8专题八　化学反应与电能

专题八化学反应与电能化学新高考适用考点透析目录考点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考点透析一、原电池的工作原理

二、原电池中电极反应式的书写方法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。如碱性介质中不可能有CO2、H+生成,酸性介质中不可能有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)总反应式的书写: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)正极上O2在不同环境下发生的电极反应式的书写: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会反应。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。

3.可充电电池(二次电池)电极反应式的书写总反应:Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O

负极:Pb-2e-+S

PbSO4

阴极:PbSO4+2e-

Pb+S

正极:PbO2+4H++S

+2e-

PbSO4+2H2O阳极:PbSO4+2H2O-2e-

PbO2+4H++S

示例:铅酸蓄电池充电与放电时的电极反应式。总结归纳

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的电子数。考点2电解原理及其应用一、电解池的工作原理

二、电解池中电极反应式的书写方法

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(阳极反应式+阴极反应式×2)得电解总反应式:2Cu2++2H2O

2Cu+O2↑+4H+。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-,根据归纳总结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水型含氧酸H2SO4阴极:H+放电生

成H2阳极:OH-放电

生成O2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

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H2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O2电解质和水生成酸加CuO三、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↑阳离子交换膜的作用:阻止OH-移向阳极室与Cl2反应电镀阳极: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,电镀前后溶液浓度基本不变电解精炼

阳极:粗铜,铜及比铜活泼的金属放电,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金属,如Au、Ag电解时:阳极减少的质量与阴极增加的质量不一定相等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↑处理酸性含铬废水以铁板为阴、阳极。阳极:Fe-2e-

Fe2+Fe2+与Cr2

反应生成Fe3+和Cr3+阴极:2H++2e-

H2↑考点3金属的腐蚀与防护一、化学腐蚀与电化学腐蚀类型化学腐蚀电化学腐蚀条件金属与其表面接触的一些物质(如O2、Cl2、SO2等)直接反应而引起的腐蚀不纯的金属与电解质溶液接触发生原电池反应,比较活泼的金属发生氧化反应而被腐蚀本质M-ne-

Mn+现象金属被腐蚀较活泼的金属被腐蚀区别无电流产生有微弱电流产生电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多,腐蚀速率更快,危害也更严重

二、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+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↑吸氧腐蚀更普遍

三、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,在浓度相同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,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1

(2024山东,13,4分)以不同材料修饰的Pt为电极,一定浓度的NaBr溶液为电解液,

采用电解和催化相结合的循环方式,可实现高效制H2和O2,装置如图所示。下列说法错

误的是

()

B

A.电极a连接电源负极B.加入Y的目的是补充NaBrC.电解总反应式为Br-+3H2O

Br

+3H2↑D.催化阶段反应产物物质的量之比n(Z)∶n(Br-)=3∶2方法链接参考了解突破新型电化学装置的四个步骤:①根据装置中电极b上的物质转化,可判断出阴、阳极。进而可判断出电极与电源的连

接情况。②电解质溶液为NaBr溶液,结合电极b上的反应,可知电极a上H2O放电生成H2和OH-,则

X为H2。解析由题中电解装置可知,电极b上Br-→Br

发生氧化反应,则电极b为阳极,连接电源正极;电极a为阴极,连接电源负极,A正确。电解质溶液为NaBr溶液,电极a的电极反应

为2H2O+2e-

H2↑+2OH-,电极b的电极反应为Br--6e-+6OH-

Br

+3H2O,则电解总反应式为Br-+3H2O

Br

+3H2↑,则X为H2。根据题某著名企业息:“采用电解和催化相结合的方式,可实现高效制H2和O2”,再结合催化阶段的物质转化可知,Br

在催化阶段分解为O2(Z)和Br-,总效果相当于H2O分解为H2和O2,故需补充H2O(即Y),B错误、C正

确。催化阶段产生O2和Br-,生成1molBr-转移6mole-,生成1molO2转移4mole-,根据得

失电子守恒可知,n(O2)∶n(Br-)=3∶2,D正确。典题展示典例2

(2024广东,16,4分)一种基于氯碱工艺的新型电解池如下图,可用于湿法冶铁的

研究。电解过程中,下列说法不正确的是

()

C

A.阳极反应:2Cl--2e-

Cl2↑B.阴极区溶液中OH-浓度逐渐升高C.理论上每消耗1molFe2O3,阳极室溶液减少213gD.理论上每消耗1molFe2O3,阴极室物质最多增加138g方法链接参考了解突破新型电化学装置的四个步骤:①结合题某著名企业息“一种基于氯碱工艺的新型电解池,可用于湿法治金的研究”,再结合

题图中左侧物质,可知在左侧Fe2O3→Fe,可得右侧电极上Cl-放电生成Cl2,右侧电极为阳

极。②D项参考电化学计算中的三个依据。解析该装置为电解池,可用于湿法冶铁的研究,则左侧Fe2O3得电子生成Fe,左侧电极

为阴极,右侧电极为阳极。阳极上Cl-发生氧化反应生成Cl2,电极反应式为2Cl--2e-

Cl2↑,A正确;阴极的电极反应式为Fe2O3+6e-+3H2O

2Fe+6OH-,则阴极区溶液中OH-浓度逐渐升高,B正确;根据电极反应式可知Fe2O3~6e-~6Cl-,则每消耗1molFe2O3,就会有

6molCl-放电生成Cl2,同时有6molNa+通过阳离子交换膜由阳极区向阴极区迁移,则阳

极室溶液减少(35.5g·mol-1+23g·mol-1)×6mol=351g,阴极室物质最多增加23g·mol-1×6mol=138g,C错误、D正确。方法突破一、了解突破新型电化学装置的四个步骤[典例1,典例2,变式1,变式2,变式3,变式4]

二、熟悉常见新型电化学装置的原理1.锂电池和锂离子电池(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+Cy2.金属—空气电池[变式4]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。3.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。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。③书写电极反应式时,可先对有机物进行简写,再书写电极反应式。如上述醛-羧酸的

互变反应,可将醛简写成X,则羧酸为XO,故可先写出X→XO。反应前可认为X为0价,则

生成物中X为+2价,故可写成X-2e-

XO,再根据电荷守恒、原子守恒配平为X-2e-+H2O

XO+2H+。4.浓差电池[变式3](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(可理解为Ag+浓度大,使Ag++e-

Ag平衡正向某著名企业,Ag+的氧化性增强,Ag的还原性减弱),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。三、掌握电化学计算中的三个依据[典例2、变式1、变式2]

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=n电子×F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,F为法拉第常数,F=96500C·mol-1)。电功W=

Uq。变式训练变式1

装置分析、计算(20某省市联考西北卷,13)为了从海水中提取锂,某团队设

计了图示的电解池。保持电源正负极不变,每运行一段时间后,将电极1与电极4取下互

换,电极2与电极3取下互换,实现锂的富集。下列说法正确的是

()

C

A.电路中电子的流向随着电极互换而改变B.电极2上发生的反应为Ag-e-

Ag+C.理论上,电极1与电极4的质量之和保持不变D.理论上,电路通过1mol电子时,有0.5molLi+富集在右侧电解液中解析电路中电子的流向由电源的正负极决定,与电极无关,A错误;根据题某著名企业息,每运

行一段时间后,将电极1与4取下互换,电极2与3取下互换,实现锂的富集,可得电解时电

极2上Ag转化为AgCl,电极1上FePO4转化为LiFePO4,则电极1为阴极,电极2为阳极,电极

2上发生的反应为Ag-e-+Cl-

AgCl,B错误;电极1上发生反应:FePO4+e-+Li+

LiFe-PO4,电极4上发生反应:LiFePO4-e-

FePO4+Li+,故理论上电极1和电极4的质量之和不变,C正确;根据电子转移守恒,可得理论上,电路中通过1mol电子,会有1molLi+聚集在

右侧电解液中,D错误。变式2

有机物电池,计算(2024湖南长郡中学第六次月考,8)高电压水系锌-有机混

合液流电池的装置如图所示。下列说法正确的是

()

D

A.放电时,负极反应式为Zn-2e-

Zn2+B.放电时,正极区溶液的pH减小C.充电时,中性电解质NaCl的浓度增大D.充电时,1molFQH2转化为FQ,同时可生成65gZn解析由图可知,放电时,Zn转化为[Zn(OH)4]2-,Zn作负极,电极反应式为Zn-2e-+4OH-

[Zn(OH)4]2-,A错误。放电时,正极上FQ转化为FQH2,电极反应式为FQ+2H++2e-

FQH2,正极区消耗H+,溶液pH增大,B错误。依据二次电池中负极反应与阴极反应“互

逆”,则充电时,阴极反应式为[Zn(OH)4]2-+2e-

Zn+4OH-,则中性电解质中的Na+通过阳膜向左某著名企业;阳极反应式为FQH2-2e-

FQ+2H+,中性电解质中的Cl-通过阴膜向右某著名企业,故充电时中性电解质NaCl的浓度减小,C错误。根据上述分析,当1molFQH2转化

为FQ时,转移2mol电子,生成1mol锌单质(即65g),D正确。变式3

浓差电池(2023山东,11,4分)(双选)利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废

液的浓缩再生。电池装置如图所示,甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液,向甲室

加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是

()

CD

A.甲室Cu电极为正极B.隔膜为阳离子膜C.电池总反应为Cu2++4NH3

[Cu(NH3)4]2+D.NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响解析甲室中发生反应:Cu2+(aq)+4NH3·H2O(aq)

[Cu(NH3)4]2++4H2O,根据Cu2+的浓度差可以设计浓差电池。NH3通入甲室发生反应NH3+H2O

NH3·H2O,溶液中Cu2+与NH3·H2O结合生成[Cu(NH3)4]2+,即Cu2++4NH3·H2O

[Cu(NH3)4]2++4H2O,甲室Cu电极上发生失电子的氧化反应Cu-2e-

Cu2+,则甲室中总反应为Cu-2e-+4NH3

[Cu(NH3)4]2+;乙室Cu电极上发生得电子的还原反应Cu2++2e-

Cu,乙室中S

向甲室某著名企业,甲室中[Cu(NH3)4]SO4浓度增大,排出收集,低生成CuSO4和NH3,NH3回到甲室中生成

NH3·H2O循环使用。A项,甲室中Cu电极为负极,错误;B项,因需要在甲室中获得[Cu(NH3)4]SO4,从而实现CuSO4溶液的再生,故需要使乙室中S

通过阴离子交换膜进入甲室,错误;C项,上述分析中甲室中总反应与乙室中Cu电极的电极反应相加得总反应Cu2++4NH3

[Cu(NH3)4]2+,正确;D项,如果NH3进入乙室,则乙室中Cu2+浓度降低,浓差电池的电动势将减小,正确。变式4

金属——空气电池(2023海南,8,2分)利用金属Al、海水及其中的溶解氧可组成电池,如图所示。下列说法正确的是

()A.b电极为电池正极B.电池工作时,海水中的Na+向a电极某著名企业C.电池工作时,紧邻a电极区域的海水呈强碱性D.每消耗1kgAl,电池最多向外提供37mol电子的电量

A解析该装置为原电池,铝为活泼金属,作负极;石墨(b电极)作正极,A正确。原电池工

作时,Na+向正极(b电极)某著名企业,B错误。电池工作时,a电极反应式为Al-3e-

Al3+,Al3+水解使电极a附近海水呈酸性,C错误。放电过程中Al→Al3+,每消耗1kg即

molAl,电池最多向外提供电子的电量为

mol×3=

mol,D错误。典题导入题型2离子交换膜在电化学中的应用典题展示典例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

()

B

A.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A项依据题图中物质转化可得出阳极、阴极,进而判断电极与电源的连接情况。C项参考离子交换膜类型的判断方法。需要根据在右室获得浓度较高的NaOH溶液,判

断需要哪个离子透过离子交换膜,进而判断交换膜种类。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,阳

极电极反应式为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正确、B错误。右室有OH-生成,为防止OH-与Cl2接触发生反应,同时在右室获得较高浓度的NaOH溶液,需要使Na+从左室迁移至右室,则应选用阳离子交换膜,

C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正确。典题展示典例2

(2023广东,16,4分)用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池(如图),可实

现大电流催化电解KNO3溶液制氨。工作时,H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH-,有利于电解反应顺利进行。下列说法不正确的是

()

B

A.电解总反应:KNO3+3H2O

NH3·H2O+2O2↑+KOH

B.每生成1molNH3·H2O,双极膜处有9mol的H2O解离C.电解过程中,阳极室中KOH的物质的量不因反应而改变D.相比于平面结构双极膜,“卯榫”结构可提高氨生成速率方法链接参考双极膜。A项需要写出正、负极电极反应式,再相加得出总反应式。B项注意电子转移守恒。C项注意双极膜中OH-的某著名企业。解析该装置可电解KNO3溶液制备NH3·H2O,氮元素化合价降低,故电极a为阴极,电极

反应式为①N

+8e-+7H2O

NH3·H2O+9OH-;电极b为阳极,电极反应式为②4OH--4e-

O2↑+2H2O,①+②×2可得电解总反应:N

+3H2O

NH3·H2O+2O2↑+OH-即KNO3+3H2O

NH3·H2O+2O2↑+KOH,A正确。根据阴极反应式,每生成1molNH3·H2O,转移8mol电子,根据闭合回路电荷守恒以及电流方向,可知双极膜处应有8molH2O

解离,生成的8molH+进入阴极室,8molOH-进入阳极室,B错误。根据阳极反应式可知,

每消耗4molOH-,转移4mol电子,根据闭合回路电荷守恒,双极膜处会有4molOH-进入

阳极室,故阳极室中KOH的物质的量保持不变,C正确。“卯榫”结构双极膜的表面积

大于平面结构双极膜,可产生较多H+和OH-,使电流增大,则氨的生成速率增大,D正确。方法突破一、了解离子交换膜的分类与应用[典例1、变式1]

二、了解双极膜[典例2、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。三、熟悉离子交换膜类型的判断方法[典例1,变式1]

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。变式训练变式1