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24电化学原理新课标
2011届高考化学二轮专题复习学案:
2.4电化学原理(新课标)【考纲点击】
1.了解原电池的工作原理,能写出电极反应式和电池总反应式。
2.了解常
见化学电源的种类及其工作原理。
3.了解电解池的工作原理,能写出电极反应式和电池反应方程式。
4.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害和防止金属腐蚀的措施。
【核心要点突破】
一、原电池、电解池电极反应及总反应式的书写
无论是原电池还是电解池,其电极反应均是氧化还原反应,因此电极反应时的书写要遵循质量守恒、电子守恒及电荷守和。
书写时先对电极材料和溶液介质情况分析,再书写电极反应式和总反应式。
1.原电池中电极反应式的书写
(1)先确定原电池的正负极,列出正负极上的反应物质,并标出相同数目电子的得失。
(2)注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。
若不共存,则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式;若正极上的反应物质是O2,且电解质溶液为中性或碱性,则水必须写入正极反应式中,且O2生成OH-,若电解质溶液为酸性,则H+必须写入正极反应式中,O2生成水。
(3)正负极反应式相加,消取得失电子数目及两边的介质离子,得到电池氧化还原反应的总反应式。
若已知电池反应的总反应式,可先写出较易书写的电极反应式,然后在电子守恒的基础上,总反应式减去较易写出的电极反应式,即得到较难写出的电极反应式。
2.电解池中电极反应式的书写
(1)首先看阳极材料,如果阳极是活泼电极(金属活动顺序表Ag以前),则应是阳极失电子,阳极不断溶解,溶液中的阴离子不能失电子。
(2)如果阳极是惰性电极(Pt、Au、石墨),则应是电解质溶液中的离子放电,应根据离子的放电顺序进行书写电极反应式。
阳极(惰性电极)发生氧化反应,阴离子失去电子被氧化的顺序为:
S2->SO32->I->Br->Cl->OH->水电离的OH->含氧酸根离子>F-。
阴极发生还原反应,阳离子得到电子被还原的顺序为:
Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>(酸电离出的H+)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>(水电离出的H+)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。
(注:
在水溶液中Al3+、Mg2+、Na+、Ca2+、K+这些活泼金属阳离子不被还原,这些活泼金属的冶炼往往采用电解无水熔融态盐或氧化物而制得)。
(3)根据实际反应物写总电解方程式。
3.特殊情况电极反应式的书写
在书写电极反应式时,一定要注意一些特殊情况。
(1)注意溶液中的离子浓度的改变会引起离子放电顺序的改变
溶液中的离子浓度改变,有时可导致离子放电顺序的改变。
例:
在给某镀件镀锌时,电镀液是饱和ZnCl2溶液,试写出该电镀池的电极反应式。
解析:
在饱和ZnCl2溶液中,Zn2+的浓度远大于水电离出来的H+的浓度,所以阴极应是Zn2+放电,而不是H+放电。
其电极反应式为:
阳极:
Zn-2e-=Zn2+;阴极:
Zn2++2e-=Zn。
(2)注意电解质溶液的改变会引起电极正负的改变
在原电池中,一般较活泼金属作负极,但当电解质溶液发生改变时,较活泼金属就不一定作负极了。
例:
将铜片和铝片用导线相连,分别同时插入稀H2SO4和浓HNO3中,写出两池的电极反应式。
解析:
在稀H2SO4作电解质溶液的原电池中,较活泼的铝被氧化作负极,铜作正极。
其电极反应为:
负极(Al):
2Al-6e-=2Al3+;正极(Cu):
6H++6e-=3H2↑。
在浓HNO3作电解质溶液的原电池中,因为Al在浓HNO3中钝化,较不活泼的铜作负极,其电极反应为:
负极(Cu):
Cu-2e-=Cu2+;正极(Al):
2NO3-+4H++2e-=2NO2↑+2H2O。
但随着反应的进行,浓HNO3逐渐变稀,正极电极反应又有:
NO3-+4H++3e-=NO↑+2H2O。
(3)注意电解质溶液的酸碱性改变会引起电极反应的改变
有些电池若改变其电解质溶液的酸碱性,虽不会改变电池的正负极,但却改变了电极反应。
例:
若将例2中的电解质KOH溶液改为稀硫酸,其它条件不变,试写出该电池两极的电极反应式。
解析:
该题虽只改变了电解质溶液的酸碱性,但总反应式与例2不相同了,其总反应式为CH4+2O2→CO2+2H2O。
这样,在正极上O2得电子生成的O2-会与稀硫酸中的H+结合生成水,而不再生成O
H-(OH-能与H+继续反应生成水)。
正极反应式为:
2O2+8H++8e-=4H2O,负极上的反应式则可用总反应式减去正极反应式(电子守恒)得:
CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+。
【典题训练1】(2010·广东高考·T23·6分)铜锌原电池(如图9)工作时,下列叙述正确的是
A正极反应为:
Zn—2e-=Zn2+
B电池反应为:
Zn+Cu2+=Zn2++Cu
C在外电路中,电子从负极流向正极
D盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
【命题立意】本题主要考查电化学,属于电化学中的基础试题。
本题是由课本中的课后习题改编而成,说明课后习题的重要性,源于课本且新于课本,因此考查同学们学习过程中是否具备触类旁通、举一反三、勇于创新的精神,既属于基本知识的考查又属于能力的考查。
【思路点拨】
先由图示条件判断原电池的正负极→再结合原电池原理及原电池的有关性质进行判断
【规范解答】选BC。
Zn是原电池的负极,故A错;原电池总反应与没有形成原电池时的氧化还原反应相同,故B正确;根据闭合回路的电流方向,在外电路中,电流由正极流向负极,因电子流向与电流的方向相反,即电子由负极流向正极,故C正确;在溶液中,阳离子向正极移动,故D错。
二、电解质溶液的电解规律及有关的计算方法
1.电解规律(惰性电极)
溶质类别
电解总反应式[来源:
学。
科。
网Z。
X。
X。
K]
相当于电解
电解质溶液浓度
溶液pH
电解质溶液复原所需加入物质[来源:
学。
科。
网Z。
X。
X。
K]
NaOH溶液
强碱
2H2O
2H2↑+O2↑[来源:
学。
科。
网]
水[来源:
学|科|网Z|X|X|K][来源:
学*科*网]
增大
升高[来源:
Zxxk.Com]
水
H2SO4溶液[来源:
Z+xx+k.Com]
含氧酸
增大
降低
水
Na2SO4溶液
活泼金属的含氧酸盐
增大
不变
(两极混合液)
水
CuCl2溶液
不活泼金属的无氧酸盐
CuCl2
Cu+Cl2↑
电解质本身
减小
接近7
CuCl2
HCl溶液
无氧酸
2HCl
H2↑+Cl2↑
减小
升高
HCl
NaCl溶液
活泼金属的无氧酸盐
2NaCl+2H2O
H2+2NaOH+Cl2↑
电解质与水
生产新电解质
升高
HCl
CuSO4溶液
不活泼金属的含氧酸盐
2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4
生产新电解质
降低
CuCl2
2.主要计算方法
原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数测定的计算、根据电荷量求产物的量与根据产物的量求电荷量等的计算。
不论哪类计算,均可概括为下列三种方法:
1根据电子守恒法计算:
用于串联电路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电荷量等类型的计算,其依据是阴、阳两级转移的电子的物质的量相等。
②根据电荷守恒法。
电解质溶液中阳离子所带正电荷总数与阴离子所带负电荷总数相等。
要特别注意守恒关系中换算单位的统一。
3根据总反应式计算:
先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列比例式计算,混合溶液的电解要分清阶段,理清两级电解过程中的电子守恒。
【典题训练2】(2010·海南高考·T9·4分)利用电解法可将含有Fe、Zn、Ag、Pt等杂质的粗铜提纯,下列叙述正确的是
A.电解时以精铜作阳极
B.电解时阴极发生还原反应
C.粗铜连接电源负极,其电极反应是Cu=Cu2++2e—
D.电解后,电解槽底部会形成含少量Ag、Pt等金属的阳极泥
【命题立意】本题考查电解池的基本原理及其应用,理解工业精炼铜的原理方法。
【思路点拨】电解精炼金属的过程:
【规范解答】选BD。
电解法精炼金属铜时,粗铜作阳极,失去电子逐渐溶解,Cu2+得到电子后析出,附着在阴极上,故精铜作阴极;在电解池中,阴极接电源的负极,发生还原反应,阳极接电源的正极,发生氧化反应,A、C错误B正确;越活泼的金属越易失去电子,故比铜活泼的Fe、Zn先失去电子,变成Fe2+、Zn2+进入溶液,然后是铜失去电子,变成Cu2+进入溶液,因Ag、Pt等金属不如铜活泼,故在铜溶解后便沉淀在阳极底部成为阳极泥,D正确。
【类题拓展】电解原理的另一应用是电镀,其原理为:
【高考真题探究】
1.(2010·福建理综·T11·6分)(铅蓄电池的工作原理为:
研读下图,下列判断不正确的是
A.K闭合时,d电极反应式:
B.当电路中转移0.2mol电子时,I中消耗的
为0.2mol
C.K闭合时,II中
向c电极迁移
D.K闭合一段时间后,II可单独作为原电池,d电极为正极
【命题立意】本题以蓄电池为载体,着重考查了考生对电化学相关知识的掌握情况,其中涉及到了电极反应式的书写、化学计算、离子移动方向的判断以及蓄电池的工作原理的考查。
将电化学有关知识与元素化合物、化学计算等学科内知识综合在一起进行考查,是高考命题的一个新的变化。
【思路点拨】解答本题应注意以下几个问题:
(1)书写电极反应式时应看清充放电的方向,同时注意元素价态的变化。
(2)结合装置,正确判断电极情况。
(3)熟练掌握蓄电池工作原理。
【规范解答】选C。
选项A:
K闭合时Ⅰ为原电池,Ⅱ为
电解池,Ⅱ中发生充电反应,d电极为阳极发生氧化反应,其反应式为PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42-所以A正确。
选项B:
在上述总反应式中,得失电子总数为2e-,当电路中转移0.2mol电子时,可以计算出Ⅰ中消耗的硫酸的量为0.2mol,所以B项正确。
选项C:
K闭合时d是阳极,阴离子向阳极移动,所以C项错误。
选项D:
K闭合一段时间,也就是充电一段时间后Ⅱ可以作为原电池,由于c表面生成Pb,放电时做电源的负极,d表面生成PbO2,做电源的正极,所以D项正确。
2.(2010·江苏高考·T11·4分)如图是一种航天器能量储存系统原理示意图。
下列说法正确的是
A.该系统中只存在3
种形式的能量转化
B.装置Y中负极的电极反应式为:
O2+2H2O+4e—=4OH—
C.装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生
D.装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放,
并能实现化学能与电能间的完全转化
【命题立意】本题以一种航天器能量储存系统为背景,考查能量转化及原电池、电解池相关原理。
注意能量转化的损耗,体现化学的真实性。
【思路点拨】注意从电解池和原电池有关原理分析系统中物质的转化、书写电极反应式,结合流程图、电化学原理分析系统中的能量转化,注意能量转化的损耗。
【规范解答】选C。
A项,该系统有太阳能转化为电能,电能转化为化学能,化学能转化为电能,电能转化为机械能,太阳能转化为机械能多种能量转化形式,A项错;B项,装置Y为原电池,负极发生氧化反应,应是H2反应,B项错;C项,装置X为电解池,其作用是将水转化为燃料(氢气)和氧化剂(氧气),C项正确;D项,化学能与电能间不可能完全转化,D项错。
【类题拓展】
原电池
电解池
能量转化
化学能→电能
电能→化学能
两极反应
正极(还原反应)
阳极(氧化反应)
负极(氧化反应)
阴极(还原反应)
3.(2010·新课标全国卷·T12·6分)根据右图,可判断出下列离子方程式中错误的是
A.2Ag(s)+Cd2+(aq)=2Ag+(s)+Cd(s)
B.Co2+(aq)+Cd(s)=Co(s)+Cd2+(aq)
C.2Ag+(aq)+Cd(s)=2Ag(s)+Cd2+(aq)
D.2Ag+(aq)+Co(s)=2Ag(s)+Co2+(aq)
【命题立意】本题主要考查原电池的有关知识。
【思路点拨】构成原电池时,必须存在一个能够自发进行的氧化还原反应。
【规范解答】选A。
第一个原电池装置中,Cd作负极,Co作正极,自发进行的氧化还原反应是Co2+(aq)+Cd(s)=Co(s)+Cd2+(aq);第二个原电池装置中,Co作负极,Ag作正极,自发进行的氧化还原反应是2Ag+(aq)+Co(s)=2Ag(s)+Co2+(aq)。
由以上两个方程式相加可得2Ag+(aq)+Cd(s)=2Ag(s)+Cd2+(aq),因此B、C、D都正确,Cd2+不能氧化Ag,所以A不正确,故本题选A。
4.(2010·北京高考·T6·6分)下列有关钢铁腐蚀与防护的说法正确的是
A.钢管与电源正极连接,钢管可被保护
B.铁遇冷浓硝酸表面钝化,可保护内部不被腐蚀
C.钢管与铜管露天堆放在一起,钢管不易被腐蚀
D.钢铁发生析氢腐蚀时,负极反应是
【命题立意】本题以生活中的钢铁腐蚀与防护为背景,体现了原电池和电解池的相关内容,主要考查电化学的基础知识。
【思路点拨】原电池中负极、电解池中阴极受保护,不被腐蚀。
【规范解答】选B。
A中钢管与电源正极连接,成为电解池的阳极而溶解,加速了钢管的腐蚀,故A项不符合题意。
铁遇冷浓硝酸表面钝化,形成了一层致密的氧化物保护膜,可保护内部不被腐蚀,故B正确。
钢管与铜管露天堆放在一起,潮湿的空气作为电解质溶液,铜管为正极、钢管为负极发生电化学腐蚀,加速了钢管的腐蚀,故C项不合题意。
钢铁发生析氢腐蚀时,负极反应应是Fe-2e-=Fe2+,故D项不合题意。
【类题拓展】构成原电池,当作负极时会加快金属的腐蚀。
一般来说,金属腐蚀快慢的顺序是:
电解原理引起的腐蚀(作阳极)>原电池原理引起的腐蚀(作负极)>一般的化学腐蚀;当金属受保护时,保护效果排序是:
电解原理保护(作阴极)>原电池原理保护(作正极)>一般的保护措施。
5.(2010·山东高考·T29·
12分)对金属制品进行抗腐蚀处理,可延长其使用寿命。
(1)以下为铝材表面处理的一种方法:
①碱洗的目的是除去铝材表面的自然氧化膜,碱洗时常有气泡冒出,原因是______(用离子方程式表示)。
为将碱洗槽液中铝以沉淀形式回收,最好向槽液中加入下列试剂中的_______________。
a.NH3b.CO2c.NaOHd.HNO3
②以铝材为阳极,在H2SO4溶液中电解,铝材表面形成氧化膜,阳极电极反应为_________。
取少量废电解液,加入NaHCO3,溶液后产生气泡和白色沉淀,产生沉淀的原因是___________________________。
(2)镀铜可防止铁制品腐蚀,电镀时用铜而不用石墨作阳极的原因是________________
______。
(3)利用如图装置,可以模拟铁的电化学防护。
若X为碳棒,为减缓铁的腐蚀,开关K应置于______处。
若X为锌,开关K置于M处,该电化学防护法称为_______。
【命题意图】考查铝及其化合物的性质、电极反应式的书写、盐类水解、电镀及金属防腐的方法。
【思路点拨】Al(OH)3不溶于弱酸,也不溶于弱碱,但是碳酸的酸性强于偏铝酸,故NaAlO2溶液中通入CO2会有白色沉淀Al(OH)3生成;单种离子的水解程度不大,一般不会产生气体或沉淀,当两种离子相互促进水解时,往往容易产生气体或沉淀。
【规范解答】
(1)①冒气泡的原因是Al与NaOH反应,化学方程式为:
2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑;
使AlO2-生成沉淀,最好是通入CO2,若加HNO3,沉淀容易溶解。
②阳极是Al发生氧化反应,要生成氧化膜,还必须有H2O参加,故电极反应式为:
2Al+3H2O-6e-=Al2O3+6H+;加入NaHCO3溶液后产生气泡和白色沉淀,是由于废电解液中含有Al3+和HCO3-相互促进水解。
(2)电镀时,阳极Cu可以发生氧化反应生成Cu2+,以补充Cu2+.
(3)铁被保护,可以是做原电池的正极,或者电解池的阴极,故若X为碳棒,开关K应置于N处,Fe做阴极受到保护;若X为锌,开关K置于M处,铁是做正极,锌作负极,称为牺牲阳极的阴极保护法。
【答案】
(1)①2Al+2OH-+2H2O===2AlO2-+3H2↑;b
②2Al+3H2O-6e-=Al2O3+6H+;因为Al3+和HCO3-相互促进水解:
Al3++3HCO3-===Al(OH)3↓+3CO2↑
(2)阳极Cu可以发生氧化反应生成Cu2+。
(3)N牺牲阳极阴极保护法
【类题拓展】
1.电镀:
待镀金属制品作阴极,镀层金属作阳极,含有镀层金属离子的溶液作电镀液,阳极反应:
M–ne-=Mn+(进入溶液),阴极反应Mn++ne-=M(在镀件上沉积金属)
2.电解精炼铜:
以粗铜为阳极,精铜为阴极,含铜离子的溶液作电解质溶液。
电解时发生如下反应:
阳极(粗铜):
Cu-2e-=Cu2+;阴极(纯铜):
Cu2++2e-=Cu。
3.电冶金:
Na、Mg、Al的制取,如,电解熔融NaCl制金属Na:
2NaCl(熔融)=2Na+Cl2↑。
4.金属腐蚀的快慢:
在相同的电解质溶液中,金属腐蚀的快慢一般为:
电解池的阳极>原电池负极>化学腐蚀>电解池阴极、原电池正极。
5.金属腐蚀和电化学腐蚀的比较:
电化学腐蚀(吸氧腐蚀)
化学腐蚀
条件
不纯金属或合金与电解质
溶液接触构成微小原电池
金属跟接触物质(多为非电解质)
直接反应
现象
有微弱电流产生
无电流产生
结果
活泼金属被腐蚀
较不活泼金属得到保护
各种金属都有可能被腐蚀
实例
负极:
2Fe-4e-=2Fe2+
正极:
O2+2H2O+4e-=4OH-
2Fe+3Cl2=2FeCl3(某些工厂)
本质
金属原子失去电子被氧化而损耗
联系
两种腐蚀同时发生,但电化腐蚀较化学腐蚀普遍,钢铁以吸氧腐蚀常见
金属的防护
①改变金属内部结构,如制成不锈钢;②在金属表面覆盖保护层,如电镀、涂油、喷漆、搪瓷、镀氧化膜(致密),目的使金属制品与周围物质隔开;③电化学保护法(被保护金属作为原电池的正极或电解池的阴极)
6.(2010·天津高考·T7·14分)X、Y、Z、L、M五种元素的原子序数依次增大。
X、Y、Z、L是组成蛋白质的基础元素,M是地壳中含量最高的金属元素。
回答下列问题:
⑴L的元素符号为________;M在元素周期表中的位置为________________;五种元素的原子半径从大到小的顺序是____________________(用元素符号表示)。
⑵Z、X两元素按原子数目比l∶3和2∶4构成分子A和B,A的电子式为___,B的结构式为____________。
⑶硒(se)是人体必需的微量元素,与L同一主族,Se原子比L原子多两个电子层,则Se的原子序数为_______,其最高价氧化物对应的水化物化学式为_______。
该族2~5周期元素单质分别与H2反应生成lmol气态氢化物的反应热如下,表示生成1mol硒化氢反应热的是__________(填字母代号)。
a.+99.7mol·L-1b.+29.7mol·L-1c.-20.6mol·L-1d.-241.8kJ·mol-1
⑷用M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:
______________;由R生成Q的化学方程式:
_______________________________________________。
【命题立意】本题以元素的推断为背景,综合考查了元素符号的书写、元素位置的判断和原子半径大小的比较;考查了电子式、结构式的书写,元素周期律和电极反应式、化学方程式的书写,是典型的学科内综合试题。
【思路点拨】解答本题的突破口是地壳中含量最高的金属元素和蛋白质的组成。
【规范解答】
(1)X、Y、Z、L是组成蛋白质的四种元素且原子序数依次增大,故分别为:
H、C、N、O元素;M是地壳中含量最高的元素,为Al,其在周期表的位置为第3周第ⅢA族;再根据五种元素在周期表的位置,可知半径由大到小的顺序是:
Al>C>N>O>H。
(2)N和H1:
3构成的分子为NH3,电子式为
;2:
4构成的分子为N2H4,其结构式为
。
(3)Se比O多两个电子层,共4个电子层,1→4电子层上的电子数分别为:
2、8、18、6,故其原子序数为34;其最高价氧化物对应的水化物的化学式类似H2SO4,为H2SeO4。
非金属性越强,与氢气反应放出的热量越多,故2→5周期放出的热量依次是:
d、c、b、a,则第四周期的Se对应的是b。
(4)Al作阳极失去电子生成Al3+,Al3++3HCO3-==Al(OH)3+3CO2,2Al(OH)3
Al2O3+3H2O。
【答案】
(1)O第三周第ⅢA族Al>C>N>O>H
(2)
(3)34H2SeO4b
(4)Al-3e-
Al3+Al3++3HCO3-==Al(OH)3+3CO22Al(OH)3
Al2O3+3H2O。
【类题拓展】
电解时电极产物的判断
(1)阳极产物的判断:
首先看阳极电极材料,若阳极电极材料是活性电极(金属活动性顺序表中Ag之前的金属单质),则阳极电极材料失去电子,阳极溶解,溶液中的阴离子不发生变化;若阳极电极材料是惰性电极(Pt、Au、石墨),则要看溶液中阴离子的失电子能力,此时可根据阴离子放电顺序加以判断,阴离子的放电顺序为:
S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子>F-。
(2)阴极产物的判断:
直接根据阳离子放电顺序加以判断,阳离子的放电顺序与金属活动性顺序表相反,其中:
Ag+>Fe3+>Cu2+>H+;电镀时:
Zn2+>H+。
强调:
阴极电极材料与金属活动性无关。
【专题模拟演练】
一、选择题
1.普通水泥在固化过程中自由水分子减少并形成碱性溶液。
根据这一物理化学特点,科学家发明了电动势法测水泥的初凝时间。
此法的原理如图所示,反应的总方程式为:
2Cu+Ag2O=Cu2O十2Ag下列有关说法正确的是
A.工业上以黏土、石灰石和石英为主要原料来制造普通水泥
B.负极的电极反应式为:
C.测量原理示意图中,电流方向从Cu经过导线流向Ag2O
D.电池工作时,溶液中
向正极移动
2.右图是水煤气(成分为CO、H2)空气燃料电池的工作原理示意图,a、b均为惰性电极。
下列叙述中正确的是()
A.A处通人的是空气,B处通人的是水煤气
B.a电极发生还原反应,b电极发生氧化反应
C.a电极的反应式包括:
CO+4OH-+2e-=CO
+2H2O
D.如用这种电池电镀铜,待镀金属增重6.4g,则至少消耗标准状况下的水煤气2.24L
3.已知锌能溶解在NaOH溶液中,生成Na2和H2。
某同学据此设计了测定镀锌铁皮镀层厚度的实验方案,将单侧面积为S、质量为m1的镀锌铁皮与石墨用导线相连,放入6mol/LNaOH溶液中:
当石墨棒上不再有气泡产生时,取出铁片用水冲洗、烘干后称量,得质量为m2。
下列说法正确的是
A.设锌镀层厚度为h,锌的密度为ρ
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