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第21講電化學基礎 考綱導視 考點一 原電池化學電源 基礎梳理 一 原電池 化學能 電能 1 概念 把 轉化為 的裝置 2 構成條件 1 兩個 電極 2 將兩個電極插入 中 3 用導線連接電極形成 閉合回路 4 具有自發(fā)進行的 活潑性不同的 電解質溶液 氧化還原反應 3 工作原理 以鋅銅原電池為例 Zn Cu 氧化反應 還原反應 Zn 2e Zn2 Cu2 2e Cu 二 化學電源 1 堿性鋅錳干電池 一次電池 Zn 2OH 2e Zn OH 2 Pb 2e 2 鉛蓄電池 二次電池 PbO2 Pb2H2SO4 PbSO4 3 氫氧燃料電池 堿性介質 能量利用率高 無污染 原料來源廣泛等 2H2 4OH 4e 4H2O O2 4e 2H2O 4OH 2H2 O2 2H2O 題組訓練 例1 分析下圖所示的四個原電池裝置 其中結論正確的是 C 中Fe作負極 電極反應式為 Fe 2e Fe2 A 中Mg作負極 中Fe作負極B 中Mg作負極 電極反應式為 Mg 2e Mg2 D 中Cu作正極 電極反應式為 O2 2H2O 4e 4OH 解析 中Mg不與NaOH溶液反應 而Al能和NaOH溶液反應失去電子 故Al是負極 中Fe在濃硝酸中鈍化 Cu和濃HNO3反應失去電子作負極 A B C錯 答案 D 歸納總結 原電池正 負極判斷方法 說明 原電池的正極和負極與電極材料的性質有關 也與電解質溶液有關 不要形成活潑電極一定作負極的思維定勢 例2 2014年全國模擬題組合 銅鋅原電池工作時 下列敘 述正確的是 A 正極反應為 Zn 2e Zn2 B 電池反應為 Zn Cu2 Zn2 CuC 在外電路中 電子從正極流向負極D 電池反應進行時 鹽橋中的K 移向ZnSO4溶液 思路指導 正極發(fā)生還原反應 化合價降低 負極發(fā)生氧 化反應 化合價升高 解析 根據(jù)題給原電池 鋅片為原電池的負極 電極反應 Cu2 2e Cu 電池反應為 Zn Cu2 Zn2 Cu 在外 電路中 電子由負極經(jīng)導線流向正極 電流是由正極流向負極 鋅片中的Zn失去電子生成Zn2 帶正電荷的Zn2 進入ZnSO4溶液 為保持溶液電中性 鹽橋中的Cl 移向ZnSO4溶液 所以選項B正確 A C D錯誤 答案 B 為 Zn 2e Zn2 銅片為原電池的正極 電極反應為 易錯警示 在原電池中 外電路由電子定向移動導電 電子總是從負極流出 流入正極 內電路由離子的定向移動導電 陽離子向正極移動 陰離子向負極移動 原電池 負極材料是Cu 電極反應式為 Cu 2e Cu2 例3 下列說法正確的是 A 用導線將金屬A和石墨棒連接后插入稀硫酸中 一段時間后觀察到A極溶解 則說明A是正極 B 向稀硫酸溶液中滴加少量硫酸銅溶液 會減慢鋅和硫酸反應制取氫氣的速率 D 甲醇燃料電池總反應式為 2CH3OH 3O2 4OH C 根據(jù)反應 2Ag aq Cu s Cu2 aq 2Ag s 設計的 電子 解析 A極溶解 則說明A的活潑性強 作負極 A項錯誤 向溶液中加少量硫酸銅溶液 形成銅 鋅原電池加快反應的進行速率 B項錯誤 根據(jù)總反應式可知 每生成1molCH3OH時 C元素的化合價由 4降低到 2 轉移6mol電子 D項錯誤 答案 C 歸納總結 原電池原理的應用 1 比較不同金屬的活動性強弱 根據(jù)原電池原理可知 在原電池反應過程中 一般活動性強的金屬作負極 而活動性弱的金屬 或碳棒 作正極 2 加快化學反應速率 原電池可以加快化學反應速率 如鋅和稀硫酸反應制取氫氣時 可向溶液中滴加少量硫酸銅 形成銅 鋅原電池 加快反應的進行速率 3 設計制作化學電源 設計原電池時要緊扣原電池的四個條件 具體方法是 首先將氧化還原反應拆成兩個半反應 即氧化反應和還 原反應 結合兩個半反應找出正負極材料及電解質溶液 按要求畫出原電池裝置圖 例4 把適合題意的圖象填在橫線上 填序號 A B C D 1 將等質量的兩份鋅粉a b分別加入過量的稀硫酸 同時向a中加入少量的CuSO4溶液 產(chǎn)生H2的體積V L 與時間t min 的關系是 2 將過量的兩份鋅粉a b分別加入定量的稀硫酸 同時向a中加入少量的CuSO4溶液 產(chǎn)生H2的體積V L 與時間t min 的關系是 3 將 1 中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液 其他條件 不變 則圖象是 解析 加入CuSO4溶液 Zn置換出Cu 形成原電池 加 中由于H2SO4定量 產(chǎn)生H2的體積一樣多 3 當把CuSO4溶 圖象正確 答案 1 A 2 B 3 C 快反應速率 1 a中一部分Zn與Cu2 反應 H2體積減小 2 液改成CH3COONa溶液時 由于CH3COO H CH3COOH a中c H 減少 反應速率減小 但生成H2的體積不變 所以C 考點二 電解池 基礎梳理 一 電解原理 電流 陰陽兩極 氧化還原反應 1 電解 使 通過電解質溶液 或熔融的電解質 而在 引起 的過程 2 電解池 1 概念 把電能轉化為化學能的裝置 2 構成 直流電源 電極 電解質 閉合回路 3 電極名稱及電極反應式 如下圖 陽極 氧化 2Cl 2e Cl2 陰極 還原 Cu2 2e Cu 4 電子和離子的移動方向 3 兩極放電順序 1 若陽極為活潑金屬 金屬活動性順序表Pt之前金屬 則金屬失電子 電極被溶解 若是惰性電極 Pt Au 石墨 則 OH 含氧酸根離子 F 2 在陰極 陽離子放電 順序與金屬活動性順序表相反 Na Ca2 K 溶液中陰離子失電子 陰離子放電順序 S2 I Br Cl Ag Fe3 Cu2 H 酸 Fe2 Zn2 H 水 Al3 Mg2 方法技巧 陰極不管是什么材料 電極本身都不反應 一定是溶液 或熔融電解質 中的陽離子放電 最常用 最重要的放電順序是 陽極 Cl OH 陰極 Ag Cu2 H 電解水溶液時 K Al3 不可能在陰極放電 即不可能用電解水溶液的方法得到K Ca Na Mg Al等金屬 二 電解原理的應用1 電解飽和食鹽水 氫氣 氯氣 燒堿 2Cl 2e Cl2 2H 2e H2 2NaCl 2H2O2NaOH H2 Cl2 2 電鍍或電解精煉銅 陰極 陽極 Cu 2e Cu2 Cu2 2e Cu 3 冶煉金屬 以冶煉Na為例 鈉 鎂 鋁 2Cl 2e Cl2 2Na 2e 2Na 2NaCl 熔融 2Na Cl2 題組訓練 例5 2014年廣東高考 某同學組裝了如下圖所示的電化學 裝置 電極 為Al 其他電極均為Cu 則 A 電流方向 電極 電極 B 電極 發(fā)生還原反應C 電極 逐漸溶解D 電極 的電極反應 Cu2 2e Cu 思路指導 無明顯外接電源的電解池的串聯(lián)問題 主要是根據(jù)原電池的形成條件判斷電源的正負極 從而判斷電解池的陰陽極 解析 由題意可知 該裝置的 是原電池的兩極 是負極 是正極 電解池的兩極 其中 是陽極 是陰極 所以電流方向 電極 電極 A項正確 電極 是原電池的負極 發(fā)生氧化反應 B項錯誤 電極 是原電池的正極 發(fā)生還原反應 有Cu析出 C項錯誤 電極 是陽極 答案 A 發(fā)生氧化反應 電極反應是Cu 2e Cu2 D項錯誤 例6 按要求書寫電極反應式和總方程式 1 用惰性電極電解CuSO4溶液 陽極反應式 陰極反應式 總反應離子方程式 2 用鐵作電極電解NaCl溶液 陽極反應式 陰極反應式 總化學方程式 2 Fe 2e Fe2 答案 1 4OH 4e O2 2H2O2Cu2 4e 2Cu 2CuSO4 2H2O Cu O2 2H2SO4 Fe 2H2O Fe OH 2 H2 2H 2e H2 解題模型 電解電極反應式的書寫 1 首先判斷陰 陽極 分析陽極材料是惰性電極還是活潑 電極 2 再分析電解質水溶液的組成 找全離子并分為陰 陽兩 3 然后排出陰 陽兩極的放電順序 4 分析電極反應 判斷電極產(chǎn)物 寫出電極反應式 要注 意遵循原子守恒和電荷守恒 5 最后寫出電解反應的總化學方程式或離子方程式 組 不要忘記水溶液中的H 和OH 例7 1 在298K時 1molCH4在氧氣中完全燃燒生成二氧化碳和液態(tài)水 放出熱量890 0kJ 寫出該反應的熱化學方程式 現(xiàn)有CH4和CO的混合氣體0 75mol 完全燃燒后 生成CO2氣體和18g液態(tài)水 并放出515kJ熱量 則CH4和CO的物質的量分別為 mol 2 利用該反應設計一個燃料電池 用氫氧化鉀溶液作電解質溶液 多孔石墨作電極 在電極上分別通入甲烷和氧氣 通入甲烷氣體的電極應為 極 填 正 或 負 該電極上發(fā)生的電極反應是 填字母代號 2 在右圖所示實驗裝置中 石墨棒上的電極反應式為 如果起始時盛有1000mLpH 5的硫酸銅溶液 25 CuSO4足量 一段時間后溶液的pH變?yōu)? 此時可觀察到的 現(xiàn)象是 若要使溶液恢復到起始濃度 溫度不變 忽略溶液體積的變化 可向溶液中加入 填物質名稱 其質量約為 解析 1 1molC2H6在氧氣中完全燃燒生成二氧化碳和液態(tài)水 放出熱量1558 3kJ 根據(jù)書寫熱化學方程式的要求寫出 熱化學方程式即可 18g液態(tài)水的物質的量 18g18g mol 1 1mol 24 0 5mol 故 1mol 根據(jù)H原子守恒可知n CH4 n CO 0 75mol 0 5mol 0 25mol 2 用氫氧化鉀溶液作電解質溶液 多孔石墨作電極 在電極上分別充入甲烷和氧氣 甲烷在負極發(fā)生氧化反應 氧氣在正極發(fā)生還原反應 在強堿溶液中負極的電極反應式為 CH4 3 由裝置中的電子流向判斷石墨為陽極 鐵為陰極 電解 質溶液中的氫氧根離子在陽極放電 電極反應式為2H2O 4e 盛有1000mLpH 5的硫酸銅溶液 25 CuSO4足量 一段時間后溶液的pH變?yōu)? 根據(jù)pH的變化可知c H 近似增加了 8e 10OH CO 7H2O 4H O2 陰極電極反應式為Cu2 2e Cu 起始時 式2CuSO4 2H2O 2Cu 2H2SO4 O2 可知 該過程中溶液 損失了0 05molCu和0 025molO2 若要使溶液恢復到起始濃度 忽略溶液體積的變化 這需要加入0 05molCu和0 05molO 即0 05mol氧化銅或碳酸銅等 需要氧化銅的質量 10 1 10 5 0 1mol L 1 即生成的硫酸為0 05mol 結合方程 0 05mol 80g mol 1 4g 需要碳酸銅的質量 0 05mol 124g mol 1 6 2g 4H 答案 1 CH4 g 2O2 g CO2 g 2H2O l 石墨電極表面有氣泡產(chǎn)生 鐵電極上附著一層紅色物質 溶液顏色變淺 氧化銅 或碳酸銅 4g 或6 2g H 890 0kJ mol 10 50 25 2 負b 3 4OH 4e O2 2H2O 或2H2O 4e O2 規(guī)律總結 電解質溶液的復原應遵循 從溶液中析出什么補什么 的原則 即從溶液中析出哪種元素的原子 則應按比例補入哪些原子 例8 空間實驗室 天宮一號 的供電系統(tǒng)中有再生氫氧燃料電池 RFC RFC是一種將水電解技術與氫氧燃料電池技術相結合的可充電電池 下圖為RFC工作原理示意圖 有關說法 正確的是 A 當有0 1mol電子轉移時 a極產(chǎn)生1 12LO2 標準狀況下 B b極上發(fā)生的電極反應是 4H2O 4e 2H2 4OH C c極上發(fā)生的電極反應是 O2 4H 4e 2H2OD d極上進行還原反應 B中的H 可以通過隔膜進入A池 答案 C 解析 由裝置圖分析可知 左邊裝置為電解池 右邊裝置為燃料電池 電解池中 由電源判斷a為陰極 發(fā)生還原反應 4H 4e 2H2 a極轉移0 1mol電子時 產(chǎn)生0 05molH2 在標準狀況下其體積為1 12L A項錯誤 b為陽極 發(fā)生氧化反應 4OH 4e 2H2O O2 B項錯誤 燃料電池 原電池 中 電解質溶液是酸性溶液 c電極通入氧氣 該電極為正極 得到電子 發(fā)生還原反應 O2 4H 4e 2H2O C項正確 d電極通入氫氣 為負極 失電子 發(fā)生氧化反應 2H2 4e 4H D項錯誤 考點三 金屬的電化學腐蝕與防護 基礎梳理 1 金屬的腐蝕 氧化還原 金屬被氧化 金屬與周圍的氣體或液體物質發(fā)生 反應而引起損耗的現(xiàn)象 金屬腐蝕的本質 1 化學腐蝕 金屬與接觸的物質直接發(fā)生 而引 起的腐蝕 化學反應 原電池 2 電化學腐蝕 不純的金屬跟電解質溶液接觸發(fā)生 反應 較活潑的金屬被氧化的腐蝕 同時 電化學 3 兩種腐蝕往往 發(fā)生 但 腐蝕更普遍 速度快 危害更重 2 電化學腐蝕的分類 以鐵的腐蝕為例 Fe 2e Fe2 2Fe 4e 2Fe2 O2 4e 2H2O 4OH 呈中性或弱酸性 2H 2e H2 呈酸性 吸氧 Fe 2H Fe2 H2 2Fe O2 2H2O 2Fe OH 2 3 金屬的防護方法 1 加防護層 如 等 合理即可 2 改變 如將普通鋼制成 不銹鋼 金屬的內部結構 3 電化學保護法 犧牲負極的正極保護法 利用 原理 極被保護 如在被保護的鋼鐵設備上裝上若干較活潑的金屬如鋅 讓被保護的金屬作原電池的正極 原電池 外加電流的陰極保護法 利用 原理 極被保護 如用被保護的鋼鐵設備作陰極 惰性電極作陽極 外 接直流電源 電解池 涂油漆 覆蓋陶瓷 電鍍 金屬鈍化 正 陰 下列有關描述錯誤的是 題組訓練 例9 如右下圖裝置中 U型管內為紅墨水 a b試管內分別盛有食鹽水和氯化銨溶液 各加入生鐵塊 放置一段時間 A 生鐵塊中的碳是原電池的正極B 紅墨水柱兩邊的液面變?yōu)樽蟮陀腋逤 兩試管中相同的電極反應式是 Fe 2e Fe2 D a試管中發(fā)生了吸氧腐蝕 b試管中發(fā)生了析氫腐蝕 解析 a試管中食鹽水為中性 發(fā)生了吸氧腐蝕 壓強減小 b試管中氯化銨溶液為酸性 發(fā)生了析氫腐蝕 壓強增大 所以紅墨水柱兩邊的液面變?yōu)樽蟾哂业?答案 B 例10 下列金屬防腐的措施中 使用外加電流的陰極保護 法的是 A 水中的鋼閘門連接電源的負極B 金屬護欄表面涂漆C 汽水底盤噴涂高分子膜D 地下鋼管連接鎂塊 解析 水中的鋼閘門連接電源負極作陰極 得電子被保護 所以屬于使用外加電流的陰極保護法 故A正確 對健身器材涂油漆使金屬和空氣 水等物質隔離而防止生銹 沒有連接外加電源 故B錯誤 汽車底盤噴涂高分子膜阻止了鐵與空氣 水的接觸 從而防止金屬鐵防銹 沒有連接外加電源 故C錯誤 鎂的活潑性大于鐵 用犧牲鎂塊的方法來保護船身而防止鐵被腐蝕 屬于犧牲陽極的陰極保護法 故D錯誤 答案 A 例11 對金屬制品進行抗腐蝕處理 可延長其使用壽命 1 鍍銅可防止鐵制品腐蝕 電鍍時用銅而不用石墨作陽極的原因是 2 利用上圖裝置 可以模擬鐵的電化學防護 若X為碳棒 為減緩鐵的腐蝕 開關K應置于 處 若X為鋅 開關K置于M處 該電化學防護法稱為 解析 1 電鍍時若用石墨作陽極 則電解過程中電解液中Cu2 濃度不斷減小 導致鐵表面不能鍍上均勻的銅 2 若X為碳棒 則只能用外加電源的陰極保護法 此時開關K應置于N處 若X為Zn K置于M處 其保護原理稱為犧牲負極的正極保護法 定 2 N犧牲負極的正極保護法 答案 1 補充溶液中消耗的Cu2 保持溶液中Cu2 濃度恒 思維模型 鹽橋原電池專題突破 1 鹽橋的組成和作用 1 鹽橋中裝有飽和的KCl KNO3等溶液和瓊脂制成的膠凍 2 鹽橋的作用 連接內電路 形成閉合回路 平衡電荷 使原電池不斷產(chǎn)生電流 2 單池原電池和鹽橋原電池的對比 負極 Zn Zn 2e Zn2 正極 Cu Cu2 2e Cu總反應 Zn Cu2 Cu Zn2 續(xù)表 典例1 根據(jù)氧化還原反應 2Ag aq Cu s Cu2 aq 2Ag s 設計的原電池如下圖所示 其中鹽橋內裝瓊脂 飽和KNO3溶液 請回答下列問題 1 電極X的材料是 電解質溶液Y是 2Ag 2e 2AgCu 2e Cu2 2 銀電極為電池的 極 寫出兩電極的電極反應式 銀電極 X電極 3 外電路中的電子是從 電極流向 電極 4 鹽橋中向CuSO4溶液中遷移的離子是 填序號 5 其中CuSO4溶液能否被稀硫酸溶液代替 填 能 或 否 下同 Ag電極能否被石墨代替 答案 1 CuAgNO3溶液 2 正 3 Cu Ag 4 B 5 能 能 應用1 2013年廣東高考節(jié)選 能量之間可以相互轉化 電解食鹽水制備Cl2是將電能轉化為化學能 而原電池可將化學能轉化為電能 設計兩種類型的原電池 探究其能量轉化效率 限選材料 ZnSO4 aq FeSO4 aq CuSO4 aq 銅片 鐵 片 鋅片和導線 1 完成原電池的裝置示意圖 見下圖 并作相應標注 要求 在同一燒杯中 電極與溶液含相同的金屬元素 2 以銅片為電極之一 CuSO4 aq 為電解質溶液 只在一個燒杯中組裝原電池乙 工作一段時間后 可觀察到負極 3 甲 乙兩種原電池中可更有效地將化學能轉化為電能的是 其原因是 答案 1 裝置圖如下 或 或 2 電極逐漸溶解 電極上有紅色物質析出 3 甲 可以避免活潑金屬和CuSO4接觸發(fā)生置換反應 從而提供穩(wěn)定電流 易錯警示 電化學裝置圖常見失分點 1 不注明電極材料名稱或元素符號 2 不畫出電解質溶液 或畫出但不標注 3 誤把鹽橋畫成導線 4 不能連成閉合回路 思維模型 原電池電極反應式的書寫 1 加減法 書寫電極反應式 1 先確定原電池的正負極 列出正負極上的反應物質 并標出電子的得失 2 注意負極反應生成的陽離子與電解質溶液中的陰離子是否共存 若不共存 則該電解質溶液中的陰離子應寫入負極反應式 3 在電子守恒的基礎上正負極反應式相加得到電池反應的總反應式 若已知電池反應的總反應式 可先寫出較易書寫的一極的電極反應式 然后在電子守恒的基礎上 總反應式減去較易寫出的一極的電極反應式 即得到較難寫出的另一極的電極反應式 典例2 Li SOCl2電池可用于心臟起搏器 該電池的電極材料分別為鋰和碳 電解液是LiAlCl4 SOCl2 電池的總反應可表示為 4Li 2SOCl2 4LiCl S SO2 請回答下列問題 1 電池的負極材料為 發(fā)生的電極反應為 2 電池正極發(fā)生的電極反應為 2 燃料電池電極反應式的書寫 第一步 寫出電池總反應式 燃料電池的總反應與燃料的燃燒反應一致 若產(chǎn)物能和電 解質反應則總反應為加合后的反應 例如 氫氧燃料電池的總反應式為 2H2 O2 2H2O 甲烷燃料電池 電解質溶液為NaOH溶液 的反應式為 CH4 2O2 CO2 2H2O CO2 2NaOH Na2CO3 H2O 式 式得燃料電池總反應式為 CH4 2O2 2NaOH Na2CO3 3H2O 第二步 寫出電池的正極反應式 根據(jù)燃料電池的特點 一般在正極上發(fā)生還原反應的物質都是O2 隨著電解質溶液的不同 其電極反應有所不同 因此 我們只要熟記以下四種情況 1 酸性電解質溶液環(huán)境下電極反應式 2 堿性電解質溶液環(huán)境下電極反應式 O2 4H 4e 2H2O O2 2H2O 4e 4OH 3 固體電解質 高溫下能傳導O2 環(huán)境下電極反應式 4 熔融碳酸鹽 如熔融K2CO3 環(huán)境下電極反應式 第三步 根據(jù)電池總反應式和正極反應式寫出電池的負極 反應式 根據(jù)第一 二步寫出的反應 可得 電池的總反應式 電池正極反應式 電池負極反應式 注意在將兩個反應式相減時 要約去正極的反應物O2 O2 4e 2O2 O2 2CO2 4e 2CO 典例3 以甲烷燃料電池為例來分析在不同的環(huán)境下電極 反應式的書寫方法 1 酸性條件 燃料電池總反應式 CH4 2O2 CO2 2H2O 燃料電池正極反應式 O2 4H 4e 2H2O 2 得燃料電池負極反應式 燃料電池正極反應式 O2 4e 2O2 2 堿性條件 燃料電池總反應式 CH4 2O2 2NaOH Na2CO3 3H2O 燃料電池正極反應式 O2 2H2O 4e 4OH 2 得燃料電池負極反應式 3 固體電解質 高溫下能傳導O2 燃料電池總反應式 CH4 2O2 CO2 2H2O 2 得燃料電池負極反應式 反應式 O2 2CO2 4e 4 熔融碳酸鹽 如熔融K2CO3 環(huán)境下 電池總反應式 CH4 2O2 CO2 2H2O 正極電極 2得負極電 極反應式 答案 1 CH4 8e 2H2O CO2 8H 2 CH4 10OH 8e CO32 7H2O 3 CH4 4O2 8e CO2 2H2O 4 CH4 4CO32 8e 5CO2 2H2O 應用2 1 根據(jù)氧化還原反應 2H2 O2 2H2O 設計成燃料電池 負極通的氣體應是 正極通的氣體應是 2 根據(jù)選擇電解質溶液的不同 填寫下表 3 若把H2改為CH4 KOH作電解質 則正極反應式為 解析 1 氫 氧燃料電池中通可燃性氣體 H2 的一極為負 極 通O2的一極為正極 2 若以H2SO4作電解質溶液 其電極反應式為 負極 2H2 4e 4H 正極 O2 4e 4H 2H2O 反應過程中生成水 溶液中c H 減小 pH增大 若以KOH 溶液作電解質溶液 其電極反應式為 負極 2H2 4OH 4e 4H2O 正極 2H2O O2 4e 4OH 反應過程中生成水 溶液中c OH 減小 pH減小 3 若把H2改為CH4 KOH作電解質溶液時其正極反應式 不變 答案 1 H2O2 2 3 2H2O O2 4e 4OH