高考化學二輪專題復習學案：專題七　電化學基礎

PAGE專題七電化學基礎1．(2020·全國卷Ⅰ)科學家近年發(fā)明了一種新型Zn-CO2水介質電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是()A．放電時，負極反應為Zn－2e－＋4OH－=Zn(OH)eq\o\al(2－,4)B．放電時，1molCO2轉化為HCOOH，轉移的電子數為2molC．充電時，電池總反應為2Zn(OH)eq\o\al(2－,4)=2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2OD．充電時，正極溶液中OH－濃度升高解析：由題可知，放電時，CO2轉化為HCOOH，即CO2發(fā)生還原反應，故放電時右側電極為正極，左側電極為負極，Zn發(fā)生氧化反應生成Zn(OH)eq\o\al(2－,4)；充電時，右側為陽極，H2O發(fā)生氧化反應生成O2，左側為陰極，Zn(OH)eq\o\al(2－,4)發(fā)生還原反應生成Zn，以此分析解答。A項，放電時，負極上Zn發(fā)生氧化反應，電極反應式為Zn－2e－＋4OH－=Zn(OH)eq\o\al(2－,4)，正確；B項，放電時，CO2轉化為HCOOH，C元素化合價降低2，則1molCO2轉化為HCOOH時，轉移電子數為2mol，正確；C項，充電時，陽極上H2O轉化為O2，負極上Zn(OH)eq\o\al(2－,4)轉化為Zn，電池總反應為2Zn(OH)eq\o\al(2－,4)=2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O，正確；D項，充電時，正極即為陽極，電極反應式為2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，溶液中H＋濃度增大，溶液中c(H＋)·c(OH－)＝KW，溫度不變時，KW不變，因此溶液中OH－濃度降低，錯誤。答案：D2．(2020·全國卷Ⅲ)一種高性能的堿性硼化釩(VB2)—空氣電池如圖所示，其中在VB2電極發(fā)生反應：VB2＋16OH－－11e－=VOeq\o\al(3－,4)＋2B(OH)eq\o\al(－,4)＋4H2O。該電池工作時，下列說法錯誤的是()A．負載通過0.04mol電子時，有0.224L(標準狀況)O2參與反應B．正極區(qū)溶液的pH降低、負極區(qū)溶液的pH升高C．電池總反應為4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O=8B(OH)eq\o\al(－,4)＋4VOeq\o\al(3－,4)D．電流由復合碳電極經負載、VB2電極、KOH溶液回到復合碳電極解析：根據圖示的電池結構，左側VB2發(fā)生失電子的反應生成VOeq\o\al(3－,4)和B(OH)eq\o\al(－,4)，反應的電極方程式如題干所示，右側空氣中的氧氣發(fā)生得電子的反應生成OH－，反應的電極方程式為O2＋4e－＋2H2O=4OH－，電池的總反應方程式為4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O=8B(OH)eq\o\al(－,4)＋4VOeq\o\al(3－,4)，據此分析。A項，當負極通過0.04mol電子時，正極也通過0.04mol電子，根據正極的電極方程式，通過0.04mol電子消耗0.01mol氧氣，在標準狀況下為0.224L，正確；B項，反應過程中正極生成大量的OH－使正極區(qū)pH升高，負極消耗OH－使負極區(qū)OH－濃度減小pH降低，錯誤；C項，根據分析，電池的總反應為4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O=8B(OH)eq\o\al(－,4)＋4VOeq\o\al(3－,4)，正確；D項，電池中，電子由VB2電極經負載流向復合碳電極，電流流向與電子流向相反，則電流流向為復合碳電極→負載→VB2電極→KOH溶液→復合碳電極，正確。答案：B3．(2020·天津卷)熔融鈉—硫電池性能優(yōu)良，是具有應用前景的儲能電池。下圖中的電池反應為2Na＋xSeq\o(,\s\up14(放電),\s\do20(充電))Na2Sx(x＝5～3，難溶于熔融硫)。下列說法錯誤的是()A．Na2S4的電子式為B．放電時正極反應為xS＋2Na＋＋2e－=Na2SxC．Na和Na2Sx分別為電池的負極和正極D．該電池是以Na-β-Al2O3為隔膜的二次電池解析：根據電池反應：2Na＋xSeq\o(,\s\up14(放電),\s\do15(充電))Na2Sx可知，放電時，鈉作負極，發(fā)生氧化反應，電極反應為：Na－e－=Na＋，硫作正極，發(fā)生還原反應，電極反應為xS＋2Na＋＋2e－=Na2Sx，據此分析。A項，Na2S4屬于離子化合物，4個硫原子間形成三對共用電子對，電子式為，正確；B項，放電時發(fā)生的是原電池反應，正極發(fā)生還原反應，電極反應為xS＋2Na＋＋2e－=Na2Sx，正確；C項，放電時，Na為電池的負極，正極為硫單質，錯誤；D項，放電時，該電池是以鈉作負極，硫作正極的原電池；充電時，是電解池，Na-β-Al2O3為隔膜，起到電解質溶液的作用，該電池為二次電池，正確。答案:C電化學是氧化還原反應知識的應用和延伸，近幾年全國卷高考試題中均涉及電化學基礎，命題在繼續(xù)加強基本知識考查的基礎上，更加注重了試題題材的生活化、實用化、情境化，同時也加強了不同知識間的相互滲透與融合，試題的背景較為新穎，側重考查分析判斷、獲取信息解答問題及計算能力。題型有以新型電池為背景的選擇題和以電極反應式書寫為主的填空題，通?？疾榈闹R點是從閉合回路的形成角度分析原電池、電解池的工作原理，電極的判斷，電極反應式的書寫，電子的轉移或電流的方向和溶液中離子的移動方向的判斷，溶液pH的變化，離子交換膜作用，有關計算，理解原電池和電解池原理的實際應用等，難度一般偏大。解題時要求掌握“結合反應原理，根據元素化合價變化，正確判斷電極發(fā)生的反應和書寫電極反應方程式”的方法。考點一原電池工作原理和化學電源1．工作原理(以鋅銅原電池為例)電極名稱負極正極電極材料鋅片銅片電極反應Zn－2e－=Zn2＋Cu2＋＋2e－=Cu反應類型氧化反應還原反應鹽橋中離子移向鹽橋含飽和KCl溶液，K＋移向正極，Cl－移向負極鹽橋的作用起隔離作用，提高能量的轉化效率；平衡溶液中的電荷；構成閉合回路2.化學電源(1)放電是原電池反應，充電是電解池反應。(2)判斷電池放電時電極極性和材料，可先標出放電(原電池)總反應式電子轉移的方向和數目，失去電子的一極為負極，該物質即為負極材料；得到電子的一極為正極，該物質即為正極材料。若判斷電池充電時電極極性和材料，方法同前，失去電子的一極為陽極，該物質即為陽極材料；得到電子的一極為陰極，該物質即為陰極材料。(3)放電時，陰離子移向負極，陽離子移向正極；充電時，陰離子移向陽極，陽離子移向陰極。(4)可充電電池用完后充電時，原電池的負極與外電源的負極相連，原電池的正極與外電源的正極相連。(5)放電(原電池)的負極及充電(電解池)的陽極均失去電子，發(fā)生了氧化反應，其變價元素被氧化；放電(原電池)的正極及充電(電解池)的陰極均得到電子，發(fā)生了還原反應，其變價元素被還原。(6)書寫可充電電池電極反應式，一般都是先書寫放電的電極反應式。書寫放電的電極反應式時，一般要遵守三步：先標出原電池總反應式電子轉移的方向和數目，指出參與負極和正極反應的物質；寫出一個比較容易書寫的電極反應式(書寫時一定要注意電極產物是否與電解質溶液共存)；在電子守恒的基礎上，總反應式減去寫出的電極反應式即得另一電極反應式。充電的電極反應與放電的電極反應過程相反，充電的陽極反應為放電正極反應的逆過程，充電的陰極反應為放電負極反應的逆過程。3．燃料電池(1)燃料電池就是將燃料(如氫氣、甲烷、乙醇等)氧化時，化學能直接轉變?yōu)殡娔艿难b置。它由燃料、氧化劑、電極、電解質組成。在結構上具有正、負極，且正、負極被電解質分隔。所有燃料電池的基本形式為：將燃料和氧氣(或空氣)分別充入負極和正極，兩者在電極的催化下發(fā)生化學反應，從而產生電流。(2)燃料電池在放電時發(fā)生的總反應和燃料燃燒的總反應一樣。一般是氧氣作氧化劑，可燃物作還原劑。根據電池的基本原理可知，負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應，所以可燃物為負極反應物，氧氣為正極反應物。(3)根據燃燒反應的方程式書寫電極反應式應遵循原子守恒、電子守恒及電荷守恒，注意電解質溶液參與電極反應，若電解質溶液為堿溶液，則正極反應式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－；若電解質溶液為酸溶液，則正極反應式為O2＋4H＋＋4e－=2H2O；若電解質為熔融碳酸鹽，則正極反應式為O2＋4e－＋2CO2=2COeq\o\al(2－,3)。(2019·全國卷Ⅰ)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2＋/MV＋在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是()A．相比現有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能B．陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反應H2＋2MV2＋=2H＋＋2MV＋C．正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應生成NH3D．電池工作時質子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動解析：由生物燃料電池的示意圖可知，左室電極為燃料電池的負極，MV＋在負極失電子發(fā)生氧化反應生成MV2＋，電極反應式為MV＋－e－=MV2＋，放電生成的MV2＋在氫化酶的作用下與H2反應生成H＋和MV＋，反應的方程式為H2＋2MV2＋=2H＋＋2MV＋；右室電極為燃料電池的正極，MV2＋在正極得電子發(fā)生還原反應生成MV＋，電極反應式為MV2＋＋e－=MV＋，放電生成的MV＋與N2在固氮酶的作用下反應生成NH3和MV2＋，反應的方程式為N2＋6H＋＋6MV＋=6MV2＋＋2NH3，電池工作時，氫離子通過交換膜由負極向正極移動。A項，相比現有工業(yè)合成氨，該方法選用酶作催化劑，條件溫和，同時利用MV＋和MV2＋的相互轉化，化學能轉化為電能，故可提供電能，正確；B項，左室為負極區(qū)不是陰極區(qū)，MV＋在負極失電子發(fā)生氧化反應生成MV2＋，電極反應式為MV＋－e－=MV2＋，放電生成的MV2＋在氫化酶的作用下與H2反應生成H＋和MV＋，反應的方程式為H2＋2MV2＋=2H＋＋2MV＋，錯誤；C項，右室為正極區(qū)，MV2＋在正極得電子發(fā)生還原反應生成MV＋，電極反應式為MV2＋＋e－=MV＋，放電生成的MV＋與N2在固氮酶的作用下反應生成NH3和MV2＋，正確；D項，電池工作時，氫離子(即質子)通過交換膜由負極向正極移動，正確。答案：B電極方程式的書寫類似于一個完整的氧化還原型離子方程式的配平，先由信息分離出反應物和生成物，然后配平參與變價的離子或物質，再根據介質(酸堿性或熔融化合物)調節(jié)電荷守恒，最后用原子個數守恒檢查電極反應式是否正確?？键c二電解池工作原理及應用1．電解產物判斷(1)陽極產物的判斷：首先看電極，如果是活性電極(金屬活動性順序表中Ag以前的金屬)，則電極材料失去電子，電極被溶解，溶液中的陰離子不能失去電子。如果是惰性電極(Pt、Au、石墨)，就要看溶液中離子的失電子能力。這時要根據陰離子的放電順序加以判斷。常見陰離子的放電順序：S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根。(2)陰極產物的判斷：直接由陽離子放電順序進行判斷，一般為Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋＞Pb2＋＞Sn2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca2＋＞K＋。2．電解類型的確定(1)電解水型：含氧酸、強堿、活潑金屬的含氧酸鹽(如H2SO4、NaOH、K2SO4等)的電解。(2)電解質型：無氧酸(除HF外)、不活潑的無氧酸鹽(氟化物除外，如HCl、CuCl2等)溶液的電解。(3)放氫生堿型：活潑金屬的無氧酸鹽(氟化物除外，如NaCl)溶液的電解。(4)放氧生酸型：不活潑金屬的含氧酸鹽(如CuSO4、AgNO3等)溶液的電解。3．“三池”的判斷電化學知識包括原電池和電解池，首先要確定裝置是原電池還是電解池。若無外接電源，可能是原電池，然后依據原電池的形成條件分析判定；若有外接電源，兩極插入電解質溶液中，則可能是電解池或電鍍池，當陽極金屬與電解質溶液中的金屬陽離子相同則為電鍍池，其他情況為電解池。4．電化學的計算(1)根據電子守恒法計算：用于串聯電路、陰陽兩極產物、正負兩極產物、相同電量等類型的計算，其依據是電路中通過的電子數相等。(2)根據總反應式計算：先寫出電極反應式，再寫出總反應式，最后根據總反應式列出比例式計算。(3)根據關系式計算：借助得失電子守恒關系建立已知量與未知量之間的橋梁，建立計算所需的關系式。[2020·新高考卷Ⅰ(山東卷)]采用惰性電極，以去離子水和氧氣為原料通過電解法制備雙氧水的裝置如下圖所示。忽略溫度變化的影響，下列說法錯誤的是()A．陽極反應為2H2O－4e－=4H＋＋O2↑B．電解一段時間后，陽極室的pH未變C．電解過程中，H＋由a極區(qū)向b極區(qū)遷移D．電解一段時間后，a極生成的O2與b極反應的O2等量解析：a極析出氧氣，氧元素的化合價升高，作電解池的陽極，b極通入氧氣，生成過氧化氫，氧元素的化合價降低，被還原，作電解池的陰極。A項，依據分析a極是陽極，屬于放氧生酸性型的電解，所以陽極的反應式是2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，正確；B項，電解時陽極產生氫離子，氫離子是陽離子，通過質子交換膜移向陰極，所以電解一段時間后，陽極室的pH值不變，正確；C項，由B的分析可知，正確；D項，電解時，陽極的反應為2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，陰極的反應為O2＋2e－＋2H＋=H2O2，總反應為O2＋2H2O=2H2O2，要消耗氧氣，即是a極生成的氧氣小于b極消耗的氧氣，錯誤；故選D。答案：D離子交換膜是一種選擇性透過膜，離子交換膜的作用是允許相應離子通過，離子遷移方向遵循原電池或電解池中離子遷移方向?？键c三金屬腐蝕及其防護1．影響金屬腐蝕的因素(1)對于金屬本性來說，金屬越活潑，就越容易失去電子而被腐蝕。(2)電解質溶液對金屬的腐蝕的影響也很大，如果金屬在潮濕的空氣中，接觸腐蝕性氣體或電解質溶液，都容易被腐蝕。2．金屬腐蝕快慢的規(guī)律(1)金屬腐蝕類型的差異：電解原理引起的腐蝕＞原電池原理引起的腐蝕＞化學腐蝕＞有防護措施的腐蝕。(2)電解質溶液的影響：對同一金屬來說，腐蝕的快慢(濃度相同)強電解質溶液＞弱電解質溶液＞非電解質溶液；對同一種電解質溶液來說，一般電解質溶液濃度越大，腐蝕越快；活潑性不同的兩金屬與電解質溶液構成原電池時，一般活潑性差別越大，負極腐蝕越快。3．金屬腐蝕的類型類型析氫腐蝕吸氧腐蝕條件水膜呈酸性水膜呈弱酸性或中性正極反應2H＋＋2e－=H2↑O2＋2H2O＋4e－=4OH－負極反應Fe－2e－=Fe2＋其他反應吸氧腐蝕更普遍，危害更大4.金屬保護的方法(1)加防護層，如在金屬表面加上油漆、搪瓷、瀝青、塑料、橡膠等耐腐蝕的非金屬材料；采用電鍍或表面鈍化等方法在金屬表面鍍上一層不易被腐蝕的金屬。(2)電化學防護：犧牲陽極保護法——原電池原理是正極為被保護的金屬，負極為比被保護的金屬活潑的金屬；外加電流陰極保護法的原理是陰極為被保護的金屬，陽極為惰性電極。(2020·江蘇卷)將金屬M連接在鋼鐵設施表面，可減緩水體中鋼鐵設施的腐蝕。在如圖所示的情境中，下列有關說法正確的是()A．陰極的電極反應式為Fe－2e－=Fe2＋B．金屬M的活動性比Fe的活動性弱C．鋼鐵設施表面因積累大量電子而被保護D．鋼鐵設施在河水中的腐蝕速率比在海水中的快解析：A項，陰極的鋼鐵設施實際作原電池的正極，正極金屬被保護不失電子，錯誤；B項，陽極金屬M實際為原電池裝置的負極，電子流出，原電池中負極金屬比正極活潑，因此M的活動性比Fe的活動性強，錯誤；C項，金屬M失電子，電子經導線流入鋼鐵設施，從而使鋼鐵設施表面積累大量電子，自身金屬不再失電子從而被保護，正確；D項，海水中的離子濃度大于河水中的離子濃度，離子濃度越大，溶液的導電性越強，因此鋼鐵設施在海水中的腐蝕速率比在河水中快，錯誤；故選C。答案：C1．(2019·全國卷Ⅲ)為提升電池循環(huán)效率和穩(wěn)定性，科學家近期利用三維多孔海綿狀Zn(3D-Zn)可以高效沉積ZnO的特點，設計了采用強堿性電解質的3D-Zn-NiOOH二次電池，結構如下圖所示。電池反應為Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)eq\o(,\s\up14(放電),\s\do20(充電))ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。下列說法錯誤的是()A．三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高B．充電時陽極反應為Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－=NiOOH(s)＋H2O(l)C．放電時負極反應為Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－=ZnO(s)＋H2O(l)D．放電過程中OH－通過隔膜從負極區(qū)移向正極區(qū)解析：A項，三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，吸附能力強，所沉積的ZnO分散度高，正確；B項，充電相當于是電解池，陽極發(fā)生失去電子的氧化反應，根據總反應式可知陽極是Ni(OH)2失去電子轉化為NiOOH，電極反應式為Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－=NiOOH(s)＋H2O(l)，正確；C項，放電時相當于是原電池，負極發(fā)生失去電子的氧化反應，根據總反應式可知負極反應式為Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－=ZnO(s)＋H2O(l)，正確；D項，原電池中陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，則放電過程中OH－通過隔膜從正極區(qū)移向負極區(qū)，錯誤。答案：D2．(2019·天津卷)我國科學家研制了一種新型的高比能量鋅—碘溴液流電池，其工作原理示意圖如下。圖中貯液器可儲存電解質溶液，提高電池的容量。下列敘述不正確的是()A．放電時，a電極反應為I2Br－＋2e－=2I－＋Br－B．放電時，溶液中離子的數目增大C．充電時，b電極每增重0.65g，溶液中有0.02molI－被氧化D．充電時，a電極接外電源負極解析：放電時，Zn是負極，負極反應式為Zn－2e－=Zn2＋，正極反應式為I2Br－＋2e－=2I－＋