浙江省高考化学一轮复习导航 第5单元第22讲 化学能与电能的转化课件 新课标

一、原电池的工作原理一、原电池的工作原理 1装置特点：把化学能转化成电能。 2构成条件： (1)能自发地发生氧化还原反应。 (2)有电解质溶液(构成电路或参与反应)。 (3)由还原剂和导体构成负极系统，由氧化剂和导体构成正极系统。 (4)构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)，或具备将化学能转化成电能的条件。 3电极名称及电极反应 负极：较活泼金属，电子流出的极，发生氧化反应 正极：不活泼金属(或非金属，导体)，电子流入的极，发生还原反应 4工作原理： 二、化学电源二、化学电源 1一次电池反应原理(不能充电，不能反复使用) (1)银锌钮扣电池 正极一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为KOH浓溶液。银锌电池的负极是Zn，正极是Ag2O。负极反应为Zn+2OH-2e-=ZnO+H2O。正极反应为Ag2O+H2O+2e-= = = 2 A g + 2 O H- 。 总 反 应 方 程 式 为Zn+Ag2O=ZnO+2Ag。 (2)锌锰电池 锌锰电池分为酸性和碱性两种。其中的普通锌锰电池是酸性电池，锌为负极，碳棒为正极，NH4Cl为电解质；碱性锌锰电池中锌为负极，MnO2为正极，KOH为电解质。 两种干电池中发生的反应为 2.二次电池(可充电，可多次重复使用) 铅蓄电池是最常见的二次电池，它由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2，负极板上覆盖有Pb，电解质是H2SO4溶液。铅蓄电池充电的反应是上述反应的逆过程 可以把上述反应写成一个可逆反应方程式：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) PbSO4(s)+2H2O(l) 三、电解原理三、电解原理 1电解：在直流电的作用下，在两电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程叫电解。 2电解池：将电能转化为化学能的装置称为电解池。 电解池形成条件：与电源相连的两个电极。电解质溶液或熔融的电解质。形成闭合回路。放电充电 3电极名称 阳极：和电源正极相连的电极，发生氧化反应。 阴极：和电源负极相连的电极，发生还原反应 4电极材料： 惰性电极：Pt、At、石墨。 活性电极：除Pt、At、石墨外的金属材料。 5电子流向：电源负极导线电解池阴极电解池阳极导线电源正极。 6离子移动方向：电解质溶液中阳离子移向阴极；电解质溶液中阴离子移向阳极。 特别提醒：特别提醒：电解池的阴阳极取决于外接电源的正负极，与电极材料的金属活动性无关。 电解质溶液的导电过程，就是该溶液的电解过程，是化学变化。 四、电解原理的应用四、电解原理的应用 1氯碱工业 电解饱和食盐水是氯碱工业的基础，电解饱和食盐水时，发生如下反应2NaCl+2H2O = 2NaOH+H2+Cl2。其中阳极反应为 2Cl-2e-=Cl2，阴极反应为 2H+2e- = H2。电解 2电镀 (1)定义：电镀是应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法。电镀的目的主要是使金属增强抗腐蚀能力、增加美观和表面硬度。 (2)电镀原理 电镀时，用镀层金属作阳极、待镀金属(镀件)作阴极，用含镀层金属阳离子的可溶性盐溶液作电解质溶液。 3电解精炼铜 (1)电解精炼的目的：粗铜往往和含有锌、铁、镍、银、金等多种杂质，通过电解精炼可以获得纯度达到99.95%99.98%的铜，这种铜称为电解铜，这种方法称为金属的电解精炼。 (2)电解精炼铜的原理 利用粗铜作阳极，纯铜作阴极，以硫酸铜溶液(加入一定量的硫酸)为电解质溶液、阳极(粗铜)：Cu-2e-=Cu2+，Zn-2e-=Zn2+，Ni-2e-=Ni2+。 阴极(精铜)：Cu2+2e-=Cu 位于金属活动性顺序铜之后的银、金等杂质，因为给电子能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子溶解下来，当阳极上的铜失去电子变成离子溶解之后，它们以金属单质的形式沉积在电解槽底，形成阳极泥，阳极泥可作为提炼金、银等贵重金属的原料。 4电冶金属 利用电解使矿石中的金属离子获得电子，从它们的化合物中还原出来，Mn+ne- =M。电解是最强有力的氧化还原手段，所以电解法是冶炼金属的一种重要方法。适用于一些活泼金属单质的制取，如冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属。 (1)电解熔融NaCl得金属钠。阴极：2Na+2e-=2Na，阳极：2Cl-+2e- = Cl2，总反应方程式：2NaCl(熔融)=2Na+Cl2 (2)电解熔融MgCl2制单质Mg。阴极：Mg2+2e-=Mg，阳极：2Cl-+2e- = Cl2。总反应方程式：MgCl2(熔融)=Mg+Cl2 (3)电解熔融Al2O3制单质Al。阴极：4Al3+12e-=4Al。阳极：6O2-+12e- = 3O2。总反应方程式：2Al2O3=4Al+3O2电解电解电解考点一 原电池原理在新型电池中的应用 例例1 可用于电动汽车的铝-空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是() A以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正极反应都为：O2+2H2O+4e-=4OH- B以NaOH溶液为电解液时，负极反应为：Al+3OH-3e-=Al(OH)3 C以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解液的pH保持不变 D电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极A 【解析】正极O2得电子，溶液显碱性或中性时，正极反应都为：O2+2H2O+4e-=4OH-，A正确。铝作负极，铝失电子，中性溶液(NaCl)中的负极反应为：Al-3e-=Al3+，碱性溶液(NaOH)中的负极反应为：Al+4OH-3e-= +2H2O，B不 正 确 。 在 碱 性 时 总 的 电 池 反 应 式 为 ：4Al+3O2+4OH-=4 +2H2O，溶液pH降低，C项错。电池工作时，电子从负极流向正极，D项错。-2AlO-2AlO 【方法技巧点拨】原电池原理的应用：(1)加快反应的进行：实验室中用Zn和稀H2SO4制取H2时，常加入少量CuSO4，CuSO4与Zn发生置换反应生成Cu，从而构成Cu-Zn原电池加快H2的生成速率。(2)判断金属的纯度：在“Zn-Cu-H2SO4”构成的原电池中，锌极失去电子发生氧化反应而溶解，溶液中的氢离子在铜极上得到电子发生还原反应，放出氢气。若在锌极上也有氢气放出，则说明锌极是不纯的；(3)比较金属的活泼性：将未知的两种金属分别作为电极，或将一种未知的金属与一种已知金属分别作为电极，选择合适的电解质溶液构成原电池，其中被溶解的一极金属活动性相对于另一极的金属的活动性要强。考点二 可充电电池的考查 例例2 LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为：FePO4+Li LiFePO4，电池的正极材料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li+导电固体为电解质。下列有关LiFePO4电池说法正确的是() A可加入硫酸以提高电解质的导电性 B放电时电池内部Li+向负极移动 C充电过程中，电池正极材料的质量增加 D放电时电池正极反应为：FePO4+Li+e-=LiFePO4D放电充电 【解析】放电时，相当于原电池，负极反应为Li-e-=Li+，正极反应为FePO4+Li+e-=LiFePO4(D对)；Li+在电池内部(内电路)向正极移动(B错)；电解质为非水物质，若加入硫酸，则酸与单质Li发生反应，A错；电池充电时，相当于电解池，阳极(为原正极)反应为LiFePO4-e-=FePO4+Li+，质量减少，选项C错。 【方法技巧点拨】对于充电电池特别注意放电时原电池的负极发生氧化反应，则充电过程中生成物反应生成反应物，发生还原反应，此时是充电电池的阴极，即电池充电时，原电池的负极与直流电源的负极相连(叫阴极)。同理正极是充电电池的阳极。电极反应可以相互转化，原电池负极反应反过来就是电解池阴极反应，同理原电池正极反应反过来就是电解池阳极反应。考点三 对电解原理的考查 例例3 某同学按图所示的装置进行电解实验。下列说法正确的是() A电解过程中，铜电极上有H2产生 B电解初期，主反应方程式为： Cu+H2SO4 =CuSO4+H2 C电解一定时间后，铜电极质量增加 D整个电解过程中，H+的浓度不断增大 电解B 【解析】电解是最强有力的氧化还原手段，有些在通常条件下不能发生的反应(如本题中铜与稀硫酸)通过电解的方法可以发生反应。阳极反应：Cu-2e-=Cu2+，阴极反应：2H+2e-=H2(起始)，随着电解的进行，阳极产生的Cu2+浓度增大，在电场的作用下向阴极移动，由于Cu2+的氧化性大于H+，因此Cu2+也会在阴极放电生成铜。因此在整个电解过程中，起始时H+的浓度不断减小，随后基本保持不变。 【方法技巧点拨】本题易忽视电极材料对电解的影响。电解饱和食盐水时：(1)有石墨作电极，阳极：2Cl-2e-=Cl2，阴极：2H+2e-=H2，总离子方程式：2Cl-+2H2O=Cl2+H2+2OH-。(2)用铜作电极，阳极：Cu-2e-=Cu2+，阴极：2 H+ 2 e-= = = H2 ， 总 离 子 方 程 式 ：Cu+2H2O=Cu(OH)2+H2。 电解电解考点四 对串、并联电路的考查 例例4 图中X为电源，Y为浸透饱和食盐水和酚酞试液的滤纸，滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液，通电后Y中央的紫红色斑向d端扩散。下列判断正确的是() A滤纸上c点附近会变红色 BCu电极质量减小，Pt电极质量增大 CZ中溶液的pH先减小，后增大 DZ溶液中SO向Cu电极定向移动A 【解析】本题的关键是判断电源的正、负极，从而判断电解池的阴、阳极。由题紫红色斑即 向d端扩散，阴离子向阳极移动，说明d端为阳极，即b为正极，a为负极。c为阴极，NaCl溶液中H+放电，生成OH-，c点附近会变红色。Z为电解硫酸铜溶液，Pt为阳极，溶液中的OH-放电2H2O-4e-=O2+4H+，Cu为阴极，溶液中的Cu2+得电子，生成铜，总反应为2CuSO4+2H2O=Cu+O2+2H2SO4，Pt电解生成H+，则 向Pt极移动，B、D不正确。随着电解的进行，Z溶液变为硫酸溶液，再电解则电解水，硫酸浓度增大，C不正确。电解4MnO-2-4SO 【方法技巧点拨】本题易错在对电解原理认识模糊，造成不能正确判断电极。解答此类题应注意：分清电极，与电源正极相连的为阳极，与负极相连的为阴极，两极反应为阳氧阴还。剖析电解质溶液，电解质溶液中存在哪些阳离子和阴离子，并分类。注意离子的放电顺序。书写电极反应式，注意电子得失守恒。电解时电极产物判断。 考点五 电解原理的应用 例例5 现有阳离子交换膜、阴离子交换膜、石墨电极和如图所示电解槽。用氯碱工业中的离子交换技术原理，可电解Na2SO4溶液生产NaOH和H2SO4溶液。 下列说法正确的是()A阳极反应式为2H+2e-=H2B从A口出来的是H2SO4溶液Ca是阳离子交换膜，允许H+通过DNa2SO4溶液从E口加入B 【解析】惰性电极电解Na2SO4溶液，阳极电解得到O2和H+，阴极电解得到H2和OH-。离子交换膜将电解槽分为3个区域，Na2SO4溶液从中间区域加入，Na+通过阳离子交换膜b移向阴极室， 通过阴离子交换膜a移向阳极室，这样即可得到NaOH和H2SO4。阳极室和阴极室在电解开始时只需分别加入少量H2SO4和NaOH，以增强溶液导电性而又不带入杂质。2-4SO 【方法技巧点拨】电解Na2SO4溶液的实质是电解水，阳极水中OH-放电，生成O2和H+，所以H2SO4在阳极区生成， 溶液中 通过膜a(阴离子交换膜)进入阳极区，由此可见，解题的关键还是基本的电解原理。2-4SO考点六 电化学的有关计算 例例6 电解100 mL含c(H+)=0.30 mol/L的下列溶液，当电路中通过0.04 mol电子时，理论上析出金属质量最大的是() A0.10 mol/L Ag+ B0.20 mol/L Zn2+ C0.20 mol/L Cu2+ D0.20 mol/L Pb2+C 【解析】对于选项A，先Ag+放电，后H+放电，电极反应式为Ag+e-=Ag,2H+2e-=H2，当电路中通过0.04 mol电子时，只析出0.01 mol金属银，即1.08 g。与选项A类似，选项C中析出金属铜0.02 mol，即1.28 g。对于选项B，先H+放电，后Zn2+放电，电极反应式为2H+2e-=H2，Zn2+2e-=Zn，当电路中通过0.04 mol电子时，先放出0.015 mol H2，后析出0.005 mol金属锌，即0.325 g。与选项B类似，选项D中析出金属铅的物质的量也为0.005 mol，即1.035 g。 【方法技巧点拨】有关电解的计算通常是求电解后某产物的质量、某气体的体积、某元素的化合价以及溶液的pH、物质的量浓度等。解答此类题的方法有两种：一是根据电解方程式或电极反应式列比例式求解；二是利用各电极、线路中转移的电子数目守恒列等式求解。电子守恒进行分析计算较为简便，所以解决类似问题时我们应更多地用电子守恒的方法进行分析、求解。 1.下图为电解饱和食盐水的简易装置，下列有关说法正确的是() A电解一段时间后，往蛋壳的溶液中滴加几滴酚酞，呈红色 B蛋壳表面缠绕铁丝发生氧化反应 C铁丝表面生成的气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝D蛋壳可阻止生成的氯气与氢气、氢氧化钠溶液接触D 【解析】由图可知蛋壳内炭棒为阳极，溶液中的Cl-放电生成Cl2，蛋壳外铁丝为阴极，水中的H+发生还原反应生成H2同时生成OH-。 2.Cu2O是一种半导体材料，基于绿色化学理念设计的制取。Cu2O的电解池示意图如下，电解总反应：2Cu+H2O=Cu2O+H2。下列说法正确的是()电解A石墨电极上产生氢气B铜电极发生还原反应 C铜电极接直流电源的负极 D当有0.1 mol电子转移时，有0.1 mol Cu2O生成A 【解析】判断电极是解题的关键。从电解总反应知：金属Cu被氧化，铜电极应为阳极，发生氧化反应，电极反应式为：2Cu-2e-+2OH-=Cu2O+H2O，所以B项、C项均错；同时可知当有0.1 mol电子转移时，应有0.05 mol Cu2O生成，D项也错。石墨电极应与电源的负极相连，发生还原反应：2H+2e-=H2，A项正确。 3.以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是()B A该电池能够在高温下工作 B电池的负极反应为： C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2+24H+ C放电过程中，H+从正极区向负极区迁移 D在电池反应中，每消耗1 mol氧气，理论上能生成标准状况下CO2气体 L 【解析】微生物主要成分是蛋白质，高温条件下蛋白质变性，失去活性，A不正确。通入燃料C6H12O6的极为负极，负极反应为：C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2+24H+(能放出CO2应该是酸性，所以右边写H+。不能在左边加OH-、右边写H2O)，B项正确。正极反应为：6O2+24H+24e- =12H2O，从两极反应可知：负极生成H+，正极消耗H+，即通过质子交换膜从负极到正极传导H+，选项C不正确。从总反应C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O可知，每消耗1 mol氧气，理论上能生成标准状况下CO2气体22.4 L，D项错。 4.市场上经常见到的标记为Li-ion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li+的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应为：Li+2Li0.35NiO2 2Li0.85NiO2 下列说法不正确的是() A放电时，负极的电极反应式：Li-e-=Li+ B充电时，Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应 C该电池不能用水溶液作为电解质 D放电过程中Li+向负极移动放电充电D 【解析】此类题，在确定两极后，先考虑放电的各种情况，再考虑充电的各种情况。放电时，Li作负极，失电子(A项正确)，生成的Li+从负极移向正极(D项错)。充电时，是电池反应的反方向，从总方程式可知，此时的Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应，B项正确。C项，由于Li可以与水反应，故应为非水材料，正确。 5.(2011安徽安徽)研究人员最近发现了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行 发 电 ， 在 海 水 中 电 池 总 反 应 可 表 示 为 ：5MnO2+2Ag+2NaCl=Na2Mn5O10+2AgCl，下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是() A正极反应式：Ag+Cl-e-=AgCl B每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子 CNa+不断向“水”电池的负极移动 DAgCl是还原产物B 【解析】由电池总反应可知银失去电子被氧化得氧化产物，即银做负极，产物AgCl是氧化产物，A、D都不正确；在原电池中阳离子在正极得电子发生还原反应，所以阳离子向电池的正极移动，C错误；化合物Na2Mn5O10中Mn元素的化合价是+18/5价，所以每生成1 mol Na2Mn5O10转移电子的物质的量为(4-18/5) 5=2 mol，因此选项B正确。 6.(2011福建福建)研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是() A水既是氧化剂又是溶剂 B放电时正极上有氢气生成 C放电时OH-向正极移动 D总反应为：2Li+2H2O=2LiOH+H2C 【解析】考生可能迅速选出C项是错误，因为原电池放电时OH-是向负极移动的。总反应为：2Li+2H2O=2LiOH+H2。再写出其电极反应如下： ()2Li-2e-=2Li+ ()2H2O+2e-=2OH-+H2 结合选项分析A、B、D都是正确的。 此题情景是取材于新的化学电源，知识落脚点是基础，对原电池原理掌握的学生来说是比较容易的。 7.电化学在生产生活实际中应用广泛。 (1)将两个石墨电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH4和O2，构成甲烷燃料电池。通入CH4的一极，其电极反应式是：CH4+10OH-8e-=CO+7H2O；通入O2的一极，其电极反应式是_。 (2)若用石墨做电极电解500 mL饱和食盐水，写出电解反应的离子方程式为：_；电解一段时间后两极共收集到标准状况下的气体1.12 L(不考虑气体的溶解)。停止通电，假设反应前后溶液体积不变，则所得溶液的pH=_。O2+4e-+2H2O=4OH- 2Cl-+2H2O=H2+Cl2+2OH- 电解13 (3)镀铜可防止铁制品腐蚀，电镀时用铜而不用石墨作阳极的原因是_。 (4)M是地壳中含量最高的金属元素，用M单质作阳极，石墨作阴极，NaHCO3溶液作电解液进行电解，生成难溶物R，R受热分解生成化合物Q。写出阳极生成R的电极反应式：_； 由R生成Q的化学方程式：_。阳极Cu可以发生氧化反应生成Cu2+ Al-3e-=Al3，Al3+3 =Al(OH)3+3CO2 -3HCO2Al(OH)3=Al2O3+3H2O -3HCO 【解析】 (2)电解饱和食盐水的离子反应为：2Cl-+2H2O=H2+Cl2+2OH-，从反应方程式可以看出，每生成2 mol气体，同时生成2 mol OH-，据此可计算出反应后溶液的pH。 (3)电镀时，阳极Cu可以发生氧化反应生成Cu2+。 (4)Al作阳极失去电子生成Al3+，Al3+3 =Al(OH)3+3CO2，2Al(OH)3=Al2O3+3H2O。电解