2022年高考化學(xué)微專題復(fù)習(xí)《電化學(xué)電流效率》

2022年高考化學(xué)微專題復(fù)習(xí)《電化學(xué)電流效率》裝置、過(guò)程和效率是電化學(xué)研究的三駕馬車，作為電化學(xué)重要組成的效率問(wèn)題，教材中出現(xiàn)了比能量和比功率的定義，但很少引起關(guān)注，思則有備，有備無(wú)患，及時(shí)修復(fù)知識(shí)體系的漏洞，避免失分是非常重要的。一理清法拉第常數(shù)與阿伏加德羅常數(shù)的關(guān)系

電化學(xué)中傳遞電子的數(shù)量是計(jì)算的核心，宏觀測(cè)量的電流強(qiáng)度和時(shí)間，通過(guò)法拉第常數(shù)或阿伏加德羅常數(shù)都能獲得電子的物質(zhì)的量。1個(gè)電子電量是1.6×10－19C,1mol電子數(shù)約為6.02×1023,1mol電子所帶電量的絕對(duì)值即F＝6.02×1023mol－1×1.6×10－19C＝96320C/mol，試題中經(jīng)常提供的數(shù)值為F＝96500C/mol。C利用題中新定義信息逆向求解1．比能量：電池單位質(zhì)量或單位體積所輸出電能的多少[單位：(W·h)/kg或(W·h)/L]。單位質(zhì)量或單位體積指表達(dá)式中質(zhì)量或體積處在分母位置，從單位看是kg或L。電池理論產(chǎn)生的電能處在表達(dá)式的分子位置，計(jì)算公式W＝U·I·t＝U·Q＝P·t，其中W是電功，單位為焦耳(J)；U是電壓，單位為伏特(V)；I是電流，單位為安培(A)；t是時(shí)間，單位為秒(s)；Q是電量，單位為庫(kù)侖(C)；P是功率，單位為瓦(W)，1kW·h＝3.6×106J。三

物質(zhì)與能量?jī)纱蠼嵌阮}型歸納訓(xùn)練

化學(xué)變化過(guò)程同時(shí)存在著物質(zhì)和能量變化，同時(shí)遵守質(zhì)量守恒和能量守恒。原電池和電解池電極反應(yīng)式直接計(jì)算屬于理想狀態(tài)，不考慮效率問(wèn)題，若用實(shí)際析出物質(zhì)數(shù)據(jù)計(jì)算，因存在其他副反應(yīng)，要考慮電流效率問(wèn)題。1．理論物質(zhì)消耗和析出的相關(guān)計(jì)算[典例3]

酸性鋅錳干電池是一種一次性電池，外殼為金屬鋅，中間是碳棒，其周圍是由碳粉、二氧化錳、氯化鋅和氯化銨等組成的糊狀填充物。該電池在放電過(guò)程中產(chǎn)生MnO(OH)，維持電流強(qiáng)度為0.5A，電池工作5min，理論消耗Zn________________g。(已知F＝96500C/mol)[答案]

0.05[答案]

80.4%[專項(xiàng)訓(xùn)練]1．利用甲烷的燃燒反應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)燃料電池，用氫氧化鉀溶液作電解質(zhì)溶液，多孔石墨作電極，在電極上分別通入甲烷和氧氣，通入甲烷氣體的電極上發(fā)生的電極反應(yīng)是_______，當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移12mol電子時(shí)，實(shí)際提供的電能是890.0kJ，則該電池的能量轉(zhuǎn)化效率是____________。2．甲醇直接燃料電池具有啟動(dòng)快、效率高、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)。(已知二甲醚直接燃料電池能量密度E＝8.39kW·h·kg－1)。(1)若電解質(zhì)為酸性，甲醇直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為_(kāi)____________；(2)該電池的理論輸出電壓為1.20V，列式計(jì)算能量密度E＝？________________________________________________________________________________________________________________________(能量密度＝電池輸出電能/燃料質(zhì)量，1kW·h＝3.6×106J，一個(gè)電子的電量＝1.6×10－19C)。解析：逆向求解，首先求算陰極生成目標(biāo)產(chǎn)物環(huán)己烷轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，陰極除生成環(huán)己烷外，還生成H2：2H＋＋2e－===H2↑，設(shè)陰極生成的環(huán)己烷為n(C6H12)，生成氫氣為n(H2)，生成的環(huán)己烷與消耗苯的物質(zhì)的量相等，剩余苯的物質(zhì)的量為2.4mol－n(C6H12)，根據(jù)剩余的苯所占的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)列出等式：[n(H2)＋n(C6H12)＋2.4mol－n(C6H12)]×25%＝2.4mol－n(C6H12)。陽(yáng)極反應(yīng)式為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，生成2.8mol氧氣，失去11.2mol電子。電解過(guò)程中通過(guò)陰、陽(yáng)極轉(zhuǎn)移的電子答案：85.7%4．有一個(gè)鉛蓄電池最初有100gPb和100gPbO2，加入過(guò)量的硫酸，發(fā)生如下反應(yīng)：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。理論上，一個(gè)電池可以放電到其中一個(gè)電極完全耗盡為止。假如不再充電，電池工作到反應(yīng)完全，若該電池放電電流為1.00A。通過(guò)計(jì)算求：(1)正、負(fù)極的電極材料中，哪個(gè)電極先消耗完。(2)理論上該電池放電最長(zhǎng)時(shí)間是多少小時(shí)？(已知F＝96500C/mol)5．在宇宙飛船和其他航天器上經(jīng)常使用的氫氧燃料電池是一種新型電源，其構(gòu)造如圖所示：a、b兩個(gè)電極均由多孔的碳?jí)K組成，通入的氫氣和氧氣由孔隙中逸入，并在電極表面發(fā)生反應(yīng)而放電。(1)a電極是電源的________極；(2)若該電池為航天員提供了360kg的水，則電路中通過(guò)了________mol電子。(3)已知H2的燃燒熱為285.8kJ·mol－1，則該燃料電池工作產(chǎn)生36gH2O時(shí)，實(shí)際上產(chǎn)生了468.8kJ的電能，則該燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率是___。(準(zhǔn)確到0.01)(能量轉(zhuǎn)化率是實(shí)際上釋放的電能和理論上反應(yīng)放出的熱能的比率)解析：(1)a電極通入氫氣，a是負(fù)極；(2)a、b兩個(gè)電極均由多孔的碳?jí)K組成，通入的氫氣和氧氣由孔隙中逸入，并在電極表面發(fā)生反應(yīng)而放電，是氫氧燃料電池，燃料氫氣在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，依據(jù)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為2H2＋O2===2H2O，計(jì)算電子轉(zhuǎn)移數(shù)；依據(jù)化學(xué)方程式可知生成360000g水轉(zhuǎn)移電子40000mol；(3)已知H2的燃燒熱為285.8kJ·mol－1，則該燃料電池工作產(chǎn)生36gH2O即2mol水時(shí)，理論上放出571.6kJ，實(shí)際上產(chǎn)生了468.8kJ的電能，則該燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率是468.8kJ÷571.6kJ≈0.82。答案：(1)負(fù)

(2)40000

(3)0.82電極反應(yīng)式或總反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)與新素材命題01原電池電極反應(yīng)式或總反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)1.鐵鎳電池(負(fù)極為Fe，正極為NiO2，電解液為KOH溶液)已知：Fe＋NiO2＋2H2OFe(OH)2＋Ni(OH)2則：負(fù)極：______________________________________________________；正極：______________________________________________________；陰極：______________________________________________________；陽(yáng)極：______________________________________________________。答案：Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2

NiO2＋2H2O＋2e－===Ni(OH)2＋2OH－

Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－

Ni(OH)2－2e－＋2OH－===NiO2＋2H2O2．LiFePO4電池(正極為L(zhǎng)iFePO4，負(fù)極為L(zhǎng)i，含Li＋導(dǎo)電固體為電解質(zhì))已知：FePO4＋LiLiFePO4則負(fù)極：___________________________________________________；正極：___________________________________________________；陰極：___________________________________________________；陽(yáng)極：___________________________________________________。答案：Li－e－===Li＋

FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4

Li＋＋e－===Li

LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋3．高鐵電池(負(fù)極為Zn，正極為石墨，電解質(zhì)為浸濕的固態(tài)堿性物質(zhì))已知：3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，則：負(fù)極：_____________________________________________________；正極：_____________________________________________________；陰極：_____________________________________________________；陽(yáng)極：_____________________________________________________。4．氫氧燃料電池(1)電解質(zhì)是KOH溶液(堿性電解質(zhì))負(fù)極：_____________________________________________________；正極：_____________________________________________________；總反應(yīng)式：_________________________________________________。(2)電解質(zhì)是H2SO4溶液(酸性電解質(zhì))負(fù)極：_____________________________________________________；正極：_____________________________________________________；總反應(yīng)式：_________________________________________________。答案：(1)2H2－4e－＋4OH－===4H2O

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

2H2＋O2===2H2O

(2)2H2－4e－===4H＋

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

2H2＋O2===2H2O(3)電解質(zhì)是NaCl溶液(中性電解質(zhì))負(fù)極：______________________________________________________；正極：______________________________________________________；總反應(yīng)式：__________________________________________________。答案：(3)2H2－4e－===4H＋

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

2H2＋O2===2H2O5．甲烷燃料電池(鉑為兩極，正極通入O2和CO2，負(fù)極通入甲烷，電解液有三種)(1)電解質(zhì)是熔融碳酸鹽(K2CO3或Na2CO3)正極：______________________________________________________；負(fù)極：______________________________________________________；總反應(yīng)式：__________________________________________________。(2)酸性電解質(zhì)(電解液為H2SO4溶液)正極：______________________________________________________；負(fù)極：______________________________________________________；總反應(yīng)式：__________________________________________________。(3)堿性電解質(zhì)(電解液為KOH溶液)正極：______________________________________________________；負(fù)極：______________________________________________________；總反應(yīng)式：__________________________________________________。6．甲醇燃料電池(1)堿性電解質(zhì)(鉑為兩極，電解液為KOH溶液)正極：______________________________________________________；負(fù)極：______________________________________________________；總反應(yīng)式：__________________________________________________。(2)酸性電解質(zhì)(鉑為兩極，電解液為H2SO4溶液)正極：______________________________________________________；負(fù)極：______________________________________________________；總反應(yīng)式：__________________________________________________。7．CO燃料電池(總反應(yīng)方程式均為2CO＋O2===2CO2)(1)熔融鹽(鉑為兩極，Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽做電解質(zhì)，CO為負(fù)極燃?xì)猓諝馀cCO2的混合氣為正極助燃?xì)?正極：_____________________________________________________；負(fù)極：_____________________________________________________。(2)酸性電解質(zhì)(鉑為兩極，電解液為H2SO4溶液)正極：_____________________________________________________；負(fù)極：_____________________________________________________。02電解池電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)1.用惰性電極電解下列溶液(1)NaCl溶液陰極：_____________________________________________________；陽(yáng)極：_____________________________________________________；總反應(yīng)式：_________________________________________________。(2)CuSO4溶液陰極：_____________________________________________________；陽(yáng)極：_____________________________________________________；總反應(yīng)式：_________________________________________________。2．用惰性電極電解下列熔融態(tài)物質(zhì)(1)MgCl2陽(yáng)極：____________________________________________________；陰極：____________________________________________________；總反應(yīng)式：________________________________________________。(2)Al2O3陽(yáng)極：____________________________________________________；陰極：____________________________________________________；總反應(yīng)式：________________________________________________。3．用銅做電極電解下列溶液(1)H2SO4溶液陰極：_____________________________________________________；陽(yáng)極：_____________________________________________________；總反應(yīng)式：_________________________________________________。(2)NaOH溶液陰極：_____________________________________________________；陽(yáng)極：_____________________________________________________；總反應(yīng)式：_________________________________________________。4．用Al做電極電解下列溶液(1)H2SO4溶液陰極：_____________________________________________________；陽(yáng)極：_____________________________________________________；總反應(yīng)式：_________________________________________________。(2)NaOH溶液陰極：_____________________________________________________；陽(yáng)極：_____________________________________________________；總反應(yīng)式：_________________________________________________。新素材