第四章 化學反應與電能 【考點打靶+核心識記】 高中化學 全冊必背章節(jié)知識清單（人教版2019選擇性必修3）

第四章化學反應與電能第一節(jié)原電池一、原電池的工作原理1、原電池的構成條件（1）定義：能把化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。（2）實質(zhì)：利用能自發(fā)進行的氧化還原反應將化學能轉(zhuǎn)化為電能。（3）構成條件：①兩個活潑性不同的電極；②電解質(zhì)溶液；③形成閉合回路；④自發(fā)進行的氧化還原反應。2、實驗4-1：鋅銅原電池的工作原理裝置示意圖注：鹽橋中裝有含KCl飽和溶液的瓊膠現(xiàn)象鋅片逐漸溶解，銅片上有紅色物質(zhì)生成，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換化學能轉(zhuǎn)化為電能微觀探析在硫酸鋅溶液中，負極一端的Zn失去電子形成Zn2＋進入溶液在硫酸銅溶液中，正極一端的Cu2＋獲得電子變成Cu沉積在銅片上電子或離子移動方向電子：負極流向正極鹽橋：Cl—移向ZnSO4溶液，K＋移向CuSO4溶液工作原理，電極反應式負極：Zn－2e－Zn2＋(氧化反應)正極：Cu2＋＋2e－Cu(還原反應)總反應：Zn＋Cu2＋Zn2＋＋Cu（1）Zn-ZnSO4半電池：在ZnSO4溶液中，鋅片逐漸溶解，即Zn被氧化，鋅原子失去電子，形成Zn2＋進入溶液，即Zn－2e－=Zn2＋；從鋅片上釋放出的電子，經(jīng)過導線流向銅片。（2）Cu-CuSO4半電池：CuSO4溶液中的Cu2＋從銅片上得到電子，還原為銅單質(zhì)并沉積在銅片上，即Cu2＋＋2e－=Cu。（3）鹽橋的作用：電池工作時，鹽橋中的Cl－會移向ZnSO4溶液，K＋移向CuSO4溶液，使兩溶液均保持電中性。當取出鹽橋后，形成斷路，反應停止。3、原電池工作原理（1）原理圖解（2）電極名稱與反應類型：正極→還原反應；負極→氧化反應。（3）電子流向：負極→正極。（4）電流方向：正極→負極。（5）離子流向：陽離子→正極；陰離子→負極。4、原電池的應用（1）加快氧化還原反應的速率：構成原電池的反應速率比直接接觸的反應速率快。例如：在鋅與稀H2SO4反應時加入少量CuSO4溶液，CuSO4與鋅發(fā)生置換反應生成Cu，從而形成Cu－Zn微小原電池，加快產(chǎn)生H2的速率。（2）比較金屬活動性強弱例如：有兩種金屬a和b，用導線連接后插入稀硫酸中，觀察到a極溶解，b極上有氣泡產(chǎn)生。由此可判斷出a是負極、b是正極，且金屬活動性：a>b。（3）設計原電池例如：2FeCl3＋Cu2FeCl2＋CuCl2①化合價升高的物質(zhì)負極：Cu②活潑性較弱的物質(zhì)正極：C③化合價降低的物質(zhì)電解質(zhì)溶液：FeCl3示意圖一、化學電源概述一次電池1、化學電源的分類（1）一次電池：也叫做干電池，放電后不可再充電。（2）二次電池：又稱可充電電池或蓄電池，放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生。（3）燃料電池：連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學電源。2、判斷電池優(yōu)劣的主要標準（1）比能量：單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少，單位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。（2）比功率：單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小，單位是W·kg－1或W·L－1。（3）電池可儲存時間的長短。3、化學電池的回收利用使用后的廢棄電池中含有大量的重金屬、酸和堿等有害物質(zhì)，隨處丟棄會給土壤、水源等造成嚴重的污染。廢棄電池要進行回收利用。4、化學電源的發(fā)展方向小型化、供電方便、工作壽命長、不需要維護的電池受到人們的青睞。如鎳氫電池、鋰離子電池等。5、一次電池：鋅錳干電池普通鋅錳干電池堿性鋅錳干電池示意圖構造負極：鋅正極：石墨棒電解質(zhì)溶液：氯化銨和氯化鋅負極反應物：鋅粉正極反應物：二氧化錳電解質(zhì)溶液：氫氧化鉀工作原理負極：Zn－2e－＋2NHeq\o\al(＋,4)Zn(NH3)eq\o\al(2＋,2)＋2H＋正極：2MnO2＋2H＋＋2e－2MnO(OH)總反應：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)負極：Zn＋2OH－－2e－Zn(OH)2正極：2MnO2＋2H2O＋2e－2MnO(OH)＋2OH－總反應：Zn＋2MnO2＋2H2O2MnO(OH)＋Zn(OH)26、二次電池：鉛蓄電池Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O（1）負極是Pb，正極是PbO2，電解質(zhì)溶液是H2SO4溶液。（2）放電反應原理①負極反應式是Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－PbSO4；②正極反應式是PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－PbSO4＋2H2O；③放電過程中，負極質(zhì)量的變化是增大，H2SO4溶液的濃度減小。（3）充電反應原理①陰極(還原反應)反應式是：PbSO4＋2e－Pb＋SOeq\o\al(2－,4)；②陽極(氧化反應)反應式是：PbSO4＋2H2O－2e－PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)；③充電時，鉛蓄電池正極與直流電源正極相連，負極與直流電源負極相連?？谠E：“負極接負極，正極接正極”。7、二次電池：鋰離子電池電極電極反應負極嵌鋰石墨(LixCy)：LixCy－xe－xLi＋＋Cy正極鈷酸鋰(LiCoO2)：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－LiCoO2總反應LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy8、氫氧燃料電池是一種清潔高效的燃料電池（1）基本構造（2）工作原理酸性電解質(zhì)(H2SO4)堿性電解質(zhì)(KOH)負極反應2H2－4e－4H＋2H2－4e－＋4OH－4H2O正極反應O2＋4e－＋4H＋2H2OO2＋4e－＋2H2O4OH－總反應2H2＋O22H2O燃料電池電極的書寫如：CH4堿性(KOH溶液)燃料電池負極反應式書寫方法：第一步確定生成物CH4eq\o(→,\s\up7(O2))eq\b\lc\[\rc\(\a\vs4\al\co1(H2O,CO2\o(→,\s\up7(KOH))CO\o\al(2－,3)＋H2O))故CH4的最終產(chǎn)物為COeq\o\al(2－,3)和H2O；第二步確定價態(tài)變化及電子轉(zhuǎn)移：eq\o(C,\s\up6(－4))H4－8e－→eq\o(C,\s\up6(＋4))Oeq\o\al(2－,3)＋H2O；第三步依據(jù)電解質(zhì)性質(zhì)，用OH－使電荷守恒：CH4－8e－＋10OH－→COeq\o\al(2－,3)＋H2O；第四步最后據(jù)氫原子守恒配平H2O的化學計量數(shù)：CH4－8e－＋10OH－COeq\o\al(2－,3)＋7H2O。第二節(jié)電解質(zhì)一、電解原理1、實驗探究：電解CuCl2溶液電解裝置電解過程分析通電前存在微粒Cu2＋、Cl－、H＋、OH－微粒運動自由移動通電后微粒運動Cu2＋、H＋移向陰極，Cl－、OH－移向陽極電極反應陰極：Cu2＋＋2e－=Cu陽極：2Cl－－2e－=Cl2↑電解反應CuCl2eq\o(=,\s\up7(電解),\s\do5())Cu＋Cl2↑實驗現(xiàn)象陰極：覆蓋一層紅色固體陽極：①有氣泡放出；②聞到刺激性的氣味；③濕潤的淀粉碘化鉀試紙變?yōu)樗{色 2、電解和電解池（1）電解：使電流通過電解質(zhì)溶液(或熔融電解質(zhì))而在陽極、陰極引起氧化還原反應的過程。（2）電解池：將電能轉(zhuǎn)化為化學能的裝置(也稱電解槽)。（3）電解池的構成條件：①直流電源；②兩個電極；③電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)；④形成閉合回路。3、電解原理（1）電極反應類型：陽極→氧化反應；陰極→還原反應。（2）電子流向：電源負極→陰極；陽極→電源正極。（3）電流方向：電源正極→陽極；陰極→電源負極。（4）離子流向：陽離子→陰極；陰離子→陽極。二、電解原理的應用1、電解飽和食鹽水的原理（1）通電前：溶液中的離子是Na＋、Cl－、H＋、OH－。（2）通電后：①移向陽極的離子是Cl－、OH－，Cl－比OH－容易失去電子，被氧化成氯氣。（3）陽極：2Cl－－2e－Cl2↑(氧化反應)。（4）移向陰極的離子是Na＋、H＋，H＋比Na＋容易得到電子，被還原成氫氣。其中H＋是由水電離產(chǎn)生的。（5）陰極：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－(還原反應)。（6）總反應：化學方程式為2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))H2↑＋Cl2↑＋2NaOH；離子方程式為2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))H2↑＋Cl2↑＋2OH－。2、氯堿工業(yè)生產(chǎn)流程（1）陽離子交換膜電解槽（2）陽離子交換膜的作用：只允許Na＋等陽離子通過，不允許Cl－、OH－等陰離子及氣體分子通過，可以防止陰極產(chǎn)生的氫氣與陽極產(chǎn)生的氯氣混合發(fā)生爆炸，也能避免氯氣與陰極產(chǎn)生的氫氧化鈉反應而影響氫氧化鈉的產(chǎn)量。3、氯堿工業(yè)產(chǎn)品及其應用（1）氯堿工業(yè)產(chǎn)品主要有NaOH、Cl2、H2、鹽酸、含氯漂白劑。（2）電解飽和食鹽水為原理的氯堿工業(yè)產(chǎn)品在有機合成、造紙、玻璃、肥皂、紡織、印染、農(nóng)藥、金屬冶煉等領域中廣泛應用。4、電鍍與電解精煉裝置電鍍精煉陽極材料鍍層金屬Cu粗銅(含鋅、銀、金等雜質(zhì))陰極材料鍍件金屬Fe純銅陽極反應Cu－2e－Cu2＋Zn－2e－Zn2＋、Cu－2e－Cu2＋等陰極反應Cu2＋＋2e－CuCu2＋＋2e－Cu溶液變化硫酸銅溶液濃度保持不變Cu2＋濃度減小，金、銀等金屬沉積形成陽極泥5、電冶金（1）金屬冶煉的本質(zhì)：使礦石中的金屬離子獲得電子變成金屬單質(zhì)的過程。如Mn＋＋ne－M。（2）電解法用于冶煉較活潑的金屬(如鉀、鈉、鎂、鋁等)，但不能電解其鹽溶液，應電解其熔融態(tài)。如：電解熔融的氯化鈉可制取金屬鈉的反應式：陽極：2Cl－－2e－Cl2↑；陰極：2Na＋＋2e－2Na；總反應：2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up7(電解))2Na＋Cl2↑。第三節(jié)金屬的腐蝕與防護一、金屬的腐蝕1、金屬的腐蝕（1）概念：金屬或合金與周圍的氣體或液體發(fā)生氧化還原反應而引起損耗的現(xiàn)象。其實質(zhì)是金屬原子失去電子變?yōu)殛栯x子，金屬發(fā)生氧化反應。（2）根據(jù)與金屬接觸的氣體或液體不同，金屬腐蝕可分為兩類：①化學腐蝕：金屬與其表面接觸的一些物質(zhì)(如O2、Cl2、SO2等)直接反應而引起的腐蝕。腐蝕的速率隨溫度升高而加快。②電化學腐蝕：當不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸時會發(fā)生原電池反應，比較活潑的金屬發(fā)生氧化反應而被腐蝕。2、鋼鐵的電化學腐蝕類別項目析氫腐蝕吸氧腐蝕圖形描述條件水膜酸性較強水膜酸性很弱或呈中性負極Fe－2e－Fe2＋正極2H＋＋2e－H2↑O2＋4e－＋2H2O4OH－總反應Fe＋2H＋Fe2＋＋H2↑2Fe＋O2＋2H2O2Fe(OH)2后續(xù)反應最終生成鐵銹(主要成分為Fe2O3·xH2O)，反應如下：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)3，2Fe(OH)3Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O聯(lián)系通常兩種腐蝕同時存在，但后者更普遍3、實驗探究：電化學腐蝕實驗操作實驗現(xiàn)象實驗解釋導管中液面上升裝置中鐵、碳和飽和食鹽水構成原電池，鐵釘發(fā)生吸氧腐蝕①試管中產(chǎn)生氣泡的速率快Zn與CuSO4反應生成Cu，Zn、Cu和稀鹽酸構成原電池，形成電化學腐蝕，速率更快二、金屬的防護1、改變金屬材料的組成在金屬中添加其他金屬或非金屬制成性能優(yōu)異的合金。如普通鋼加入鎳、鉻制成不銹鋼，鈦合金不僅具有優(yōu)異的抗腐蝕性能且具有良好的生物相容性。2、在金屬表面覆蓋保護層在金屬表面覆蓋致密的保護層，將金屬制品與周圍物質(zhì)隔開是一種普遍采用的防護方法。如，在鋼鐵制品表面噴油漆、涂礦物性油脂、覆蓋搪瓷等；電鍍鋅、錫、鉻、鎳等，利用化學方法、離子注入法、表面滲鍍等方式在金屬表面形成穩(wěn)定的鈍化膜。3、電化學保護法金屬在發(fā)生電化學腐蝕時，總是作為原電池負極(陽極)的金屬被腐蝕，作為正極(陰極)的金屬不被腐蝕，如果能使被保護的金屬成為陰極，就不易被腐蝕。（1）犧牲陽極法原理：原電池原理要求：被保護的金屬作正極，活潑性更強的金屬作負極。應用：鍋爐內(nèi)壁、船舶外殼、鋼鐵閘門安裝鎂合金或鋅塊。實例實驗4-4-1：如圖裝置反應一段時間后，往Fe電極區(qū)滴入2滴黃色K3[Fe(CN)6](鐵氰化鉀)溶液，觀察實驗現(xiàn)象。已知Fe2＋與[Fe(CN)6]3－反應生成帶有特征藍色的KFe[Fe(CN)6]沉淀。實驗裝置電流表陽極(負極區(qū))陰極(正極區(qū))現(xiàn)象指針偏轉(zhuǎn)Zn溶解有氣泡產(chǎn)生，無藍色沉淀生成有