专题10 电化学及其应用教学案高考化学二轮复习精品资料教师版.docx
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专题10电化学及其应用教学案高考化学二轮复习精品资料教师版
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.了解常见化学电源的种类及其工作原理。
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。
电化学是氧化还原反应知识的应用和延伸,是历年高考的热点内容。
考查的主要知识点:
原电池和电解池的工作原理、电极反应式的书写和判断、电解产物的判断、金属的腐蚀和防护。
对本部分知识的考查仍以选择题为主,在非选择题中电化学知识可能与工业生产、环境保护、新科技、新能源知识相结合进行命题。
复习时,应注意:
1.对基础知识扎实掌握,如电极反应式的书写、燃料电池的分析等。
2.电化学问题的探究设计、实物图分析及新型电池的分析是近年来高考中的热点,通过在练习中总结和反思,提高在新情境下运用电化学原理分析解决实际问题的能力。
一、原电池电极的判断以及电极方程式的书写
1.原电池正、负极的判断方法:
(1)由组成原电池的两极材料判断。
一般是活泼的金属为负极,活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
(2)根据电流方向或电子流动方向判断。
电流由正极流向负极;电子由负极流向正极。
(3)根据原电池里电解质溶液内离子的流动方向判断。
在原电池的电解质溶液内,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
(4)根据原电池两极发生的变化来判断。
原电池的负极失电子发生氧化反应,其正极得电子发生还原反应。
(5)电极增重或减轻。
工作后,电极质量增加,说明溶液中的阳离子在电极(正极)放电,电极活动性弱;反之,电极质量减小,说明电极金属溶解,电极为负极,活动性强。
(6)有气泡冒出。
电极上有气泡冒出,是因为发生了析出H2的电极反应,说明电极为正极,活动性弱。
2.原电池电极反应式和总反应式的书写
(1)题目给定原电池的装置图,未给总反应式:
①首先找出原电池的正、负极,即分别找出氧化剂和还原剂。
②结合介质判断出还原产物和氧化产物。
③写出电极反应式(注意两极得失电子数相等),将两电极反应式相加可得总反应式。
(2)题目中给出原电池的总反应式:
①分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况,找出氧化剂及其对应的还原产物,氧化剂发生的反应即为正极反应;找出还原剂及其对应的氧化产物,还原剂参加的反应即为负极反应。
②当氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物由多种元素组成时,还应注意介质的反应。
③若有一电极反应较难写出,可先写出较易写出的电极反应,然后再利用总反应式减去该电极反应即得到另一电极反应。
说明:
在书写电极反应式时要注意哪些方面?
1.两极得失电子数目相等;
2.电极反应式常用“=”不用“→”表示;
3.电极反应式中若有气体生成,需加“↑”;而弱电解质或难溶物均以分子式表示,其余以离子符号表示;
4.写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒,可在电极反应式一端根据需要添加H+或OH-或H2O;
5.两电极反应、电池总反应的三个方程式,若已知其中两个,可由方程式的加减得到第三个。
二、原电池工作原理的应用
1.依据原电池原理比较金属活动性强弱
(1)电子由负极流向正极,由活泼金属流向不活泼金属,而电流方向是由正极流向负极,二者是相反的。
(2)在原电池中,活泼金属作负极,发生氧化反应;不活泼金属作正极,发生还原反应。
(3)原电池的正极通常具备特定的现象:
有气体生成,或电极质量增加或不变等;负极通常不断溶解,质量减少。
2.根据原电池原理,把各种氧化还原反应设计成电池
从理论上讲,任何一个自发的氧化还原反应,都可以设计成原电池。
关键是选择合适的电解质溶液和两个电极。
(1)电解质溶液的选择
电解质是使负极放电的物质。
因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应。
或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如空气中的氧气)。
但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥),则左右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。
如,在铜—锌—硫酸构成的原电池中,负极金属锌浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中,而正极铜浸泡在含有Cu2+的溶液中。
(2)电极材料的选择
电池的电极必须导电。
电池中的负极必须能够与电解质溶液反应,容易失去电子,因此负极一般是活泼的金属材料。
正极和负极之间只有产生电势差,电子才能定向移动,所以正极和负极不用同一种材料。
一般情况下,两个电极的构成分为4种情况:
①活泼性不同的两种金属。
例如,锌铜原电池中,锌作电池的负极,铜作电池的正极。
②金属和非金属。
例如,锌锰干电池中,锌片作电池的负极,石墨棒作电池的正极。
③金属和化合物。
例如,铅蓄电池中,铅板作电池的负极,二氧化铅作电池的正极。
④惰性电极。
例如,氢氧燃料电池中,两根电极均可用Pt。
三、原电池正负极判断的方法
1.由组成原电池的两极材料判断
较活泼的金属为负极,较不活泼的金属或能导电的非金属为正极。
2.根据电流方向或电子流向判断
外电路中,电流由正极流向负极,电子由负极流向正极。
3.根据原电池电解质溶液中离子的移动方向判断
在原电池电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
4.根据原电池中两极发生的反应判断
原电池中,负极总是发生氧化反应,正极总是发生还原反应。
若给出一个总方程式,则可根据化合价升降来判断。
5.根据电极质量的变化判断
原电池工作后,某一电极质量增加,说明溶液中的阳离子在该电极上放电,该极为正极,活泼性较弱;反之,如果某一电极质量减轻,则该电极溶解,为负极,活泼性较强。
6.根据电极上有气泡产生判断
原电池工作后,如果某一电极上有气体产生,通常是因为该电极发生了析出H2的反应,说明该电极为正极,活泼性较弱。
7.根据某电极(X)附近pH的变化判断
析氢或吸氧的电极反应发生后,均能使该电极附近电解质溶液的pH增大,因而原电池工作后,X极附近的pH增大了,说明X极为正极,金属活动性较强。
四、电池电极反应式的书写方法
书写电极反应式前,我们应首先明确电池的正负极、电极材料和电解质溶液的性质,对于二次电池还要注意放电或充电的方向。
(1)电极的判断
对于普通电池,我们通常比较两个电极的金属活动性,通常金属活动性强的电极为电池的负极,金属活动性弱的电极或非金属(通常为石墨)为电池的正极。
对于燃料电池,两个电极的材料通常相同,所以从电极材料上很难判断电池的正负极。
判断电池正负极的方法,通常是利用电池总反应式,含化合价升高元素的反应物为电池的负极反应物,此电极为负极;含化合价降低元素的反应物通常为电池的正极反应物,此电极为电池的正极。
(2)电极反应书写步骤
例如,铅蓄电池其总反应式为:
PbO2(s)+Pb(s)+2H2SO4(aq)
2PbSO4(s)+2H2O(l)
其电极反应式的书写步骤为:
放电时,为原电池原理,总反应式中已指明放电方向从左向右的过程,即可逆符号左边为反应物,右边为生成物。
①由化合价的升降判断负、正极的反应物
负极:
Pb 正极:
PbO2
②主产物 负极:
PbSO4 正极:
PbSO4
③由化合价升降确定电子得失的数目 负极:
-2e- 正极:
+2e-
④电极反应关系式 负极:
Pb-2e-⇒PbSO4 正极:
PbO2+2e-⇒PbSO4
⑤考虑电解质溶液,再利用电荷守恒、质量守恒调整反应式
负极:
Pb-2e-+SO42-=PbSO4
正极:
PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O
充电时,是总反应式的逆向过程,氧化剂、还原剂都为PbSO4
分析反应过程
阴极(发生还原反应或与外电源负极相连)反应过程:
PbSO4
阳极(发生氧化反应或与外电源正极相连)反应过程:
PbSO4
充电时电极反应
阴极:
PbSO4+2e-=Pb+SO42-
阳极:
PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42-
五、电解质溶液的电解规律(惰性电极)
1.以惰性电极电解电解质溶液,分析电解反应的一般方法和步骤
(1)分析电解质溶液的组成,找出离子,并分为阴、阳两组。
(2)分别对阴、阳离子排出放电顺序,写出两极上的电极反应式。
(3)合并两个电极反应式,得出电解反应的总化学方程式或离子方程式。
2.反应类型
(1)电解水型:
含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐(如NaOH、H2SO4、K2SO4等)溶液的电解。
如:
阴极:
4H++4e-=2H2↑,
阳极:
4OH--4e-=2H2O+O2↑,
总反应:
(2)自身分解型:
无氧酸(除HF外)、不活泼金属的无氧酸盐(除氟化物外,如HCl、CuCl2等)溶液的电解。
如:
阴极:
Cu2++2e-=Cu,
阳极:
2Cl--2e-=Cl2↑,
(3)放氢生碱型:
活泼金属的无氧酸盐(氟化物除外,如NaCl、MgCl2等)溶液的电解。
如:
阴极:
2H++2e-=H2↑,
阳极:
2Cl--2e-=Cl2↑,
(4)放氧生酸型:
不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4、AgNO3等)溶液的电解。
如:
阴极:
2Cu2++4e-=2Cu,
阳极:
2H2O-4e-=O2↑+4H+,
六、原电池、电解池和电镀池的比较
原电池
电解池
电镀池
定义
将化学能转化成电能的装置
将电能转变成化学能的装置
应用电解原理,在某些金属表面镀上一层其他金属的装置
装置举例
形成条件
①活动性不同的两个电极(连接);②电解质溶液(电极插入其中并与电极自发反应);③形成闭合回路直流电源;
①两个电极接②两个电极插入电解质溶液;③形成闭合回路电源正极;
①镀层金属接
②电镀液必须含有镀层金属的离子
电极名称
负极:
较活泼金属;
正极:
较不活泼金属(或能导电的非金属)
阳极:
与电源正极相连的极;
阴极:
与电源负极相连的极(由外加电源决定)
阳极:
镀层金属;阴极:
镀件(同电解池)
电极反应
负极:
氧化反应,金属失电子;
正极:
还原反应,溶液中的阳离子得电子
阳极:
氧化反应,溶液中的阴离子失电子,或电极金属失电子;
阴极:
还原反应,溶液中的阳离子得电子
阳极:
金属电极失电子;
阴极:
电镀液中阳离子得电子
电子流向
负极
正极
电源负极
阴极
电源正极
阳极
电源负极
阴极电源正极
阳极
反应原理举例
负极:
Zn-2e-=Zn2+
正极:
2H++2e-=H2↑
总反应:
Zn+2H+
Zn2++H2↑
阳极:
2Cl--2e-=Cl2↑
阴极:
Cu2++2e-=Cu
总反应:
Cu2++2Cl-
Cu+Cl2↑
阳极:
Zn-2e-=Zn2+
阴极:
Zn2++2e-=Zn
溶液中
Zn2+浓度不变
主要应用
金属的电化学腐蚀分析;
牺牲阳极的阴极保护法;
制造多种新的化学电源
电解食盐水(氯碱工业);电冶金(冶炼Na、Mg、Al);精炼铜
镀层金属为铬、锌、镍、银等,使被保护的金属抗腐蚀能力增强,增加美观和表面硬度
实质
使氧化还原反应中的电子通过导线定向转移,形成电流
使电流通过电解质溶液,而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程
联系
(1)同一原电池的正、负极发生的电极反应得、失电子数相等。
(2)同一电解池的阴极、阳极发生的电极反应中得、失电子数相等。
(3)串联电路中的各个电极反应得、失电子数相等。
上述三种情况下,在写电极反应式时,得、失电子数要相等,在计算电解产物的量时,应按得、失电子数相等计算
考点一 原电池原理与化学电源
例1.【2017新课标3卷】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
【变式探究】控制适合的条件,将反应2Fe3++2I-
2Fe2++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+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
解析:
选D。
由图示结合原电池原理分析可知,Fe3+得电子变成Fe2+被还原,I-失去电子变成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,C正确;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,D不正确。
【变式探究】某原电池装置如图所示,电池总反应为2Ag+Cl2===2AgCl。
下列说法正确的是( )
A.正极反应为AgCl+e-===Ag+Cl-
B.放电时,交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成
C.若用NaCl溶液代替盐酸,则电池总反应随之改变
D.当电路中转移0.01mole-时,交换膜左侧溶液中约减少0.02mol离子
考点二 电解原理及其应用
例2.【2017新课标2卷】用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,电解质溶液一般为
混合溶液。
下列叙述错误的是
A.待加工铝质工件为阳极
B.可选用不锈钢网作为阴极
C.阴极的电极反应式为:
D.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动
【答案】C
【变式探究】某模拟“人工树叶”电化学实验装置如图所示,该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料(C3H8O)。
下列说法正确的是( )
A.该装置将化学能转化为光能和电能
B.该装置工作时,H+从b极区向a极区迁移
C.每生成1molO2,有44gCO2被还原
D.a电极的反应为3CO2+18H+-18e-===C3H8O+5H2O
解析:
选B。
结合装置图可知该装置为电解装置,模拟“人工树叶”,故为电能转化为化学能,A项错误;b极连接电源的正极,为阳极,在电解池中H+向a极(阴极)区移动,B项正确;右侧H2O→O2发生的是氧化反应,每生成1molO2,转移4mol电子,C3H8O中碳元素的化合价是-2,3CO2→C3H8O,转移18mol电子,故生成1molO2消耗
molCO2,C项错误;a电极发生的是还原反应:
3CO2+18H++18e-===C3H8O+5H2O,D项错误。
【变式探究】H3PO2也可用电渗析法制备。
“四室电渗析法”工作原理如下图所示(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___________________________________________。
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
考点三 电解的计算
例3.在1LK2SO4和CuSO4的混合溶液中c(SO
)=2.0mol·L-1,用石墨电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到22.4L(标准状况)气体,则原溶液中c(K+)为( )
A.2.0mol·L-1 B.1.5mol·L-1
C.1.0mol·L-1D.0.50mol·L-1
解析:
选A。
由于两极均可产生气体,所以阳极是阴离子
OH-放电得到O2,阴极是Cu2+和H+放电得到Cu和H2,由得失电子守恒可知:
2n(O2)=n(Cu2+)+n(H2),而n(O2)=n(H2)=22.4L/(22.4L·mol-1)=1.0mol,所以n(Cu2+)=n(O2)=1.0mol,c(Cu2+)=1.0mol·L-1,原溶液中存在电荷守恒:
c(K+)+2c(Cu2+)=2c(SO
),所以c(K+)=2×2.0mol·L-1-2×1.0mol·L-1=
2.0mol·L-1。
【变式探究】在如图所示的装置中,若通直流电5min时,铜电极质量增加2.16g。
试回答下列问题:
(1)电源中X电极为直流电源的____________极。
(2)pH变化:
A:
____________,B:
____________,C:
____________(填“增大”、“减小”或“不变”)。
(3)通电5min时,B中共收集224mL(标准状况下)气体,溶液体积为200mL,则通电前CuSO4溶液的物质的量浓度为____________(假设电解前后溶液体积无变化)。
(4)若A中KCl足量且溶液的体积也是200mL,电解后,溶液的pH为____________(假设电解前后溶液体积无变化)。
若该气体全为氧气,则电路中需通过0.04mol电子,电子转移不守恒。
因此,B中电解分为两个阶段,先电解CuSO4溶液,生成O2,后电解水,生成O2和H2,B中收集到的气体是O2和H2的混合物。
设电解CuSO4溶液时生成O2的物质的量为x,电解H2O时生成O2的物质的量为y,则4x+4y=0.02mol(电子转移守恒),x+3y=0.01mol(气体体积之和),解得x=y=0.0025mol,所以n(CuSO4)=2×0.0025mol=0.005mol,c(CuSO4)=
=0.025mol·L-1。
(4)通电5min时,A中放出0.01molH2,溶液中生成0.02molKOH,c(OH-)=0.02mol÷0.2L=0.1mol·L-1,pH=13。
答案:
(1)负
(2)增大 减小 不变 (3)0.025mol·L-1
(4)13
考点四 金属的腐蚀与防护
例4.【2017新课标1卷】支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流的阴极保护法进行防腐,工作原理如图所示,其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。
下列有关表述不正确的是
A.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零
B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩
C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流
D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整
【答案】C
进行调整,D正确。
【变式探究】研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。
下列有关说法错误的是( )
A.d为石墨,铁片腐蚀加快
B.d为石墨,石墨上电极反应为:
O2+2H2O+4e-===4OH-
C.d为锌块,铁片不易被腐蚀
D.d为锌块,铁片上电极反应为:
2H++2e-===H2↑
解析:
选D。
由于活动性:
Fe>石墨,所以铁、石墨及海水构成的原电池中,Fe为负极,失去电子被氧化变为Fe2+进入溶液,溶解在海水中的O2在正极石墨上得到电子被还原,比没有形成原电池时的速率快,A正确。
d为石墨,由于是中性电解质,所以发生的是吸氧腐蚀,石墨上O2得到电子,发生还原反应,电极反应为:
O2+2H2O+4e-===4OH-,B正确。
若d为锌块,由于金属活动性:
Zn>Fe,Zn为原电池的负极,Fe为正极,首先被腐蚀的是Zn,Fe得到保护,铁片不易被腐蚀,C正确。
d为锌块,由于电解质溶液为中性环境,发生的是吸氧腐蚀,在铁片上电极反应为:
O2+2H2O+4e-===4OH-,D错误。
【变式探究】利用如图装置进行实验,开始时,a、b两处液面相平,密封好,放置一段时间。
下列说法不正确的是( )
A.a管发生吸氧腐蚀,b管发生析氢腐蚀
B.一段时间后,a管液面高于b管液面
C.a处溶液的pH增大,b处溶液的pH减小
D.a、b两处具有相同的电极反应式:
Fe-2e-===Fe2+
1.【2017新课标1卷】支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流的阴极保护法进行防腐,工作原理如图所示,其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。
下列有关表述不正确的是
A.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零
B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩
C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流
D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整
【答案】C
【解析】本题使用的是外加电流的阴极保护法,钢管柱与电源的负极相连,被保护。
外加强大的电流可以抑制金属电化学腐蚀产生的电流,从而保护钢管柱,A正确;通电后,被保护的钢管柱作阴极,高硅铸铁作阳极,因此电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩,B正确;高硅铸铁为惰性辅助阳极,所以高硅铸铁不损耗,C错误;通过外加电流抑制金属电化学腐蚀产生的电流,因此通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整,D正确。
2.【2017新课标2卷】用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,电解质溶液一般为
混合溶液。
下列叙述错误的是
A.待加工铝质工件为阳极
B.可选用不锈钢网作为阴极
C.阴极的电极反应式为:
D.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动
【答案】C
3.【2017新课标3卷】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】本题使用的是外加电流的阴极保护法,钢管柱与电源的负极相连,被保护。
外加强大的电流可以抑制金属电化学腐蚀产生的电流,从而保护钢管柱,A正确;通电后,被保护的钢管柱作阴极,高硅铸铁作阳极,因此电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩,B正确;高硅铸铁为惰性辅助阳极,所以高硅铸铁不损耗,C错误;通过外加电流抑制金属电化学腐蚀产生的电流,因此通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整,D正确。
4.【2017江苏卷】下列说法正确的是
A.反应N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)的ΔH<0,ΔS>0
B.地下钢铁管道用导线连接锌块可以减缓管道的腐蚀
C.常温下,Ksp[Mg(OH)2]=5.6×10−12,pH=10的含Mg2+溶液中,c(Mg2+)≤5.6×10−4mol·L−1
D.常温常压下,锌与稀H2SO4反应生成11.2LH2,反应中转移的电子数为6.02×1023
【答案】BC
的电子数不是6.02
,D错误。
5.【2017海南】一种电化学制备NH3的装置如图所示,图中陶瓷在高温时可以传输H+。
下列叙述错误的是
A.Pb电极b为阴极
B.阴极的反应式为:
N2+6H++6e−=2NH3
C.H+由阳极向阴极迁移
D.陶瓷可以隔离N2和H2
【答案】A
H2,D正确。
6.(2017江苏)铝是应用广泛的金属。
以铝土矿(主要成分为Al2O3,含SiO2和Fe2O3等杂质)为原料制备铝的一种工艺流程如下:
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