高三化学二轮复习 第1部分 专题2 化学基本理论 突破点7 原电池与电解池

突破点7原电池与电解池提炼1原电池与电解池工作原理1.原电池和电解池的比较2原电池正、负极的判断方法3电解池阴、阳极的判断方法提炼2电极反应式书写及电极产物分析1.原电池电极反应式的书写(2)复杂电极反应式的书写如CH4碱性燃料电池负极反应式的书写：CH42O22OH=CO3H2O总反应式2O24H2O8e=8OH正极反应式CH410OH8e=7H2OCO负极反应式2电解池电极反应式的书写步骤提示：(1)Fe作阳极时，电极反应式为：Fe2e=Fe2。(2)Fe3在阴极放电时，电极反应式为：Fe3e=Fe2。3燃料电池电极反应式的书写方法(1)找位置、写式子：负极反应式应符合“还原剂ne氧化产物”的形式；正极反应式符合“氧化剂ne还原产物”的形式。燃料中的碳、氢元素及助燃剂氧气在不同介质中放电后的具体存在形式不同。酸性介质：碳、氢元素分别转化为CO2、H；O2转化为H2O。碱性介质：碳、氢元素分别转化为CO、H2O；O2转化为OH。(2)查电荷，添离子：检查(1)中电极反应式的电荷是否守恒，若是在溶液中进行的反应，则可通过添加OH或H的方法使电荷守恒，但要注意，在酸性溶液中不添加OH，在碱性溶液中不添加H。若是在熔融态电解质中进行的反应，则可添加熔融态电解质中的相应离子。(3)查原子，添物质：检查是否符合原子守恒，若是在溶液中进行的反应，可添加H2O使原子守恒。(4)对于较复杂的电极反应，可用总反应式减去较简单一极的电极反应式得到。4可充电电池原理分析(1)充电时电极的连接：充电的目的是使电池恢复其供电能力，因此负极应与电源的负极相连以获得电子，可简记为负接负后作阴极，正接正后作阳极。(2)工作时的电极反应式：同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。提炼3金属的腐蚀与防护1.金属腐蚀快慢程度的判断方法2金属电化学保护的两种方法回访1(2016全国乙卷)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na和SO可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述正确的是() 【导学号：14942031】A通电后中间隔室的SO离子向正极迁移，正极区溶液pH增大B该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品C负极反应为2H2O4e=O24H，负极区溶液pH降低D当电路中通过1 mol电子的电量时，会有0.5 mol的O2生成BA项正极区发生的反应为2H2O4e=O24H，由于生成H，正极区溶液中阳离子增多，故中间隔室的SO向正极迁移，正极区溶液的pH减小。B项负极区发生的反应为2H2O2e=H22OH，阴离子增多，中间隔室的Na向负极迁移，故负极区产生NaOH，正极区产生H2SO4。C项由B项分析可知，负极区产生OH，负极区溶液的pH升高。D项正极区发生的反应为2H2O4e=O24H，当电路中通过1 mol电子的电量时，生成0.25 mol O2。回访2(2016全国甲卷)MgAgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是()A负极反应式为Mg2e=Mg2B正极反应式为Age=AgC电池放电时Cl由正极向负极迁移D负极会发生副反应Mg2H2O=Mg(OH)2H2BMgAgCl电池的电极反应：负极Mg2e=Mg2，正极2AgCl2e=2Ag2Cl，A项正确，B项错误。在原电池的电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，C项正确。Mg是活泼金属，能和H2O发生反应生成Mg(OH)2和H2，D项正确。回访3(2015全国卷)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是()A正极反应中有CO2生成B微生物促进了反应中电子的转移C质子通过交换膜从负极区移向正极区D电池总反应为C6H12O66O2=6CO26H2OA图示所给出的是原电池装置。A.有氧气反应的一极为正极，发生还原反应，因为有质子通过，故正极电极反应式为O24e4H=2H2O，C6H12O6在微生物的作用下发生氧化反应，电极反应式为C6H12O624e6H2O=6CO224H，负极上有CO2产生，故A不正确。B.微生物电池是指在微生物作用下将化学能转化为电能的装置，所以微生物促进了反应中电子的转移，故B正确。C.质子是阳离子，阳离子由负极区移向正极区，故C正确。D.正极的电极反应式为6O224e24H=12H2O，负极的电极反应式为C6H12O624e6H2O=6CO224H，两式相加得电池总反应为C6H12O66O2=6CO26H2O，故D正确。回访4(2014新课标全国卷节选)次磷酸(H3PO2)是一种精细磷化工产品，具有较强的还原性。H3PO2也可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：(1)写出阳极的电极反应式_。(2)分析产品室可得到H3PO2的原因_。(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有_杂质。该杂质产生的原因是_。解析(1)阳极发生氧化反应，在反应中OH失去电子，电极反应式为2H2O4e=4HO2。(2)H2O放电产生H，H进入产品室，原料室中的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者发生反应：HH2POH3PO2。(3)如果撤去阳膜，H2PO或H3PO2可能被氧化。答案(1)2H2O4e=O24H(2)阳极室的H穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2(3)POH2PO或H3PO2被氧化热点题型1新型化学电源1(2016厦门质检)锂空气电池是高能量密度的新型电池，结构如图所示。下列说法正确的是()A固体电解质只有Li可通过B电池反应为4LiO22Li2OC充电时，水性电解液的pH将升高D放电时，若外电路有0.1 mol e通过时，理论上将消耗1.12 L O2(标准状况)AA项，固体电解质只有Li可通过，形成闭合回路，正确；B项，电池反应：4LiO22H2O4LiOH，错误；C项，充电时，水性电解液中的电极反应式为4OH4e=O22H2O，消耗OH，pH降低，错误；D项，通过0.1 mol电子时，消耗的O2在标准状况下体积为22.4 Lmol10.56 L，错误。2(2016黄冈调研)如图甲是利用一种微生物将废水中的尿素(H2NCONH2)的化学能直接转化为电能并生成环境友好物质的装置，同时利用此装置的电能在铁上镀铜。下列说法正确的是()甲乙AH透过质子交换膜由右向左移动B铜电极应与X相连接CM电极反应式：H2NCONH2H2O6e=CO2N26HD当N电极消耗0.25 mol气体时，铁电极增重16 gC根据图中信息可知，N极发生的电极反应式：O24H4e=2H2O，故M为负极，N为正极，X为阴极，Y为阳极。A项，H透过质子交换膜由负极向正极移动，错误；B项，铜电极失电子作阳极应与Y相连接，铁电极作阴极与X相连接，错误；C项，M电极失电子，电极反应式：H2NCONH2H2O6e=CO2N26H，正确；D项，铁电极上铜离子得电子生成铜，当N电极消耗0.25 mol气体时，转移1 mol电子，铁电极增重32 g，错误。3(2016全国丙卷)锌空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为KOH溶液，反应为2ZnO24OH2H2O=2Zn(OH)。下列说法正确的是() 【导学号：14942032】A充电时，电解质溶液中K向阳极移动B充电时，电解质溶液中c(OH)逐渐减小C放电时，负极反应为：Zn4OH2e=Zn(OH)D放电时，电路中通过2 mol电子，消耗氧气22.4 L(标准状况)CA项，充电时装置为电解池，溶液中的阳离子向阴极移动。B项，充电时的总反应为放电时的逆反应：2Zn(OH)=2ZnO24OH2H2O，c(OH)逐渐增大。C项，放电时负极失电子发生氧化反应，由放电时的总反应可知，负极反应式为Zn4OH2e=Zn(OH)。D项，由放电时的总反应可知，电路中通过2 mol电子时，消耗0.5 mol O2，其体积为11.2 L(标准状况)。4(2016东北三省四市一模)高铁酸盐在能源、环保等方面有着广泛的用途。高铁酸钾(K2FeO4)是一种理想的水处理剂，高铁电池的研制正在进行中。如图甲是高铁电池的模拟实验装置：甲乙(1)该电池放电时正极的电极反应式为_；若维持电流强度为1 A，电池工作十分钟，理论消耗Zn_ g。(已知F96 500 C/mol)(2)盐桥中盛有饱和KCl溶液，此盐桥中氯离子向_(填“左”或“右”)移动；若用阳离子交换膜代替盐桥，则钾离子向_(填“左”或“右”)移动。(3)图乙为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电过程曲线，由此可得出高铁电池的优点有_。解析(1)根据高铁电池装置可确定Zn和C分别作负极和正极，放电时FeO在正极发生还原反应，其电极反应式为FeO4H2O3e=Fe(OH)35OH；电池工作十分钟，QIt1 A600 s600 C，转移电子的物质的量n(e)0.006 2 mol，反应中1 mol Zn转移2 mol电子，根据正比关系，即求得m(Zn)0.2 g。(2)原电池工作时，盐桥中阴离子向负极移动，即Cl向右移动，改用阳离子交换膜代替盐桥，阳离子向正极移动，即K向左移动。(3)从图乙可看出高铁电池和高能碱性电池相比，具有使用时间长、工作电压稳定的优点。答案(1)FeO4H2O3e=Fe(OH)35OH0.2(2)右左(3)使用时间长、工作电压稳定解决新型化学电源问题的关键1电池类型：可充电电池首先明确放电方向是原电池，充电方向是电解池。2电极名称：放电时是原电池，为正极、负极；充电时是电解池，为阳极、阴极。3电极材料和电极反应：电极反应物、电极产物及其状态，电极材料是否参与电极反应；电子或电流的流动方向，离子的移动方向。4电解质溶液：电解质溶液是否参与电池反应；电解质溶液是否与电极产物反应。5反应式：电极反应式和电池总反应式。6反应的量的关系：电极质量的变化、电极产物的量、转移电子的量等。热点题型2电解原理及其应用1(2016济南调研)用电解法处理含硝酸根离子(NO)废水的原理如图所示。下列说法错误的是()A铅蓄电池的A极为正极，电极材料为PbO2B铅蓄电池放电时负极质量增加C该电解池的阴极反应为2NO12H10e=N26H2OD若电路中通过2 mol电子，则阳极室溶液质量减少32 g(忽略气体的溶解)D根据图示，电解池的右侧区域硝酸根离子被还原为氮气，所以应为电解池的阴极，进而确定A、B电极分别是铅蓄电池的正、负极。A项正确，铅蓄电池的反应原理是PbPbO24H2SO2PbSO42H2O，A为正极，反应为PbO22e4HSO=PbSO42H2O；B项正确，负极反应为Pb2eSO=PbSO4，放电过程中固体电极质量增加；C项正确，阴极发生还原反应，硝酸根离子被还原为氮气；D项错误，阳极区溶液中，水电离的氢氧根离子放电2H2O4e=O24H，电路中每通过2 mol电子，则溶液质量损失16 g。2(2016北京高考)用石墨电极完成下列电解实验。实验一实验二装置现象a、d处试纸变蓝；b处变红，局部褪色；c处无明显变化两个石墨电极附近有气泡产生；n处有气泡产生下列对实验现象的解释或推测不合理的是()Aa、d处：2H2O2e=H22OHBb处：2Cl2e=Cl2Cc处发生了反应：Fe2e=Fe2D根据实验一的原理，实验二中m处能析出铜B根据a、d处试纸变蓝，可判断a、d两点都为电解池的阴极，发生的电极反应为2H2O2e=H22OH，A选项正确；b处变红，局部褪色，说明b为电解池的阳极，2Cl2e=Cl2，氯气溶于水生成盐酸和次氯酸：Cl2H2O=HClHClO，HCl溶液显酸性，HClO具有漂白性，B选项不正确；c处为阳极，铁失去电子生成亚铁离子，发生的电极反应为Fe2e=Fe2，C选项正确；实验一中ac形成电解池，db形成电解池，所以实验二中也形成电解池，铜珠的左端为电解池的阳极，铜失电子生成铜离子，m、n是铜珠的右端，为电解池的阴极，开始时产生气体，后来铜离子得到电子生成单质铜，故D选项正确。3(2016杭州质检)如图所示的阴、阳离子交换膜电解槽中，用惰性电极电解Na2SO4溶液可制得硫酸和氢氧化钠溶液。下列说法不正确的是() 【导学号：14942033】A阳极反应式为2H2O2e=H22OHBN为阴离子交换膜C进口b补充的是稀NaOH溶液D电解过程中阳极附近的pH不断降低AA项，电解Na2SO4溶液，实际上是电解水，所以阳极反应式为2H2O4e=O24H，错误；B项，由H2出口知电极A为阴极，电极B为阳极，阳极水中的OH放电，故要不断补充阴离子，故N为阴离子交换膜，正确；C项，电极A为阴极，水中的H放电，大量的氢氧化钠在阴极附近生成，故在b口加入稀氢氧化钠以增强导电性，正确；D项，阳极反应不断地消耗水中的氢氧根离子，故pH不断降低，正确。4(2016咸阳一模节选)制备KMnO4的最佳方法是电解法，实验室以镍片(不参与反应)和铁片作电极，电解K2MnO4溶液(绿色)制备KMnO4，装置如图：请回答下列问题：(1)A应与直流电源_极相连接，铁片电极上有气体放出，电极反应式为_。(2)电解过程中可观察到溶液由绿色变为_。(3)电解一段时间后，溶液的pH_(填“增大”“减小”或“不变”)。解析(1)电解K2MnO4溶液(绿色)制备KMnO4，MnO发生氧化反应，则Ni作阳极，而Fe作阴极，故Fe与直流电源的负极相连，铁片上H得电子发生还原反应，故有气体放出。(2)电解一段时间后，MnO转化为MnO，溶液由绿色变为紫色。(3)电解总反应式为2K2MnO42H2O2KMnO42KOHH2，则电解一段时间后，生成KOH，溶液的pH增大。答案(1)负2H2e=H2(或2H2O2e=H22OH)(2)紫色(3)增大1有关电解池的分析思路2电解池中电极反应式的书写步骤热点题型3电化学原理的综合应用1(2016山西四校联考)用酸性甲醛燃料电池为电源进行电解的实验装置如图所示，下列说法中正确的是()A当a、b都是铜作电极时，电解的总反应方程式为2CuSO42H2O2H2SO42CuO2B燃料电池工作时，正极反应为O22H2O4e=4OHC当燃料电池消耗2.24 L甲醛气体时，电路中理论上转移0.2 mol eD燃料电池工作时，负极反应为HCHOH2O2e=HCOOH2HDA项，若a、b都是铜作电极，则阳极是Cu放电，而不是电解质溶液中的OH放电，错误；B项，酸性介质中不可能生成大量OH，错误，正确的为O24H4e=2H2O；C项，未说明气体是否在标准状况下而无法计算，错误；D项，负极是燃料(HCHO)在酸性条件下失去电子发生氧化反应，正确。2(2016枣庄滕州月考)用下列装置能达到预期目的的是()A甲图装置可用于电解精炼铝B乙图装置可得到持续、稳定的电流C丙图装置可达到保护钢闸门的目的D丁图装置可达到保护钢闸门的目的D电解精炼铝时，粗铝作阳极，纯铝作阴极，但电解质溶液不能是氯化铝溶液，否则阴极上会析出氢气，可以用熔融的氧化铝作电解质，A项错误；原电池可以产生电流，但不能提供持续、稳定的电流，B项错误；丙中形成原电池，钢闸门是负极，易被腐蚀，不能达到保护钢闸门的目的，C项错误；丁中形成电解池，钢闸门是阴极，不易被腐蚀，可达到保护钢闸门的目的，D项正确。3(2016湖南益阳三模)用惰性电极电解2 L 0.5 mol/L的硝酸银溶液，当在电路中通过0.1 mol电子后，调换正、负极，电路中又通过了0.2 mol电子，此时溶液pH为(假设溶液体积不变)()A1B. 2C3D. 无法确定A2 L 0.5 mol/L的硝酸银溶液含n(Ag)1 mol，调换正、负极前，阳极电极反应式为4OH4e=2H2OO2；阴极电极反应式为4Ag4e=4Ag，则电路中通过0.1 mol e时生成0.1 mol Ag，同时反应0.1 mol OH，得到0.1 mol H；调换正、负极后，阳极电极反应式为4Ag4e=4Ag(先)，4OH4e=2H2OO2(后)；阴极电极反应式为4Ag4e=4Ag，故总共得到0.2 mol H，c(H)0.1 mol/L，pHlg c(H)1。4(2016河南商丘二模)电浮选凝聚法是工业上采用的一种污水处理方法：保持污水的pH在5.06.0之间，通过电解生成Fe(OH)3。Fe(OH)3胶体有吸附性，可吸附水中的污染物而沉积下来，具有净化水的作用，其原理如图所示。下列说法正确的是()A石墨电极上发生氧化反应B根据图示，物质A为CO2C甲烷燃料电池中CO向空气一极移动D为增强污水的导电能力，可向污水中加入适量乙醇B甲烷发生氧化反应，所在电极为电源的负极，故石墨为阴极，发生还原反应，A项错误；甲烷在负极的反应为CH48e4CO=5CO22H2O，A为CO2，B项正确；CO在工作过程中向负极移动，通入空气的一极为电源的正极，C项错误；乙醇为非电解质，不能增强水溶液的导电能力，D项错误。5(名师押题)甲醇是一种重要的燃料，在电化学领域有着重要的用途。请回答下列问题：(1)一种新型的甲醇燃料手机电池，其持续供电时间长达320小时，电池总反应式为2CH3OH4NaOH3O2=2Na2CO36H2O。该电池的负极反应式为_。(2)甲醇空气燃料电池的工作原理如图甲所示(箭头表示物质的进入或排出)：甲电极为该燃料电池的_(选填“正极”或“负极”)。a、b、c、d四个进出口的物质分别为_、_、_、_(填写化学式或结构简式)。用该电池作供电电源，用惰性电极电解足量的CuSO4溶液，若阴极增重19.2 g，则理论上消耗甲醇_g。电解后，溶液的pH_(填“增大”“减小”或“不变”)。图甲图乙(3)尿素树脂生产过程中所排放的废水中往往含有甲醇，这种含甲醇的废水会对环境造成污染。向该废水中加入一定量的酸性CoSO4溶液，然后采用图乙所示装置进行电解即可除去甲醇，除甲醇的原理：电解产物Co3将废水中的甲醇氧化为CO2。阳极为_(选填“石墨”或“石墨”)。阳极反应式为_。请用离子方程式表示该法除甲醇的原理为_。排放该电解后的废水的铁质管道易被腐蚀，除与Co2发生置换反应外，还发生电化学腐蚀，发生还原反应的电极反应式为_。解析(1)由电池总反应式知，甲醇在负极失电子，被氧化为CO2，CO2在碱性条件下转化成CO。(2)原电池中，阳离子从负极移向正极，该燃料电池中H由甲电极移向乙电极，故甲电极为负极。负极为甲醇失电子的氧化反应，故b口进入的是CH3OH，a口排出的是CO2；正极为氧气得电子被还原为水的反应，故c口进入的物质是O2，d口排出的物质是H2O。电解CuSO4溶液时，阴极发生反应Cu22e=Cu，阴极增重19.2 g，则电路中通过电子的物质的量为20.6 mol，由该燃料电池的负极反应式CH3OH6eH2O=CO26H可知，消耗甲醇的质量为32 gmol13.2 g。电解CuSO4溶液的总反应式为2CuSO42H2O2CuO22H2SO4，电解过程中有H2SO4生成，故溶液pH减小。(3)电解装置中，连接电源正极的是阳极，阳极上发生氧化反应：Co2失电子被氧化为Co3。根据题目提示，除去甲醇的反应中，反应物为Co3和甲醇，甲醇被氧化为CO2，而Co3被还原为Co2。该电解后的废水为酸性溶液，钢铁发生析氢腐蚀。答案(1)CH3OH8OH6e=CO6H2O(2)负极CO2CH3OHO2H2O3.2减小(3)石墨Co2e=Co36Co3CH3OHH2O=6Co2CO26H2H2e=H21电化学计算的基本方法原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液的pH计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算、产物的量与电量关系的计算等，通常有下列几种方法：常见微粒间的计量关系式为4e4H4OH4Cl4Ag2Cu22H2O22Cl24Ag2Cu。2两种“串联”装置图比较图1 图2图1中无外接电源，其中必有一个装置是原电池装置(相当于发电装置)，为电解池装置提供电能，其中两个电极活泼性差异大者为原电池装置，如图1中左边为原电池装置，右边为电解池装置。图2中有外接电源，两烧杯均作电解池，且串联电解，通过两池的电子数目相等。