高考化學(xué)總復(fù)習(xí) 第二部分 專題六 化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化課件

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1、專題六化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化化學(xué)（浙江選考專用）考點(diǎn)一考點(diǎn)一 原電池原理及其應(yīng)用原電池原理及其應(yīng)用考點(diǎn)清單知識梳理知識梳理一、原電池1.原電池的概念把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。2.構(gòu)成條件(1)有兩個活潑性不同的電極。(2)將電極插入電解質(zhì)溶液中并形成閉合回路。(3)能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)都可設(shè)計(jì)成原電池。3.工作原理Cu-Zn原電池示意圖如下所示:電極材料ZnCu電極名稱負(fù)極正極電極反應(yīng)類型氧化反應(yīng)還原反應(yīng)電極反應(yīng)式Zn-2e-Zn2+Cu2+2e-Cu電子移動方向從負(fù)極流出經(jīng)外電路流入正極電流方向從正極(Cu電極)流出經(jīng)外電路流入負(fù)極(Zn電極)特別提醒在原電池中陽離子移向正極,陰離子移向負(fù)極

2、(包括鹽橋中的陰、陽離子)。這是因?yàn)樨?fù)極發(fā)生的是失電子的反應(yīng),致使該極附近有大量正電荷,所以溶液中的陰離子要移向負(fù)極;正極發(fā)生的是得電子的反應(yīng),致使該極附近有大量負(fù)電荷,所以溶液中的陽離子要移向正極?？梢院営洖椤罢?fù)負(fù)”,即帶正電荷的離子移向正極,帶負(fù)電荷的離子移向負(fù)極。電池名電解質(zhì)電極反應(yīng)、電池反應(yīng)電極質(zhì)量變化、溶液濃度變化堿性鋅錳電池KOH負(fù)極(Zn):Zn+2OH-2e-Zn(OH)2正極(MnO2):2MnO2+2H2O+2e-2MnOOH+2OH-電池反應(yīng):2MnO2+Zn+2H2O2MnOOH+Zn(OH)2負(fù)極增重正極質(zhì)量幾乎不變?nèi)芤鹤儩忏y鋅紐扣電池KOH負(fù)極(Zn):Zn+2

3、OH-2e-Zn(OH)2正極(Ag2O):Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-電池反應(yīng):Zn+Ag2O+H2O2Ag+Zn(OH)2負(fù)極增重正極減輕溶液變濃鉛蓄電池硫酸負(fù)極(Pb):Pb+S-2e-PbSO4正極(PbO2):PbO2+S+4H+2e-PbSO4+2H2O電池反應(yīng):Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O負(fù)極增重正極增重溶液變稀24O24O二、常見的化學(xué)電源氫氧燃料電池KOH負(fù)極(惰性電極,通入H2):2H2+4OH-4e-4H2O正極(惰性電極,通入O2):O2+2H2O+4e-4OH-電池反應(yīng):2H2+O22H2O負(fù)極不變正極不變?nèi)芤鹤兿∪?、原電池原理的?yīng)用

4、1.比較金屬的活動性強(qiáng)弱原電池中,一般活動性相對較強(qiáng)的金屬作負(fù)極,而活動性相對較弱的金屬(或?qū)щ姷姆墙饘?作正極。2.加快化學(xué)反應(yīng)速率由于形成了原電池,導(dǎo)致反應(yīng)速率加快。如Zn與稀硫酸反應(yīng)制氫氣時,可向溶液中滴加少量CuSO4溶液,形成Cu-Zn原電池,加快反應(yīng)速率。3.用于金屬的防護(hù)使需要保護(hù)的金屬制品作原電池正極而受到保護(hù)。例如要保護(hù)一個鐵質(zhì)的輸水管道或鋼鐵橋梁,可將其與一塊鋅塊相連,使鋅作原電池的負(fù)極。4.設(shè)計(jì)制作原電池設(shè)計(jì)原電池要緊扣構(gòu)成原電池的三個條件。溫馨提示1.電極材料的選擇在原電池中,一般選擇活動性較強(qiáng)的金屬作負(fù)極,活動性較弱的金屬或非金屬作正極,并且原電池的電極必須能導(dǎo)電。一

5、般來說,負(fù)極材料應(yīng)該能跟電解質(zhì)溶液發(fā)生反應(yīng)。2.電解質(zhì)溶液的選擇電解質(zhì)溶液一般要能夠與負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng),或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)(如溶解于溶液中的氧氣)能與負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)。如果兩個半反應(yīng)分別在兩個容器中進(jìn)行(中間連接鹽橋),則兩個容器中的電解質(zhì)溶液應(yīng)含有相應(yīng)電極材料對應(yīng)的陽離子。如在Cu-Zn原電池中,負(fù)極Zn浸泡在含有Zn2+的電解質(zhì)溶液中,而正極Cu浸泡在含有Cu2+的電解質(zhì)溶液中?？键c(diǎn)二考點(diǎn)二 電解原理及其應(yīng)用電解原理及其應(yīng)用知識梳理知識梳理一、電解原理1.相關(guān)概念電解:在直流電的作用下,在兩電極上分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的過程。電解池:將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。陽極:與電源的

6、正極相連的電極。陰極:與電源的負(fù)極相連的電極。2.電解池的構(gòu)成條件(1)直流電源;(2)兩個電極(活性電極或惰性電極);(3)電解質(zhì)溶液(或熔融電解質(zhì));(4)構(gòu)成閉合回路。3.電子流向4.電解結(jié)果在兩極上發(fā)生氧化、還原反應(yīng),產(chǎn)生新的物質(zhì)。陽極上發(fā)生氧化反應(yīng);陰極上發(fā)生還原反應(yīng)。特別提醒1.電解質(zhì)溶液導(dǎo)電時一定發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因?yàn)殡娊赓|(zhì)溶液導(dǎo)電即電解,電解池的兩極分別發(fā)生氧化反應(yīng)、還原反應(yīng),有新物質(zhì)生成。金屬導(dǎo)電是物理變化。2.原電池和電解池中,陰、陽離子一定在電解質(zhì)溶液(或熔融態(tài)電解質(zhì))中移動,電子一定在導(dǎo)線中移動?？珊営洖椤半x子不上岸,電子不下水”。二、電解原理的應(yīng)用1.氯堿工業(yè)電解飽和食鹽

7、水(1)生產(chǎn)原理陽極反應(yīng)(石墨):2Cl-2e-Cl2陰極反應(yīng)(Fe):2H+2e-H2總反應(yīng):2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2(2)生產(chǎn)過程電鍍(以鐵上鍍銅為例)電解精煉銅概念電鍍是應(yīng)用電解原理在某些金屬或非金屬材料表面鍍上一薄層其他金屬或合金的過程運(yùn)用電鍍的原理將粗銅提煉為純銅主要目的使金屬增強(qiáng)抗腐蝕能力、增大表面硬度等將粗銅提煉為純銅示意圖構(gòu)成條件陽極鍍層金屬粗銅陰極待鍍金屬純銅電解質(zhì)溶液含鍍層金屬陽離子CuSO4溶液2.電鍍和電解精煉銅電極反應(yīng)陽極Cu-2e-Cu2+Zn-2e-Zn2+比銅活潑的金屬雜質(zhì)以陽離子形式留于溶液中Cu-2e-Cu2+比銅不活潑的金屬雜質(zhì)形成陽極

8、泥陰極Cu2+2e-CuCu2+2e-Cu電解質(zhì)溶液的濃度變化CuSO4溶液的濃度基本不變CuSO4溶液的濃度略微減小3.電冶金針對金屬活動性順序中KAl范圍內(nèi)的活潑金屬,應(yīng)該用非水溶液電解法冶煉。例如:工業(yè)煉鋁工業(yè)制鈉陽極反應(yīng)6O2-12e-3O22Cl-2e-Cl2陰極反應(yīng)4Al3+12e-4Al2Na+2e-2Na電解反應(yīng)2Al2O3(熔融)4Al+3O22NaCl(熔融)2Na+Cl2考點(diǎn)三考點(diǎn)三 金屬的腐蝕與防護(hù)金屬的腐蝕與防護(hù)知識梳理知識梳理一、金屬的腐蝕1.本質(zhì)金屬原子失去電子變?yōu)榻饘訇栯x子,金屬發(fā)生氧化反應(yīng)。化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕條件金屬跟其他物質(zhì)直接接觸不純金屬或合金跟電解質(zhì)溶液

9、接觸有無電流無電流產(chǎn)生有微弱電流產(chǎn)生本質(zhì)金屬被氧化較活潑金屬被氧化聯(lián)系兩者往往同時發(fā)生,電化學(xué)腐蝕更普遍2.類型(1)化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕(2)析氫腐蝕與吸氧腐蝕以鋼鐵的腐蝕為例二、金屬的防護(hù)1.電化學(xué)防護(hù)(1)犧牲陽極的陰極保護(hù)法原電池原理析氫腐蝕吸氧腐蝕條件水膜酸性較強(qiáng)水膜酸性較弱或呈中性電極反應(yīng)負(fù)極Fe-2e-Fe2+正極2H+2e-H2O2+2H2O+4e-4OH-總反應(yīng)Fe+2H+Fe2+H22Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2其他反應(yīng)4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,Fe(OH)3脫水生成鐵銹Fe2O3nH2O普遍性吸氧腐蝕更普遍負(fù)極:比被保護(hù)金屬活潑的金屬正極:

10、被保護(hù)的金屬設(shè)備(2)外加電流的陰極保護(hù)法電解原理陰極:被保護(hù)的金屬設(shè)備陽極:惰性金屬2.改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu),如制成合金、不銹鋼等。3.在金屬表面覆蓋保護(hù)層,如在金屬表面噴油漆、涂油脂、電鍍、噴鍍或表面鈍化等方法。方法方法1 電極反應(yīng)式的書寫方法電極反應(yīng)式的書寫方法1.一般電極反應(yīng)式的書寫突破方法反應(yīng)式=總反應(yīng)式-較簡單一極電極反應(yīng)式如CH4酸性燃料電池中,負(fù)極反應(yīng)式書寫步驟為:CH4+2O2CO2+2H2O總反應(yīng)式2O2+8H+8e-4H2O正極反應(yīng)式由“負(fù)極反應(yīng)式=總反應(yīng)式-正極反應(yīng)式”得:CH4+2H2O-8e-CO2+8H+負(fù)極反應(yīng)式例例1(2017浙江寧波鎮(zhèn)海中學(xué)單元檢測)(1)常溫

11、下,將除去表面氧化膜的Al、Cu片插入濃HNO3中組成原電池如圖1所示,測得原電池的電流強(qiáng)度(I)隨時間(t)的變化如圖2所示,反應(yīng)過程中有紅棕色氣體產(chǎn)生。2.復(fù)雜電極反應(yīng)式的書寫總體思路:復(fù)雜電極0t1時,原電池的負(fù)極是Al片,此時,正極的電極反應(yīng)式是,溶液中的H+向極移動,t1后原電池中電子流動方向發(fā)生改變,其原因是。(2)以鋁材為陽極,在H2SO4溶液中電解,鋁材表面形成耐酸氧化膜,陽極電極反應(yīng)式為。(3)用Al單質(zhì)作陽極,石墨作陰極,NaHCO3溶液作電解液進(jìn)行電解,生成難溶物R,寫出陽極生成R的電極反應(yīng)式:。解析解析(1)在0t1時,鋁片作負(fù)極被氧化,依題意,正極上濃硝酸被還原為紅棕

12、色的NO2,電極反應(yīng)式為2H+N+e-NO2+H2O;在電場作用下,陽離子向正極移動;從圖2可以看出t1后電流方向發(fā)生改變,原因是Al表面因發(fā)生鈍化不能進(jìn)一步反應(yīng),濃硝酸還可以與銅發(fā)生反應(yīng),t1后銅片作負(fù)極,鋁片作正極。(2)依據(jù)信息知陽極形成的氧化膜一定為Al2O3,Al失電子生成Al2O3,Al2O3中的氧元素是由水提供的,結(jié)合溶液顯酸性,知有3OH+生成。(3)Al作陽極,失電子,生成Al3+,Al3+水解使溶液顯酸性,溶液中的HC水解使溶液顯堿性,兩者水解互相促進(jìn),生成Al(OH)3和CO2。答案答案(1)2H+N+e-NO2+H2O正Al在濃硝酸中發(fā)生鈍化,氧化膜阻止了Al進(jìn)一步反應(yīng)

13、(2)2Al-6e-+3H2OAl2O3+6H+(3)Al+3HC-3e-Al(OH)3+3CO21-1全釩液流電池是一種新型的綠色環(huán)保儲能電池。其電池總反應(yīng)為:V3+VO2+H2OV+2H+V2+。下列說法正確的是()A.放電時正極反應(yīng)為:V+2H+e-VO2+H2OB.充電時陰極反應(yīng)為:V2+-e-V3+C.放電過程中電子由負(fù)極經(jīng)外電路移向正極,再由正極經(jīng)電解質(zhì)溶液移3O3O3O2O2O向負(fù)極D.充電過程中,H+由陰極區(qū)向陽極區(qū)遷移答案答案 A解析解析放電時,負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),正極發(fā)生還原反應(yīng),負(fù)極反應(yīng)為:V2+-e-V3+,正極反應(yīng)為:V+2H+e-VO2+H2O,A正確;充電時,陰極反

14、應(yīng)為:V3+e-V2+,B錯誤;充電時,陽極反應(yīng)為:VO2+H2O-e-V+2H+,H+在陽極區(qū)生成,由陽極區(qū)向陰極區(qū)遷移,D錯誤;C項(xiàng)中電解質(zhì)溶液導(dǎo)電是靠離子的定向移動。2O2O方法方法2 電解池相關(guān)問題的處理方法電解池相關(guān)問題的處理方法1.電極產(chǎn)物的判斷和電極反應(yīng)式的書寫(1)電解時電極產(chǎn)物的判斷(2)電極反應(yīng)式的書寫定電極標(biāo)得失選離子配電荷配個數(shù)巧用水兩式加驗(yàn)總式a.判斷陰、陽極,分析電極材料,判斷是電極材料放電還是溶液中的離子放電。陽極為金屬活性電極時,電極材料放電。b.根據(jù)離子放電順序,確定放電的離子種類,分析電極反應(yīng),并判斷電極產(chǎn)物,按照“陽極氧化、陰極還原”寫出電極反應(yīng)式。c.電

15、解水溶液時,應(yīng)注意水電離出的H+、OH-放電時電極反應(yīng)式的書寫。類型電解質(zhì)電極反應(yīng)式及總反應(yīng)電解物質(zhì)電解質(zhì)溶液的變化pH使電解質(zhì)溶液復(fù)原電解水型NaOH陰極:4H+4e-2H2陽極:4OH-4e-2H2O+O22H2O2H2+O2H2O濃度增大增大加水H2SO4H2O濃度增大減小加水Na2SO4H2O濃度增大不變加水2.以惰性電極電解電解質(zhì)溶液的類型電解電解質(zhì)型HCl陰極:2H+2e-H2陽極:2Cl-2e-Cl22HClH2+Cl2HCl濃度減小增大通HCl氣體CuCl2陰極:Cu2+2e-Cu陽極:2Cl-2e-Cl2CuCl2Cu+Cl2CuCl2濃度減小加CuCl2放H2生堿型NaCl

16、陰極:2H+2e-H2陽極:2Cl-2e-Cl22NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2NaCl和H2O生成NaOH增大通HCl氣體放O2生酸型CuSO4陰極:2Cu2+4e-2Cu陽極:4OH-4e-2H2O+O22CuSO4+2H2O2H2SO4+O2+2CuCuSO4和H2O生成H2SO4減小加CuO溫馨提示(1)對于強(qiáng)堿、含氧酸、活潑金屬的含氧酸鹽,用惰性電極電解它們的水溶液時,實(shí)際上是電解H2O,溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,濃度增大。(2)電解后要恢復(fù)原電解質(zhì)溶液的濃度,需加適量的某物質(zhì),要考慮溶質(zhì)的量,也要考慮水的量。例如用惰性電極電解足量CuSO4溶液,要恢復(fù)原溶液的濃度,可向電解后

17、的溶液中加入CuO,但不能加入Cu(OH)2,因?yàn)镃u(OH)2與生成的H2SO4反應(yīng)后使水的量增加。3.關(guān)于電解池的計(jì)算(1)根據(jù)得失電子守恒計(jì)算先判斷電解池的電極和電極反應(yīng),再分別找出得失電子的量,運(yùn)用得失電子守恒進(jìn)行計(jì)算。(2)根據(jù)總反應(yīng)式計(jì)算先寫出電極反應(yīng)式,再寫出總反應(yīng)式,最后根據(jù)總反應(yīng)式計(jì)算。(3)根據(jù)關(guān)系式計(jì)算對于多個電解池串聯(lián)的裝置,通過每個電極的電子數(shù)相等,可據(jù)此找出已知量和未知量之間的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算。例例2如圖所示,某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個燃料電池并探究氯堿工業(yè)原理和粗銅的精煉原理,其中乙裝置中X為陽離子交換膜。請按要求回答相關(guān)問題:(1)甲烷燃料電池負(fù)極反應(yīng)式是。(2)石墨(C)

18、極的電極反應(yīng)式為。(3)若在標(biāo)準(zhǔn)狀況下,有2.24L氧氣參加反應(yīng),則乙裝置中鐵極上生成的氣體體積為L;丙裝置中陰極析出銅的質(zhì)量為g。(4)某同學(xué)利用甲烷燃料電池設(shè)計(jì)電解法制取漂白液或Fe(OH)2的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。若用于制漂白液,a為電池的極,電解質(zhì)溶液最好用。若用于制Fe(OH)2,使用硫酸鈉作電解質(zhì)溶液,陽極選用作電極。解析解析(1)甲烷燃料電池負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng),即甲烷在負(fù)極上被氧化,在KOH溶液中甲烷被氧化的產(chǎn)物為碳酸鉀,負(fù)極反應(yīng)式為CH4-8e-+10OH-C+7H2O。(2)原電池的負(fù)極與電解池的陰極相接,鐵極為陰極,則C極為陽極,在C極上發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為2Cl-2e-

19、Cl2。(3)n(O2)=0.1mol,甲裝置中正極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O4OH-,經(jīng)過甲、乙、丙裝置的電子的物質(zhì)的量為0.4mol。鐵極為陰極,發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)式為2H2O+2e-2OH-+H2,n(H2)=0.2mol,V(H2)=0.2mol22.4Lmol-1=4.48L。丙裝置中精銅為陰極,發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)式為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鈉,制備原理是2Cl-+2H2O2OH-+Cl2+H2,Cl2+2OH-Cl-+ClO-+H2O,氣體與液體反應(yīng),氣體應(yīng)在下端產(chǎn)

20、生,所以該裝置的B端為陽極,A端23O12.24L22.4L mol0.4mol20.4mol2為陰極,陰極與電源負(fù)極相連,故a極為負(fù)極;電解質(zhì)溶液最好用飽和氯化鈉溶液。若制備氫氧化亞鐵,用硫酸鈉溶液作電解質(zhì)溶液,應(yīng)選用鐵作陽極。答案答案(1)CH4-8e-+10OH-C+7H2O(2)2Cl-2e-Cl2(3)4.4812.8(4)負(fù)飽和氯化鈉溶液或食鹽水鐵2-1電解尿素CO(NH2)2的堿性溶液制氫的裝置示意圖如下(電解池中隔膜僅阻止氣體通過,a、b極均為惰性電極)。下列說法正確的是()23OA.電解時,b極是陰極,放出H2,發(fā)生氧化反應(yīng)B.溶液中OH-逐漸向b極移動C.電解時,a極的電極

21、反應(yīng)式為:CO(NH2)2+8OH-6e-C+N2+6H2OD.若在b極產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下224mL氫氣,則消耗尿素2g23O答案答案 C解析解析從所給裝置圖可知b極上H+得電子發(fā)生還原反應(yīng)而放出H2,A錯;b極上H+放電,b極附近溶液中OH-濃度增大,OH-向a極移動,B錯;a極是電解池的陽極,a極上CO(NH2)2中-3價(jià)的N失電子被氧化為N2,C元素在堿性條件下以C形式存在,電極反應(yīng)式為CO(NH2)2+8OH-6e-C+N2+6H2O,C正確;b極產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下224mL氫氣時,電路中通過的電子為0.01mol2=0.02mol,則消耗尿素:0.02mol=0.2g,D錯。23O23O60g / mol6