专题10 电化学及其应用(教学案)-高考化学二轮复习(解析版).doc
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1、1.了解原电池和电解池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。3.理解金属发生电化学腐蚀的原因。了解金属腐蚀的危害和防止金属腐蚀的措施。电化学是氧化还原反应知识的应用和延伸,是历年高考的热点内容。考查的主要知识点:原电池和电解池的工作原理、电极反应式的书写和判断、电解产物的判断、金属的腐蚀和防护。对本部分知识的考查仍以选择题为主,在非选择题中电化学知识可能与工业生产、环境保护、新科技、新能源知识相结合进行命题。复习时,应注意:1对基础知识扎实掌握,如电极反应式的书写、燃料电池的分析等。2电化学问题的探究设计、实物图分析及新型电池的分析是近年来高考中的
2、热点,通过在练习中总结和反思,提高在新情境下运用电化学原理分析解决实际问题的能力。一、 原电池电极的判断以及电极方程式的书写1.原电池正、负极的判断方法:(1)由组成原电池的两极材料判断。一般是活泼的金属为负极,活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。(2)根据电流方向或电子流动方向判断。电流由正极流向负极;电子由负极流向正极。(3)根据原电池里电解质溶液内离子的流动方向判断。在原电池的电解质溶液内,阳离子移向正极,阴离子移向负极。(4)根据原电池两极发生的变化来判断。原电池的负极失电子发生氧化反应,其正极得电子发生还原反应。(5)电极增重或减轻。工作后,电极质量增加,说明溶液中的阳离子在电极
3、(正极)放电,电极活动性弱;反之,电极质量减小,说明电极金属溶解,电极为负极,活动性强。(6)有气泡冒出。电极上有气泡冒出,是因为发生了析出H2的电极反应,说明电极为正极,活动性弱。2原电池电极反应式和总反应式的书写(1)题目给定原电池的装置图,未给总反应式:首先找出原电池的正、负极,即分别找出氧化剂和还原剂。结合介质判断出还原产物和氧化产物。写出电极反应式(注意两极得失电子数相等),将两电极反应式相加可得总反应式。(2)题目中给出原电池的总反应式:分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况,找出氧化剂及其对应的还原产物,氧化剂发生的反应即为正极反应;找出还原剂及其对应的氧化产物,还原剂参加的
4、反应即为负极反应。当氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物由多种元素组成时,还应注意介质的反应。若有一电极反应较难写出,可先写出较易写出的电极反应,然后再利用总反应式减去该电极反应即得到另一电极反应。说明:在书写电极反应式时要注意哪些方面?1两极得失电子数目相等;2电极反应式常用“”不用“”表示;3电极反应式中若有气体生成,需加“”;而弱电解质或难溶物均以分子式表示,其余以离子符号表示;4写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒,可在电极反应式一端根据需要添加H或OH或H2O;5两电极反应、电池总反应的三个方程式,若已知其中两个,可由方程式的加减得到第三个。二 、原电池工作原理的应用1依据原电池原理
5、比较金属活动性强弱(1)电子由负极流向正极,由活泼金属流向不活泼金属,而电流方向是由正极流向负极,二者是相反的。(2)在原电池中,活泼金属作负极,发生氧化反应;不活泼金属作正极,发生还原反应。(3)原电池的正极通常具备特定的现象:有气体生成,或电极质量增加或不变等;负极通常不断溶解,质量减少。2根据原电池原理,把各种氧化还原反应设计成电池从理论上讲,任何一个自发的氧化还原反应,都可以设计成原电池。关键是选择合适的电解质溶液和两个电极。(1)电解质溶液的选择电解质是使负极放电的物质。因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应。或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如空气中的氧气)。但如果两
6、个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥),则左右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。如,在铜锌硫酸构成的原电池中,负极金属锌浸泡在含有Zn2的电解质溶液中,而正极铜浸泡在含有Cu2的溶液中。(2)电极材料的选择电池的电极必须导电。电池中的负极必须能够与电解质溶液反应,容易失去电子,因此负极一般是活泼的金属材料。正极和负极之间只有产生电势差,电子才能定向移动,所以正极和负极不用同一种材料。一般情况下,两个电极的构成分为4种情况:活泼性不同的两种金属。例如,锌铜原电池中,锌作电池的负极,铜作电池的正极。金属和非金属。例如,锌锰干电池中,锌片作电池的负极,石墨棒作电池的正极。金属和
7、化合物。例如,铅蓄电池中,铅板作电池的负极,二氧化铅作电池的正极。惰性电极。例如,氢氧燃料电池中,两根电极均可用Pt。三、原电池正负极判断的方法1由组成原电池的两极材料判断较活泼的金属为负极,较不活泼的金属或能导电的非金属为正极。2根据电流方向或电子流向判断外电路中,电流由正极流向负极,电子由负极流向正极。3根据原电池电解质溶液中离子的移动方向判断在原电池电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。4根据原电池中两极发生的反应判断原电池中,负极总是发生氧化反应,正极总是发生还原反应。若给出一个总方程式,则可根据化合价升降来判断。5根据电极质量的变化判断原电池工作后,某一电极质量增加,说明溶液
8、中的阳离子在该电极上放电,该极为正极,活泼性较弱;反之,如果某一电极质量减轻,则该电极溶解,为负极,活泼性较强。6根据电极上有气泡产生判断原电池工作后,如果某一电极上有气体产生,通常是因为该电极发生了析出H2的反应,说明该电极为正极,活泼性较弱。7根据某电极(X)附近pH的变化判断析氢或吸氧的电极反应发生后,均能使该电极附近电解质溶液的pH增大,因而原电池工作后,X极附近的pH增大了,说明X极为正极,金属活动性较强。四、电池电极反应式的书写方法书写电极反应式前,我们应首先明确电池的正负极、电极材料和电解质溶液的性质,对于二次电池还要注意放电或充电的方向。(1)电极的判断对于普通电池,我们通常比
9、较两个电极的金属活动性,通常金属活动性强的电极为电池的负极,金属活动性弱的电极或非金属(通常为石墨)为电池的正极。对于燃料电池,两个电极的材料通常相同,所以从电极材料上很难判断电池的正负极。判断电池正负极的方法,通常是利用电池总反应式,含化合价升高元素的反应物为电池的负极反应物,此电极为负极;含化合价降低元素的反应物通常为电池的正极反应物,此电极为电池的正极。(2)电极反应书写步骤例如,铅蓄电池其总反应式为:PbO2(s)Pb(s)2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)2H2O(l) 其电极反应式的书写步骤为:放电时,为原电池原理,总反应式中已指明放电方向从左向右的过程,即可逆符号左边为反应
10、物,右边为生成物。由化合价的升降判断负、正极的反应物负极:Pb正极: PbO2主产物负极:PbSO4正极:PbSO4由化合价升降确定电子得失的数目负极:2e正极:2e电极反应关系式负极:Pb2ePbSO4正极:PbO22ePbSO4考虑电解质溶液,再利用电荷守恒、质量守恒调整反应式负极:Pb2eSO42-PbSO4正极:PbO22e4HSO42-PbSO42H2O充电时,是总反应式的逆向过程,氧化剂、还原剂都为PbSO4分析反应过程阴极(发生还原反应或与外电源负极相连)反应过程:PbSO4 阳极(发生氧化反应或与外电源正极相连)反应过程:PbSO4 充电时电极反应阴极:PbSO42ePbSO4
11、2-阳极:PbSO42H2O2ePbO24HSO42-五、电解质溶液的电解规律(惰性电极)1.以惰性电极电解电解质溶液,分析电解反应的一般方法和步骤(1)分析电解质溶液的组成,找出离子,并分为阴、阳两组。(2)分别对阴、阳离子排出放电顺序,写出两极上的电极反应式。(3)合并两个电极反应式,得出电解反应的总化学方程式或离子方程式。2反应类型(1)电解水型:含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐(如NaOH、H2SO4、K2SO4等)溶液的电解。如:来源:.Com阴极:4H4e2H2,阳极:4OH4e2H2OO2,总反应:(2)自身分解型:无氧酸(除HF外)、不活泼金属的无氧酸盐(除氟化物外,如HCl
12、、CuCl2等)溶液的电解。如:阴极:Cu22eCu,阳极:2Cl2eCl2,(3)放氢生碱型:活泼金属的无氧酸盐(氟化物除外,如NaCl、MgCl2等)溶液的电解。如:阴极:2H2eH2,阳极:2Cl2eCl2,(4)放氧生酸型:不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4、AgNO3等)溶液的电解。如:阴极:2Cu24e2Cu,阳极:2H2O4eO24H,六、原电池、电解池和电镀池的比较原电池电解池电镀池定义将化学能转化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的装置装置举例形成条件活动性不同的两个电极(连接);电解质溶液(电极插入其中并与电极自发反应);形成闭
13、合回路直流电源;两个电极接两个电极插入电解质溶液;形成闭合回路电源正极;镀层金属接电镀液必须含有镀层金属的离子电极名称负极:较活泼金属;正极:较不活泼金属(或能导电的非金属)阳极:与电源正极相连的极;阴极:与电源负极相连的极(由外加电源决定)阳极:镀层金属;阴极:镀件(同电解池)电极反应负极:氧化反应,金属失电子;正极:还原反应,溶液中的阳离子得电子阳极:氧化反应,溶液中的阴离子失电子,或电极金属失电子;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:电镀液中阳离子得电子电子流向负极正极电源负极阴极电源正极阳极电源负极阴极电源正极阳极反应原理举例负极:Zn2eZn2正极:2H2
14、eH2总反应:Zn2HZn2H2阳极:2Cl2eCl2阴极:Cu22eCu总反应:Cu22ClCuCl2阳极:Zn2eZn2阴极:Zn22eZn溶液中Zn2浓度不变主要应用金属的电化学腐蚀分析;牺牲阳极的阴极保护法;制造多种新的化学电源电解食盐水(氯碱工业);电冶金(冶炼Na、Mg、Al);精炼铜镀层金属为铬、锌、镍、银等,使被保护的金属抗腐蚀能力增强,增加美观和表面硬度实质使氧化还原反应中的电子通过导线定向转移,形成电流使电流通过电解质溶液,而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程联系(1)同一原电池的正、负极发生的电极反应得、失电子数相等。(2)同一电解池的阴极、阳极发生的电极反应中得、失电子
15、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,在写电极反应式时,得、失电子数要相等,在计算电解产物的量时,应按得、失电子数相等计算考点一原电池原理与化学电源例1控制适合的条件,将反应2Fe32I2Fe2I2设计成如图所示的原电池。下列判断不正确的是()A反应开始时,乙中石墨电极上发生氧化反应B反应开始时,甲中石墨电极上Fe3被还原来源:.ComC电流表读数为零时,反应达到化学平衡状态D电流表读数为零后,在甲中溶入FeCl2固体,乙中的石墨电极为负极解析:选D。由图示结合原电池原理分析可知,Fe3得电子变成Fe2被还原,I失去电子变成I2被氧化,所以A、B正确;电流表读
16、数为零时,Fe3得电子速率等于Fe2失电子速率,反应达到平衡状态,C正确;在甲中溶入FeCl2固体,平衡2Fe32I2Fe2I2向左移动,I2被还原为I,乙中石墨为正极,D不正确。【变式探究】某原电池装置如图所示,电池总反应为2AgCl2=2AgCl。下列说法正确的是()A正极反应为AgCle=AgClB放电时,交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成C若用NaCl溶液代替盐酸,则电池总反应随之改变D当电路中转移0.01 mol e时,交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子考点二电解原理及其应用例2某模拟“人工树叶”电化学实验装置如图所示,该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料(C3H8O)。
17、下列说法正确的是()A该装置将化学能转化为光能和电能B该装置工作时,H从b极区向a极区迁移C每生成1 mol O2,有44 g CO2被还原Da电极的反应为3CO218H18e=C3H8O5H2O解析:选B。结合装置图可知该装置为电解装置,模拟“人工树叶”,故为电能转化为化学能,A项错误;b极连接电源的正极,为阳极,在电解池中H向a极(阴极)区移动,B项正确;右侧H2OO2发生的是氧化反应,每生成1 mol O2,转移4 mol电子,C3H8O中碳元素的化合价是2,3CO2C3H8O,转移18 mol电子,故生成1 mol O2消耗 mol CO2,C项错误;a电极发生的是还原反应:3CO21
18、8H18e=C3H8O5H2O,D项错误。【变式探究】H3PO2也可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如下图所示(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_。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H3
19、PO2被氧化考点三电解的计算例3在1 L K2SO4和CuSO4的混合溶液中c(SO)2.0 molL1,用石墨电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到22.4 L(标准状况)气体,则原溶液中c(K)为()A2.0 molL1 B1.5 molL1C1.0 molL1 D0.50 molL1解析:选A。由于两极均可产生气体,所以阳极是阴离子OH放电得到O2,阴极是Cu2和H放电得到Cu和H2,由得失电子守恒可知:2n(O2)n(Cu2)n(H2),而n(O2)n(H2)22.4 L/(22.4 Lmol1)1.0 mol,所以n(Cu2)n(O2)1.0 mol,c(Cu2)1.0 mo
20、lL1,原溶液中存在电荷守恒:c(K)2c(Cu2)2c(SO),所以c(K)22.0 molL121.0 molL12.0 molL1。【变式探究】在如图所示的装置中,若通直流电5 min时,铜电极质量增加2.16 g。试回答下列问题:(1)电源中X电极为直流电源的_极。(2)pH变化:A:_,B:_,C:_(填“增大”、“减小”或“不变”)。(3)通电5 min时,B中共收集224 mL(标准状况下)气体,溶液体积为200 mL,则通电前CuSO4溶液的物质的量浓度为_(假设电解前后溶液体积无变化)。(4)若A中KCl足量且溶液的体积也是200 mL,电解后,溶液的pH为_(假设电解前后溶
21、液体积无变化)。答案:(1)负(2)增大减小不变(3)0.025 molL1(4)13考点四金属的腐蚀与防护例4研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。下列有关说法错误的是()Ad为石墨,铁片腐蚀加快Bd为石墨,石墨上电极反应为:O22H2O4e=4OHCd为锌块,铁片不易被腐蚀Dd为锌块,铁片上电极反应为:2H2e=H2解析:选D。由于活动性:Fe石墨,所以铁、石墨及海水构成的原电池中,Fe为负极,失去电子被氧化变为Fe2进入溶液,溶解在海水中的O2在正极石墨上得到电子被还原,比没有形成原电池时的速率快,A正确。d为石墨,由于是中性电解质,所以发生的是吸氧腐蚀,石墨上O2得到电子,发生还原反应,
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