________________________________。
答案 Fe+H2PO
+Li+-2e-===LiFePO4↓+2H+
(三)根据“交换膜”利用“信息”书写电极反应式
4.按要求书写电极反应式
(1)电解装置如图,电解槽内装有KI及淀粉溶液,中间用阴离子交换膜隔开。
在一定的电压下通电,发现左侧溶液变蓝色,一段时间后,蓝色逐渐变浅。
已知:
3I2+6OH-===IO
+5I-+3H2O
阳极:
2I--2e-===I2。
阴极:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-。
(2)可用氨水作为吸收液吸收工业废气中的SO2,当吸收液失去吸收能力时,可通过电解法使吸收液再生而循环利用(电极均为石墨电极),并生成化工原料硫酸。
其工作示意图如下。
阳极:
HSO
-2e-+H2O===3H++SO
。
阴极:
2H++2e-===H2↑(或2H2O+2e-===H2↑+2OH-)。
题组三 电解池的“不寻常”应用
类型一 电解原理在治理环境中的不寻常应用
5.[2016·天津理综,10(5)]化工生产的副产氢也是氢气的来源。
电解法制取有广泛用途的Na2FeO4,同时获得氢气:
Fe+2H2O+2OH-
FeO
+3H2↑,工作原理如图1所示。
装置通电后,铁电极附近生成紫红色FeO
,镍电极有气泡产生。
若氢氧化钠溶液浓度过高,铁电极区会产生红褐色物质。
已知:
Na2FeO4只在强碱性条件下稳定,易被H2还原。
①电解一段时间后,c(OH-)降低的区域在________(填“阴极室”或“阳极室”)。
②电解过程中,须将阴极产生的气体及时排出,其原因:
_____________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
③c(Na2FeO4)随初始c(NaOH)的变化如图2,任选M、N两点中的一点,分析c(Na2FeO4)低于最高值的原因:
___________________________________________。
答案 ①阳极室 ②防止Na2FeO4与H2反应使产率降低 ③M点:
c(OH-)低,Na2FeO4稳定性差,且反应慢[或N点:
c(OH-)过高,铁电极上有Fe(OH)3生成,使Na2FeO4产率降低]
解析 ①根据题意,镍电极有气泡产生是H+得电子生成H2,发生还原反应,则铁电极上OH-被消耗且无补充,溶液中的OH-减少,因此电解一段时间后,c(OH-)降低的区域在阳极室。
②H2具有还原性,根据题意:
Na2FeO4只在强碱性条件下稳定,易被H2还原。
因此,电解过程中,需将阴极产生的气体及时排出,防止Na2FeO4与H2反应使产率降低。
③根据题意Na2FeO4只在强碱性条件下稳定,在M点:
c(OH-)低,Na2FeO4稳定性差,且反应慢;在N点:
c(OH-)过高,铁电极上有Fe(OH)3生成,使Na2FeO4产率降低。
类型二 电解原理在“制备物质”中的不寻常应用
(一)“单膜”电解池
6.[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。
(二)“双膜”电解池
7.用NaOH溶液吸收烟气中的SO2,将所得的Na2SO3溶液进行电解,可循环再生NaOH,同时得到H2SO4,其原理如下图所示(电极材料为石墨)。
(1)图中a极要连接电源的________(填“正”或“负”)极,C口流出的物质是________。
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