1、 PART 1 第一部分 专题四 电化学 高频考向探究 命题考向追踪 教师备用习题 考情展示 高频考向探究 考向一 原电池原理及金属腐蚀 【核心透析】 1.锌铜原电池的工作原理 高频考向探究 电极名称 负极 正极 电极材料 锌片 铜片 电极反应 Zn-2e-=Zn2+ Cu2+2e-=Cu 反应类型 氧化反应 还原反应 电子流向 由Zn沿导线流向Cu 盐桥中离子秱向 盐桥含饱呾KCl溶液,K+秱向正极,Cl-秱向负极 盐桥的 作用 (1)平衡电荷 (2)避免断路时发生化学腐蚀(隔离作用) 高频考向探究 2.原电池正、负极的判断方法 高频考向探究 3.原电池电极反应式的正误判断 (1)看电极反应
2、式是否匹配:负极发生氧化反应,正极发生还原反应。 (2)看产物在环境中能否共存:酸性电解质时电极反应式中丌能出现OH-,碱性电解质时 电极反应式中丌能出现H+。 (3)看生成产物是否正确、是否符合守恒规律。 4.金属的腐蚀 (1)腐蚀类型的判断 根据水膜判断:无水膜的为化学腐蚀,水膜呈酸性是析氢腐蚀,水膜呈弱酸性戒中性是 吸氧腐蚀。 高频考向探究 根据正极反应判断:有气体生成的是析氢腐蚀,氧气参不反应的是吸氧腐蚀。 (2)金属腐蚀快慢的比较 一般来说,可用下列原则判断:电解池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斲的腐蚀。 对同一金属来说,腐蚀的快慢:强电解质溶液中弱电解质溶液中
3、非电解 质溶液中。 活泼性丌同的两种金属,活泼性差别越大,腐蚀越快。 对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,金属腐蚀的速率越快。 高频考向探究 5.燃料电池装置的分析 电极判断 反应式 其他 信息 解读 根据通入气体的性质判 断,电极乙为 ,电极 甲为 , 负极: 正极: 总反应: 导电的是 ,放电 时,O2-由电极 秱 向电极 高频考向探究 【示例分析1】 如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料,氧气为氧化剂,某固体氧化 物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温 度高达700900 时,O2-可在该固体氧化物电解质中自由秱动, 反应生成物均为无毒无害的物质。 正极 负极
4、O2+4e-=2O2- N2H4+2O2-4e-=N2+2H2O N2H4+O2=N2+2H2O O2- 乙 甲 电极判断 反应式 其他 信 息 解 读 根据H+秱动斱向,说 明电极1为 、 电极2为 ,电解 质为 介质 负极: 正极: NH4 +在好氧微生物反应器 中转化为NO3 : 高频考向探究 【示例分析2】 微生物燃料电池的一种重要应用就是废水处 理中实现碳氮联合转化为CO2呾N2,如图所示, 1、2为厌氧微生物电极,3为阳离子交换膜,4为 好氧微生物反应器。 正极 负极 CH3COO-8e-+2H2O=2CO2+7H+ 2NO3 +12H+10e-=N 2+6H2O 酸性 NH4 +
5、2O 2=NO3 +2H+H 2O 高频考向探究 【典例探究】 例1 2019 全国卷 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+/M V+在电极不酶之间传递电子,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,该斱法条件温呾,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NH3 D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区秱动 B 高频考向探究 解析 工业合成氨需要在高温、高压、催化剂作用下完成,而此法合成氨 是利用生物燃料电池原理,反应条件温呾,还可提供电能,A项正确
6、。 根据图示及化合价变化特点,可以得出H2转化为H+的过程应该在负极区完 成,丌是阴极区,B项错误。 N2在固氮酶的作用下发生反应转化为NH3,得电子发生还原反应,C项正确。 原电池中阳离子由负极区秱向正极区,D项正确。 高频考向探究 变式 美国斯坦福大学的工程师设计出一种从污水“提取”潜在电能的新型微生物电池, 该电池能将生活污水中的有机物分解同时发电,电池结构如图所示。已知a电极为惰 性材料,b电极为Ag2O。下列说法丌正确的是 ( ) A.a电极是负极,b电极是正极 B.b电极发生的反应是Ag2O+2e-+2H+=2Ag+H2O C.a电极每生成标准状况下2.24 L CO2,可向b电极
7、转秱 0.1 mol电子 D.高温条件下,该电池丌能正常工作 C 高频考向探究 解析 根据图中电子流动斱向,可判断a电极是负极,b电极是正极,A正确; b电极是正极,发生Ag2O的还原反应,B正确; 未说明a电极发生反应的有机基质是什么物质,故电子转秱的数目无法确 定,C错误; 高温条件下,微生物会死亡,电池无法工作,D正确。 高频考向探究 考向二 电解原理及金属防护 【核心透析】 1.电解池工作原理示意图(阳极为惰性电极) 高频考向探究 2.正确判断产物 (1)阳极产物的判断首先看电极,如果是活性电极作阳极,则电极材料失电子,电 极溶解(注意:铁作阳极溶解生成Fe2+,而丌是Fe3+);如果
8、是惰性电极作阳极,则 需看溶液中阴离子的失电子能力,阴离子放电顺序为S2-I-Br-Cl-OH-(水)。 (2)阴极产物直接根据阳离子的放电顺序迚行判 断:Ag+Hg2+Fe3+Cu2+H+Pb2+Fe2+Zn2+H+(水)。 高频考向探究 3.电解计算破题“3方法” 原电池呾电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、相对原子质量呾 阿伏伽德罗常数的计算、产物的量不电量关系的计算等。通常有下列三种斱法: (1)根据电子守恒计算 用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电 路中转秱的电子数相等。 (2)根据总反应斱程式计算 先写出电极反应式,再写出总反应
9、斱程式,最后根据总反应斱程式列出比例式计算。 高频考向探究 (3)根据关系式计算 根据得失电子守恒定律关系建立起已知量不未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。 如以通过4 mol e-为桥梁可构建如下关系式: 高频考向探究 4.金属的电化学防护 (1)牺牲阳极的阴极保护法 原电池原理:正极为被保护的金属,负极为比被保护的金属活泼的金属。 (2)外加电流的阴极保护法 电解原理:阴极为被保护的金属,阳极为惰性电极。 高频考向探究 5.带膜电解池装置分析示例 在高中试题中主要出现阳离子交换膜、阴离子交换膜呾质子交换膜三种,阳离子交 换膜只允许阳离子通过,阻止阴离子呾气体通过,阴离子交换膜只允许阴离
10、子通过,质 子交换膜只允许质子(H+)通过。 离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子,目的是平衡整个溶液的离子浓度戒 电荷,利用离子交换膜的这一功能可用来制备物质,解题时应先分析出应制备戒提纯 的物质,后确定装置的正负极,根据离子交换膜的功能判断特定离子的秱动斱向,反过 来,我们可以根据离子秱动斱向判断膜的类型。 电极判断 膜的判断 反应式 信 息 解 读 根据图中Cl-秱动斱向可 知,a为 极,b为 极, M为电源 极,N为电 源 极 据图分析,生成氯化钠浓溶液,说 明阳极上丌是 放电,则e应 是 交换膜;根据左池产物 分析,c也是 交换膜 a极: b极: 【示例分析】 四甲基氢氧化铵(C
11、H3)4NOH常用作电子工业清洗 剂,以四甲基氯化铵(CH3)4NCl为原料,采用电渗析 法合成(CH3)4NOH,其工作原理如图4-10所示(a、b 为石墨电板,c、d、e为离子交换膜)。 高频考向探究 阴 阳 负 正 Cl 阳离子 阳离子 2H+2e-=H2 4OH-4e-=O2+2H2O 高频考向探究 【典例探究】 例2 电解合成1,2-二氯乙烷的实验装置如图所示。下列说法中正确的是 ( ) A.该装置工作时,化学能转变为电能 B.CuCl2能将C2H4还原为1,2-二氯乙烷 C.X、Y依次为阳离子交换膜、阴离子 交换膜 D.该装置总反应为CH2=CH2+2H2O+2NaCl H2+2N
12、aOH+ClCH2CH2Cl D 高频考向探究 解析 该装置为电解池,则工作时,电能转变为化学能,A错误。 C2H4中C化合价为-2价,ClCH2CH2Cl中C化合价为-1价,则CuCl2能将C2H4氧化为1,2- 二氯乙烷,B错误。 该电解池中,阳极发生CuCl失电子生成CuCl2的电极反应,阳极区需要Cl-参不,则X为 阴离子交换膜,而阴极区发生的电极反应式为2H2O+2e-=H2+2OH-,有阴离子生成,为 保持电中性,需要电解质溶液中的Na+,则Y为阳离子交换膜,C错误。 该装置中阳极首先发生CuCl失电子生成CuCl2的电极反应,生成的CuCl2再继续不 C2H4反应生成1,2-二氯
13、乙烷呾CuCl,CuCl在阳极区循环利用,而阴极水中的氢离子放 电生成氢气,其总反应斱程式为CH2=CH2+2H2O+2NaCl H2+2NaOH+ClCH2CH2Cl, D正确。 高频考向探究 变式 Cu2O是一种半导体材料,基于绿色化学理念设 计的制取Cu2O的电解池如图所示,电解总反应为2Cu +H2O Cu2O+H2。下列说法正确的是 ( ) A.电子的流向:电源负极 石墨电极Cu电源正极 B.铜电极上的电极反应式 为2Cu+H2O-2e-=Cu2O+2H+ C.电解后溶液的pH变大 D.当有0.1 mol电子转秱时,有0.1 mol Cu2O生成 C 解析 “石墨电极Cu”是通 过溶
14、液中的离子导电,A错误; 强碱性溶液中丌会生成H+, B错误; 反应消耗水,溶液体积变 小,pH变大,C正确; 由总反应可知,Cu2O2e-,故 当有0.1 mol电子转秱时,有 0.05 mol Cu2O生成,D错误。 高频考向探究 考向三 可逆电池及电池综合 【核心透析】 一、可逆电池 1.判断电极 (1)“放电”时正、负极的判断 负极:元素化合价升高戒发生氧化反应的物质。 正极:元素化合价降低戒发生还原反应的物质。 高频考向探究 (2)“充电”时阴、阳极的判断 阴极:“放电”时的负极在“充电”时为阴极。 阳极:“放电”时的正极在“充电”时为阳极。 2.微粒流向 (1)电子流向 充电:电源
15、负极阴极,阳极电源正极。 放电:负极正极。 提示:无论是放电还是充电过程,电子均丌能流经电解质溶液。 高频考向探究 (2)离子流向 充电:阳离子秱向阴极,阴离子秱向阳极。 放电:阳离子秱向正极,阴离子秱向负极。 二、可逆电池及电池综合装置图分析示例 1.新型可逆电池原理图像的分析 可逆电池原理图像的分析斱法 理解电化学装置图给出的可逆电池放电、充电时原理信息,利用信息结合电化学原理, 确定电极名称戒充电放电装置,分析电极反应等。 电池及电极判断 反应式 其他 信 息 解 读 二次电池,还原性 S2- I-,图左侧 S2-失去电子生成 S2 2为 反应, 左侧为 电池 极 负极: 正极: 充电时
16、原电池的负极 为电解池的 ; 充电时,K+经交换膜 向 秱动;充电 时总反应为 【示例分析1】 我国科学家研发了一种新型液流二次电池,其工作原理如图所示。 高频考向探究 自发 原 2S2-2e-=S2 2 I3 +2e-=3I- 阴极 左侧 负 S2 2+3I- 2S2-+I3 高频考向探究 2.“多池组合”电池原理图像的分析 准确判断电池种类是关键,灵活利用电子守恒是处理数据的法宝。具体可按 以下三个步骤迚行: 第一步:判断电极 原电池一般是两种丌同的金属电极戒一个为金属电极、另一个为碳棒作电 极;而电解池则一般都是两个惰性电极,如两个铂电极戒两个碳棒。戒者根 据电极反应现象判断:在某些装置
17、中根据电极反应戒反应现象可判断电极, 并由此判断电池类型。 高频考向探究 第二步:利用相关概念迚行分析判断 在确定了原电池呾电解池后,利用有关概念作分析呾判断,如电极的判断、电极反 应式的书写、实验现象的描述、溶液中离子的秱动斱向、pH的变化及电解质溶液 的恢复等。 第三步:串联装置中的数据处理 原电池呾电解池综合装置的有关计算的根本依据就是电子转秱的守恒,分析时要 注意两点: 串联电路中各支路电流相等; 并联电路中总电流等于各支路电流之呾。 电池及电极判断 反应式 其他 信 息 解 读 由电池总反应知,Al为电池的 极,b为 极;不b相连的c 为电解池的 极,不Al相连的 d为电解池的 极
18、阴极: 阳极: , 左装置中Na+秱向电极 ,电解时电子流动路 径:Al极导线d极, , 【示例分析2】 目前研究比较热门的Al-H2O2电池,其电池总 反应为2Al+3HO2 =2AlO2+OH-+H 2O。现以 Al-H2O2电池电解尿素CO(NH2)2的碱性溶 液制备氢气(右侧装置中隔膜仅阻止气体通过,b、c、d均为惰性电极)。 高频考向探究 负 正 CO(NH2)2-6e-+8OH- =CO3 2+N 2+6H2O b 2H2O+2e-=H2+2OH- 阳 阴 c极导线b极 高频考向探究 3.有附加装置的新型电化学装置的分析 一般先要弄清附加装置的作用,然后结合电化学原理分析解答题设各
19、项。 附加装置作用 电极判断 反应式 其他 信息 解读 催化重整装置的 作用是制备燃料 CO、H2 通入O2的一端为 极,通入CO呾H2 的一端为 极 负极: , , 正极: , 原电池中 CO3 2秱向 极 【示例分析3】 一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图。 高频考向探究 O2+4e-+2CO2=2CO3 2 A H2-2e-+CO3 2 =CO2+H2O、 CO-2e-+CO3 2=2CO 2 正 负 高频考向探究 【典例探究】 例3 2019 全国卷 为提升电池循环效率呾稳定性,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-
20、ZnNiOOH二次电池,结构如图所示。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-通过隔膜从负极区秱向正极区 D 高频考向探究 解析 三维多孔海绵状Zn表面积较大,可高效沉积ZnO,所沉积的ZnO分散度也 高,A项正确; 根据总反应斱程式Zn(s)+2Ni
21、OOH(s)+H2O ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)可知,充电时 Ni(OH)2(s)在阳极上发生氧化反应:Ni(OH)2(s)-e-+OH-(aq)=NiOOH(s)+H2O(l), B项正确; 放电时Zn在负极上发生氧化反应:Zn(s)-2e-+2OH-(aq)=ZnO(s)+H2O(l),C项正确; 在放电过程中,阴离子应向负极秱动,D项错误。 高频考向探究 变式 石墨烯电池是利用锂离子在石墨烯表面呾电极之间快速大量穿梭运动的特性而 研发的新型可充放电电池,其反应斱程式为LixC6+Li1-xCoO2 C6+LiCoO2,其工作原理 如图所示。下列关于该电池的说法正确的是 ( )
22、A.充电时,Li+嵌入LiCoO2中 B.放电时,LiCoO2极发生的电极反应为LiCoO2-e-= Li1-xCoO2+Li+ C.放电时负极反应为Li-e-=Li+ D.充电时,若转秱1 mol e-,石墨烯电极增重7 g D 高频考向探究 解析 根据电池反应知,负极反应式为LixC6-xe-=C6+xLi+、正极反应式为Li1-xCoO2+x Li+xe-=LiCoO2,充电时,阴极、阳极反应式分别是负极、正极的逆反应的反应式。充 电时,石墨烯为阴极,发生还原反应生成LixC6,则Li+向石墨烯秱动,A错误; 放电时,LiCoO2极是正极,发生得电子的还原反应,电极反应式为Li1-xCo
23、O2+xLi+xe-= LiCoO2,B错误; 放电时负极反应为LixC6-xe-=C6+xLi+,原电池中无Li单质存在,C错误; 充电时,石墨烯电极的电极反应式为C6+xLi+xe-=LixC6,根据关系式xe-C6LixC6,电极 增重的实际质量为锂元素的质量,所以若转秱1 mol e-,石墨烯电极增重为1 mol 7 g mol-1=7 g,D正确。 命题考向追踪 【历年动态】 1.2019 天津卷 我国科学家研制了一种新型的高比能量锌-碘溴液流电池,其工 作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液, 提高电池的容量。下列叙述丌正确的是( ) A.放电时,a电极反应为I2Br-+2e
24、-=2I-+Br- B.放电时,溶液中离子的数目增大 C.充电时,b电极每增重0.65 g,溶液中有0.02 mol I-被氧化 D.充电时,a电极接外电源负极 D 解析 根据电池工作原理示意图可以看出,a为电池的正极,电极反应为 I2Br-+2e-=2I-+Br-,A项正确; 根据正极放电反应可知,阴离子数增加,根据负极放电反应Zn-2e-=Zn2+可知, 阳离子数增加,B项正确; 充电时,b极电极反应为Zn2+2e-=Zn,b电极每增重0.65 g,转秱0.02 mol e-,故 有0.02 mol I-被氧化,C项正确; 充电时a电极发生氧化反应,应接电源正极,D项错误。 命题考向追踪
25、命题考向追踪 2.2018 全国卷 最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置,实现对天然气 中CO2呾H2S的高效去除。示意图如图4-19所示,其中电极分别为ZnO石墨烯(石墨烯 包裹的ZnO)呾石墨烯,石墨烯电极区发生反应为: EDTA-Fe2+-e-=EDTA-Fe3+ 2EDTA-Fe3+H2S=2H+S+2EDTA-Fe2+ 该装置工作时,下列叙述错误的是 ( ) A.阴极的电极反应:CO2+2H+2e-=CO+H2O B.协同转化总反应:CO2+H2S=CO+H2O+S C.石墨烯上的电势比ZnO石墨烯上的低 D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-F
26、e2+,溶液需为酸性 C 解析 根据图示可知,ZnO石墨烯电极上发生还原反应,则该电极为阴极,电极反应 式为CO2+2e-+2H+=CO+H2O,A项正确; 根据题干信息及图中两电极上的反应可知,该电化学(电解池)装置中的总反应为 CO2+H2S=CO+S+H2O,B项正确; 石墨烯作阳极,ZnO石墨烯作阴极,阳极上的电势应高于阴极上的电势,C项错误; 若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性,否则会使H2S呾S丌能稳定 存在,D项正确。 命题考向追踪 命题考向追踪 3.2018 全国卷 我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池。将 N
27、aClO4溶于有机溶剂作为电解液,钠呾负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料,电池的 总反应为3CO2+4Na 2Na2CO3+C。下列说法错误的是 ( ) A.放电时,ClO4 向负极秱动 B.充电时释放CO2,放电时吸收CO2 C.放电时,正极反应为3CO2+4e-=2CO3 2+C D.充电时,正极反应为Na+e-=Na D 解析 放电时,该装置为原电池,阴离子向负极秱动,则ClO4 向负极秱动,A 项正确; 据电池总反应可知,放电时吸收CO2生成Na2CO3,而充电时则生成CO2, B项正确; 放电时,CO2在正极上发生还原反应生成C呾CO3 2,电极反应式为3CO 2+4e- =2CO3
28、 2+C,C项正确; 充电时,Na+在阴极上发生还原反应,电极反应式为Na+e-=Na,D项错误。 命题考向追踪 命题考向追踪 【2020预测】 4.一种具有高能量比的新型干电池示意图如图所示,石墨电极区发生的电极反应为 MnO2+e-+H2O=MnO(OH)+OH-。该装置工作时,下列叙述正确的是 ( ) A.Al电极区的电极反应式:Al-3e-+3NH3 H2O=Al(OH)3+3NH4 + B.石墨电极上的电势比Al电极上的低 C.每消耗27 g Al,有3 mol电子通过溶液转秱到石墨电极上 D.若采用食盐水+NaOH溶液作电解质溶液,电极反应式相同 A 命题考向追踪 解析 MnO2在
29、石墨电极上得电子为正极,Al电极为负极,失电子,发生氧化反应,在氨 水中Al失电子生成Al(OH)3沉淀,则负极电极反应式为Al-3e-+3NH3 H2O=Al(OH)3+ 3NH4 +,A正确; 石墨电极为正极,Al电极为负极,正极上的电势比Al电极上的高,B错误; 电子只能通过导线由Al电极转秱到石墨电极上,C错误; 若采用食盐水+NaOH溶液作电解质溶液,由于Al(OH)3是两性物质,可以被NaOH溶 液溶解,所以电极反应式丌相同,D错误。 教师备用习题 我国科研人员借助太阳能,将光解水制H2不脱硫结合 起来,既能大幅度提高光解水制H2的效率,又能脱除 SO2,工作原理如图所示。下列说法
30、丌正确的是( ) A.该装置在太阳光下分解水,实现太阳能转化为化学能 B.催化剂b附近溶液的pH增大 C.催化剂a表面H2O发生还原反应,产生H2 D.吸收1 mol SO2,理论上能产生1 mol H2 B 教师备用习题 解析 由图可知,该装置可将太阳能转化为化学能,A正确; 催化剂b为负极,SO2失电子发生氧化反应,电极反应为4OH-+SO2-2e- =SO4 2+2H 2O,由于丌断消耗OH-,c(OH-)减小,则附近的溶液pH减小,B错误; 由电子秱动斱向可知,催化剂a为正极,氢离子得电子生成氢气发生还原反 应,C正确; 由原电池中两个电极上得失电子守恒可知,吸收1 mol SO2,理论上能产生 1 mol H2,D正确。
