化学总第二部分 六 化学能与电能的转化

专题六化学能与电能的转化化学（浙江选考专用）考点一考点一 原电池原理及其应用原电池原理及其应用考点清单知识梳理知识梳理一、原电池1.原电池的概念把化学能转化为电能的装置。2.构成条件(1)有两个活泼性不同的电极。(2)将电极插入电解质溶液中并形成闭合回路。(3)能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池。3.工作原理Cu-Zn原电池示意图如下所示:电极材料ZnCu电极名称负极正极电极反应类型氧化反应还原反应电极反应式Zn-2e-Zn2+Cu2+2e-Cu电子移动方向从负极流出经外电路流入正极电流方向从正极(Cu电极)流出经外电路流入负极(Zn电极)特别提醒在原电池中阳离子移向正极,阴离子移向负极(包括盐桥中的阴、阳离子)。这是因为负极发生的是失电子的反应,致使该极附近有大量正电荷,所以溶液中的阴离子要移向负极;正极发生的是得电子的反应,致使该极附近有大量负电荷,所以溶液中的阳离子要移向正极。可以简记为“正正负负”,即带正电荷的离子移向正极,带负电荷的离子移向负极。电池名电解质电极反应、电池反应电极质量变化、溶液浓度变化碱性锌锰电池KOH负极(Zn):Zn+2OH-2e-Zn(OH)2正极(MnO2):2MnO2+2H2O+2e-2MnOOH+2OH-电池反应:2MnO2+Zn+2H2O2MnOOH+Zn(OH)2负极增重正极质量几乎不变溶液变浓银锌纽扣电池KOH负极(Zn):Zn+2OH-2e-Zn(OH)2正极(Ag2O):Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-电池反应:Zn+Ag2O+H2O2Ag+Zn(OH)2负极增重正极减轻溶液变浓铅蓄电池硫酸负极(Pb):Pb+S-2e-PbSO4正极(PbO2):PbO2+S+4H+2e-PbSO4+2H2O电池反应:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O负极增重正极增重溶液变稀24O24O二、常见的化学电源氢氧燃料电池KOH负极(惰性电极,通入H2):2H2+4OH-4e-4H2O正极(惰性电极,通入O2):O2+2H2O+4e-4OH-电池反应:2H2+O22H2O负极不变正极不变溶液变稀三、原电池原理的应用1.比较金属的活动性强弱原电池中,一般活动性相对较强的金属作负极,而活动性相对较弱的金属(或导电的非金属)作正极。2.加快化学反应速率由于形成了原电池,导致反应速率加快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时,可向溶液中滴加少量CuSO4溶液,形成Cu-Zn原电池,加快反应速率。3.用于金属的防护使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁,可将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。4.设计制作原电池设计原电池要紧扣构成原电池的三个条件。温馨提示1.电极材料的选择在原电池中,一般选择活动性较强的金属作负极,活动性较弱的金属或非金属作正极,并且原电池的电极必须能导电。一般来说,负极材料应该能跟电解质溶液发生反应。2.电解质溶液的选择电解质溶液一般要能够与负极材料发生反应,或者电解质溶液中溶解的其他物质(如溶解于溶液中的氧气)能与负极材料发生反应。如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥),则两个容器中的电解质溶液应含有相应电极材料对应的阳离子。如在Cu-Zn原电池中,负极Zn浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中,而正极Cu浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。考点二考点二 电解原理及其应用电解原理及其应用知识梳理知识梳理一、电解原理1.相关概念电解: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。电解池:将电能转化为化学能的装置。阳极:与电源的正极相连的电极。阴极:与电源的负极相连的电极。2.电解池的构成条件(1)直流电源;(2)两个电极(活性电极或惰性电极);(3)电解质溶液(或熔融电解质);(4)构成闭合回路。3.电子流向4.电解结果在两极上发生氧化、还原反应,产生新的物质。阳极上发生氧化反应;阴极上发生还原反应。特别提醒1.电解质溶液导电时一定发生化学反应,因为电解质溶液导电即电解,电解池的两极分别发生氧化反应、还原反应,有新物质生成。金属导电是物理变化。2.原电池和电解池中,阴、阳离子一定在电解质溶液(或熔融态电解质)中移动,电子一定在导线中移动。可简记为“离子不上岸,电子不下水”。二、电解原理的应用1.氯碱工业电解饱和食盐水(1)生产原理阳极反应(石墨):2Cl-2e-Cl2阴极反应(Fe):2H+2e-H2总反应:2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2(2)生产过程电镀(以铁上镀铜为例)电解精炼铜概念电镀是应用电解原理在某些金属或非金属材料表面镀上一薄层其他金属或合金的过程运用电镀的原理将粗铜提炼为纯铜主要目的使金属增强抗腐蚀能力、增大表面硬度等将粗铜提炼为纯铜示意图构成条件阳极镀层金属粗铜阴极待镀金属纯铜电解质溶液含镀层金属阳离子CuSO4溶液2.电镀和电解精炼铜电极反应阳极Cu-2e-Cu2+Zn-2e-Zn2+比铜活泼的金属杂质以阳离子形式留于溶液中Cu-2e-Cu2+比铜不活泼的金属杂质形成阳极泥阴极Cu2+2e-CuCu2+2e-Cu电解质溶液的浓度变化CuSO4溶液的浓度基本不变CuSO4溶液的浓度略微减小3.电冶金针对金属活动性顺序中KAl范围内的活泼金属,应该用非水溶液电解法冶炼。例如:工业炼铝工业制钠阳极反应6O2-12e-3O22Cl-2e-Cl2阴极反应4Al3+12e-4Al2Na+2e-2Na电解反应2Al2O3(熔融)4Al+3O22NaCl(熔融)2Na+Cl2考点三考点三 金属的腐蚀与防护金属的腐蚀与防护知识梳理知识梳理一、金属的腐蚀1.本质金属原子失去电子变为金属阳离子,金属发生氧化反应。化学腐蚀电化学腐蚀条件金属跟其他物质直接接触不纯金属或合金跟电解质溶液接触有无电流无电流产生有微弱电流产生本质金属被氧化较活泼金属被氧化联系两者往往同时发生,电化学腐蚀更普遍2.类型(1)化学腐蚀与电化学腐蚀(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀以钢铁的腐蚀为例二、金属的防护1.电化学防护(1)牺牲阳极的阴极保护法原电池原理析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜酸性较强水膜酸性较弱或呈中性电极反应负极Fe-2e-Fe2+正极2H+2e-H2O2+2H2O+4e-4OH-总反应Fe+2H+Fe2+H22Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2其他反应4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,Fe(OH)3脱水生成铁锈Fe2O3nH2O普遍性吸氧腐蚀更普遍负极:比被保护金属活泼的金属正极:被保护的金属设备(2)外加电流的阴极保护法电解原理阴极:被保护的金属设备阳极:惰性金属2.改变金属的内部结构,如制成合金、不锈钢等。3.在金属表面覆盖保护层,如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法。方法方法1 电极反应式的书写方法电极反应式的书写方法1.一般电极反应式的书写突破方法反应式=总反应式-较简单一极电极反应式如CH4酸性燃料电池中,负极反应式书写步骤为:CH4+2O2CO2+2H2O总反应式2O2+8H+8e-4H2O正极反应式由“负极反应式=总反应式-正极反应式”得:CH4+2H2O-8e-CO2+8H+负极反应式例例1(2017浙江宁波镇海中学单元检测)(1)常温下,将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入浓HNO3中组成原电池如图1所示,测得原电池的电流强度(I)随时间(t)的变化如图2所示,反应过程中有红棕色气体产生。2.复杂电极反应式的书写总体思路:复杂电极0t1时,原电池的负极是Al片,此时,正极的电极反应式是,溶液中的H+向极移动,t1后原电池中电子流动方向发生改变,其原因是。(2)以铝材为阳极,在H2SO4溶液中电解,铝材表面形成耐酸氧化膜,阳极电极反应式为。(3)用Al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,写出阳极生成R的电极反应式:。解析解析(1)在0t1时,铝片作负极被氧化,依题意,正极上浓硝酸被还原为红棕色的NO2,电极反应式为2H+N+e-NO2+H2O;在电场作用下,阳离子向正极移动;从图2可以看出t1后电流方向发生改变,原因是Al表面因发生钝化不能进一步反应,浓硝酸还可以与铜发生反应,t1后铜片作负极,铝片作正极。(2)依据信息知阳极形成的氧化膜一定为Al2O3,Al失电子生成Al2O3,Al2O3中的氧元素是由水提供的,结合溶液显酸性,知有3OH+生成。(3)Al作阳极,失电子,生成Al3+,Al3+水解使溶液显酸性,溶液中的HC水解使溶液显碱性,两者水解互相促进,生成Al(OH)3和CO2。答案答案(1)2H+N+e-NO2+H2O正Al在浓硝酸中发生钝化,氧化膜阻止了Al进一步反应(2)2Al-6e-+3H2OAl2O3+6H+(3)Al+3HC-3e-Al(OH)3+3CO21-1全钒液流电池是一种新型的绿色环保储能电池。其电池总反应为:V3+VO2+H2OV+2H+V2+。下列说法正确的是()A.放电时正极反应为:V+2H+e-VO2+H2OB.充电时阴极反应为:V2+-e-V3+C.放电过程中电子由负极经外电路移向正极,再由正极经电解质溶液移3O3O3O2O2O向负极D.充电过程中,H+由阴极区向阳极区迁移答案答案 A解析解析放电时,负极发生氧化反应,正极发生还原反应,负极反应为:V2+-e-V3+,正极反应为:V+2H+e-VO2+H2O,A正确;充电时,阴极反应为:V3+e-V2+,B错误;充电时,阳极反应为:VO2+H2O-e-V+2H+,H+在阳极区生成,由阳极区向阴极区迁移,D错误;C项中电解质溶液导电是靠离子的定向移动。2O2O方法方法2 电解池相关问题的处理方法电解池相关问题的处理方法1.电极产物的判断和电极反应式的书写(1)电解时电极产物的判断(2)电极反应式的书写定电极标得失选离子配电荷配个数巧用水两式加验总式a.判断阴、阳极,分析电极材料,判断是电极材料放电还是溶液中的离子放电。阳极为金属活性电极时,电极材料放电。b.根据离子放电顺序,确定放电的离子种类,分析电极反应,并判断电极产物,按照“阳极氧化、阴极还原”写出电极反应式。c.电解水溶液时,应注意水电离出的H+、OH-放电时电极反应式的书写。类型电解质电极反应式及总反应电解物质电解质溶液的变化pH使电解质溶液复原电解水型NaOH阴极:4H+4e-2H2阳极:4OH-4e-2H2O+O22H2O2H2+O2H2O浓度增大增大加水H2SO4H2O浓度增大减小加水Na2SO4H2O浓度增大不变加水2.以惰性电极电解电解质溶液的类型电解电解质型HCl阴极:2H+2e-H2阳极:2Cl-2e-Cl22HClH2+Cl2HCl浓度减小增大通HCl气体CuCl2阴极:Cu2+2e-Cu阳极:2Cl-2e-Cl2CuCl2Cu+Cl2CuCl2浓度减小加CuCl2放H2生碱型NaCl阴极:2H+2e-H2阳极:2Cl-2e-Cl22NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2NaCl和H2O生成NaOH增大通HCl气体放O2生酸型CuSO4阴极:2Cu2+4e-2Cu阳极:4OH-4e-2H2O+O22CuSO4+2H2O2H2SO4+O2+2CuCuSO4和H2O生成H2SO4减小加CuO温馨提示(1)对于强碱、含氧酸、活泼金属的含氧酸盐,用惰性电极电解它们的水溶液时,实际上是电解H2O,溶质的质量分数增大,浓度增大。(2)电解后要恢复原电解质溶液的浓度,需加适量的某物质,要考虑溶质的量,也要考虑水的量。例如用惰性电极电解足量CuSO4溶液,要恢复原溶液的浓度,可向电解后的溶液中加入CuO,但不能加入Cu(OH)2,因为Cu(OH)2与生成的H2SO4反应后使水的量增加。3.关于电解池的计算(1)根据得失电子守恒计算先判断电解池的电极和电极反应,再分别找出得失电子的量,运用得失电子守恒进行计算。(2)根据总反应式计算先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式计算。(3)根据关系式计算对于多个电解池串联的装置,通过每个电极的电子数相等,可据此找出已知量和未知量之间的关系式进行计算。例例2如图所示,某同学设计了一个燃料电池并探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理,其中乙装置中X为阳离子交换膜。请按要求回答相关问题:(1)甲烷燃料电池负极反应式是。(2)石墨(C)极的电极反应式为。(3)若在标准状况下,有2.24L氧气参加反应,则乙装置中铁极上生成的气体体积为L;丙装置中阴极析出铜的质量为g。(4)某同学利用甲烷燃料电池设计电解法制取漂白液或Fe(OH)2的实验装置如图所示。若用于制漂白液,a为电池的极,电解质溶液最好用。若用于制Fe(OH)2,使用硫酸钠作电解质溶液,阳极选用作电极。解析解析(1)甲烷燃料电池负极上发生氧化反应,即甲烷在负极上被氧化,在KOH溶液中甲烷被氧化的产物为碳酸钾,负极反应式为CH4-8e-+10OH-C+7H2O。(2)原电池的负极与电解池的阴极相接,铁极为阴极,则C极为阳极,在C极上发生氧化反应,电极反应式为2Cl-2e-Cl2。(3)n(O2)=0.1mol,甲装置中正极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-,经过甲、乙、丙装置的电子的物质的量为0.4mol。铁极为阴极,发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2,n(H2)=0.2mol,V(H2)=0.2mol22.4Lmol-1=4.48L。丙装置中精铜为阴极,发生还原反应,电极反应式为Cu2+2e-Cu,n(Cu)=0.2mol,m(Cu)=0.2mol64gmol-1=12.8g。(4)漂白液的有效成分是次氯酸钠,制备原理是2Cl-+2H2O2OH-+Cl2+H2,Cl2+2OH-Cl-+ClO-+H2O,气体与液体反应,气体应在下端产生,所以该装置的B端为阳极,A端23O12.24L22.4L mol0.4mol20.4mol2为阴极,阴极与电源负极相连,故a极为负极;电解质溶液最好用饱和氯化钠溶液。若制备氢氧化亚铁,用硫酸钠溶液作电解质溶液,应选用铁作阳极。答案答案(1)CH4-8e-+10OH-C+7H2O(2)2Cl-2e-Cl2(3)4.4812.8(4)负饱和氯化钠溶液或食盐水铁2-1电解尿素CO(NH2)2的碱性溶液制氢的装置示意图如下(电解池中隔膜仅阻止气体通过,a、b极均为惰性电极)。下列说法正确的是()23OA.电解时,b极是阴极,放出H2,发生氧化反应B.溶液中OH-逐渐向b极移动C.电解时,a极的电极反应式为:CO(NH2)2+8OH-6e-C+N2+6H2OD.若在b极产生标准状况下224mL氢气,则消耗尿素2g23O答案答案 C解析解析从所给装置图可知b极上H+得电子发生还原反应而放出H2,A错;b极上H+放电,b极附近溶液中OH-浓度增大,OH-向a极移动,B错;a极是电解池的阳极,a极上CO(NH2)2中-3价的N失电子被氧化为N2,C元素在碱性条件下以C形式存在,电极反应式为CO(NH2)2+8OH-6e-C+N2+6H2O,C正确;b极产生标准状况下224mL氢气时,电路中通过的电子为0.01mol2=0.02mol,则消耗尿素:0.02mol=0.2g,D错。23O23O60g / mol6