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专题十 化学反应与电能
基础篇
3. 考点 一 原电池原理及其应用 燃料电池 如氢氧燃料电池
: (2H2 +O2
甲烷酸性燃料电池
一、原电池的工作原理 2H2O)、 (CH4 +2O2
甲醇碱性燃料电池
1.
原电池的构成条件 CO2 +2H2O)、 (2CH3OH+
具有两个活泼性不同的电极 两电极活泼性 - 2-
1) (
3O2 +4OH 2CO3 +6H2O)。
也可以相同 如燃料电池
, )。 考点 二 电解原理及其应用
电解质溶液
2) 。
一、电解原理
形成闭合回路
3) 。 1.
本质 直流电流通过电解质溶液 或熔融电解
自发进行的氧化还原反应
: (
4) 。
2. 质 在阳极 阴极引起氧化还原反应的过程
原电池的工作原理
) 、 。
2.
电解池的形成条件
以 原电池为例
Cu-Zn
与直流电源相连的两个电极
负极 氧化反应 - 2+ 1) 。
: ,Zn-2e Zn
电解质溶液 或熔融电解质
正极 还原反应 2+ - 2) ( )。
: ,Cu +2e Cu
形成闭合回路
3) 。
3.
电解池的工作原理
以电解 溶液为例
CuCl2
注意 电子“不下水”,离子“不上岸”。 盐桥的作用
是传导电流。
阳极 氧化反应 - -
二、化学电源
: ,2Cl -2e Cl2↑
阴极 还原反应 2+ -
1. 一次电池 如碱性锌锰电池 : ,Cu +2e Cu
: [Zn+2MnO2 + 二、电解原理的应用
2H2O 2MnO(OH)+Zn(OH)2]。 1. 氯碱工业
2.
二次电池 如铅酸蓄电池
: (Pb+PbO2 +2H2SO4
放电
锂离子电池 以负极材
充电 2PbSO4 +2H2O)、 [
5
年 料为嵌锂石墨 正极材料为 电解质溶
高 , LiCoO2,
考 液为 的碳酸酯溶液 无水 为例
3 LiPF6 ( ) ,LixCy+
年 放电
模
拟 Li1- xCoO2充电LiCoO2 +Cy]。
A 注意 不溶于水。
版 PbSO4
高
考 【生产环保情境】 基于流体电解的海水提锂技术 锂电池已经得到广泛应用,其发展势必会消耗巨量的锂资
化
学 源。 流体电解的方法可用于海水提锂,通过流动电解来克服海水中 +浓度过低所带来的问题, 可做到不消耗
Li
268 任何化学试剂、连续性强、易于规模化生产。
阳极 - - 考点 三 金属的腐蚀与防护
:2Cl -2e Cl2↑
阴极 :2H2O+2e - H2↑+2OH - 一、金属的腐蚀
电解 1.
总反应 - - 化学腐蚀 金属与其表面接触的一些物质直
:2Cl +2H2O 2OH +Cl2↑+H2↑ :
2. 电镀 接发生化学反应
。
2.
阳极 镀层金属 电镀时质量减小 电化学腐蚀
: , 。
阴极 镀件 电镀时质量增大 本质 发生了原电池反应 不纯的金属中较
: , 。 1) : ,
电镀液 含有镀层金属离子的溶液 浓度基本 活泼的金属失去电子而被氧化
: , 。
不变 钢铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀
。 2)
如在铁件上镀铜
吸氧腐蚀 析氢腐蚀
:
条件 水膜呈弱酸性或中性 水膜酸性较强
负极
- 2+ - 2+
反应 2Fe-4e 2Fe Fe-2e Fe
正极
3.
铜的电解精炼 - - + -
反应 O2+2H2O+4e 4OH 2H +2e H2↑
总反应 2Fe + O2 + 2H2O Fe+2H
+
Fe
2+
+
2Fe(OH)2 H2↑
3.
金属腐蚀快慢的影响因素及判断原则
影响因素 构成原电池的材料活泼性差异
1) : 、
阳极 粗铜 按成分还原性由强到弱依次放 金属所接触的介质
: , 。
电 主要反应为 - 2+ 判断金属腐蚀快慢的一般原则
, Cu-2e Cu 。 2)
阴极 纯铜 2+ - 电解原理引起的腐蚀 原电池原理引起的腐
: ,Cu +2e Cu。 >
电解质溶液 电解精炼过程中 溶液浓 蚀 化学腐蚀 有防护措施的腐蚀
: CuSO4 > >
度减小 二、金属的防护
。
阳极泥 失电子能力比铜弱的杂质 如 1. 改变金属材料的组成 如把普通钢制成不锈
: , :
钢 把钛与其他金属熔合制成钛合金
Au、Ag。 , 。
4. 电冶金 2. 在金属表面覆盖保护层 如在钢铁制品表面
:
利用电解熔融盐或氧化物的方法来冶炼活泼 喷涂油漆
。
金属 如 等 3. 电化学保护法
, Na、Mg、Al 。
电解 牺牲阳极法 利用原电池原理 将被保护的
熔融
1) : ,
2NaCl( ) 2Na+Cl2↑
金属设备与更活泼的金属 作负极 相连 正
电解
熔融 ( ) ,
MgCl2( ) Mg+Cl2↑ 极被保护
电解 。
熔融 外加电流法 利用电解池原理 将被保护的
2Al2O3( ) 4Al+3O2↑ 2) : ,
金属设备与电源负极相连 作阴极被保护 专
, 。 题
十
化
学
反
应
【实验探究情境】 纳米氧化锌制备方法 氧化锌制备方法分为三类:直接法、间接法和湿化学法。 纳米氧化锌 与
电
采用湿化学法制备,可用各种含锌物料为原料,采用酸浸浸出锌,经过多次净化除去原料中的杂质,然后沉淀 能
获得碱式碳酸锌,最后焙烧获得纳米氧化锌。 269
综合篇
综合 电极反应式的书写 的电极反应式
。
根据放电时的负极和充电时的阴极 放电时
一、原电池电极反应式的书写 4) 、
的正极和充电时的阳极反应互逆原理 将负
1.
一般电极反应式的书写 ,
正 极反应式变换方向并将电子移项 即可
列物质 标得失 判断正 负极 找出电极产 ( ) ,
1) , : 、 ,
得出阴 阳 极反应式
物 列出得失电子 ( ) 。
, 。
例如 铅酸蓄电池放电时的总反应为
看环境 标守恒 电极产物不能与电解质溶 , Pb+
2) , :
负极反应
液反应 配平遵循守恒定律 PbO2 +2H2SO4 2PbSO4 +2H2O,
, 。
为 - 2- 其逆过程即为
两式加 得总式 两极反应式相加得总反应 Pb-2e +SO4 PbSO4,
3) , :
充电时的阴极反应 -
式 消去电子 :PbSO4 +2e Pb+
( )。
2. 燃料电池电极反应式的书写 SO 2 4 - 。 将放电时的总反应减去负极反应即得
1) 写出总反应式 : 与燃料的燃烧反应一致 , 若 正极反应 :PbO2 +4H + +SO 2 4 - +2e - PbSO4 +
其逆过程即为充电时的阳极反应
产物能和电解质溶液 或熔融电解质 反应
2H2O, :
( ) ,
则总反应为加和后的反应 - + 2-
。
PbSO4 +2H2O-2e PbO2 +4H +SO4 。
二、电解池电极反应式的书写
写出正极反应式 正极上 在不同环境下
2) : O2 1.
阳极反应式
发生还原反应
。
活性电极 电极材料失电子 n - n +
酸性 + - 1) : ,M- e M 。
① :O2 +4H +4e 2H2O
惰性电极 阴离子失电子 一般情况下放电
碱性 - - 2) : ,
② :O2 +2H2O+4e 4OH
顺序为 2- - - - - 含氧酸根 -
固体氧化物 - 2- S >I >Br >Cl >OH > >F 。
③ :O2 +4e 2O 2. 阴极反应式 阳离子得电子 放电顺序为
: ,
熔融碳酸盐 - 2-
④ :O2 +2CO2 +4e 2CO3 + 2+ + 2+ 3+ + 2+
电池负极反应式 电池总反应式 电池正极
K <Ca <Na <Mg <Al <H (H2O)<Zn <
3) = -
2+ + 2+ 3+ +
反应式 消去 Fe <H <Cu <Fe <Ag 。
3. = +
( O2)。 总反应式 阳极反应式 阴极反应式 总反应
(
例如 甲醇酸性 碱性燃料电池的总反应式
, 、 式中不出现得失电子 须加上电解条件
, )。
分别为
2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O、 例如 用惰性电极电解 溶液 溶液中存
, CuSO4 ,
- 2- 将总
2CH3OH+3O2 +4OH 2CO3 +6H2O, 在的离子有 2+ 2- + - 根据放电顺
Cu 、SO4 、H 、OH ,
反应式分别减去酸性 碱性条件下 在正极
、 O2 序 -在阳极失电子 2+在阴极得电子 故
,OH ,Cu ,
的反应式 可得负极反应式分别为
, CH3OH+ 阳极反应式为 - + 此
2H2O-4e 4H +O2↑(
H2O-6e - CO2↑+6H + ( 酸性条件 )、CH3OH+ 溶液中 -来自 的电离 故写成 失
OH H2O , H2O
年 5 8OH - -6e - CO 2 3 - +6H2O( 碱性条件 )。 电子 ), 阴极反应式为 Cu 2+ +2e - Cu, 相加
高 3. 可充电电池(二次电池)电极反应式的书写
考 阳极式 阴极式 得电解总反应式
( + × 2) :
3
根据图示 题干 判断正 负极和阴 阳极
年 电解
1) 、 , 、 、 。
模 2+ +
拟 写出较简单一极的电极反应式 2Cu +2H2O 2Cu+O2↑+4H 。
2) 。
A 复杂电极的反应式 总反应式 较简单一极
版 3) = -
高
考 【生产环保情境】 的利用 工业大量排放 导致全球气候变化, 的回收与利用是环境科学家研究的
化 CO2 CO2 CO2
学
热点课题。 利用 可以制备合成气( 、 ),再制备甲醇等,也可以利用 直接制备甲醇等产品。
CO2 CO H2 CO2
270
规律总结 用惰性电极电解电解质溶液的类型 下列说法错误的是
( )
电解 电解 放电时 负极反应为 - -
A. , Zn-2e +4OH
电解质 电解 质溶 质溶
2-
类型 实例 电极反应特点 Zn(OH)4
特点 对象 液的 液的
放电时 转化为 转移的电
变化 复原
B. ,1 mol CO2 HCOOH,
子数为
含氧酸 2 mol
H2SO4 充电时 电池总反应为 2-
可溶性 阴极: +放电 C. , 2Zn(OH)4
H
-
电解 强碱 NaOH 生成氢气
水
浓度
加
2Zn+O2↑+4OH +2H2O
水型
活泼金
阳极:
OH
-放电 增大 H2O
D.
充电时
,
正极溶液中
OH
-浓度升高
生成氧气 解题导引 根据题图中信息可得放电时
属含氧
KNO3 Zn→
酸盐 ( )2-, ,分析元素化合价的
Zn OH 4 CO2→HCOOH
无氧酸 电解质电离出 通 变化,失电子的氧化反应即负极反应,得电子
电解 HCl HCl
不活泼 的阴、阳离子 电解 浓度
电解 的还原反应即正极反应,再根据原电池的负极
金属无 分别 在 两 极 质 减小 加
质型 CuCl2 CuCl2 反应与电解池的阴极反应互为逆反应及题图
氧酸盐 放电
中阴极上 的信息,写出充电时阴极的
放 活泼金
阴极:
H
+放电
电解
H2O→O2
H2 生成氢气 生成 电极反应式。
生碱 属无氧 质和 通
NaCl 阳极:电解质 碱 HCl 解析 项,放电时 为负极,负极反应为
型 酸盐 水 A Zn
阴离子放电 - - ( )2-,正确; 项,放
Zn-2e +4OH Zn OH 4 B
阴极:电解质
放 不活泼 电解 电时,正极反应为 - + ,
O2 阳离子放电 生成 CO2 +2e +2H HCOOH
生酸 金属含 质和 加 每转化 ,转移 电子,正确;
CuSO4 阳极: - 放 酸 CuO 1 mol CO2 2 mol C
型 氧酸盐
电生成
O
氧
H
气
水 项,充电时,阳极反应为
2H2O-4e - 4H + +
,阴极反应为 ( )2- -
例 ( 课标 , , 分)科学家近年发明 O2↑ 2Zn OH 4 +4e 2Zn+
2020 Ⅰ 12 6
-,两极反应相加得总反应,正确; 项,根
了一种新型 水介质电池。 电池示意图 8OH D
Zn-CO2
据阳极反应可知,充电时,正(阳)极溶液中
+
如下,电极为金属锌和选择性催化材料。 放电 H
浓度升高,
-
浓度降低,错误。
时,温室气体 被转化为储氢物质甲酸等, OH
CO2
答案
为解决环境和能源问题提供了一种新途径。 D
专
题
十
化
学
反
应
【生产环保情境】 钯 质软的银白色金属,在空气中不会失去光泽,可被热的浓硝酸和浓硫酸腐蚀,可从铂、镍、 与
电
铜和汞矿中获得,作为合金可用于无线电通信设备的开关系统和继电器,是航天、航空等高科技领域以及汽车 能
制造业不可缺少的关键材料。 271
应用篇
应用 新型电化学装置分析 电化学相关计算 电子为 可构建如下关系式
4 mol, :
-
原电池和电解池等电化学知识是高考的命题 4e ~ 2Cl2(Br2、I2)~ O2
重点 原电池和电解池都建立在氧化还原反
。
应和电解质溶液基础上 借助氧化还原反应实
,
现化学能与电能的转化 备考时 理清氧化还
。 ,
原反应原理 将其应用到电化学中 有利于分
, ,
析并解决新型电化学装置的工作原理等问题
。
一、运用氧化还原反应基本概念分析新型电
化学装置
1.
题给条件为装置图
找出装置的正 负极 或阴 阳极 即找出氧
1) 、 ( 、 ),
化剂和还原剂
。
结合电解质确定还原产物和氧化产物 书写
2) ,
相应电极反应式 作出相应判断
, 。
2.
题给条件为总反应式
分析总反应式中各元素化合价的变化情况
1) ,
找出氧化剂 还原剂及其对应的还原产物
、 、
氧化产物
。
考虑电解质是否参与反应 书写相应电极反
2) ,
应式 作出相应判断
, 。
二、运用氧化还原反应得失电子守恒规律解
决电化学计算
1.
原理 电化学反应的实质是氧化还原反应 各
: ,
电极上转移电子的物质的量相等 即得失电
(
子守恒
)。
2.
计算方法
根据得失电子守恒计算
1)
用于串联电路的阴阳两极产物 正负两极产
① 、
5 物等的计算
年 。
高 用于电解混合溶液的分阶段计算
考 ② 。
3
根据关系式计算
年
2)
模
拟 根据得失电子守恒建立已知量与未知量之
A 间的关系 得出计算所需的关系式 如转移
版 , 。
高
考 【实验探究情境】 五氧化二碘( ) 不溶于无水乙醇、乙醚、氯仿和二硫化碳,可作氧化剂除去空气中的
化 I2O5 I2O5
学 。 一定比例的 与 在溶液中反应可制得碘酸氢钾[ ( ) ],用足量氢氧化钾溶液中和得到碘酸
CO I2 KClO3 KH IO3 2
272 钾( ),酸化后得碘酸( ),碘酸在干燥空气中加热得到 。
KIO3 HIO3 I2O5
þ ï ï ïï ý ï ï ï ï ü
~2H2~2Cu~4Ag
阳极产物
þ ï ï ï ý ï ï ï ü
阴极产物
例 ( 河北, , 分) 电池结构如图,
2021 9 3 K-O2
和 为两个电极,其中之一为单质钾片。 关
a b
于该电池,下列说法错误的是 ( )
隔膜允许
+
通过,不允许 通过
A. K O2
放电时,电流由 电极沿导线流向 电极;充
B. b a
电时, 电极为阳极
b
产生 电量时,生成 的质量与消耗
C. 1 Ah KO2
的质量比值约为
O2 2.22
用此电池为铅酸蓄电池充电,消耗 钾
D. 3.9 g
时,铅酸蓄电池消耗 水
0.9 g
解题导引 本题的突破口为装置图中 电极上
b
的物质变化,由此可判断 电极上 得电子,
b O2
发生还原反应,其为正极,故 为负极。
a
解析 放电时负极上 失电子生成 +, + 可
K K K
通过隔膜,在正极上与 反应生成 , 项
O2 KO2 A
正确;放电时,电流由正极( 电极)沿导线流
b
向负极( 电极),充电时 电极接电源正极作
a b
阳极, 项正确;正极反应式为
+ -
B O2 +K +e
,生成的 与消耗的 的物质的量之比
KO2 KO2 O2
为 ,故两者的质量比值为 ,
1 ∶ 1 71/32≈2.22 C
项正确;铅酸蓄电池充电反应为
2PbSO4 +
电解
+ 2-,每消耗
2H2O Pb+PbO2 +4H +2SO4 2 mol
水时转移 电子,若消耗 钾时,即转
2 mol 3.9 g
移 电子,则铅酸蓄电池消耗
0.1 mol 0.1 mol
水,质量为 , 项错误。
1.8 g D
答案
D
创新篇
创新 “隔膜”在电化学中的应用 电极反应 + - 2+
C.MnO2 :MnO2 +4H +2e Mn +
1.
隔膜的类型和作用 2H2O
电池总反应 - +
D. :Zn+4OH +MnO2 +4H
2- 2+
Zn(OH)4 +Mn +2H2O
解题导引 先由示意图中电极材料确定电池的
正、负极,再结合电解质溶液类型写出两电极
的反应,两者相加即得电池总反应。 根据电极
反应和两侧溶液呈电中性可确定 和 的
+ 2-
K SO4
移动方向及离子交换膜的类型(左侧为阴离子
2.
考情趋势
交换膜,右侧为阳离子交换膜)。
膜 数量变化 单膜 双膜 多膜
1)“ ” : → → 。 解析 根据题图可知 为负极,电极反应为
膜 种类变化 阴 阳离子交换膜 质子交 Zn
2)“ ” : 、 → - - ( )2-; 为正极,
换膜 高聚物隔膜 双极隔膜 Zn-2e +4OH Zn OH 4 MnO2
→ → 。 电极反应为 - + 2+ 。
膜 作用变化 离子交换 物质制备 分离 MnO2 +2e +4H Mn +2H2O
3)“ ” : → → 项,根据负极反应可知, 区中负电荷减少,
提纯等 A Ⅲ
。 为了平衡溶液中电荷,放电时 区的钾离子通
3. 离子交换膜类型的判断方法 Ⅲ
过隔膜向 区迁移,反之若 区的钾离子向
写出阴 阳 或正 负 两极上的电极反应式 Ⅱ Ⅱ Ⅲ
1) 、 ( 、 ) 。 区迁移则会与电流方向不一致,错误; 项,根
B
依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余
2) 。 据正极反应可知, 区中正电荷减少,为了平
Ⅰ
根据电极附近溶液呈电中性 判断离子移动
3) ,
衡溶液中电荷,硫酸根离子通过隔膜从 区迁
Ⅰ
的方向
移至 区,正确; 项,将正、负极电极反应相
。
Ⅱ D
根据离子移动的方向 确定离子交换膜的类型
加即可得到电池总反应,正确。
4) , 。
例 ( 全国甲, , 分)一种水性电解液 答案
2022 10 6
A
离子选择双隔膜电池如图所示[
Zn-MnO2 KOH
知识归纳离子交换膜的作用分析
溶液中, 2+ 以 ( )2- 存在]。 电池放电 ( )平衡左右两侧电荷,得到稳定电流。 离子交换膜
Zn Zn OH 4 1
时,下列叙述错误的是 ( ) 能选择性地通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的
作用。 区中正电荷减少,需要增加正电荷或减少负
Ⅰ
电荷以平衡电荷;同理 区中负电荷减少,只能移出钾
Ⅲ
离子至 区或移入硫酸根离子至 区,保持溶液中的
Ⅱ Ⅲ
电荷平衡,使原电池得到稳定电流。
( )阻隔某些离子或分子,防止某些副反应的发生。
2
如 区与 区之间只能使用阴离子交换膜,使硫酸根
Ⅰ Ⅱ
离子移至 区,同时 区与 区只能使用阳离子交换
Ⅱ Ⅱ Ⅲ
膜,使钾离子进入 区;否则氢离子和氢氧根离子在
Ⅱ Ⅱ
区相遇,发生反应。
A.Ⅱ
区的
K
+通过隔膜向
Ⅲ
区迁移
( 3 )制备某些特定产品。 本题主要通过硫酸和碱液发
专
题
十
区的 2- 通过隔膜向 区迁移 电并制取产品硫酸钾。
B.Ⅰ SO4 Ⅱ
化
学
反
应
【日常生活情境】 氯化磷酸三钠 氯化磷酸三钠[( · ) · ]的熔点为 ,常温下较稳定, 与
Na3PO4 12H2O 4 NaClO 62 ℃ 电
受热易分解。 其在水溶液中可直接与钙、镁及重金属离子形成不溶性磷酸盐结晶,使水软化,具有良好的灭 能
菌、消毒、漂白作用,可用于食品加工等行业。 273