08专题八　化学反应与电能

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,以最终生成的物质

为准。(2)写出正极反应式:正极上O2在不同环境下发生还原反应。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。三、原电池原理的应用1.加快反应的速率例如,在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液,置换出的Cu能与Zn形成原电池,使产

生H2的反应速率加快。2.比较金属活动性强弱例如,两种金属分别作原电池的两极并浸入稀硫酸中,作负极的金属比作正极的金属活

泼。注意Mg、Al作电极并浸入NaOH溶液中,Al作负极。3.设计制作化学电源例如,根据Cu+2Ag+

Cu2++2Ag设计电池:

或

4.用于金属的防护(牺牲阳极法)例如,要保护铁质输水管道或钢铁桥,可用导线将其与锌块相连,使锌作原电池的负

极。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KNO3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四、电解原理的应用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↑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:失电子能力比铜弱的杂质,如Au、Ag电冶金电解熔融盐或氧化物来冶炼活泼金属:2NaCl(熔融)

2Na+Cl2↑MgCl2(熔融)

Mg+Cl2↑2Al2O3(熔融)

4Al+3O2↑考点3金属的腐蚀与防护1.钢铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀

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+正极反应O2+2H2O+4e-

4OH-2H++2e-

H2↑总反应2Fe+O2+2H2O

2Fe(OH)2Fe+2H+

Fe2++H2↑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,腐蚀速率的快慢: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速率的快慢: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

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

(2022湖南,8,3分)海水电池在海洋能源领域备受关注,一种锂—海水电池构造示

意图如下。下列说法错误的是

()

BA.海水起电解质溶液作用B.N极仅发生的电极反应:2H2O+2e-

2OH-+H2↑C.玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能D.该锂—海水电池属于一次电池方法链接突破新型电化学装置的四个步骤锂电池B项:锂电池电极反应式的书写解析海水能导电,故起电解质溶液作用,A正确。锂为活泼金属,作负极;N极为电池正

极,除了H2O,海水中溶解的O2也可能得电子,发生的电极反应为O2+4e-+2H2O

4OH-,B错误。玻璃陶瓷的作用:一是传导离子,形成闭合回路;二是防水,阻止Li与H2O反应,C

正确。根据电池结构可知该电池属于一次电池,D正确。方法突破一、突破新型电化学装置的四个步骤[典例,变式1,变式2]

二、常见新型电化学装置1.锂电池[典例]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,正极材料一般为含Li+的化合

物,常用正极材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等。

该电池放电时的反应原理可表示如下:负极:LixCy+xe-

Cy+xLi+正极:Li1-xCoO2+xLi++xe-

LiCoO2总反应:LixCy+Li1-xCoO2

LiCoO2+Cy3.金属—空气电池[变式1]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[变式2]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。5.浓差电池[变式2](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。(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↓三、电化学计算的三种方法[变式1D项]如以电路中通过4mole-为桥建以下关系式:4e-~

~

(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)。变式训练变式1

突破新型电化学装置的四个步骤,金属—空气电池,电化学计算的三种方法

(2024广东四校联考,6)纸电池像纸一样轻薄柔软,在制作方法和应用范围上与传统电

池相比均有很大突破。如图为某种纸电池的结构示意图。电解液为氯化钠溶液,总反

应为2Mg+O2+2H2O

2Mg(OH)2,下列有关纸电池说法不正确的是

()

DA.镁作负极材料,发生氧化反应B.电池工作时,化学能转化为电能C.该电池的正极反应式为O2+4e-+2H2O

4OH-D.当2.4gMg发生反应时,流经溶液的电子数为0.2NA

解析根据总反应可知,Mg发生氧化反应,为负极,A正确;该装置为原电池,工作时将化

学能转化为电能,B正确;根据总反应可知,正极上O2得到电子发生还原反应,电极反应式

为O2+4e-+2H2O

4OH-,C正确;根据总反应式可知,当2.4gMg发生反应时,流经导线的电子数为0.2NA,D错误。示“电子不下水,离子不上岸”,即原电池工作时,离子在电解液中定向某著名企业,

电子在导线中定向某著名企业,形成闭合回路。变式2

突破新型电化学装置的四个步骤,有机物电池,浓差电池(2024茂名一模,6)

浓差电池是利用两个半电池中的特定物质的浓度差产生电势的一种电化学装置。天

津大学科研团队用[Co(phen)3](PF6)2(phen为邻菲罗啉,结构如图1,为配体)为活性物质制

作的浓差电池装置如图2所示(电极a、b均为惰性电极),下列说法不正确的是

()

DA.电极b为正极B.放电时,将化学能转化为电能C.离子交换膜为阴离子交换膜D.负极反应为[Co(phen)3]3++e-

[Co(phen)3]2+

解析原电池工作时电子由负极沿导线流向正极,由题图2可知,电子从a极流向b极,则a

极为负极,b极为正极,A正确;该装置为原电池,放电时将化学能转化为电能,B正确;该浓

差电池利用两个半电池中阳离子浓度不同产生电势差,为防止阳离子发生跨膜迁移,应

用阴离子交换膜将两侧隔开,C正确;负极发生氧化反应,电极反应式为[Co(phen)3]2+-e-

[Co(phen)3]3+,D错误。题型2离子交换膜在电化学中的应用典题导入典题展示典例1

(2023浙江6月选考,13,3分)氯碱工业能耗大,通过如图改进的设计可大幅度降

低能耗,下列说法不正确的是

()

BA.电极A接电源正极,发生氧化反应B.电极B的电极反应式为2H2O+2e-

H2↑+2OH-C.应选用阳离子交换膜,在右室获得浓度较高的NaOH溶液D.改进设计中通过提高电极B上反应物的氧化性来降低电解电压,减少能耗方法链接离子交换膜的分类与应用B项:电极反应式的书写C项:离子交换膜类型的判断方法解析

由图某著名企业息Cl-→Cl2可知,电极A上发生氧化反应,为阳极,应与电源正极相连,电

极反应式为2Cl--2e-

Cl2↑;电极B为阴极,发生还原反应,电极反应式为O2+4e-+2H2O

4OH-,A项正确、B项错误。右室有OH-生成,为防止OH-与Cl2接触发生反应,且需要使Na+从左室迁移至右室,则应选用阳离子交换膜,在右室获得浓度较高的NaOH溶液,

C项正确。由于O2的氧化性比水电离出的H+的氧化性强,在阴极较容子,可降低

电解电压,减少能耗,D项正确。典例2

(2024韶关二模,7)如图所示的新型电池可以处理-的碱性废水,同时还能淡

化海水。下列说法不正确的是

()

C

A.电子由a极经导线流向b极B.电池工作一段时间后,右室溶液的pH增大C.交换膜Ⅰ为阳离子交换膜,交换膜Ⅱ为阴离子交换膜D.b极发生还原反应方法链接[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C项:离子交换膜类型的判断方法解析该装置为原电池,由题图可知-在a极转化为C

和N2,C元素的化合价由+2升高为+4,N元素的化合价由-3升高为0,发生氧化反应,则a极为负极,b极为正极,电子由a极

经导线流向b极,A正确;要达到淡化海水的目的,则海水中的Cl-应通过离子交换膜移向a

极区,Na+应通过离子交换膜移向b极区,则交换膜Ⅰ为阴离子交换膜,交换膜Ⅱ为阳离子

交换膜,C错误;电池工作时,b极发生反应2H++2e-

H2↑,溶液中的H+被消耗(通过交换膜Ⅱ进入右室的阳离子主要为Na+),pH增大,B正确;b极为正极,发生还原反应,D正

确。方法突破1.离子交换膜的分类与应用[典例1,变式2]

2.双极膜[变式2]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,典例2C项,变式1B项,变式2A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。变式训练变式1

离子交换膜类型的判断方法(2024广东二模,16)一种金属钠电极配合运用

钠离子及氯离子交换膜设计的氧化还原液流装置能够实现海水的淡化,其工作原理如

图所示。下列说法正确的是

()

DA.a为电源负极B.N为氯离子交换膜,M为钠离子交换膜C.充电时,总反应式为Na+[Fe)6]3-

Na++[Fe)6]4-D.放电时,每转移2mol电子,理论上Ⅱ池溶液质量增加117g解析根据题图可知,与电源a极相连的电极上[Fe)6]4-→[Fe)6]3-,发生氧化反应,

则该电极为阳极,Na电极为阴极,a为电源正极,b为电源负极,A错误;根据题图可知,海水

进入Ⅰ池,离子向两电极迁移,结合该装置能够实现海水的淡化可知,Na+移向阴极,Cl-移

向阳极,故N为钠离子交换膜,M为氯离子交换膜,B错误