09专题九　化学反应与电能　53精讲

专题九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题型透析考点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)写出正极反应式:正极上O2发生还原反应,在不同环境中的电极反应如下。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

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。

(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。

3.可充电电池(二次电池)电极反应式的书写例如,铅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、电解池中电极反应式的书写方法

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三、电解原理的应用应用说明氯碱工业

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,电镀前后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+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,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山东威海期末,14)(不定项)我国科学家团队发明一种以Na0.44MnO2和Cu3(PO4)2为电极的新型水系双离子电池,其工作原理如图所示。下列说法错误的是

(

)A.放电时,N极为正极B.放电时,若N极得到3.2gCu和2.88gCu2O,则M极转移0.12mole-C.充电时,M极的电极反应式为Na0.44-xMnO2+xNa++xe-

Na0.44MnO2D.充电时,1molCu完全转化为Cu2O,电池有1molNa+由M极迁移到N极

BD

方法链接突破新型电化学装置的四个步骤

A项:判断电极名称(基于题给装置图判断)B项:电化学计算(基于电子转移守恒)C项:书写电极反应式(可先配原子守恒,再确定转移电子数)D项:电化学计算,判断离子某著名企业方向

解析放电时题给装置为原电池,N极上Cu3(PO4)2→Cu2O→Cu,发生得电子的还原反应,

M极上Na0.44MnO2→Na0.44-xMnO2,发生失电子的氧化反应,则N极为正极,M极为负极,A正

确;Cu3(PO4)2中Cu元素化合价为+2,生成3.2gCu(0.05mol)转移0.1mole-,生成2.88gCu2O(0.02mol)转移0.04mole-,共转移0.14mole-,B错误;充电时该装置为电解池,M极为阴

极,电极反应式为Na0.44-xMnO2+xNa++xe-

Na0.44MnO2,C正确;充电时,1molCu完全转化为Cu2O,转移1mole-,为传递电荷,则电池有1molNa+由阳极(N极)迁移到阴极(M

极),D错误。

典例2

(2024山东青岛二模,11)(不定项)一种非金属—有机物液流电池放电时的工作

原理如图所示。下列说法正确的是

(

)

AC

A.放电时,负极电极反应为

+H2O-2e-

+2H+B.充电时,H+通过质子交换膜向电极甲某著名企业C.可将储液罐做大以增大液流电池的储能容量D.以此电源电解硫酸铜溶液,若加98gCu(OH)2使溶液复原,理论上消耗160gBr2

方法链接有机物电池[知识拓展]液流电池是电化学储能领域的一个研究热点,其优点是储能容量大、使用

寿命长。由于储液罐和反应场所是分离的,液流电池能够突破传统电池的体积限制。

例如,全钒液流电池因其独特优点,在域有着广泛的应用(工作原理见鲁科版选

必1第1章第3节)。A项:书写电极反应式(基于题给装置信息)B项:判断离子某著名企业方向(基于电极名称判断)D项:电化学计算(基于电子转移守恒)

解析根据题给电池放电时的物质变化可知,电极甲发生还原反应,为正极,电极反应式

为Br2+2e-+2H+

2HBr;则电极乙发生氧化反应,为负极,电极反应式为

+H2O-2e-

+2H+,A项正确。充电时电极乙为阴极,阳离子移向阴极,故H+通过质子交换膜向电极乙某著名企业,B项错误。储液罐越大,储存的

电极反应物越多,提供的电能就越多,C项正确。若加入98g(1mol)Cu(OH)2使溶液复

原,根据原子守恒可知,在电解硫酸铜溶液过程中阳极生成n(O2)=1mol,阴极生成n(Cu)=

1mol、n(H2)=1mol,则阳极电极反应式为4OH--4e-

O2↑+2H2O,阴极电极反应式为Cu2++2e-

Cu、2H++2e-

H2↑,故电路中转移4mol电子,结合电极甲的电极反应式可得,消耗n(Br2)=2mol,则消耗Br2的质量为2mol×160g·mol-1=320g,D项错误。

一题多解加入1molCu(OH)2使溶液复原,可看作加入1molCuO+1molH2O使溶液复

原。消耗1molCuO对应的电解总反应为CuSO4+H2O

Cu+

O2↑+H2SO4(转移2mole-);消耗1molH2O对应的电解总反应为H2O

H2↑+

O2↑(转移2mole-),则电源需提供4mole-,对应2molBr2。方法突破一、突破新型电化学装置的四个步骤[典例1]

二、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”。负极材料多采用嵌锂石墨,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[典例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。2H++

醛—羧酸互变反应:H2O+

+2H+

醌—酚互变反应:

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、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1](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+得电子能力更强(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。6.总反应为非氧化还原反应的电池[变式2]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↓

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)。三、电化学计算的三种方法[典例1B、D项,典例2D项,变式1D项,变式2D项]

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

浓差电池,电化学计算(2024山东菏泽一模,11)(不定项)以浓差电池(电解质

溶液浓度不同造成电势差)为电源,用石墨作电极将NH3转化为高纯H2的装置如图。下

列说法错误的是

(

)

AB

A.Cu(1)的电极反应式为Cu-2e-

Cu2+B.离子交换膜Ⅱ为阳离子交换膜C.工作时,M电极附近溶液的pH降低D.电解停止时,理论上Cu(1)和Cu(2)电极

的质量差为256g

解析题给装置为原电池与电解池串联装置,左侧以浓差电池为电源,右侧为电解池。

M电极的电极反应式为2NH3-6e-+6OH-

N2+6H2O,则M电极为阳极,与M电极连接的Cu(1)为正极;N电极的电极反应式为2H2O+2e-

H2↑+2OH-,则N电极为阴极,与N电极连接的Cu(2)为负极。Cu(1)电极(正极)发生反应:Cu2++2e-

Cu,A错误。根据上述M电极、N电极的电极反应式可知,M电极消耗OH-,导致M电极附近溶液c(OH-)降低,pH

降低;丁室生成的OH-可通过离子交换膜Ⅱ进入丙室以补充OH-,则离子交换膜Ⅱ应为阴

离子交换膜,B错误、C正确。电池工作时,Cu(1)电极(正极)的电极反应式为:Cu2++2e-

Cu,电解停止时,Cu(1)电极(正极)区CuSO4溶液浓度由2.5mol·L-1降低到1.5mol·L-1,Cu(2)电极(负极)区CuSO4溶液浓度由0.5mol·L-1升高到1.5mol·L-1,Cu(1)电极(正极)区还原Cu2+的物质的量为2L×(2.5-1.5)mol·L-1=2mol,故Cu(1)电极(正极)质量增加128g,电

路中转移4mol电子,Cu(2)电极(负极)消耗2molCu,质量减少128g,理论上Cu(1)和Cu(2)

电极的质量差为256g,D正确。变式2

总反应为非氧化还原反应的电池,电化学计算(2024山东日照二模,12)(不

定项)以“全氢电池”为电源直接电解氯化钠溶液制备H2和HClO的装置如图所示(工

作时,H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH-)。

A.“全氢电池”的总反应为H++OH-

H2OB.“全氢电池”的双极膜中产生的H+向右某著名企业,OH-向左某著名企业C.阳极区发生的电极反应为2Cl--2e-

Cl2↑D.理论上负极消耗1molH2,电解池阳极区减少1mol阳离子(忽略HClO的电离)下列说法错误的是

()

C

解析

A项,根据题意知,“全氢电池”为原电池,则左侧吸附层为负极,电极反应式为H2

+2OH--2e-

2H2O,右侧吸附层为正极,电极反应式为2H++2e-

H2↑,将正、负极电极反应式相加得总反应为H++OH-

H2O,正确;B项,原电池中阳离子向正极迁移,阴离子向负极迁移,所以“全氢电池”的双极膜中产生的H+向右某著名企业,OH-向左某著名企业,正确;C

项,由题某著名企业息“电解氯化钠溶液制备H2和HClO”可知,阳极[Pt(Ⅰ)]反应式为Cl-+H2O-

2e-

HClO+H+,阴极[Pt(Ⅱ)]反应式为2H2O+2e-

H2↑+2OH-,错误;D项,负极消耗1molH2,转移2mole-,则右侧电解池中转移2mole-,结合上述阴、阳极电极反应式可知,

为传递电荷,阳极区有2mol阳离子(Na+或H+)通过阳离子交换膜进入阴极区,根据阳极

反应式:Cl-+H2O-2e-

HClO+H+可知,阳极区得到1molH+,则忽略HClO的电离,阳极区减少1mol阳离子,正确。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

(2024山东泰安一模,9)利用微生物电化学处理有机废水,同时可淡化海水并获

得酸、碱。现以NaCl溶液模拟海水、采用惰性电极,用如图所示的装置处理有机废水

(以含有机酸CH3COOH溶液为例),在直流电场作用下,双极膜间的水解离成H+和OH-。

下列说法正确的是

()

A

A.阳极反应式为CH3COOH+8OH--8e-

2CO2↑+6H2OB.膜a为阴离子交换膜,膜b为阳离子交换膜C.产品室生成的物质为NaOHD.当阴极产生11.2L气体时,理论上可除去模拟海水中5.85gNaCl方法链接离子交换膜的分类与应用,离子交换膜类型的判断方法,双极膜(结合题给电化学装置

的目的分析)[提示]有机化合物中碳元素化合价的判断方法:有机物中氢元素的化合价为+1,氧元素

的化合价为-2,再根据化合物中各元素正、负化合价的代数和为0计算碳元素的化合

价。A项:书写电极反应式B项:离子交换膜类型的判断方法C项:基于离子交换膜的类型、离子迁移的方向、装置目的判断产品室

解析题给装置为电解池,与电源正极相连的左侧电极为阳极,电极反应式为CH3COOH+8OH--8e-

2CO2↑+6H2O,A项正确。由题给装置知,双极膜解离出的H+进入产品室,又由题某著名企业息“利用微生物电化学处理有机废水,同时可淡化海水并获得酸、

碱”知,Cl-通过膜b进入产品室,则产品室生成的物质为HCl,膜b为阴离子交换膜;右侧电

极为阴极,电极反应式为2H++2e-

H2↑,Na+通过膜a(阳离子交换膜)进入阴极室,得到产品NaOH,B、C项错误。未标明11.2L气体所处的压强,无法计算其物质的量,

D项错误。

典例2

(2024山东淄博二模,7)调节溶液的pH,当溶液中的氨基酸主要以两性离子存在

时,分子整体呈电中性,此时溶液的pH为该氨基酸的pI值,谷氨酸的pI=3.22,丙氨酸的pI=

6.02,赖氨酸的pI=9.74。用图示装置分离这三种氨基酸。下列说法错误的是

()

C

A.阳极的电极反应为2H2O-4e-

4H++O2↑B.a用阳离子膜,b用阴离子膜C.在产品室1中,可以收集到赖氨酸D.原料室的pH应控制在6.02方法链接离子交换膜的分类与应用,离子交换膜类型的判断方法[知识拓展]氨基酸分子中既有氨基又有羧基,是一种两性化合物,通常以两性离子形式

存在。溶液的pH不同,氨基酸的两性离子可以发生不同的变化,可以利用这一性质对氨

基酸进行分离。A项:书写电极反应式B项:离子交换膜类型的判断方法C项:基于离子交换膜的类型、离子迁移的方向、装置目的判断产品室D项:基于装置目的分析原料室

解析根据题给电解池装置图可知,阳极的电极反应式为2H2O-4e-

4H++O2↑,阴极的电极反应式为2H2O+2e-

H2↑+2OH-,A项正确。根据题干信息,若要将三种氨基酸分离,则应控制原料室中的pH=6.02,保证丙氨酸分子呈电中性而不发生定向迁移,此

时谷氨酸转化为阴离子,通过阴离子膜进入产品室1,阳极区中的H+通过膜a(阳离子膜)

进入产品室1,在产品室1中得到谷氨酸;同理可得赖氨酸转化为阳离子,通过阳离子膜进

入产品室2,阴极区中的OH-通过膜b(阴离子膜)进入产品室2,在产品室2中得到赖氨

酸,B、D项正确,C项错误。方法突破1.离子交换膜的分类与应用[典例1,典例2,变式2]

2.双极膜[典例1,变式1]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1B项,典例2B项,变式1A项,变式2B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。变式训练变式1

双极膜,离子交换膜类型的判断方法(2024山东济宁二模,12)(不定项)科学

家在利用双极膜反应器电化学合成氨领域取得重要成果,装置如图所示。下列说法错

误的是

(

)

BD

A.d为阴离子交换膜B.若转移4mol电子,在a电极区生成1molOH-C.双极膜中消耗8mol水时,b电极生成2mol气体D.电解一段时间后,KOH溶液的浓度保持不变

解析根据题某著名企业息可知题给装置为电解池,结合装置目的(合成氨)可知,a电极的电极

反应式为N

+8e-+6H2O

NH3↑+9OH-,a电极作阴极;b电极作阳极,电极反应式为