化学能和电能-2023年高考化学必背知识手册

专题08化学能和电能必背知识手册

、思维导图

1,原电池

电子流出

电子流入

电流流入

电流流出

电解质溶液中阴离子移向

电解质溶液中阳离子移向

负极发生氧化反应

发生还原反应

质量减小

质量增大或有气泡冒出

负极一燃料失电子

O#4e+4H=2比0酸作介质

「鱼极：氧化反应耳卧羊畸工如二二二O、+4e+2HQ=4OH碱作介质

还原反应:阴极可无电］放电

2

氧化反应:阳极电池I-正极：还原反应IO：+4e'=2O'熔融金属氧化物作介质

|新型化学电源|（丘4e+2CQ=2COM熔融碳酸盐作介质

外接电源正极同一电极LiMO2（M：Co、Ni、Mn等）、

/正极材料（M：Co、Ni、Mn等）、

常见锂离子电池.

\、LiMPO$（M：Fe等）

,负极材料石墨（能吸附锂原子）

2.电解池

1.电极反应

（1）反应要求

①原电池反应：宜发、氧化还原反应和放热反应

②电解池反应：可以自发，也可以不自发

（2）根据化合价升降判断反应类型和电极类型

①阳极发生价丑高的氧化反应，阴极发生价隆低的还原反应

②正极发生价隆低的还原反应，负极发生价升高的氧化反应

（3）可充电电池

①放电时为原电池，电极属性为正负极

②充电时为电解池，电极属性为阴阳极

③阳极连正极，电极反应式相反，充电时变成阳极

④阴极连负极，电极反应式相反,充电时变成明极

⑤充电时，电池上“-”极应接电源的鱼极

⑥铅蓄电池：

(4)燃料电池

2.电子流向：电子只能在导线上流动，不能在溶液中流动

(1)原电池：负极一如幽—正极

(2)电解池：阳极一限极

3.电流流向：电流既能在导线上流动，又能在溶液中流动，要看清是内电路还是外电路

(1)原电池：正极/曳跑一负极」^也正极

(2)电解池：阳极」曳睡一阳极」^雪阴极

4.离子流向：离子只能在溶液中流动，不能在导线上流动

(1)原电池:阳离子一正极；阴离子一负极

(2)电解池:阳离子一阳极；阴离子一阳极

⑶盐桥中:阳离子一正极；阴离子T鱼极

⑷目的型:依据电极反应准确确定

目的离子流向

OH-N0-

Cu和稀HNCh原电池3

负极正极

H—Mt?+

电解MnSO制MnO

42阳极阳极

5.电解质溶液的选择

(1)碱金属电极：不诜择水溶液及醇类,一般选择有机电解质或固体电解质

(2)盐桥式原电池：负极材料和与其反应的电解质在丕同的容器中

Cu(NO?力溶液AgN6溶液

6.电化学中溶液pH的变化

(1)电极pH变化

①看该电极反应是消耗还是产生H+或0H-

②若H+或0H-无变化，看该电极是消耗还是产生水

(2)溶液pH变化

①看总反应是消耗还是产生IT或0H

②若H+或0H-无变化，看总反应是消耗还是产生水

7.电势高低

(1)原电池：正极之负极

(2)电解池：阴极二阳极

8.重要的电化学反应式(水的化学计量数为2)

放电

(1)铅蓄电池的总反应：Pb+PbO2+2H2sOa芨或PbSO4+2HzO

(2)吸氧腐蚀的正极反应

①弱酸性、中性或碱性：2H2O+Ch+4e-=4OH-

②酸性：4H++Ch+4e-=2H2O

③82：6+4e-+2co2=2COa'

(3)阳极OH-的放电反应

2

①水中的0H：2H2O-4e=O20+4H+

②碱中的OH-：4OFT-4e--2H2O+O2T

(4)阴极H+的放电反应

①水中的H+：2H20+2。=比T+2OH-

②酸中的H+：2H++2e—HJ

(5)惰性电极电解溶液

①NaCl：2NaCI+2H2O^fe3NaOH+C121+H2f

②C11SO4：2CuSO4+2H2O^fe2Cu+O21+2H2sCh

③AgNCh：4AgNO3+2H2O^M4Ag+O21~+4HN(h

(6)工业上冶炼钠、镁、铝

①钠：2NaCI===2Na±Ckt

熔融

②镁：MgCI===Mg+Cht

2熔融

③铝：2A12O3===4AI+3O1

熔融2

二、电极反应式的书写及判断

1.书写步骤和方法

(1)确定反应物和最终产物

(2)确定得失电子的数目

(3)电荷守恒配离子

①优先选择原电解质溶液中所含的离子

②再选择水中的H+或OH-,原则“左mo右离子”

(4)元素守恒配平其他物质，一般缺H或0,用力()补

2.判断电极方程式是否正确

(1)看电极反应是氧化反应还是还原反应

(2)看得反应是得电子还是失电子

(3)看产物能否与溶液反应

①酸性溶液：方程式中不能出现&U1

②碱性溶液：方程式中不能出现比

③看电极产物能否和环境中的其他物质反应

酸性碱性CO2-02-

CH43

氧化产物co2COBHCOi-co户

02酸性碱性中性CO2

还原产物JLQOILOFTCQA

(4)看物质拆分是否正确

①强酸、强碱、可溶性盐溶液可拆

②非溶液和熔融状态下进行的反应不能写成离子方程式形式

③原子团不能拆分____________________________________

物质阴离子物质阴离子

Na2sxSANaBr3Bra-

K3c60

C60^--KIO33

K2FeO4FeO左(NH4)2PtCl6PtCk人

K[AU(CN)2][AU(CN)21-LiAlChA1Q产

LiCoOLiPF

2CoO2-6PF6-

NazMnsOioMIISOHA^S0C12不能拆

(5)看有无隐含的酸碱性

①酸性溶液：产物是NH4+、Fe3=CM+等弱阳离子

②^性溶液：有金属氧化物、氢氧化物参与的反应

3.几种一次电池的电极反应式

(1)碱性锌镒干电池

①电池反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2

3

②负极反应：Zn+2OH-2e--Zii(OH)2

③正极反应：2Mli。2+2出0+2b=2MnOOH+2OH-

(2)纽扣式锌银电池

金属夕债

浸有KOH溶液

的隔板

①电池反应：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag

②负极反应：Zn+2OH--2e-Zn(OH)2

③正极反应：AgzO+hhO+Ze-=2Ag+20H-

4.二次电池电极反应的书写

氧化反应气%蠹鬻.阚”还原反应

原

电

反应未必自发

电

解

池

池反应一定自发

还原反应星岗；婴婴整4亩的氧化反应

(1)放电时为原电池，电极属性为正负极；充电时为电解池，电极属性为阴阳极

(2)阳极连正极，阴极连鱼极，电极反应和电极反应式粗反，充放电时电极互变

①充电时，阳极变成正极，阴极变成负极

②放电时，正极变成阳极，负极变成阳极

放电

(3)铅蓄电池：Pb+PbO2+2H2SO4=s^2PbSO4+2H2O

①负极反应：Pb+SO/--2e-PbSO4

②正极反应：Pb€h+4H卜+SCV+2e「PbSOj+ZFhO

③阳极反应：PbSO4+2HzO-2b=PbO2+4H++SO4上

④阴极反应：PbSO』+2e=Pb+SO4

(4)钻酸锂电池：LixC6+Li-xCoO2霆C6+LiCoC)2

①负极反应：Li、C6-xe=C6+xLi+

②正极反应：LijCoO2+xLi+=LiCoO2-xe-

③阳极反应：LiCoCh—xb=Lii-Co02+xLi+

④阴极反应：C6+xLi++xc-=LkC6

(5)LaNi5H6+6NiOOH^=LaNi5+6Ni(OH)2(储氢合金和储氢物质中各元素的化合价均为0价)

①负极反应：LaNisFL-61+6014=LaNis+6H2O

②正极反应：6NiOOH+6e=6Ni(OH)2+6OH-

③阳极反应：6Ni(OH)2+6OH--6e=6NiOOH+6H2O

④阴极反应：LaNis+6H2O+6e.=LaNkH6+6OH-

5.燃料电池电极反应的书写

(1)燃料电池的电极材料

①可燃物在负极上发生氧化反应，如氢气、甲烷、乙醇等还原剂

②助燃物在正极上发生还原反应，如氧气、氯气等氧化剂

(2)燃料电池的总反应：可燃物的燃烧反应兼顾产物和溶液的反应

⑶燃料电池的正极反应式

环境氧气氮气

酸性环境4H^O2+4e-=2H2ON2+6e一+8H+:2NHJ

+

碱性环境2H2O+O2+4e-=4OH-N2+6e-+6H=2NH3

+

中性环境2H2O+O2+4e=4OH-N2+6e+6H=2NH3

-23

熔融氧化物O2+4e=2O-N2+6e-=2N-

2------------------

有C02存在O2+4e-+2CO2=2CO3-

4

(4)燃料电池的负极反应式

环境甲烷氢气

酸性环境CH4+2H2O-8e=CO2+8H-H2-2e=2H"

2H-2e-+2OH-=2HO

碱性环境CH4+10OH--8e=co3+7H2O22

熔融碳酸盐CH4+4CO32--8e--5C02T+2HO

2H2—2e~+CO3^=H2()+CO2f

2

碳酸盐溶液CH4+9CO3--8e-+3H2O=10HCO3-

H2—2e~+CO3一^=七0+CO2T

222

熔融氧化物CH4+5O--8e-=CO3-+2H2OH2-2e-+O-=2H2O

环境甲醇肿

酸性环境CH3OH+H2O-6e-=CO2T+6H+N2H4-4e-=N2T+4H+

碱性环境2N2H4-4e+40H-=Nf+4HO

CH3OH+8OH-6e-=CO3+6H2O22

熔融碳酸盐2

CH3OH-6e-+3CO3'=4CO2f+2H2O二-------

碳酸盐溶液2------_________________

CH3OH+7CO3--6e-+2H2O=8HCO3

熔融氧化物22N2H4-4e-+2O2-=Nf+2HO

CH3OH+4O-6e=CO3+2H2O22

三、电解的应用

1.用惰性电极电解溶液

(1)离子放电顺序

①活泼电极：阳极放电顺序：S2->I->Br->CI>OH->……

②阴极放电顺序：Ag+>Hg2+>Fe">CM+>H+>Pb2+>Fe2+>Zn2+---

③阳极Fe放电变成比，阴极Fe3微电变成吧

(2)电解水反应的特点

①比和OH-同时放电

②同时有也和QL产生

③电解后溶液的浓度变大或丕变(饱和溶液)

④溶液的pH变太、变小或丕变

(3)放氢生碱反应的特点

①水中的比和盐中的质离子放电

②H2在阳极产生，OIL在阴极产生

(4)放氧生酸反应的特点

①水中的OH-和盐中的阳离子放电

②02在阳极产生，H+在阳极产生

(5)电解电解质反应的特点

①电解质中的阳离子和阴离子同时放电

②电解氯化铜溶液pH的变化：

理论变大：氯化铜的水解平衡CU2++2H2()=^CU(OH)2+2H+逆向移动.

实际变小：阳极产生的CL溶于水：。2+%0==三H++CI-+HC1O

(6)电解后溶液的复原：少什么加什么，少多少加多少

溶液复原方法

H2so4HiQ

NaOHH2Q

KNO3H2Q

CuChCuCh

NaCl通HC1气体

CuSO4CuO

Cu(NO3)2CuO

AgNO3AgzO

2.用活泼电极电解溶液

(1)电解精炼

5

①粗金属作阳极.纯金属作阴极.纯金属离子作溶液

②溶液中金属离子：纯金属离子和活泼的金属离子

③阳极泥：不活泼的金属

④电解后原电解质溶液浓度减小

(2)电镀

待

铜片、镀

铁

CuSOi件

溶液■

①镀层金属作阳极，被镀物品作阴极

⑵镀层金属离子作电解液

③电镀后原电解质溶液浓度丕变

3.电冶炼：电解制备K、Ca.Na、Mg,Al等活泼金属

(1)原料

金属NaMgAl

原料(熔融)NaClMgCLAI2Q3

(2)炼铝的特殊性

①不用氯化铝的原因：A1CL是共价化合物.熔融状态下不导电

②冰晶石的作用：降低氧化铝的熔点.节能

③阳极石墨被腐蚀，需定期更换

四、金属的腐蚀和电化学防护

1.金属的腐蚀

(1)化学腐蚀

①反应类型：普通的化学反应

②特点：无电流产生.电子直接转移给氧化剂

(2)电化腐蚀

①反应类型：原电池反应

②特点：有电流产生，电子间接转移给氧化剂

③普遍性：电化腐蚀更为普遍

2.电化学腐蚀的类型

(1)析氢腐蚀

①形成条件：水膜酸性较强

②特点：在密闭容器中气体压强变大

(2)吸氧腐蚀

①形成条件：水膜酸性很弱或呈中性其至碱性

②特点：在密闭容器中气体压强减小

③普遍性：吸氧腐蚀更为普遍

(3)在晟性条件下，氢前的活泼金属发生析氢腐蚀，氢后的不活泼金属发生吸氧腐蚀

3.钢铁吸氧腐蚀的过程

(1)腐蚀过程

①负极反应：Fe-2e=Fe2+

②正极反应：2HzO+O2+4e=4OH-

③电池反应：2Fe+2H2O+Ch=2Fe(OH)i

(2)后续反应

6

①氧化反应：4Fe(OH)2+Ch+2H2O=4Fe(OH)3

②部分分解：2Fe(OH)『FezOs•xMO+(3T)H2O

(3)铁锈成分：FezCh的复杂水合物(Fe2O3­xH2O)

(4)铁在无氧条件下的生锈过程：Fe—►Fe2+-2I£>Fe(OH)2

4.金属的电化学防护

(1)原电池防护法

①名称：牺牲阳极的阴极保护法

②方法：被保护的金属有罂一接更活泼的金属

③图示

(2)电解池防护法

①名称：外加电流的阴极保护法

②方法：被保护的金属‘瞿爵管与电源的负极相连

③图示

5.金属腐蚀速率的比较

(1)同一金属：离子浓度大N离子浓度小二非电解质

(2)同一电解液

①电解质浓度越大，金属腐蚀越快

②电解腐蚀>原电池腐蚀>化学腐蚀>有防护的腐蚀

(3)不同金属、同一电解液：两金属活动性相差越大，活泼金属腐蚀越快

五、多池串联池属性的判断

1.有外接电源的全部都是原电池

——b—

KCI溶液CuSO,溶液.K60,溶液AgNO潞液

2.无明显外接电源的一般只有1个原电池，其余全是电解池

输硫酸氯化钠溶液精葭银溶液

(1)有盐桥的是原电池

(2)有燃料电池的是原电池

(3)能发生自发氧化还原反应的装置为原电池

(4)多个自发，两电极金属性相差最大的为原电池

3.电极的连接顺序：负一阴一阳一>阴一…一阳一正

4.串联电路的特点：每一个电极转移的电子数都相等

六、含离子交换膜电化学装置分析

1.离子交换膜在电解池中的作用

(1)隔离：将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触

①防止副反应发生，避免影响所制取产品的质量

②防止副反应发生，避免引发不安全因素(如爆炸)

(2)通透：能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用

7

(3)实例：氯碱工业中阳离子交换膜的作用

离子交换膜电解槽示意图

①平衡电荷，形成闭合同路；

②防止。2和H2混合而引起爆炸；

③避免C12与NaOH反应生成NaClO,影响NaOH的产量;

④避免C「进入阴极区导致制得的NaOH不纯.

2.常见的离子交换膜(隔膜)

(1)阳离子交换膜：简称阳膜，只允许阳离子通过

(2)阴离子交换膜：简称阴膜，只允许阴离子通过

(3)质子交换膜：只允许氢离子通过

3.含离子交换膜电化学装置的儿个区域

(1)原料区

①主料区：加入原料的液溶液，流出原料的稀溶液

②辅料区：加入辅料的橙溶液，流出辅料的液溶液

(2)产品区：产品中的阴阳离子通过离子交换膜进入该区域

(3)缓冲区：两侧的离子交换膜属性相同，起防漏的保护作用

原料A

的浓溶液

膜I膜n膜m,膜N膜V

唧九二阴孔膜］.阴收—阳朴_

B的浓溶液弓——Y「户，的浓溶液

-->-----,<--------->----------------------►-I-

二二二二口二二二二王料区二|二二

辅料B1L辅料c

I-I二二二.I二72rI—