高考化学二轮专题复习学案：专题七　电化学基础

PAGE专题七电化学基础1．(2020·全国卷Ⅰ)科学家近年发明了一种新型Zn­CO2水介质电池。电池示意图如图，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(OH)eq\o\al(2－,4)B．放电时，1molCO2转化为HCOOH，转移的电子数为2molC．充电时，电池总反应为2Zn(OH)eq\o\al(2－,4)=2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2OD．充电时，正极溶液中OH－浓度升高解析：由题可知，放电时，CO2转化为HCOOH，即CO2发生还原反应，故放电时右侧电极为正极，左侧电极为负极，Zn发生氧化反应生成Zn(OH)eq\o\al(2－,4)；充电时，右侧为阳极，H2O发生氧化反应生成O2，左侧为阴极，Zn(OH)eq\o\al(2－,4)发生还原反应生成Zn，以此分析解答。A项，放电时，负极上Zn发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－＋4OH－=Zn(OH)eq\o\al(2－,4)，正确；B项，放电时，CO2转化为HCOOH，C元素化合价降低2，则1molCO2转化为HCOOH时，转移电子数为2mol，正确；C项，充电时，阳极上H2O转化为O2，负极上Zn(OH)eq\o\al(2－,4)转化为Zn，电池总反应为2Zn(OH)eq\o\al(2－,4)=2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O，正确；D项，充电时，正极即为阳极，电极反应式为2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，溶液中H＋浓度增大，溶液中c(H＋)·c(OH－)＝KW，温度不变时，KW不变，因此溶液中OH－浓度降低，错误。答案：D2．(2020·全国卷Ⅲ)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)—空气电池如图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－=VOeq\o\al(3－,4)＋2B(OH)eq\o\al(－,4)＋4H2O。该电池工作时，下列说法错误的是()A．负载通过0.04mol电子时，有0.224L(标准状况)O2参与反应B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高C．电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O=8B(OH)eq\o\al(－,4)＋4VOeq\o\al(3－,4)D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极解析：根据图示的电池结构，左侧VB2发生失电子的反应生成VOeq\o\al(3－,4)和B(OH)eq\o\al(－,4)，反应的电极方程式如题干所示，右侧空气中的氧气发生得电子的反应生成OH－，反应的电极方程式为O2＋4e－＋2H2O=4OH－，电池的总反应方程式为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O=8B(OH)eq\o\al(－,4)＋4VOeq\o\al(3－,4)，据此分析。A项，当负极通过0.04mol电子时，正极也通过0.04mol电子，根据正极的电极方程式，通过0.04mol电子消耗0.01mol氧气，在标准状况下为0.224L，正确；B项，反应过程中正极生成大量的OH－使正极区pH升高，负极消耗OH－使负极区OH－浓度减小pH降低，错误；C项，根据分析，电池的总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O=8B(OH)eq\o\al(－,4)＋4VOeq\o\al(3－,4)，正确；D项，电池中，电子由VB2电极经负载流向复合碳电极，电流流向与电子流向相反，则电流流向为复合碳电极→负载→VB2电极→KOH溶液→复合碳电极，正确。答案：B3．(2020·天津卷)熔融钠—硫电池性能优良，是具有应用前景的储能电池。下图中的电池反应为2Na＋xSeq\o(,\s\up14(放电),\s\do20(充电))Na2Sx(x＝5～3，难溶于熔融硫)。下列说法错误的是()A．Na2S4的电子式为B．放电时正极反应为xS＋2Na＋＋2e－=Na2SxC．Na和Na2Sx分别为电池的负极和正极D．该电池是以Na­β­Al2O3为隔膜的二次电池解析：根据电池反应：2Na＋xSeq\o(,\s\up14(放电),\s\do15(充电))Na2Sx可知，放电时，钠作负极，发生氧化反应，电极反应为：Na－e－=Na＋，硫作正极，发生还原反应，电极反应为xS＋2Na＋＋2e－=Na2Sx，据此分析。A项，Na2S4属于离子化合物，4个硫原子间形成三对共用电子对，电子式为，正确；B项，放电时发生的是原电池反应，正极发生还原反应，电极反应为xS＋2Na＋＋2e－=Na2Sx，正确；C项，放电时，Na为电池的负极，正极为硫单质，错误；D项，放电时，该电池是以钠作负极，硫作正极的原电池；充电时，是电解池，Na­β­Al2O3为隔膜，起到电解质溶液的作用，该电池为二次电池，正确。答案:C电化学是氧化还原反应知识的应用和延伸，近几年全国卷高考试题中均涉及电化学基础，命题在继续加强基本知识考查的基础上，更加注重了试题题材的生活化、实用化、情境化，同时也加强了不同知识间的相互渗透与融合，试题的背景较为新颖，侧重考查分析判断、获取信息解答问题及计算能力。题型有以新型电池为背景的选择题和以电极反应式书写为主的填空题，通常考查的知识点是从闭合回路的形成角度分析原电池、电解池的工作原理，电极的判断，电极反应式的书写，电子的转移或电流的方向和溶液中离子的移动方向的判断，溶液pH的变化，离子交换膜作用，有关计算，理解原电池和电解池原理的实际应用等，难度一般偏大。解题时要求掌握“结合反应原理，根据元素化合价变化，正确判断电极发生的反应和书写电极反应方程式”的方法。考点一原电池工作原理和化学电源1．工作原理(以锌铜原电池为例)电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应Zn－2e－=Zn2＋Cu2＋＋2e－=Cu反应类型氧化反应还原反应盐桥中离子移向盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极盐桥的作用起隔离作用，提高能量的转化效率；平衡溶液中的电荷；构成闭合回路2.化学电源(1)放电是原电池反应，充电是电解池反应。(2)判断电池放电时电极极性和材料，可先标出放电(原电池)总反应式电子转移的方向和数目，失去电子的一极为负极，该物质即为负极材料；得到电子的一极为正极，该物质即为正极材料。若判断电池充电时电极极性和材料，方法同前，失去电子的一极为阳极，该物质即为阳极材料；得到电子的一极为阴极，该物质即为阴极材料。(3)放电时，阴离子移向负极，阳离子移向正极；充电时，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。(4)可充电电池用完后充电时，原电池的负极与外电源的负极相连，原电池的正极与外电源的正极相连。(5)放电(原电池)的负极及充电(电解池)的阳极均失去电子，发生了氧化反应，其变价元素被氧化；放电(原电池)的正极及充电(电解池)的阴极均得到电子，发生了还原反应，其变价元素被还原。(6)书写可充电电池电极反应式，一般都是先书写放电的电极反应式。书写放电的电极反应式时，一般要遵守三步：先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质；写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)；在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。充电的电极反应与放电的电极反应过程相反，充电的阳极反应为放电正极反应的逆过程，充电的阴极反应为放电负极反应的逆过程。3．燃料电池(1)燃料电池就是将燃料(如氢气、甲烷、乙醇等)氧化时，化学能直接转变为电能的装置。它由燃料、氧化剂、电极、电解质组成。在结构上具有正、负极，且正、负极被电解质分隔。所有燃料电池的基本形式为：将燃料和氧气(或空气)分别充入负极和正极，两者在电极的催化下发生化学反应，从而产生电流。(2)燃料电池在放电时发生的总反应和燃料燃烧的总反应一样。一般是氧气作氧化剂，可燃物作还原剂。根据电池的基本原理可知，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，所以可燃物为负极反应物，氧气为正极反应物。(3)根据燃烧反应的方程式书写电极反应式应遵循原子守恒、电子守恒及电荷守恒，注意电解质溶液参与电极反应，若电解质溶液为碱溶液，则正极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－；若电解质溶液为酸溶液，则正极反应式为O2＋4H＋＋4e－=2H2O；若电解质为熔融碳酸盐，则正极反应式为O2＋4e－＋2CO2=2COeq\o\al(2－,3)。(2019·全国卷Ⅰ)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是()A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋=2H＋＋2MV＋C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动解析：由生物燃料电池的示意图可知，左室电极为燃料电池的负极，MV＋在负极失电子发生氧化反应生成MV2＋，电极反应式为MV＋－e－=MV2＋，放电生成的MV2＋在氢化酶的作用下与H2反应生成H＋和MV＋，反应的方程式为H2＋2MV2＋=2H＋＋2MV＋；右室电极为燃料电池的正极，MV2＋在正极得电子发生还原反应生成MV＋，电极反应式为MV2＋＋e－=MV＋，放电生成的MV＋与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2＋，反应的方程式为N2＋6H＋＋6MV＋=6MV2＋＋2NH3，电池工作时，氢离子通过交换膜由负极向正极移动。A项，相比现有工业合成氨，该方法选用酶作催化剂，条件温和，同时利用MV＋和MV2＋的相互转化，化学能转化为电能，故可提供电能，正确；B项，左室为负极区不是阴极区，MV＋在负极失电子发生氧化反应生成MV2＋，电极反应式为MV＋－e－=MV2＋，放电生成的MV2＋在氢化酶的作用下与H2反应生成H＋和MV＋，反应的方程式为H2＋2MV2＋=2H＋＋2MV＋，错误；C项，右室为正极区，MV2＋在正极得电子发生还原反应生成MV＋，电极反应式为MV2＋＋e－=MV＋，放电生成的MV＋与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2＋，正确；D项，电池工作时，氢离子(即质子)通过交换膜由负极向正极移动，正确。答案：B电极方程式的书写类似于一个完整的氧化还原型离子方程式的配平，先由信息分离出反应物和生成物，然后配平参与变价的离子或物质，再根据介质(酸碱性或熔融化合物)调节电荷守恒，最后用原子个数守恒检查电极反应式是否正确。考点二电解池工作原理及应用1．电解产物判断(1)阳极产物的判断：首先看电极，如果是活性电极(金属活动性顺序表中Ag以前的金属)，则电极材料失去电子，电极被溶解，溶液中的阴离子不能失去电子。如果是惰性电极(Pt、Au、石墨)，就要看溶液中离子的失电子能力。这时要根据阴离子的放电顺序加以判断。常见阴离子的放电顺序：S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根。(2)阴极产物的判断：直接由阳离子放电顺序进行判断，一般为Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋＞Pb2＋＞Sn2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca2＋＞K＋。2．电解类型的确定(1)电解水型：含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐(如H2SO4、NaOH、K2SO4等)的电解。(2)电解质型：无氧酸(除HF外)、不活泼的无氧酸盐(氟化物除外，如HCl、CuCl2等)溶液的电解。(3)放氢生碱型：活泼金属的无氧酸盐(氟化物除外，如NaCl)溶液的电解。(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。3．“三池”的判断电化学知识包括原电池和电解池，首先要确定装置是原电池还是电解池。若无外接电源，可能是原电池，然后依据原电池的形成条件分析判定；若有外接电源，两极插入电解质溶液中，则可能是电解池或电镀池，当阳极金属与电解质溶液中的金属阳离子相同则为电镀池，其他情况为电解池。4．电化学的计算(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、相同电量等类型的计算，其依据是电路中通过的电子数相等。(2)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出比例式计算。(3)根据关系式计算：借助得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁，建立计算所需的关系式。[2020·新高考卷Ⅰ(山东卷)]采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如下图所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是()A．阳极反应为2H2O－4e－=4H＋＋O2↑B．电解一段时间后，阳极室的pH未变C．电解过程中，H＋由a极区向b极区迁移D．电解一段时间后，a极生成的O2与b极反应的O2等量解析：a极析出氧气，氧元素的化合价升高，作电解池的阳极，b极通入氧气，生成过氧化氢，氧元素的化合价降低，被还原，作电解池的阴极。A项，依据分析a极是阳极，属于放氧生酸性型的电解，所以阳极的反应式是2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，正确；B项，电解时阳极产生氢离子，氢离子是阳离子，通过质子交换膜移向阴极，所以电解一段时间后，阳极室的pH值不变，正确；C项，由B的分析可知，正确；D项，电解时，阳极的反应为2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，阴极的反应为O2＋2e－＋2H＋=H2O2，总反应为O2＋2H2O=2H2O2，要消耗氧气，即是a极生成的氧气小于b极消耗的氧气，错误；故选D。答案：D离子交换膜是一种选择性透过膜，离子交换膜的作用是允许相应离子通过，离子迁移方向遵循原电池或电解池中离子迁移方向。考点三金属腐蚀及其防护1．影响金属腐蚀的因素(1)对于金属本性来说，金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀。(2)电解质溶液对金属的腐蚀的影响也很大，如果金属在潮湿的空气中，接触腐蚀性气体或电解质溶液，都容易被腐蚀。2．金属腐蚀快慢的规律(1)金属腐蚀类型的差异：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。(2)电解质溶液的影响：对同一金属来说，腐蚀的快慢(浓度相同)强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液；对同一种电解质溶液来说，一般电解质溶液浓度越大，腐蚀越快；活泼性不同的两金属与电解质溶液构成原电池时，一般活泼性差别越大，负极腐蚀越快。3．金属腐蚀的类型类型析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜呈酸性水膜呈弱酸性或中性正极反应2H＋＋2e－=H2↑O2＋2H2O＋4e－=4OH－负极反应Fe－2e－=Fe2＋其他反应吸氧腐蚀更普遍，危害更大4.金属保护的方法(1)加防护层，如在金属表面加上油漆、搪瓷、沥青、塑料、橡胶等耐腐蚀的非金属材料；采用电镀或表面钝化等方法在金属表面镀上一层不易被腐蚀的金属。(2)电化学防护：牺牲阳极保护法——原电池原理是正极为被保护的金属，负极为比被保护的金属活泼的金属；外加电流阴极保护法的原理是阴极为被保护的金属，阳极为惰性电极。(2020·江苏卷)将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在如图所示的情境中，下列有关说法正确的是()A．阴极的电极反应式为Fe－2e－=Fe2＋B．金属M的活动性比Fe的活动性弱C．钢铁设施表面因积累大量电子而被保护D．钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快解析：A项，阴极的钢铁设施实际作原电池的正极，正极金属被保护不失电子，错误；B项，阳极金属M实际为原电池装置的负极，电子流出，原电池中负极金属比正极活泼，因此M的活动性比Fe的活动性强，错误；C项，金属M失电子，电子经导线流入钢铁设施，从而使钢铁设施表面积累大量电子，自身金属不再失电子从而被保护，正确；D项，海水中的离子浓度大于河水中的离子浓度，离子浓度越大，溶液的导电性越强，因此钢铁设施在海水中的腐蚀速率比在河水中快，错误；故选C。答案：C1．(2019·全国卷Ⅲ)为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D­Zn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D­Zn­NiOOH二次电池，结构如下图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)eq\o(,\s\up14(放电),\s\do20(充电))ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。下列说法错误的是()A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－=NiOOH(s)＋H2O(l)C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－=ZnO(s)＋H2O(l)D．放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区解析：A项，三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，吸附能力强，所沉积的ZnO分散度高，正确；B项，充电相当于是电解池，阳极发生失去电子的氧化反应，根据总反应式可知阳极是Ni(OH)2失去电子转化为NiOOH，电极反应式为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－=NiOOH(s)＋H2O(l)，正确；C项，放电时相当于是原电池，负极发生失去电子的氧化反应，根据总反应式可知负极反应式为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－=ZnO(s)＋H2O(l)，正确；D项，原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，则放电过程中OH－通过隔膜从正极区移向负极区，错误。答案：D2．(2019·天津卷)我国科学家研制了一种新型的高比能量锌—碘溴液流电池，其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。下列叙述不正确的是()A．放电时，a电极反应为I2Br－＋2e－=2I－＋Br－B．放电时，溶液中离子的数目增大C．充电时，b电极每增重0.65g，溶液中有0.02molI－被氧化D．充电时，a电极接外电源负极解析：放电时，Zn是负极，负极反应式为Zn－2e－=Zn2＋，正极反应式为I2Br－＋2e－=2I－＋