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高考化学,新高考专用,专题十化学反应与电能,考点一原电池原理及其应用,一、原电池的工作原理,1.原电池的构成条件1)具有两个活泼性不同的电极(两电极活泼性也可以相同,如燃料电池)。2)电解质溶液。3)形成闭合回路。4)自发进行的氧化还原反应。,2.原电池的工作原理以Cu-Zn原电池为例负极:氧化反应,Zn-2e-Zn2+正极:还原反应,Cu2+2e-Cu,注意:电子“不下水”,离子“不上岸”。盐桥的作用是传导电流。,二、化学电源,1.一次电池:如碱性锌锰电池Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2。,2.二次电池:如铅酸蓄电池(Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O)、锂离子电池以负极材料为嵌锂石墨,正极材料为LiCoO2,电解质溶液为LiPF6的碳酸酯溶液(无水)为例,LixCy+Li1-xCoO2LiCoO2+Cy。注意:PbSO4不溶于水。,3.燃料电池:如氢氧燃料电池(2H2+O22H2O)、甲烷酸性燃料电池(CH4+2O2CO2+2H2O)、甲醇碱性燃料电池(2CH3OH+3O2+4OH-2C+6H2O)。,一、电解原理,考点二电解原理及其应用,1.本质:直流电流通过电解质溶液(或熔融电解质)在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程。,2.电解池的形成条件1)与直流电源相连的两个电极。2)电解质溶液(或熔融电解质)。3)形成闭合回路。,3.电解池的工作原理以电解CuCl2溶液为例阳极:氧化反应,2Cl-2e-Cl2阴极:还原反应,Cu2+2e-Cu,1.氯碱工业阳极:2Cl-2e-Cl2阴极:2H2O+2e-H2+2OH-总反应:2Cl-+2H2O 2OH-+Cl2+H2,二、电解原理的应用,2.电镀阳极:镀层金属,电镀时质量减小。阴极:镀件,电镀时质量增大。电镀液:含有镀层金属离子的溶液,浓度基本不变。如在铁件上镀铜:,3.铜的电解精炼阳极:粗铜,按成分还原性由强到弱依次放电,主要反应为Cu-2e-Cu2+。阴极:纯铜,Cu2+2e-Cu。电解质溶液:电解精炼过程中CuSO4溶液浓度减小。阳极泥:失电子能力比铜弱的杂质,如Au、Ag。,4.电冶金利用电解熔融盐或氧化物的方法来冶炼活泼金属,如Na、Mg、Al等。2NaCl(熔融)2Na+Cl2MgCl2(熔融)Mg+Cl22Al2O3(熔融)4Al+3O2,一、金属的腐蚀,考点三金属的腐蚀与防护,1.化学腐蚀:金属与其表面接触的一些物质直接发生化学反应。,2.电化学腐蚀1)本质:发生了原电池反应,不纯的金属中较活泼的金属失去电子而被氧化。,2)钢铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀,3.金属腐蚀快慢的影响因素及判断原则1)影响因素:构成原电池的材料活泼性差异、金属所接触的介质。2)判断金属腐蚀快慢的一般原则电解原理引起的腐蚀原电池原理引起的腐蚀化学腐蚀有防护措施的腐蚀,二、金属的防护,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。,2.在金属表面覆盖保护层:如在钢铁制品表面喷涂油漆。,3.电化学保护法1)牺牲阳极法:利用原电池原理,将被保护的金属设备与更活泼的金属(作负极)相连,正极被保护。2)外加电流法:利用电解池原理,将被保护的金属设备与电源负极相连,作阴极被保护。,综合电极反应式的书写,一、原电池电极反应式的书写,1.一般电极反应式的书写1)列物质,标得失:判断正、负极,找出电极产物,列出得失电子。2)看环境,标守恒:电极产物不能与电解质溶液反应,配平遵循守恒定律。3)两式加,得总式:两极反应式相加得总反应式(消去电子)。,2.燃料电池电极反应式的书写1)写出总反应式:与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质溶液(或熔融电解质)反应,则总反应为加和后的反应。2)写出正极反应式:正极上O2在不同环境下发生还原反应。酸性:O2+4H+4e-2H2O碱性:O2+2H2O+4e-4OH-固体氧化物:O2+4e-2O2-熔融碳酸盐:O2+2CO2+4e-2C3)电池负极反应式=电池总反应式-电池正极反应式(消去O2)。例如,甲醇酸性、碱性燃料电池的总反应式分别为2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O、2CH3OH+3O2+4OH-2C+6H2O,将总反应式分别减去酸,性、碱性条件下O2在正极的反应式,可得负极反应式分别为CH3OH+H2O-6e-CO2+6H+(酸性条件)、CH3OH+8OH-6e-C+6H2O(碱性条件)。,3.可充电电池(二次电池)电极反应式的书写1)根据图示、题干,判断正、负极和阴、阳极。2)写出较简单一极的电极反应式。3)复杂电极的反应式=总反应式-较简单一极的电极反应式。4)根据放电时的负极和充电时的阴极、放电时的正极和充电时的阳极反应互逆原理,将负(正)极反应式变换方向并将电子移项,即可得出阴(阳)极反应式。例如,铅酸蓄电池放电时的总反应为Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O,负极反应为Pb-2e-+S PbSO4,其逆过程即为充电时的阴极反应:PbSO4+2e-Pb+S。将放电时的总反应减去负极反应即得正极反应:PbO2+4H+S+2e-PbSO4+2H2O,其逆过程即为充电时的阳极反应:,PbSO4+2H2O-2e-PbO2+4H+S。,二、电解池电极反应式的书写,1.阳极反应式1)活性电极:电极材料失电子,M-ne-Mn+。2)惰性电极:阴离子失电子,一般情况下放电顺序为S2-I-Br-Cl-OH-含氧酸根F-。,2.阴极反应式:阳离子得电子,放电顺序为K+Ca2+Na+Mg2+Al3+H+(H2O)Zn2+Fe2+H+Cu2+Fe3+Ag+。,3.总反应式=阳极反应式+阴极反应式(总反应式中不出现得失电子,须加上电解条件)。例如,用惰性电极电解CuSO4溶液,溶液中存在的离子有Cu2+、S、H+、OH-,根据放电顺序,OH-在阳极失电子,Cu2+在阴极得电子,故阳极反应式为2H2O-4e-4H+O2(此溶液中OH-来自H2O的电离,故写成H2O失电子),阴极反应式为Cu2+2e-Cu,相加(阳极式+阴极式2)得电解总反应式:2Cu2+2H2O 2Cu+O2+4H+。,规律总结用惰性电极电解电解质溶液的类型,例(2020课标,12,6分)科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如下,电极为金属锌和选择性催化材料。放电时,温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等,为解决环境和能源问题提供了一种新途径。,下列说法错误的是()A.放电时,负极反应为Zn-2e-+4OH-Zn(OHB.放电时,1 mol CO2转化为HCOOH,转移的电子数为2 molC.充电时,电池总反应为2Zn(OH2Zn+O2+4OH-+2H2OD.充电时,正极溶液中OH-浓度升高,解题导引根据题图中信息可得放电时ZnZn(OH,CO2HCOOH,分析元素化合价的变化,失电子的氧化反应即负极反应,得电子的还原反应即正极反应,再根据原电池的负极反应与电解池的阴极反应互为逆反应及题图中阴极上H2OO2的信息,写出充电时阴极的电极反应式。,解析A项,放电时Zn为负极,负极反应为Zn-2e-+4OH-Zn(OH,正确;B项,放电时,正极反应为CO2+2e-+2H+HCOOH,每转化1 mol CO2,转移 2 mol 电子,正确;C项,充电时,阳极反应为2H2O-4e-4H+O2,阴极反应为2Zn(OH+4e-2Zn+8OH-,两极反应相加得总反应,正确;D项,根据阳极反应可知,充电时,正(阳)极溶液中H+浓度升高,OH-浓度降低,错误。,答案D,应用新型电化学装置分析电化学相关计算原电池和电解池等电化学知识是高考的命题重点。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1)找出装置的正、负极(或阴、阳极),即找出氧化剂和还原剂。2)结合电解质确定还原产物和氧化产物,书写相应电极反应式,作出相应判断。,2.题给条件为总反应式1)分析总反应式中各元素化合价的变化情况,找出氧化剂、还原剂及其对应的还原产物、氧化产物。2)考虑电解质是否参与反应,书写相应电极反应式,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1)根据得失电子守恒计算用于串联电路的阴阳两极产物、正负两极产物等的计算。用于电解混合溶液的分阶段计算。,2)根据关系式计算根据得失电子守恒建立已知量与未知量之间的关系,得出计算所需的关系式。如转移电子为4 mol,可构建如下关系式:,例(2021河北,9,3分)K-O2电池结构如图,a和b为两个电极,其中之一为单质钾片。关于该电池,下列说法错误的是()A.隔膜允许K+通过,不允许O2通过B.放电时,电流由b电极沿导线流向a电极;充电时,b电极为阳极C.产生1 Ah电量时,生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为2.22D.用此电池为铅酸蓄电池充电,消耗3.9 g钾时,铅酸蓄电池消耗0.9 g水,解题导引本题的突破口为装置图中b电极上的物质变化,由此可判断b电极上O2得电子,发生还原反应,其为正极,故a为负极。,解析放电时负极上K失电子生成K+,K+可通过隔膜,在正极上与O2反应生成KO2,A项正确;放电时,电流由正极(b电极)沿导线流向负极(a电极),充电时b电极接电源正极作阳极,B项正确;正极反应式为O2+K+e-KO2,生成的KO2与消耗的O2的物质的量之比为11,故两者的质量比值为71/322.22,C项正确;铅酸蓄电池充电反应为2PbSO4+2H2OPb+PbO2+4H+2S,每消耗2 mol水时转移2 mol电子,若消耗3.9 g钾时,即转移0.1 mol 电子,则铅酸蓄电池消耗0.1 mol水,质量为1.8 g,D项错误。,答案D,创新“隔膜”在电化学中的应用,1.隔膜的类型和作用,2.考情趋势1)“膜”数量变化:单膜双膜 多膜。2)“膜”种类变化:阴、阳离子交换膜 质子交换膜 高聚物隔膜双极隔膜。3)“膜”作用变化:离子交换物质制备分离提纯等。,3.离子交换膜类型的判断方法1)写出阴、阳(或正、负)两极上的电极反应式。2)依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余。3)根据电极附近溶液呈电中性,判断离子移动的方向。4)根据离子移动的方向,确定离子交换膜的类型。,例(2022全国甲,10,6分)一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示KOH溶液中,Zn2+以Zn(OH存在。电池放电时,下列叙述错误的是(),A.区的K+通过隔膜向区迁移B.区的S通过隔膜向区迁移C.MnO2电极反应:MnO2+4H+2e-Mn2+2H2OD.电池总反应:Zn+4OH-+MnO2+4H+Zn(OH+Mn2+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K+和S的移动方向及离子交换膜的类型(左侧为阴离子交换膜,右侧为阳离子交换膜)。,解析根据题图可知Zn为负极,电极反应为Zn-2e-+4OH-Zn(OH;MnO2为正极,电极反应为MnO2+2e-+4H+Mn2+2H2O。A项,根据负极反应可知,区中负电荷减少,为了平衡溶液中电荷,放电时区的钾离子通过隔膜向区迁移,反之若区的钾离子向区迁移则会与电流方向不一致,错误;B项,根据正极反应可知,区中正电荷减少,为了平衡溶液中电荷,硫酸根离子通过隔膜从区迁移至区,正确;D项,将正、负极电极反应相加即可得到电池总反应,正确。,答案A,知识归纳 离子交换膜的作用分析(1)平衡左右两侧电荷,得到稳定电流。离子交换膜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电荷以平衡电荷;同理区中负电荷减少,只能移出钾离子至区或移入硫酸根离子至区,保持溶液中的电荷平衡,使原电池得到稳定电流。(2)阻隔某些离子或分子,防止某些副反应的发生。如区与区之间只能使用阴离子交换膜,使硫酸根离子移至区,同时区与区只能使用阳离子交换膜,使钾离子进入区;否则氢离子和氢氧根离子在区相遇,发生反应。(3)制备某些特定产品。本题主要通过硫酸和碱液发电并制取产品硫酸钾。,