2020届高考化学一轮总复习 第六章 学科素养提升（四）电化学转化效率问题的解答策略课件

素养2素养1目录ONTENTSC章末排查练（六）第六章化学反应与能量学科素养提升(四)电化学转化效率问题的解答策略素养34装置、过程和效率是电化学研究的三驾马车，作为电化学重要组成的效率问题，教材中出现了比能量和比功率的定义，但很少引起关注，思则有备，有备无患，及时修复知识体系的漏洞，避免失分是非常重要的。电化学中传递电子的数量是计算的核心，宏观测量的电流强度和时间，通过法拉第常数或阿伏加德罗常数都能获得电子的物质的量。1个电子电量是1.6×10－19C,1mol电子数约为6.02×1023,1mol电子所带电量的绝对值即F＝6.02×1023mol－1×1.6×10－19C＝96320C/mol，试题中经常提供的数值为F＝96500C/mol。电源或电池提供电量Q＝I·t(注意单位：电流强度为A，时间为s)，n(e－)＝I×tF。若试题中没有提供法拉第常数，可以将电量除以1个电子所带的电量得到电子个数，再除以阿伏加德罗常数得到电子物质的量，即n(e－)＝I×t1.6×10－19C×6.02×1023mol－1。[例1]以石墨为电极，用电流强度为I(安培)的直流电电解足量RCly的水溶液，tmin后，精确测得电极上析出ng金属R，设金属R的摩尔质量为Mg/mol，则阿伏加德罗常数的计算式可表示为(每个电子电量：1.6×10－19C)()A．NA＝MIt2n×1.6×10－19B．NA＝60tIMn×1.6×10－19C．NA＝60tIMyn×1.6×10－19D．NA＝MItyn×1.6×10－19[解析]阴极析出金属，电极反应式为Ry＋＋ye－===RMgymolngn(e－)将n(e－)＝I×t×60s1.6×10－19C×NAmol－1代入Mgng＝ymolne－，整理得NA＝60tIMyn×1.6×10－19。[答案]C1．比能量：电池单位质量或单位体积所输出电能的多少[单位：(W·h)/kg或(W·h)/L]。单位质量或体积指表达式中质量或体积处在分母位置，从单位看是kg或L。电池理论产生的电能处在表达式的分子位置，计算公式W＝U×I×t＝U×Q＝P×t，其中W是电功，单位为焦耳(J)；U是电压，单位为伏特(V)；I是电流，单位为安培(A)；t是时间，单位为秒(s)；Q是电量，单位为库仑(C)；P是功率，单位为瓦(W)，1kW·h＝3.6×106J。2．比功率：电池单位质量或单位体积所输出功率的大小[单位：(W)/kg或(W)/L]，P＝UI。3．电流利用效率＝负载利用电量电池输出电量×100%，负载利用电量是通过电解计算出转移电子物质的量，电池输出电量是电流表和钟表测定值Q＝I·t，再通过法拉第常数将Q转化为电子物质的量。[例2]二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93kW·h·kg－1)。电解质为酸性，该电池的理论输出电压为1.20V，能量密度E＝__________(列式计算。能量密度＝电池输出电能燃料质量，已知F＝96500C/mol1kW·h＝3.6×106J)。[解析]由能量密度定义表达式和单位可知，求解的关键问题是求出电池输出电能即电功。假设消耗1kg的CH3OCH3，依据W＝U×Q,1molCH3OCH3中2NA－2价碳被氧化为＋4价CO2，转移12mol电子，1kgCH3OCH3反应产生的电量Q＝1000g46g/mol×12×96500C/mol，W＝U×Q＝1.2V×1000g46g/mol×12×96500C/mol所得电功单位是J，需要换算成kW·h，W＝1.2V×1000g46g/mol×12×96500C/mol÷3.6×106J/(kW·h)，能量密度＝电池输出电能燃料质量＝1.2V×1000g46g/mol×12×96500C/mol1kg×3.6×106J/kW·h＝8．39(kW·h)/kg。[答案]8.39(kW·h)/kg化学变化过程同时存在着物质和能量变化，同时遵守质量守恒和能量守恒。原电池和电解池电极反应式直接计算属于理想状态，不考虑效率问题，若用实际析出物质数据计算，因存在其他副反应，要考虑电流效率问题。类型一：理论物质消耗和析出的相关计算[例3]酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是由碳粉、二氧化锰、氯化锌和氯化铵等组成的糊状填充物。该电池在放电过程产生MnOOH，维持电流强度为0.5A，电池工作5min，理论消耗Zn________________g。(已知F＝96500C/mol)[解析]锌是活泼金属，为负极，电极反应式：Zn－2e－===Zn2＋65g2molmn(e－)65gm＝2molne－将n(e－)＝QF＝I×tF＝0.5A×5×60s96500C/mol代入解得m＝0.05g。[答案]0.05[例4]有一个铅蓄电池最初有100gPb和100gPbO2，加入过量的硫酸，发生如下反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。理论上，一个电池可以放电到其中一个电极完全耗尽为止。假如不再充电，电池工作到反应完全，若该电池放电电流为1.00A。通过计算求：(1)正、负极的电极材料中，________极先消耗完。(2)理论上该电池放电最长时间是多少小时？(已知F＝96500C/mol)[解析](1)Pb被氧化作负极，n(Pb)＝100g207g/mol≈0.483mol，PbO2被还原作正极，n(PbO2)＝100g239g/mol≈0.418mol，n(Pb)n(PbO2)正极先消耗完。(2)Q＝n(e－)·F＝0.418mol×2×96500C/molQ＝I×t，t＝QI＝0.418mol×2×96500C/mol1.00A×3600s/h＝22.41h。[答案](1)正(2)22.41h类型二：能量转化效率的相关计算[例5]若用放电电流强度I＝2.0A的电池工作10min，电解精炼铜得到铜0.32g，则电流利用效率为__________(保留小数点后一位)。(已知：F＝96500C/mol，电流利用效率＝负载利用电量电池输出电量×100%)[解析]通过电流利用效率表达式可知，负载利用电量用来电解精炼，电池输出电量是电流表和钟表测定值。电解精炼铜得到铜0.32g时，n(Cu)＝0.32g64g/mol＝0.005mol，电解消耗的电量Q＝2×0.005mol×96500C/mol＝965C。据放电的电流强度I＝2.0A，电池工作10min，计算得电池的输出电量Q＝I×t＝2.0A×10×60s＝1200C，电流利用效率＝965C1200C×100%≈80.4%。[答案]80.4%[例6]储氢可借助有机物，如利用环己烷和苯之间的可逆反应来实现脱氢和加氢：(g)FeSO4/Al2O3高温(g)＋3H2(g)，一定条件下，如图所示装置可实现有机物的电化学储氢(忽略其他有机物)。该储氢装置的电流效率η＝______________________(η＝生成目标产物消耗的电子数转移的电子总数×100%，计算结果保留小数点后一位)。[解析]根据策略二逆向求解，首先求算阴极生成目标产物环己烷转移的电子数，阴极除生成环己烷外，还生成H2：2H＋＋2e－===H2↑，设阴极生成的环己烷为n(C6H12)，生成氢气为n(H2)，生成的环己烷与消耗苯的物质的量相等，剩余苯的物质的量为2.4mol－n(C6H12)，根据剩余的苯所占的物质的量分数列出等式：[n(H2)＋n(C6H12)＋2.4mol－n(C6H12)]×25%＝2.4mol－n(C6H12)。阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，生成2.8mol氧气，失去11.2mol电子。电解过程中通过阴、阳极转移的电子数目相等，列出等式2n(H2)＋6n(C6H12)＝11.2mol，解得n(H2)＝0.8mol、n(C6H12)＝1.6mol。生成1mol环己烷需要3molH2，消耗6mol电子，1.6mol环己烷转移9.6mol电子。η＝生成目标产物消耗的电子数转移的电子总数×100%＝1.6mol×611.2mol×100%≈85.7%。[答案]85.7%