2专题八　化学反应与电能讲解册

专题八化学反应与电能考点透析目录考点1原电池原理及其应用考点2电解原理及其应用考点3金属的腐蚀与防护题型透析题型1新型电化学装置分析及相关计算题型2离子交换膜在电化学中的应用考点1原电池原理及其应用一、原电池的工作原理考点透析二、原电池电极反应式的书写1.一般电极反应式的书写

注意

①物质得、失电子后在不同介质中的存在形式不同,书写电极反应式时必须考虑介质环境。如碱性溶液中不可能有CO2、H+生成,酸性溶液中不可能有NH3、OH-生成。②将正、负两极反应式相加得到总反应式时,应先调整化学计量数,使两式中得、失电子数目相等,再将两式相加。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发生还原反应,在不同环境下的电极反应如下。①酸性:O2+4H++4e-

2H2O②碱性:O2+2H2O+4e-

4OH-③熔融氧化物:O2+4e-

2O2-④熔融碳酸盐:O2+2CO2+4e-

2C

(3)负极反应式的书写注意

①若为碱性燃料电池,CO2会与OH-反应生成C

,此时产物应写成C

。②对于熔融氧化物或熔融碳酸盐燃料电池,配电荷守恒时应使用O2-或C

。③负极反应式也可用总反应式减去正极反应式(消去O2)得到。例如甲醇碱性燃料电池的总反应式为2CH3OH+3O2+4OH-

2C

+6H2O,将总反应式减去碱性条件下O2在正极的反应式,可得负极反应式为CH3OH+8OH--6e-

C

+6H2O。3.可充电电池(二次电池)电极反应式的书写例如,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

。解题技巧书写电极反应式时,若反应物或生成物较为复杂,转移电子数难以计算,在写出反应物与生成物后,可先配原子守恒,再根据电荷守恒确定转移电子数。考点2电解原理及其应用一、电解池的工作原理

二、电解池电极反应式的书写例如,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+。类型电解质特点实例电极反应特点电解对象电解质溶液的变化电解质溶液的复原措施电解水型含氧酸H2SO4阴极:H+放电生

成氢气阳极:OH-放电

生成氧气水浓度增大加H2O可溶性强碱NaOH活泼金属含氧酸盐Na2SO4三、用惰性电极电解电解质溶液的类型类型电解质特点实例电极反应特点电解对象电解质溶液的变化电解质溶液的复原措施电解电解质型无氧酸HCl电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电 电解质浓度减小通HCl不活泼金属无氧酸盐CuCl2加CuCl2放H2生碱型活泼金属无氧酸盐NaCl阴极:H+放电生成氢气阳极:电解质阴离子放电电解质和水生成碱通HCl放O2生酸型不活泼金属含氧酸盐CuSO4阴极:电解质阳离子放电阳极:OH-放电生成氧气电解质和水生成酸加CuO应用装置及说明氯碱工业

阳极:2Cl--2e-

Cl2↑阴极:2H2O+2e-

H2↑+2OH-总反应:2Cl-+2H2O

2OH-+Cl2↑+H2↑阳离子交换膜:只允子通过,能阻止阴离子和气体通过四、电解原理的应用应用装置及说明电镀

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,电镀前后浓度基本不变注意:在CuSO4溶液中加入一些氨水,制成铜氨溶液,可使镀层光亮应用装置及说明电解精炼

阳极:粗铜,铜及比铜活泼的杂质放电,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:粗铜中含有的一些杂质沉积在电解槽底部形成,可作为提炼金、银等的重要原料电冶金利用电解熔融盐或氧化物的方法来冶炼活泼金属2NaCl(熔融)

2Na+Cl2↑MgCl2(熔融)

Mg+Cl2↑2Al2O3(熔融)

4Al+3O2↑

吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜呈弱酸性或中性水膜酸性较强负极反应Fe-2e-

Fe2+Fe-2e-

Fe2+正极反应O2+2H2O+4e-

4OH-2H++2e-

H2↑总反应2Fe+O2+2H2O

2Fe(OH)2Fe+2H+

Fe2++H2↑考点3金属的腐蚀与防护1.钢铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀2.金属的防护

方法技巧判断金属腐蚀快慢的规律(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀的快慢: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)对同一金属来说,在相同浓度的不同溶液中腐蚀的快慢:强电解质溶液中>弱电解质

溶液中>非电解质溶液中。(3)活动性不同的两种金属,构成原电池的两极时,活动性差别越大,活动性强的金属腐

蚀越快。(4)一般情况下,对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,金属腐蚀越快。典题展示典例1

(2024台州一模,14改编)质子交换膜氢氧燃料电池具有能量密度高等优点,质子

交换膜主要成分为全氟磺酸聚合物,吸水后,强疏水性主链和亲水性侧链形成尺寸为3~

5nm的离子通道。质子通过水、—S

等载体之间氢键的伸缩振动,定向连续传递。题型1新型电化学装置分析及相关计算题型透析典题导入电池及膜的工作原理如图所示,下列说法不正确的是

()A.通O2电极的电势比通H2电极的电势高B.质子交换膜燃料电池的电解质可使用全氟磺酸聚合物C.给出质子能力:H2O>质子交换膜的—SO3HD.质子交换膜吸水后形成离子通道

C

解析

A项,在氢氧燃料电池中,通入H2的一极为负极,通入O2的一极为正极,正极电势高

于负极电势,因此通O2电极的电势比通H2电极的电势高,正确。B项,根据题干信息,质子

交换膜主要成分为全氟磺酸聚合物,能够使质子定向连续传递,因此燃料电池电解质选

择全氟磺酸聚合物,有利于负极区生成的质子连续传递到正极,正确。C项,根据题图2

判断,F原子电负性大,是吸电子基团,会导致—SO3H中羟基的极性增强,质子,故

给出质子能力:H2O<质子交换膜的—SO3H,错误。D项,由题给信息可知,主链具有疏水

性,侧链—SO3H具有亲水性,因此吸水后形成了质子传导的水通道,即形成离子通道,正

确。方法链接A项:电极名称的判断,电势高低判断典题展示典例2

(2024稽阳联谊学校11月联考,13)以钴酸锂电池为电源用丙烯腈电合成己二腈

[NC(CH2)],电解质溶液为LiPF6的碳酸酯溶液,两电极均为石墨,装置如图所示。该

钴酸锂电池的总反应是LixCy+Li1-xCoO2

LiCoO2+Cy。

下列说法不正确的是

()A.B电极为正极,电极反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+

LiCoO2B.阴极区的电极反应为2CH2

C+2e-+2H+

NC(CH2),一段时间后,阴极室的pH增大C.锂离子电池快速充放电的本质就是锂离子能够快速在正、负极材料间嵌入和脱嵌D.A电极质量减轻14g,理论上可制备1mol己二腈

B

方法链接常见新型电化学装置——锂离子电池A项:电极名称的判断,电极反应式的书写B项:电极反应式的书写,溶液pH变化判断C项:常见新型电化学装置——锂离子电池D项:电化学计算——根据电子转移守恒解析根据钴酸锂电池的总反应LixCy+Li1-xCoO2

LiCoO2+Cy可知,A电极作负极,电极反应为LixCy-xe-

Cy+xLi+,B电极作正极,电极反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+

LiCoO2,A正确。C电极为电解池的阳极,电极反应为2H2O-4e-

O2↑+4H+;D电极为电解池的阴极,电极反应为2CH2

C+2e-+2H+

NC(CH2),装置工作时阳极区生成的H+通过质子交换膜某著名企业到阴极区,因此当转移4mole-时,阳极区会有4molH+某著名企业到阴极

区,同时阴极区消耗4molH+,则一段时间后,阴极区H+浓度不变,pH不变,B错误。放电

时,锂离子由石墨中脱嵌移向正极,嵌入钴酸锂晶体中;充电时,锂离子从钴酸锂晶体中

脱嵌,由正极回到负极,嵌入石墨中,因此锂离子电池快速充放电的本质就是锂离子能够

快速在正、负极材料间嵌入和脱嵌,C正确。根据A电极发生的电极反应,A极质量减轻14g,则有2molLi+脱嵌,电路中转移2mole-,根据转移电子数相等、D电极发生的电极

反应,生成1mol己二腈,D正确。方法突破一、常见新型电化学装置1.锂电池锂电池是一类由金属锂或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。放电时

Li失去电子被氧化为Li+,负极反应式为Li-e-

Li+,负极生成的Li+定向某著名企业到正极。例如:2.锂离子电池[典例2]基于“嵌入/脱嵌”反应原理,在两极形成的电压的驱动下,Li+可以向电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。负极材料多采用石墨,电池充电时阴极反应式一般为6C+xLi++xe-

LixC6;放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程:LixC6-xe-

6C+xLi+。正极材料一般为含Li+的化合物,常用正极材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等。3.金属—空气电池金属—空气电池是指以金属(铝、镁、锌等)为负极,以空气中的氧气或纯氧为正极反应物的一类电池。电解质溶液一般采用碱性电解质水溶液,当采用更活泼的钾、钠、钙等作负极时,因为它们可以和水反应,需采用非水的有机介质作为电解质溶液中的溶剂。

负极:M-ne-

Mn+正极:O2+2H2O+4e-

4OH-注意

负极生成的金属阳离子可能与电解质溶液发生进一步反应,例如Al3+能与OH-反应。

4.有机物、高分子电池有机物参与的二次电池通常与一些氧化态—还原态互变的特定官能团有关,在有机反

应中,失去H或者加入O为失电子的氧化反应,加入H或者失去O为得电子的还原反应。醌—酚互变反应:2H++

醛—羧酸互变反应:H2O+

+2H+

注意

①对于高分子链节中发生的氧化/还原反应,计算转移电子数时需要乘以聚合度。②有机物发生氧化/还原反应时,除了根据碳元素的化合价变化来确定得、失电子的数目外,还可根据得、失氢/氧原子的数目来确定得、失电子的数目。1个氢原子对应1个电子,1个氧原子对应2个电子。例如某电极上CH3CH2OH→CH3COOH,该转化过程中1个CH3CH2OH失去2个氢原子并得到1个氧原子,发生氧化反应,故1个CH3CH2OH失去2×1+2=4个电子。(1)原理:浓差电池是利用物质的浓度差产生电势差的一种电化学装置。浓差电池中,

左、右两侧用离子交换膜隔开,两侧溶液中特定物质的浓度不同,导致两极上发生氧化/

还原反应,从而产生电流。

5.浓差电池[变式1](2)模型分析如图,a、b两极均为Ag电极,两侧溶液均为AgNO3溶液。由于右侧溶液中c(Ag+)较大,Ag+得电子能力较强,故b极为正极,a极为负极,电极反应如下。负极(a极):Ag-e-

Ag+正极(b极):Ag++e-

Ag工作时a极区c(Ag+)逐渐增大,b极区c(Ag+)逐渐减小,b极区中的N

通过阴离子交换膜进入a极区。当两侧溶液中c(Ag+)相等时,电流表指针归零。6.总反应为非氧化还原反应的电池如图装置中两极均为Ag电极,右侧溶液中Ag+具有氧化性,子,故右侧电极为正极,

左侧电极为负极,反应原理如下。负极:Ag-e-+Cl-

AgCl正极:Ag++e-

Ag总反应:Ag++Cl-

AgCl↓二、突破新型电化学装置的四个步骤[典例1A项,典例2A、B项,变式1A、B项,变式2]

如以电路中通过4mole-为桥建以下关系式:4e-~

~三、电化学计算的三种方法[典例2D项,变式1C项](式中M为金属,n为其离子所带电荷数)知识拓展在电化学计算中,可利用公式q=I×t=n(电子)×NA×1.6×10-19C来计算电路中通过的电荷量(1个电子所带的电荷量为1.6×10-19C)。变式1

常见新型电化学装置——浓差电池,突破新型电化学装置的四个步骤,电化

学计算的方法(2024浙江9+1高中联盟3月联考,12)利用电解质溶液的浓度对电极电

势的影响,可设计浓差电池。某热再生浓差电池放电时的工作原理如图所示,通入NH3

发生反应Cu2++4NH3

[Cu(NH3)4]2+,电池开始工作,甲室电极质量减少,乙室电极质量增加,中间a为离子交换膜,放电后利用工业废热进行充电。下列说法正确的是()A.放电时,甲室Cu电极电势高于乙室B.充电时,N

经阴离子交换膜a由乙室向甲室迁移C.放电时,外电路有0.2mol电子通过时,乙室溶液质量减少6.4gD.电池的总反应为Cu2++4NH3

[Cu(NH3)4]2+,ΔH<0变式训练

D

解析放电时,甲室电极质量减少,甲室Cu电极作负极,发生氧化反应,乙室电极质量增

加,乙室Cu电极作正极,发生还原反应,故放电时甲室Cu电极电势低于乙室,A错误。充

电时,甲室Cu电极作阴极,乙室Cu电极作阳极,N

经阴离子交换膜a由甲室(阴极区)向乙室(阳极区)迁移,B错误。放电时,乙室的电极反应为Cu2++2e-

Cu,外电路有0.2mol电子通过,乙室生成0.1mol铜,电极质量增加6.4g,但同时乙室有0.2molN

移到甲室,故乙室溶液减少的是0.1molCu(NO3)2的质量,为18.8g,C错误。放电时,甲室的电极

反应为Cu+4NH3-2e-

[Cu(NH3)4]2+,结合乙室的电极反应可得总反应为Cu2++4NH3

[Cu(NH3)4]2+,根据“放电后利用工业废热进行充电”可知,充电反应为吸热反应,则放电反应是放热反应,故ΔH<0,D正确。变式2

突破新型电化学装置的四个步骤(2024模,13)中国科学技术大学吴

长征了一种可充电的氢氧燃料电池,示意图如下。W为可充电电池的电

解质介质之一,与氢气作用生成还原态WH,下列有关说法正确的是

()A.充电时,A电极接外电源正极,发生氧化反应B.根据反应顺序,W充当A电极放电反应的催化剂C.放电结束,A电极区域pH减小D.放电时,B电极的电极反应为O2+4e-+4H+

H2O

B

解析

A项,由题图可知,放电时,左侧通入的H2与W发生反应生成WH,WH在A电极失电

子生成W和H+,故A电极为负极,则充电时,A电极为阴极,接外电源负极,发生还原反应,

错误。B项,根据A项分析,可知W参与反应后又生成,A电极放电的总反应可表示为H2-2e-

2H+,故W充当A电极放电反应的催化剂,正确。C项,放电时,A电极区域生成的H+通过质子交换膜向电极B某著名企业,转移到电极B区域的H+的物质的量与A电极区域生成的

H+的物质的量相等,因此放电结束,A电极区域H+的浓度不变,pH不变,错误。D项,放电

时,A电极为负极,则B电极为正极,B电极上Br2得电子生成Br-,电极反应为Br2+2e-

2Br-,错误。典题展示典例1

(2024杭州一模,13)利用丙烯腈(CH2

C)制备己二腈[NC(CH2)]的电有机合成装置如图所示。下列说法不正确的是

()A.电极a为阴极B.四甲基溴化铵[(CH3)4NBr]可增加溶液导电性C.交换膜为质子交换膜D.电解过程中,右侧溶液的pH不变

题型2离子交换膜在电化学中的应用典题导入

D

方法链接A项:电极名称的判断C项:离子交换膜类型的判断D项:溶液pH变化判断解析由题图可知,丙烯腈(CH2

C)转化为己二腈[NC(CH2)],C元素化合价降低,丙烯腈得电子,发生还原反应,故电极a为阴极,电极反应为2CH2

C+2e-+2H+

NC(CH2),电极b为阳极,电极反应为2H2O-4e-

4H++O2↑,交换膜为质子交换膜,阳极区的H+可通过质子交换膜移向阴极区,A、C正确。四甲基溴化铵[(CH3)4NBr]

在水中可以发生电离,增加溶液中的离子浓度,因而可增加溶液的导电性,B正确。结合

阴、阳两极发生的电极反应,每转移4mole-,阴极消耗4molH+,阳极生成4molH+,为传

递电荷,阳极区有4molH+通过质子交换膜移向阴极区,因此阳极区H+的物质的量不变,

但是阳极区消耗了H2O,则溶液中H+浓度增大,pH减小,D错误。典题展示典例2

(2023浙江四校联盟联考,12)我国科研人员利用下图装置实现SO2的脱除与H2O

2的制备相耦合,高效协同转化。在电场作用下,双极膜中间层的H2O解离为OH-和H+,并

分别向两极迁移。下列叙述不正确的是

()A.电极A的电极反应为S

-2e-+2OH-

S

+H2OB.双极膜中H+移向电极BC.将双极膜换成阳离子交换膜,该装置能稳定、持续地工作D.电极B生成1molH2O2时,电极A区域的溶液理论上质量增加98g

C

方法链接A项:电极反应式的书写B项、C项:双极膜在电化学装置中的应用D项:电化学计算——根据电子转移守恒解析由题图可知,在电极A上S

→S

,硫元素化合价升高,则S

失电子,电极A为负极,电极反应为S

-2e-+2OH-

S

+H2O,A正确。电极A为负极,电极B为正极,则双极膜中H+移向电极B、OH-移向电极A,B正确。电极B为正极,O2得电子生成H2O2,电

极反应为O2+2H++2e-

H2O2,根据两极的电极反应式,正极区消耗H+,负极区消耗OH-,双极膜中间层的H2O解离可向两极区分别提供H+和OH-,维持两侧溶液中的H+、OH-浓

度,因此该装置能稳定、持续地工作;若换成阳离子交换膜,正、负极的电极反应会消耗

H+与OH-,装置两侧的电解质溶液中H+、OH-的浓度会越来越小,因此装置不能稳定、持

续工作,C错误。根据电极A、电极B上发生的电极反应,电极B生成1molH2O2时,转移

2

mol电子,则电极A有1molS

参与电极反应,即电极A区域的溶液吸收了1molSO2,同时双极膜中有2molOH-进入电极A区域,故电极A区域的溶液理论上质量增加64g+2×

17g=98g,D正确。方法突破1.离子交换膜的分类与应用[典例1,典例2,变式1,变式2,变式3]2.双极膜[典例2B、C项,变式3C项]双极膜是一种新型离子交换膜,其膜主体可分为阴离子选择层、阳离子选择层和中间

界面层,水解离催化剂被夹在中间界面层的离子交换聚合物中,在该聚合物当中的H2O

电离产生H+和OH-,在电场的作用下快速迁移到两侧溶液中,作为H+和OH-的供应源,为

膜两侧的半反应提供各自理想的pH条件。

3.离子交换膜类型的判断方法[典例1C项,变式2B项,变式3B项]例如,氯碱工业中用离子交换膜法电解饱和食盐水时,离子交换膜的作用之一是防止阴

极室生成的OH-迁移至阳极室与氯气反应造成产品损失,同时还要允室中的Na+迁移至阴极室以得到NaOH溶液,故该电解装置中的离子交换膜为阳离子交换膜。注意

对于含有离子交换膜的电化学装置,判断反应后某极室溶液pH变化或计算溶液

质量变化时,不要忽略离子透过离子交换膜进出造成的影响。变式1

离子交换膜的分类与应用(2024浙江强基联盟3月联考,13)利用H2S制取H2

的过程如图所示。下列说法不正确的是()A.惰性电极A的电极反应:H2S-2e-

2H++S↓B.惰性电极B接电源负极,发生还原反应C.反应池中反应物需要采用气、液逆流方式通入,目的是增大反应物接触面积并充分吸收气体D.装置中应选用质子交换膜,电解时,H+向惰性电极B某著名企业变式训练

A

解析左侧反应池中Fe3+和H2S反应生成S和Fe2+(2Fe3++H2S

2Fe2++S↓+2H+),Fe2+与H+随溶液进入惰性电极A所在极室,在电极A处发生的电极反应为Fe2+-e-

Fe3+,A错误;由A项分析可知,惰性电极A作阳极,则惰性电极B作阴极,连接电源的负极,发生还原

反应,B正确;反应池中反应物采用气、液逆流方式通入,可以增大反应物接触面积并充

分吸收气体,C正确;装置中应选用质子交换膜,电解时,H+从阳极室向惰性电极B(阴极)

某著名企业,在阴极放电,生成H2,D正确。变式2

离子交换膜的分类与应用,离子交换膜类型的判断方法(2024浙江新阵地

教育联盟第三次联考,13)高能耗的氯碱工业,经过优化工艺设计可降低能耗。下图所

示设计中,表示了相关物料的传输和转化关系,下列说法不正确的是()A.该设计中主要的节能之处一是用氢氧燃料电池来供电,二是提高NaOH溶液浓度B.离子交换膜Ⅰ应选用阳离子交换膜,离子交换膜Ⅱ选用阴离子交换膜C.图中Y为氢气,Y在燃料电池中发生的电极反应:H2-2e-+2OH-

2H2OD.燃料电池装置中通空气的一端发生还原反应

B

解析由题图可知,左侧为电解饱和食盐水的装置,右侧是燃料电池,Y是H2,故X是Cl2,

通入H2的电极为燃料电池的负极,通入空气的电极为燃料电池的正极。氢氧燃料电池

可以为电解饱和食盐水供电,负极反应为H2-2e-+2OH-

2H2O,消耗OH-,则a