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专题7化学能与电能考点一原电池原理及应用考点清单基础知识一、原电池的工作原理1.原电池将①化学能转化为②电能的装置。2.构成条件(1)具有两个活泼性不同的电极(金属和金属或金属和导电的非金属)。(2)电解质溶液。(3)形成闭合回路。3.原电池的两极负极:活泼性较强的金属,发生③氧化反应。正极:活泼性较弱的金属或能导电的非金属,发生④还原反应。4.电极反应式的书写和电子移动方向(1)电极反应式的书写(以Zn-Cu原电池为例,如下图) 负极:⑤Zn,电极反应式:⑥Zn-2e- Zn2+。正极:⑦Cu,电极反应式:⑧Cu2++2e- Cu。电池总反应:⑨Zn+Cu2+ Zn2++Cu。(2)电子移动方向电子由⑩负极释放,经外电路流入 正极,电解质溶液中的阳离子移向正极,某些阳离子在正极上得电子被 还原,形成一个闭合回路。二、化学电源一次电池又称为干电池,二次电池又称为充电电池或蓄电池。三、金属的腐蚀与防护1.金属的腐蚀(1)化学腐蚀:金属跟接触到的干燥气体(如O2、Cl2、SO2等)或非电解质液体(如石油)等直接发生化学反应而引起的腐蚀。(2)电化学腐蚀a.定义:不纯的金属与电解质溶液接触时,会发生原电池反应,比较活泼的金属失去电子而被氧化,这种腐蚀叫电化学腐蚀。注意金属的腐蚀主要是发生 电化学腐蚀。b.吸氧腐蚀与析氢腐蚀(以钢铁的电化学腐蚀为例)2.金属的防护(1)改变金属的内部结构。例如把Ni、Cr等加入普通钢中制成不锈钢。(2)覆盖保护层:a.涂油脂、喷油漆、搪瓷、覆盖塑料等;b.电镀耐腐蚀的金属(Zn、Sn、Cr、Ni等)。类型吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜酸性很弱或呈中性水膜呈酸性正极反应(C) O2+2H2O+4e- 4OH-2H++2e- H2↑负极反应(Fe)Fe-2e- Fe2+其他反应Fe2++2OH- Fe(OH)2↓4Fe(OH)2+2H2O+O2 4Fe(OH)3Fe(OH)3失去部分水转化为铁锈(3)电化学保护法:通常采用如下两种方法。a.牺牲阳极的阴极保护法。这种方法通常是在被保护的钢铁设备上(如锅炉的内壁、船舶的外壳等)装上若干镁合金或锌块。b.外加电流的阴极保护法。这种方法是把被保护的钢铁设备(如钢闸门)作为 阴极,用惰性电极作为 阳极,两者均存在于电解质溶液(如海水)里,外接直流电源。通电后,电子被强制流向被保护的钢铁设备,使钢铁表面腐蚀电流降至零或接近于零,从而起到保护作用。3.金属腐蚀快慢的比较不纯的金属在潮湿的空气中形成原电池发生电化学腐蚀,活泼金属因被腐蚀而损耗。金属腐蚀的快慢与下列两种因素有关:(1)与构成原电池的材料有关,两极材料的活泼性差别越大,电动势越大,进行氧化还原反应的速率越快,活泼金属被腐蚀的速率就越快。(2)与金属所接触的介质有关,通常活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于在非电解质溶液中的腐蚀,在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中的腐蚀。一般来说,可用下列原则判断金属腐蚀的快慢: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考点二电解原理及应用基础知识一、电解原理1.电解使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。2.电解池(1)装置特点①电能转化为②化学能。(2)形成条件a.与直流电源相连的两个电极。b.电解质溶液(或熔融态电解质)。c.形成闭合回路。3.电极反应规律(1)阴极与电源③负极相连,④得到电子发生⑤还原反应。(2)阳极与电源⑥正极相连,⑦失去电子发生⑧氧化反应。二、电解原理的应用1.氯碱工业(1)食盐水的精制(2)主要生产过程说明阳离子交换膜(以电解饱和NaCl溶液为例)只允许阳离子(Na+)通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过,这样既能阻止H2和Cl2混合爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液反应生成NaClO影响烧碱质量。(3)电极反应及总反应阳极:⑨2Cl--2e- Cl2↑。阴极:⑩2H++2e- H2↑。总反应(离子方程式): 2Cl-+2H2O 2OH-+Cl2↑+H2↑。2.电镀(1)电镀的特点电镀时,阳极是镀层金属,阴极是镀件,一般用含有镀层金属离子的溶液作电镀液;电镀池工作时,阳极质量 减小,阴极质量 增大,电解质溶液浓度 不变。(2)铜的电解精炼阳极(用 粗铜): Cu-2e- Cu2+。粗铜中的金、银等金属杂质,因失电子能力比铜弱,难以在阳极失去电子变成阳离子,以阳极泥的形式沉积下来。阴极(用 纯铜): Cu2++2e- Cu。3.电冶金金属冶炼就是使矿石中的金属离子获得电子,从其化合物中还原出来。通式为 Mn++ne- M。钠的冶炼:NaCl在熔融状态下发生电离,通直流电,阴极反应式为 2Na++2e- 2Na,阳极反应式为 2Cl--2e- Cl2↑。基本规律一、惰性电极电解电解质溶液的规律说明(1)用惰性电极电解强碱、含氧酸、活泼金属的含氧酸盐的稀溶液时,实际上是电解H2O,溶质的质量分数增大,浓度增大。(2)电解时产物的判断要遵循阴、阳离子的放电顺序。(3)电解后要恢复原电解质溶液的浓度,需加适量的某物质,该物质可以是阴极与阳极产物的化合物。例如用惰性电极电解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反应后使水量增加。二、原电池、电解池、电镀池的比较原电池电解池电镀池定义将化学能转变成电能的装置将电能转变成化学能的装置应用电解原理在某些金属表面镀上一层其他金属或合金的装置装置举例 形成条件①活泼性不同的两电极②电解质溶液(电极插入其中,并能与电极发生自发反应)③形成闭合回路①两电极接直流电源②两电极插入电解质溶液(或熔融电解质)中③形成闭合回路①镀层金属接电源正极,待镀金属接电源负极②电镀液必须含有镀层金属的离子(电镀过程中电镀液浓度不变)电极名称负极:氧化反应,金属失电子或者氢气等还原性物质失电子正极:还原反应,溶液中的阳离子得电子或者氧气等得电子阳极:氧化反应,溶液中的阴离子失电子,或金属电极失电子阴极:还原反应,溶液中的阳离子得电子阳极:金属电极失电子阴极:电镀液中镀层金属阳离子得电子(在电镀控制的条件下,水电离产生的H+及OH-一般不放电)原电池电解池电镀池续表 负极 正极电源负极 阴极电源正极 阳极同电解池(1)同一原电池的正、负极的电极反应中得失电子数相等。(2)同一电解池的阴、阳极的电极反应中得失电子数相等。(3)串联电路中的各个电极反应得失电子数相等。上述三种情况下,在计算电解产物的量时,应按得失电子数相等计算原电池电解池电镀池续表原电池正负极的判断及电极反应式的书写1.原电池正负极的判断判断角度负极正极电极材料一般是活动性较强的金属一般是活动性较弱的金属或能导电的非金属电子流向电子流出的一极电子流入的一极离子移动方向阴离子移向的一极阳离子移向的一极发生的反应氧化反应还原反应反应现象一般质量减小质量增加或不变知能拓展注意原电池的正、负极不仅跟电极材料有关,还与电解质溶液的性质有关,如Mg、Al在稀硫酸中构成原电池时,Mg作负极,Al作正极,但若以NaOH溶液为电解质溶液,则Al为负极,Mg为正极。2.电极反应式的书写(1)一般电极反应式的书写 (2)复杂电极反应式的书写总体思路:复杂电极反应式=总反应式-较简单一极电极反应式(3)燃料电池电极反应式的书写Ⅰ.正极反应式的书写正极通入的气体一般是氧气,根据电解质的不同,分以下几种情况:①在酸性溶液中生成水:O2+4H++4e- 2H2O;②在碱性溶液中生成氢氧根离子:O2+2H2O+4e- 4OH-;③在固体电解质(高温下能传导O2-)中生成O2-:O2+4e- 2O2-;④在熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)中生成碳酸根离子:O2+2CO2+4e- 2C 。Ⅱ.负极反应式的书写负极通入的是燃料,发生氧化反应,负极生成的离子一般与正极产物结合,有以下几种情况:①若负极通入的气体是氢气,则a.酸性溶液中:H2-2e- 2H+;b.碱性溶液中:H2-2e-+2OH- 2H2O;c.熔融氧化物中:H2-2e-+O2- H2O。②若负极通入的气体为含碳的化合物,如CO、CH4、CH3OH等,碳元素均转化为+4价碳的化合物,在酸性溶液中生成CO2,在碱性溶液中生成C ,熔2-3O2-3O融碳酸盐中生成CO2,熔融氧化物中生成C ;含有的氢元素最终生成水。如CH3OH燃料电池负极反应式在酸性溶液中为CH3OH-6e-+H2O CO2↑+6H+;在碱性溶液中为CH3OH-6e-+8OH- C +6H2O。3.书写电极反应式时应注意的问题(1)两电极得失电子数目相等。(2)电极反应式常用“ ”而不用“ ”表示。(3)书写电极反应式时要保证电荷守恒、原子守恒。2-3O2-3O例(2017课标Ⅲ,11,6分)全固态锂硫电池能量密度高、成本低,其工作原理如图所示,其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料,电池反应为:16Li+xS8 8Li2Sx(2≤x≤8)。下列说法错误的是 () A.电池工作时,正极可发生反应:2Li2S6+2Li++2e- 3Li2S4B.电池工作时,外电路中流过0.02mol电子,负极材料减重0.14gC.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性D.电池充电时间越长,电池中Li2S2的量越多解题导引结合反应原理,根据元素化合价的变化,判断放电时的正、负极,再结合电解质的性质书写电极反应式。解析电池工作时为原电池,电池内部阳离子向正极移动,根据图示中Li+移动方向可知,电极a为正极,依次发生S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2的转化,A正确;电池工作时负极反应式为Li-e- Li+,当转移0.02mol电子时,负极消耗的Li的物质的量为0.02mol,质量为0.14g,B正确;石墨烯具有导电性,可以提高电极a的导电能力,C正确;电池充电时为电解池,此时Li2S2的量越来越少,D错误。答案D1.利用原电池的工作原理探究合成氨的新方法,展示了科技的力量。实践探究例1(2019课标Ⅰ,12,6分)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意图如下所示。下列说法错误的是 ()A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+ 2H++2MV+C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动解析A项,现有工业合成氨的反应条件是高温、高压、催化剂,则题述方法合成氨条件更为温和,同时可将化学能转化为电能,正确;B项,阴(正)极区,在固氮酶催化作用下发生反应N2+6H++6MV+ 2NH3+6MV2+,错误;C项,由B项分析可知正极区N2被还原为NH3,正确;D项,原电池工作时,质子(H+)通过交换膜由负极区向正极区移动,正确。答案B本题价值利用原电池工作原理将工业合成氨设计成新型的电池,酶和交换膜的使用不仅节约能源,减少尾气排放,还提高了效率。2.新型二次电池设计不仅考查了原电池的工作原理还考查了电解池的工作原理。例2(2019课标Ⅲ,13,6分)为提升电池循环效率和稳定性,科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点,设计了采用强碱性电解质的3D-Zn—NiOOH二次电池,结构如下图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l) ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。 下列说法错误的是 ()A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积,所沉积的ZnO分散度高B.充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e- NiOOH(s)+H2O(l)C.放电时负极反应为Zn(s)+2OH-(aq)-2e- ZnO(s)+H2O(l)D.放电过程中OH-通过隔膜从负极区移向正极区解析A项,依题干信息可知正确;B项,充电时阳极发生氧化反应,正确;C项,放电时Zn作负极失去电子,发生氧化反应,正确;D项,放电时,OH-由