人教版化学选择性课件第四章化学反应与电能本章整合

本章整合第四章2021内容索引0102知识网络重难突破知识网络答案

①氧化还原②氧化③还原答案

④氧化⑤还原答案

⑥析氢⑦吸氧

重难突破突破一燃料电池电极反应式的书写典例1(1)肼(N2H4)又称联氨,是一种可燃性液体,可用作火箭燃料。肼—空气燃料电池是一种碱性燃料电池,电解质溶液是20%~30%的KOH溶液。肼—空气燃料电池放电时,正极反应式是

;负极反应式是

。

(2)科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池,其效率更高,可用于航天航空。如图所示装置中,以稀土金属材料电极作惰性电极,在电极上分别通入CH4和空气,其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体,它在高温下能传导O2-(O2+4e-===2O2-)。c电极为该燃料电池的

,d电极上的电极反应式为

。

答案

(1)O2+4e-+2H2O===4OH-

N2H4+4OH--4e-===N2↑+4H2O(2)正极CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O解析

(1)对于肼—空气燃料电池,正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-,用总反应减去正极反应式即为负极的电极反应式。(2)原电池中电流的方向是从正极流向负极,故c电极为正极;d电极为负极,通入的气体为甲烷,d电极反应式为CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O。1.燃料电池的组成(1)电极:惰性电极。(2)燃料:包括H2、烃(如CH4)、醇(如C2H5OH)、肼(N2H4)等。(3)电解质:酸性电解质溶液,如H2SO4溶液;碱性电解质溶液,如NaOH溶液;熔融氧化物,如Y2O3;熔融碳酸盐,如K2CO3等。2.书写燃料电池电极反应式的基本步骤(1)第一步:写出电池总反应式。燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应,则总反应为加和后的反应。如氢氧燃料电池的总反应为2H2+O2===2H2O;甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应:CH4+2O2===CO2+2H2O①CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O②①+②式得燃料电池总反应为CH4+

2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。(2)第二步:写出电池的正极反应式。根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质都是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应有所不同,一般为以下四种情况:①酸性电解质溶液环境下电极反应式:O2+4H++4e-===2H2O。②碱性电解质溶液环境下电极反应式:O2+2H2O+4e-===4OH-。③固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:O2+4e-===2O2-。④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式:O2+2CO2+4e-===2。(3)第三步:根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式。电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系:电池的总反应式=电池正极反应式+电池负极反应式(消去电子)。故根据第一、二步写出的反应:电池的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式,注意在将两个反应式相减时,要约去正极的反应物O2。3.实例以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法:(1)酸性条件燃料电池总反应:CH4+2O2===CO2+2H2O①燃料电池正极反应:O2+4H++4e-===2H2O②①-②×2,得燃料电池负极反应:CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+(2)碱性条件燃料电池总反应:CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O①燃料电池正极反应:O2+2H2O+4e-===4OH-②①-②×2,得燃料电池负极反应:CH4+10OH--8e-===

+7H2O(3)固体电解质(高温下能传导O2-)燃料电池总反应:CH4+2O2===CO2+2H2O①燃料电池正极反应:O2+4e-===2O2-②①-②×2,得燃料电池负极反应:CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境燃料电池总反应:CH4

+2O2===CO2+2H2O①燃料电池正极反应:O2+2CO2+4e-===2②①-②×2,得燃料电池负极反应:CH4+4-8e-

===5CO2+2H2O。对点训练1-1用两根铂丝作电极插入KOH溶液中,再分别向两极通入甲烷气体和氧气,可形成燃料电池,该电池放电时发生的反应为CH4+2KOH+2O2

===K2CO3+3H2O,下列说法错误的是(

)A.通甲烷的一极为负极,通氧气的一极为正极B.放电时,通入O2一极附近溶液的pH升高C.放电一段时间后,KOH的物质的量不发生变化D.通甲烷一极的电极反应式是CH4+10OH--8e-===

+7H2O答案

C解析

原电池的负极发生氧化反应,正极发生还原反应,由总反应式知,此燃料电池的电极反应式是:正极2O2+4H2O+8e-===8OH-;负极CH4+10OH--8e-===

+7H2O,由此可见选项A、B、D都正确。放电时KOH的物质的量减小。对点训练1-2某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H+,其基本结构见下图,电池总反应可表示为2H2+O2===2H2O,下列有关说法正确的是(

)A.电子通过外电路从b极流向a极极上的电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-C.每转移0.1mol电子,消耗1.12L的H2+由a极通过固体酸电解质传递到b极答案

D解析

此装置为燃料电池,充入还原剂H2的一极为负极,电子从负极(a极)流向正极(b极),A项错。电解质为酸性电解质,不可能有大量OH-存在,负极反应为H2-2e-===2H+,正极(b极)反应为O2+4e-+4H+===2H2O,B项错。C项,气体的体积没有指明标准状况,故C错。由反应式知,负极(a极)产生H+,由固体酸电解质传到正极(b极),D项正确。突破二氯碱工业生产法——离子交换膜法典例2氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下:依据上图,完成下列填空。(1)在电解过程中,与电源正极相连的电极上所发生反应的电极反应式为

,

与电源负极相连的电极附近,溶液的pH

(填“不变”“升高”或“下降”)。

(2)如果精盐中

含量较高,必须添加钡试剂除去,该钡试剂可以是

(填字母)。

a.Ba(OH)2

b.Ba(NO3)2

2(3)为有效除去Ca2+、Mg2+、,加入试剂的合理顺序为

(填字母)。

a.先加NaOH,后加Na2CO3,再加钡试剂b.先加NaOH,后加钡试剂,再加Na2CO3c.先加钡试剂,后加NaOH,再加Na2CO3(4)脱盐工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差异,通过

(填操作名称,下同)、冷却、

、

除去NaCl。

(5)用隔膜法电解食盐水,电解槽分隔为阳极区和阴极区,防止Cl2和NaOH反应。采用无隔膜法电解冷的食盐水时,Cl2与NaOH充分接触,产物仅是NaClO和H2,相应的化学方程式为

。

答案

(1)2Cl--2e-===Cl2↑升高(2)ac

(3)bc

(4)蒸发结晶过滤(5)2NaCl+2H2O

2NaOH+Cl2↑+H2↑、Cl2+2NaOH===NaCl+NaClO+H2O(或NaCl+H2O

NaClO+H2↑)解析

(1)电解饱和食盐水,阳极反应为2Cl--

2e-Cl2↑,阴极反应为2H++2e-H2↑,c(OH-)增大,故阴极附近溶液pH升高。(2)除去

可选用Ba(OH)2和BaCl2,不能选用Ba(NO3)2,因为会引入

。(3)为有效除去Ca2+、Mg2+、

,所加试剂的顺序要保证后加试剂把前加过量试剂除去,故选b、c。(4)脱盐工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差异,通过蒸发、冷却、结晶、过滤除去NaCl。(5)采用无隔膜法电解冷的食盐水时,发生的反应有2NaCl+2H2O

2NaOH+Cl2↑+H2↑,生成的Cl2与NaOH反应:2NaOH+Cl2===NaCl+NaClO+H2O,所以工业上采用隔膜法电解食盐水,既防止H2和Cl2混合发生爆炸,又防止Cl2和NaOH作用生成NaClO而影响NaOH的质量。1.阳离子交换膜的作用电解饱和食盐水是氯碱工业的基础,能制得氯气、氢气、氢氧化钠等重要的化工原料。电解过程中,在电场的作用下,阳离子向阴极移动,而阴离子向阳极移动。由于在阳极氯离子失去电子生成氯气,若不采取措施,氢氧根离子会向阳极移动,从而与氯气发生反应,既减少了氯气的产量,又会使得到的氢氧化钠不纯。因此,必须阻止氢氧根离子向阳极移动。目前,常用的隔膜有石棉隔膜和阳离子交换膜。石棉隔膜能阻止气体通过,但允许水分子及离子通过。由于氢氧根离子能透过该隔膜,因此氯气会与氢氧根发生反应,导致制得的氢氧化钠不纯。阳离子交换膜只允许阳离子通过,而不允许阴离子及气体通过,也就是说,只允许钠离子、氢离子通过,氯离子、氢氧根离子和氢气、氯气均不能通过。这样既可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气相混合,在一定条件下引起爆炸,又能避免氯气与氢氧化钠作用生成次氯酸钠而影响烧碱的质量。2.原料的精制(1)粗盐的成分:粗盐中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、

等杂质,不符合电解要求,因此必须经过精制。(2)杂质的危害:Ca2+、Mg2+、Fe3+等金属离子在碱性环境中会产生沉淀,损坏离子交换膜,此外,杂质的存在会使得到的产品不纯。(3)除杂质的过程:①除杂质时所加试剂的顺序要求是2CO3必须在BaCl2之后;b.盐酸在过滤之后加入。②试剂加入顺序有多种选择,如2、NaOH、Na2CO3、过滤、2、Na2CO3、NaOH、过滤、、BaCl2、Na2CO3、过滤、HCl。对点训练2用酸性氢氧燃料电池电解苦卤水(含Cl-、Br-、Na+、Mg2+)的装置如图所示(a、b为石墨电极)。下列说法中正确的是(

)A.电池工作时,正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-B.电解时,a电极周围首先生成Cl2C.电解时,电子流动路径是:负极→外电路→阴极→溶液→阳极→正极D.忽略能量损耗,当电池中消耗0.02gH2时,b极周围会产生0.02gH2答案

D解析

由于磷酸为电解质,电池的正极反应为O2+4H++4e-===2H2O,选项A不正确;a电极与原电池正极相连,为电解池的阳极,由于Br-还原性强于Cl-,因此Br-先放电生成Br2,选项B不正确;电解时,电子流动路径是:负极→阴极,阳极→正极,电子不能从溶液中通过,选项C不正确;根据电子守恒规律,当电池中消耗

g

H2时,b极周围会产生

g

H2,选项D正确。突破三“三池”的比较和联系典例3将Fe片和Zn片放入盛有NaCl溶液(其中滴有酚酞)的表面皿中,如图所示。最先观察到变为红色的区域为(

)A.Ⅰ和Ⅲ

B.Ⅰ和ⅣC.Ⅱ和Ⅲ

D.Ⅱ和Ⅳ答案

B解析

本题考查原电池和电解池的判断以及各自的工作原理。甲图是原电池,负极(Zn):Zn-2e-===Zn2+;正极(Fe):2H++2e-===H2↑,在Ⅰ区域H2O电离出的OH-浓度较Ⅱ高,能使无色酚酞溶液变成红色。乙图是电解池,阳极(Fe):Fe-2e-===Fe2+;阴极(Zn):2H++2e-===H2↑,在Ⅳ区域H2O电离出的OH-浓度相对Ⅲ较高,能使无色酚酞溶液变红色,综上所述选项B正确。“三池”的比较与联系

类型原电池电解池电镀池定义将化学能转变为电能的装置将电能转变为化学能的装置利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属的装置装置举例类型原电池电解池电镀池形成条件①活动性不同的两电极(连接);②电解质溶液(电极插入其中并发生自发氧化还原反应);③形成闭合电路①两电极接直流电源;②两电极插入电解质溶液;③形成闭合电路①镀层金属接电源正极,待镀金属接电源负极;②电镀液必须含有镀层金属的离子(电镀过程浓度不变)电极名称负极:氧化反应,金属失电子正极:还原反应,溶液中的阳离子得电子或者氧气得电子(吸氧腐蚀)阳极:氧化反应,溶液中的阴离子失电子,或电极金属失电子阴极:还原反应,溶液中的阳离子得电子阳极:金属电极失电子阴极:电镀液中镀层金属阳离子得电子(在电镀控制的条件下,水电离产生的H+及OH-一般不放电)类型原电池电解池电镀池主要应用①金属的电化学腐蚀分析②牺牲阳极法③制造多种新的化学电源①电解食盐水(氯碱工业)②电冶金(冶炼Na、Mg、Al)③电解精炼铜镀层金属可为铬、锌、镍、银等,使被保护的金属抗腐蚀能力增强,增加表面硬度和美观实质使氧化还原反应中转移的电子通过导线定向移动形成电流使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程类型原电池电解池电镀池联系①同一原电池的正、负极的电极反应得、失电子数相等;②同一电解池的阴、阳极电极反应中得、失电子数相等;③串联电路中的各个电极反应得、失电子数相等;上述三种情况下,在写电极反应式时得、失电子数要相等,在计算产物的量时,应按得、失电子数相等计算区分原电池、电解池、电镀池方法:首先看有无外接电源:①若无则可能是原电池,然后按照原电池形成条件分析判定(看电极材料、电解质溶液,是否形成闭合回路等)。②若有外接电源,两极插入电解质溶液中,当电解质溶液中含阳极金属离子时则为电镀池,否则为电解池。“两池”中电极的判断易混淆,现总结口诀如下:原电池,正负极;电解池,阴阳极;失去电子负(原电池)阳(电解池)极;发生氧化定无疑。我们还可以根据上述原理总结出一些规律,如:质量增加的电极一般为原电池的正极、电解池的阴极;质量减轻的电极一般为原电池的负极、电解池的阳极。对点训练3-1下列图示中关于铜电极的连接错误的是(

)答案

C解析

电镀铜时,Cu作阳极,镀件作阴极,故C错。对点训练3-2下列四种装置中,溶液的体积均为250mL,开始时电解质溶液的浓度均为0.10mol·L-1,工作一段时间后,测得导线上均通过0.02mol电子,若不考虑溶液体积的变化,则下列叙述正确的是(

)A.工作一段时间后溶液的浓度:①=②=③=④B.工作一段时间后溶液的pH:④>③>①>②C.产生气体的总体积:④>③>①>②D.电极上析出固体的质量:①>②>③>④答案

B解析

装置①是用惰性电极电解CuSO4溶液,电解时的总反应式为2CuSO4+2H2O

2Cu+O2↑+2H2SO4,当测得导线上通过

mol电子时,共消耗

mol

CuSO4,生成

mol

Cu、

mol

O2和

mol

H2SO4。装置②为锌铜原电池装置,原电池的总反应式为Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑,当测得导线上通过

mol电子时,共消耗

mol

H2SO4,还余

mol

H2SO4,生成

mol

H2,无固体析出。装置③为电镀锌装置,阴极铁棒上的电极反应式为Zn2++2e-===Zn,随着电解的进行,电解液的浓度不发生变化,导线中通过

mol电子时,阴极上析出

mol锌。装置④相当于用惰性电极电解NaCl溶液,电解时的总反应式为2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑,当测得导线上通过

mol电子时,共消耗

mol

NaCl,生成

mol气体和

mol

NaOH,无固体析出。突破四电化学组合装置的分析A.在Cu-Zn原电池装置工作时,盐桥内的Cl-向铜电极一端移动B.电极C为阳极,在电极D上发生还原反应C.气体X的主要成分是H2+透过高分子膜从右室进入左室,在电极C上发生还原反应答案

D解析

在Cu-Zn原电池装置工作时,锌为负极,铜为正极,阴离子向负极移动,因此盐桥内的Cl-向锌电极一端移动,A错误;锌为负极,铜为正极,因此电极C为阴极,电极D为阳极,阳