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歡迎進(jìn)入化學(xué)課堂 第22講化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化 一 原電池的工作原理1 裝置特點 把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能 2 構(gòu)成條件 1 能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng) 2 有電解質(zhì)溶液 構(gòu)成電路或參與反應(yīng) 3 由還原劑和導(dǎo)體構(gòu)成負(fù)極系統(tǒng) 由氧化劑和導(dǎo)體構(gòu)成正極系統(tǒng) 4 構(gòu)成閉合回路 兩電極接觸或用導(dǎo)線連接 或具備將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的條件 3 電極名稱及電極反應(yīng)負(fù)極 較活潑金屬 電子流出的極 發(fā)生氧化反應(yīng)正極 不活潑金屬 或非金屬 導(dǎo)體 電子流入的極 發(fā)生還原反應(yīng)4 工作原理 二 化學(xué)電源1 一次電池反應(yīng)原理 不能充電 不能反復(fù)使用 1 銀鋅鈕扣電池正極一端填充由Ag2O和少量石墨組成的正極活性材料 負(fù)極一端填充鋅汞合金作負(fù)極活性材料 電解質(zhì)溶液為KOH濃溶液 銀鋅電池的負(fù)極是Zn 正極是Ag2O 負(fù)極反應(yīng)為Zn 2OH 2e ZnO H2O 正極反應(yīng)為Ag2O H2O 2e 2Ag 2OH 總反應(yīng)方程式為Zn Ag2O ZnO 2Ag 2 鋅錳電池鋅錳電池分為酸性和堿性兩種 其中的普通鋅錳電池是酸性電池 鋅為負(fù)極 碳棒為正極 NH4Cl為電解質(zhì) 堿性鋅錳電池中鋅為負(fù)極 MnO2為正極 KOH為電解質(zhì) 兩種干電池中發(fā)生的反應(yīng)為 2 二次電池 可充電 可多次重復(fù)使用 鉛蓄電池是最常見的二次電池 它由兩組柵狀極板交替排列而成 正極板上覆蓋有PbO2 負(fù)極板上覆蓋有Pb 電解質(zhì)是H2SO4溶液 鉛蓄電池充電的反應(yīng)是上述反應(yīng)的逆過程 可以把上述反應(yīng)寫成一個可逆反應(yīng)方程式 Pb s PbO2 s 2H2SO4 aq PbSO4 s 2H2O l 三 電解原理1 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)的過程叫電解 2 電解池 將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置稱為電解池 電解池形成條件 與電源相連的兩個電極 電解質(zhì)溶液或熔融的電解質(zhì) 形成閉合回路 放電 充電 3 電極名稱陽極 和電源正極相連的電極 發(fā)生氧化反應(yīng) 陰極 和電源負(fù)極相連的電極 發(fā)生還原反應(yīng)4 電極材料 惰性電極 Pt At 石墨 活性電極 除Pt At 石墨外的金屬材料 5 電子流向 電源負(fù)極 導(dǎo)線 電解池陰極 電解池陽極 導(dǎo)線 電源正極 6 離子移動方向 電解質(zhì)溶液中陽離子移向陰極 電解質(zhì)溶液中陰離子移向陽極 特別提醒 電解池的陰陽極取決于外接電源的正負(fù)極 與電極材料的金屬活動性無關(guān) 電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電過程 就是該溶液的電解過程 是化學(xué)變化 四 電解原理的應(yīng)用1 氯堿工業(yè)電解飽和食鹽水是氯堿工業(yè)的基礎(chǔ) 電解飽和食鹽水時 發(fā)生如下反應(yīng)2NaCl 2H2O 2NaOH H2 Cl2 其中陽極反應(yīng)為2Cl 2e Cl2 陰極反應(yīng)為2H 2e H2 電解 2 電鍍 1 定義 電鍍是應(yīng)用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或合金的方法 電鍍的目的主要是使金屬增強(qiáng)抗腐蝕能力 增加美觀和表面硬度 2 電鍍原理電鍍時 用鍍層金屬作陽極 待鍍金屬 鍍件 作陰極 用含鍍層金屬陽離子的可溶性鹽溶液作電解質(zhì)溶液 3 電解精煉銅 1 電解精煉的目的 粗銅往往和含有鋅 鐵 鎳 銀 金等多種雜質(zhì) 通過電解精煉可以獲得純度達(dá)到99 95 99 98 的銅 這種銅稱為電解銅 這種方法稱為金屬的電解精煉 2 電解精煉銅的原理利用粗銅作陽極 純銅作陰極 以硫酸銅溶液 加入一定量的硫酸 為電解質(zhì)溶液 陽極 粗銅 Cu 2e Cu2 Zn 2e Zn2 Ni 2e Ni2 陰極 精銅 Cu2 2e Cu 位于金屬活動性順序銅之后的銀 金等雜質(zhì) 因為給電子能力比銅弱 難以在陽極失去電子變成陽離子溶解下來 當(dāng)陽極上的銅失去電子變成離子溶解之后 它們以金屬單質(zhì)的形式沉積在電解槽底 形成陽極泥 陽極泥可作為提煉金 銀等貴重金屬的原料 4 電冶金屬利用電解使礦石中的金屬離子獲得電子 從它們的化合物中還原出來 Mn ne M 電解是最強(qiáng)有力的氧化還原手段 所以電解法是冶煉金屬的一種重要方法 適用于一些活潑金屬單質(zhì)的制取 如冶煉鈉 鈣 鎂 鋁等活潑金屬 1 電解熔融NaCl得金屬鈉 陰極 2Na 2e 2Na 陽極 2Cl 2e Cl2 總反應(yīng)方程式 2NaCl 熔融 2Na Cl2 2 電解熔融MgCl2制單質(zhì)Mg 陰極 Mg2 2e Mg 陽極 2Cl 2e Cl2 總反應(yīng)方程式 MgCl2 熔融 Mg Cl2 3 電解熔融Al2O3制單質(zhì)Al 陰極 4Al3 12e 4Al 陽極 6O2 12e 3O2 總反應(yīng)方程式 2Al2O3 4Al 3O2 電解 電解 電解 考點一原電池原理在新型電池中的應(yīng)用 例1可用于電動汽車的鋁 空氣燃料電池 通常以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液 鋁合金為負(fù)極 空氣電極為正極 下列說法正確的是 A 以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液時 正極反應(yīng)都為 O2 2H2O 4e 4OH B 以NaOH溶液為電解液時 負(fù)極反應(yīng)為 Al 3OH 3e Al OH 3 C 以NaOH溶液為電解液時 電池在工作過程中電解液的pH保持不變D 電池工作時 電子通過外電路從正極流向負(fù)極 A 解析 正極O2得電子 溶液顯堿性或中性時 正極反應(yīng)都為 O2 2H2O 4e 4OH A正確 鋁作負(fù)極 鋁失電子 中性溶液 NaCl 中的負(fù)極反應(yīng)為 Al 3e Al3 堿性溶液 NaOH 中的負(fù)極反應(yīng)為 Al 4OH 3e 2H2O B不正確 在堿性時總的電池反應(yīng)式為 4Al 3O2 4OH 4 2H2O 溶液pH降低 C項錯 電池工作時 電子從負(fù)極流向正極 D項錯 方法技巧點撥 原電池原理的應(yīng)用 1 加快反應(yīng)的進(jìn)行 實驗室中用Zn和稀H2SO4制取H2時 常加入少量CuSO4 CuSO4與Zn發(fā)生置換反應(yīng)生成Cu 從而構(gòu)成Cu Zn原電池加快H2的生成速率 2 判斷金屬的純度 在 Zn Cu H2SO4 構(gòu)成的原電池中 鋅極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)而溶解 溶液中的氫離子在銅極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng) 放出氫氣 若在鋅極上也有氫氣放出 則說明鋅極是不純的 3 比較金屬的活潑性 將未知的兩種金屬分別作為電極 或?qū)⒁环N未知的金屬與一種已知金屬分別作為電極 選擇合適的電解質(zhì)溶液構(gòu)成原電池 其中被溶解的一極金屬活動性相對于另一極的金屬的活動性要強(qiáng) 考點二可充電電池的考查 例2LiFePO4電池具有穩(wěn)定性高 安全 對環(huán)境友好等優(yōu)點 可用于電動汽車 電池反應(yīng)為 FePO4 LiLiFePO4 電池的正極材料是LiFePO4 負(fù)極材料是石墨 含Li 導(dǎo)電固體為電解質(zhì) 下列有關(guān)LiFePO4電池說法正確的是 A 可加入硫酸以提高電解質(zhì)的導(dǎo)電性B 放電時電池內(nèi)部Li 向負(fù)極移動C 充電過程中 電池正極材料的質(zhì)量增加D 放電時電池正極反應(yīng)為 FePO4 Li e LiFePO4 D 放電充電 解析 放電時 相當(dāng)于原電池 負(fù)極反應(yīng)為Li e Li 正極反應(yīng)為FePO4 Li e LiFePO4 D對 Li 在電池內(nèi)部 內(nèi)電路 向正極移動 B錯 電解質(zhì)為非水物質(zhì) 若加入硫酸 則酸與單質(zhì)Li發(fā)生反應(yīng) A錯 電池充電時 相當(dāng)于電解池 陽極 為原正極 反應(yīng)為LiFePO4 e FePO4 Li 質(zhì)量減少 選項C錯 方法技巧點撥 對于充電電池特別注意放電時原電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng) 則充電過程中生成物反應(yīng)生成反應(yīng)物 發(fā)生還原反應(yīng) 此時是充電電池的陰極 即電池充電時 原電池的負(fù)極與直流電源的負(fù)極相連 叫陰極 同理正極是充電電池的陽極 電極反應(yīng)可以相互轉(zhuǎn)化 原電池負(fù)極反應(yīng)反過來就是電解池陰極反應(yīng) 同理原電池正極反應(yīng)反過來就是電解池陽極反應(yīng) 考點三對電解原理的考查 例3某同學(xué)按圖所示的裝置進(jìn)行電解實驗 下列說法正確的是 A 電解過程中 銅電極上有H2產(chǎn)生B 電解初期 主反應(yīng)方程式為 Cu H2SO4 CuSO4 H2 C 電解一定時間后 銅電極質(zhì)量增加D 整個電解過程中 H 的濃度不斷增大 電解 B 解析 電解是最強(qiáng)有力的氧化還原手段 有些在通常條件下不能發(fā)生的反應(yīng) 如本題中銅與稀硫酸 通過電解的方法可以發(fā)生反應(yīng) 陽極反應(yīng) Cu 2e Cu2 陰極反應(yīng) 2H 2e H2 起始 隨著電解的進(jìn)行 陽極產(chǎn)生的Cu2 濃度增大 在電場的作用下向陰極移動 由于Cu2 的氧化性大于H 因此Cu2 也會在陰極放電生成銅 因此在整個電解過程中 起始時H 的濃度不斷減小 隨后基本保持不變 方法技巧點撥 本題易忽視電極材料對電解的影響 電解飽和食鹽水時 1 有石墨作電極 陽極 2Cl 2e Cl2 陰極 2H 2e H2 總離子方程式 2Cl 2H2O Cl2 H2 2OH 2 用銅作電極 陽極 Cu 2e Cu2 陰極 2H 2e H2 總離子方程式 Cu 2H2O Cu OH 2 H2 電解 電解 考點四對串 并聯(lián)電路的考查 例4圖中X為電源 Y為浸透飽和食鹽水和酚酞試液的濾紙 濾紙中央滴有一滴KMnO4溶液 通電后Y中央的紫紅色斑向d端擴(kuò)散 下列判斷正確的是 A 濾紙上c點附近會變紅色B Cu電極質(zhì)量減小 Pt電極質(zhì)量增大C Z中溶液的pH先減小 后增大D Z溶液中SO向Cu電極定向移動 A 方法技巧點撥 本題易錯在對電解原理認(rèn)識模糊 造成不能正確判斷電極 解答此類題應(yīng)注意 分清電極 與電源正極相連的為陽極 與負(fù)極相連的為陰極 兩極反應(yīng)為陽氧陰還 剖析電解質(zhì)溶液 電解質(zhì)溶液中存在哪些陽離子和陰離子 并分類 注意離子的放電順序 書寫電極反應(yīng)式 注意電子得失守恒 電解時電極產(chǎn)物判斷 考點五電解原理的應(yīng)用 例5現(xiàn)有陽離子交換膜 陰離子交換膜 石墨電極和如圖所示電解槽 用氯堿工業(yè)中的離子交換技術(shù)原理 可電解Na2SO4溶液生產(chǎn)NaOH和H2SO4溶液 下列說法正確的是 A 陽極反應(yīng)式為2H 2e H2 B 從A口出來的是H2SO4溶液C a是陽離子交換膜 允許H 通過D Na2SO4溶液從E口加入 B 解析 惰性電極電解Na2SO4溶液 陽極電解得到O2和H 陰極電解得到H2和OH 離子交換膜將電解槽分為3個區(qū)域 Na2SO4溶液從中間區(qū)域加入 Na 通過陽離子交換膜b移向陰極室 通過陰離子交換膜a移向陽極室 這樣即可得到NaOH和H2SO4 陽極室和陰極室在電解開始時只需分別加入少量H2SO4和NaOH 以增強(qiáng)溶液導(dǎo)電性而又不帶入雜質(zhì) 方法技巧點撥 電解Na2SO4溶液的實質(zhì)是電解水 陽極水中OH 放電 生成O2和H 所以H2SO4在陽極區(qū)生成 溶液中通過膜a 陰離子交換膜 進(jìn)入陽極區(qū) 由此可見 解題的關(guān)鍵還是基本的電解原理 考點六電化學(xué)的有關(guān)計算 例6電解100mL含c H 0 30mol L的下列溶液 當(dāng)電路中通過0 04mol電子時 理論上析出金屬質(zhì)量最大的是 A 0 10mol LAg B 0 20mol LZn2 C 0 20mol LCu2 D 0 20mol LPb2 C 解析 對于選項A 先Ag 放電 后H 放電 電極反應(yīng)式為Ag e Ag 2H 2e H2 當(dāng)電路中通過0 04mol電子時 只析出0 01mol金屬銀 即1 08g 與選項A類似 選項C中析出金屬銅0 02mol 即1 28g 對于選項B 先H 放電 后Zn2 放電 電極反應(yīng)式為2H 2e H2 Zn2 2e Zn 當(dāng)電路中通過0 04mol電子時 先放出0 015molH2 后析出0 005mol金屬鋅 即0 325g 與選項B類似 選項D中析出金屬鉛的物質(zhì)的量也為0 005mol 即1 035g 方法技巧點撥 有關(guān)電解的計算通常是求電解后某產(chǎn)物的質(zhì)量 某氣體的體積 某元素的化合價以及溶液的pH 物質(zhì)的量濃度等 解答此類題的方法有兩種 一是根據(jù)電解方程式或電極反應(yīng)式列比例式求解 二是利用各電極 線路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目守恒列等式求解 電子守恒進(jìn)行分析計算較為簡便 所以解決類似問題時我們應(yīng)更多地用電子守恒的方法進(jìn)行分析 求解 1 下圖為電解飽和食鹽水的簡易裝置 下列有關(guān)說法正確的是 A 電解一段時間后 往蛋殼的溶液中滴加幾滴酚酞 呈紅色B 蛋殼表面纏繞鐵絲發(fā)生氧化反應(yīng)C 鐵絲表面生成的氣體能使?jié)駶櫟牡矸鄣饣浽嚰堊兯{(lán) D 蛋殼可阻止生成的氯氣與氫氣 氫氧化鈉溶液接觸 D 解析 由圖可知蛋殼內(nèi)炭棒為陽極 溶液中的Cl 放電生成Cl2 蛋殼外鐵絲為陰極 水中的H 發(fā)生還原反應(yīng)生成H2同時生成OH 2 Cu2O是一種半導(dǎo)體材料 基于綠色化學(xué)理念設(shè)計的制取 Cu2O的電解池示意圖如下 電解總反應(yīng) 2Cu H2O Cu2O H2 下列說法正確的是 電解 A 石墨電極上產(chǎn)生氫氣B 銅電極發(fā)生還原反應(yīng) C 銅電極接直流電源的負(fù)極D 當(dāng)有0 1mol電子轉(zhuǎn)移時 有0 1molCu2O生成 A 解析 判斷電極是解題的關(guān)鍵 從電解總反應(yīng)知 金屬Cu被氧化 銅電極應(yīng)為陽極 發(fā)生氧化反應(yīng) 電極反應(yīng)式為 2Cu 2e 2OH Cu2O H2O 所以B項 C項均錯 同時可知當(dāng)有0 1mol電子轉(zhuǎn)移時 應(yīng)有0 05molCu2O生成 D項也錯 石墨電極應(yīng)與電源的負(fù)極相連 發(fā)生還原反應(yīng) 2H 2e H2 A項正確 3 以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示 關(guān)于該電池的敘述正確的是 B A 該電池能夠在高溫下工作B 電池的負(fù)極反應(yīng)為 C6H12O6 6H2O 24e 6CO2 24H C 放電過程中 H 從正極區(qū)向負(fù)極區(qū)遷移D 在電池反應(yīng)中 每消耗1mol氧氣 理論上能生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2氣體L 解析 微生物主要成分是蛋白質(zhì) 高溫條件下蛋白質(zhì)變性 失去活性 A不正確 通入燃料C6H12O6的極為負(fù)極 負(fù)極反應(yīng)為 C6H12O6 6H2O 24e 6CO2 24H 能放出CO2應(yīng)該是酸性 所以右邊寫H 不能在左邊加OH 右邊寫H2O B項正確 正極反應(yīng)為 6O2 24H 24e 12H2O 從兩極反應(yīng)可知 負(fù)極生成H 正極消耗H 即通過質(zhì)子交換膜從負(fù)極到正極傳導(dǎo)H 選項C不正確 從總反應(yīng)C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O可知 每消耗1mol氧氣 理論上能生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2氣體22 4L D項錯 4 市場上經(jīng)常見到的標(biāo)記為Li ion的電池稱為 鋰離子電池 它的負(fù)極材料是金屬鋰和碳的復(fù)合材料 碳作為金屬鋰的載體 電解質(zhì)為一種能傳導(dǎo)Li 的高分子材料 這種鋰離子電池的電池反應(yīng)為 Li 2Li0 35NiO22Li0 85NiO2下列說法不正確的是 A 放電時 負(fù)極的電極反應(yīng)式 Li e Li B 充電時 Li0 85NiO2既發(fā)生氧化反應(yīng)又發(fā)生還原反應(yīng)C 該電池不能用水溶液作為電解質(zhì)D 放電過程中Li 向負(fù)極移動 放電 充電 D 解析 此類題 在確定兩極后 先考慮放電的各種情況 再考慮充電的各種情況 放電時 Li作負(fù)極 失電子 A項正確 生成的Li 從負(fù)極移向正極 D項錯 充電時 是電池反應(yīng)的反方向 從總方程式可知 此時的Li0 85NiO2既發(fā)生氧化反應(yīng)又發(fā)生還原反應(yīng) B項正確 C項 由于Li可以與水反應(yīng) 故應(yīng)為非水材料 正確 5 2011 安徽 研究人員最近發(fā)現(xiàn)了一種 水 電池 這種電池能利用淡水與海水之間含鹽量差別進(jìn)行發(fā)電 在海水中電池總反應(yīng)可表示為 5MnO2 2Ag 2NaCl Na2Mn5O10 2AgCl 下列 水 電池在海水中放電時的有關(guān)說法正確的是 A 正極反應(yīng)式 Ag Cl e AgClB 每生成1molNa2Mn5O10轉(zhuǎn)移2mol電子C Na 不斷向 水 電池的負(fù)極移動D AgCl是還原產(chǎn)物 B 解析 由電池總反應(yīng)可知銀失去電子被氧化得氧化產(chǎn)物 即銀做負(fù)極 產(chǎn)物AgCl是氧化產(chǎn)物 A D都不正確 在原電池中陽離子在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng) 所以陽離子向電池的正極移動 C錯誤 化合物Na2Mn5O10中Mn元素的化合價是 18 5價 所以每生成1molNa2Mn5O10轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為 4 18 5 5 2mol 因此選項B正確 6 2011 福建 研究人員研制出一種鋰水電池 可作為魚雷和潛艇的儲備電源 該電池以金屬鋰和鋼板為電極材料 以LiOH為電解質(zhì) 使用時加入水即可放電 關(guān)于該電池的下列說法不正確的是 A 水既是氧化劑又是溶劑B 放電時正極上有氫氣生成C 放電時OH 向正極移動D 總反應(yīng)為 2Li 2H2O 2LiOH H2 C 解析 考生可能迅速選出C項是錯誤 因為原電池放電時OH 是向負(fù)極移動的 總反應(yīng)為 2Li 2H2O 2LiOH H2 再寫出其電極反應(yīng)如下 2Li 2e 2Li 2H2O 2e 2OH H2 結(jié)合選項分析A B D都是正確的 此題情景是取材于新的化學(xué)電源 知識落腳點是基礎(chǔ) 對原電池原理掌握的學(xué)生來說是比較容易的 7 電化學(xué)在生產(chǎn)生活實際中應(yīng)用廣泛 1 將兩個石墨電極插入KOH溶液中 向兩極分別通入CH4和O2 構(gòu)成甲烷燃料電池 通入CH4的一極 其電極反應(yīng)式是 CH4 10OH 8e CO 7H2O 通入O2的一極 其電極反應(yīng)式是 2 若用石墨做電極電解500mL飽和食鹽水 寫出電解反應(yīng)的離子方程式為 電解一段時間后兩極共收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體1 12L 不考慮氣體的溶解 停止通電 假設(shè)反應(yīng)前后溶液體積不變 則所得溶液的pH O2 4e 2H2O 4OH 13 3 鍍銅可防止鐵制品腐蝕 電鍍時用銅而不用石墨作陽極的原因是 4 M是地殼中含量最高的金屬元素 用M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 R受熱分解生成化合物Q 寫出陽極生成R的電極反應(yīng)式 由R生成Q的化學(xué)方程式 陽極Cu可以發(fā)生氧化反應(yīng)生成Cu2 Al 3e Al3 Al3 3 Al OH 3 3CO2 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全