2020届高考化学一轮复习电化学原理及其应用学案

2020届高考化学一轮复习电化学原理及其应用学案

电化学原理及其应用 ‎【考纲解读】‎ ‎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。了解常见化学电源的种类及其工作原理。‎ ‎2．理解金属发生电化学腐蚀的原因，金属腐蚀的危害，防止金属腐蚀的措施。‎ ‎【重点、难点剖析】‎ 一、原电池原理及电极反应式 ‎1．一般电极反应式的书写 —按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，‎ 判断出电极反应产物，找出得失电子的数量。‎ —电极产物在电解质溶液的环境中，应能稳定存在，如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水。电极反应式应根据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。‎ — ‎2．复杂电极反应式的书写 ＝－ 如CH4酸性燃料电池中 CH4＋2O2===CO2＋2H2O……总反应式 ‎2O2＋8H＋＋8e－===4H2O……正极反应式 CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋……负极反应式 二、电解原理及其规律 ‎1．电解产物的判断 ‎(1)阳极产物的判断 首先看电极，如果是活性电极(金属活动性顺序表Ag以前的金属，包括Ag)作阳极，则电极材料本身失电子，电极溶解。如果是惰性电极，则看溶液中的阴离子的失电子能力，阴离子的放电顺序为S2－>I－>Br－>Cl－>OH－，其氧化产物依次对应为S、I2、Br2、Cl2和O2。‎ ‎(2)阴极产物的判断 直接根据阳离子放电顺序(如下)进行判断：Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋>Pb2＋>Sn2＋>Fe2＋>Zn2＋，其还原产物依次对应为Ag、Fe2＋、Cu、H2、Pb、Sn、Fe、Zn。‎ ‎2．电化学定量计算的方法 ‎(1)根据总反应式计算。先写出电极反应式，再写出总反应式，然后根据总反应式列比例式计算。‎ ‎(2)守恒法计算。用于串联电路，中电极反应物、产物及电子转移的有关计算，其依据是电路中转移的电子数守恒。‎ 三、金属的腐蚀与防护 ‎1.吸氧腐蚀与析氢腐蚀(以钢铁为例)‎ 类型 吸氧腐蚀 析氢腐蚀 条件 水膜呈弱酸性或中性 水膜呈酸性 正极反应(C)‎ O2＋2H2O＋4e－===4OH－‎ ‎2H＋＋2e－===H2↑‎ 负极反应(Fe)‎ Fe－2e－===Fe2＋‎ 其他反应 Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓‎ ‎4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3‎ Fe(OH)3失去部分水转化为铁锈 ‎2.判断金属腐蚀快慢的规律 ‎(1)电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐蚀措施的腐蚀(电解原理的防护>原电池原理的防护)。‎ ‎(2)对同一种金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。‎ ‎(3)活动性不同的两金属，活动性越大，腐蚀越快。‎ ‎(4)对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。‎ ‎【题型示例】‎ 题型一　原电池、化学电源 ‎ 例1．(2018·全国卷Ⅲ)一种可充电锂—空气电池如图所示。当电池放电时，O2与Li＋在多孔碳材料电极处生成Li2O2－x(x＝0或1)。下列说法正确的是(　　)‎ A．放电时，多孔碳材料电极为负极 B．放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极 C．充电时，电解质溶液中Li＋向多孔碳材料区迁移 D．充电时，电池总反应为Li2O2－x===2Li＋O2‎ ‎【答案】D　‎ ‎【变式探究】 (2018·全国卷Ⅱ)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的NaCO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳钠米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。下列说法错误的是 (　　)‎ A．放电时，ClO向负极移动 B．充电时释放CO2，放电时吸收CO2‎ C．放电时，正极反应为3CO2＋4e－===2CO＋C D．充电时，正极反应为Na＋＋e－===Na ‎【答案】D　‎ ‎【解析】电池放电时，ClO向负极移动，A项正确；结合总反应可知放电时需吸收CO2，而充电时释放出CO2，B项正确；放电时，正极CO2得电子被还原生成单质C，即电极反应式为3CO2＋4e－===2CO＋C，C项正确；充电时阳极发生氧化反应，即C被氧化生成CO2，D项错误。 ‎ 答案　B ‎【举一反三】(2016·课标全国Ⅲ，11)锌—空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为KOH溶液，反应为2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn(OH)。下列说法正确的是(　　) ‎ A．充电时，电解质溶液中K＋向阳极移动 B．充电时，电解质溶液中c(OH－)逐渐减小 C．放电时，负极反应为：Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH) D．放电时，电路中通过2 mol电子，消耗氧气‎22.4 L(标准状况)‎ 答案　C ‎【变式探究】 (2015·天津理综，4，6分)锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是(　　)‎ A．铜电极上发生氧化反应 B．电池工作一段时间后，甲池的c(SO)减小 C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加 D．阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡 解析　A项，由锌的活泼性大于铜，可知铜电极为正极，在正极上Cu2＋得电子发生还原反应生成Cu，错误；B项，由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，故甲池的c(SO)不变，错误；C项，在乙池中Cu2＋＋2e－===Cu，同时甲池中的Zn2＋通过阳离子交换膜进入乙池中，则有Cu2＋→Zn2＋，由于M(Zn2＋)>M(Cu2＋)，故乙池溶液的总质量增加，正确；D项，阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，电解过程中Zn2＋通过交换膜移向正极保持溶液中电荷平衡，阴离子是不能通过交换膜的，错误。 ‎ 答案　D ‎ ‎【方法技巧】四步解决新型化学电源问题 ‎1.判断电池类型→确认电池原理→核实电子、离子移动方向。‎ ‎2.确定电池两极→判断电子、离子移动方向→书写电极反应和电池反应。‎ ‎3.充电电池→放电时为原电池→失去电子的为负极反应。‎ ‎4.电极反应→总反应离子方程式减去较简单一极的电极反应式→另一电极反应式。‎ 题型二　电解原理及其应用 ‎ 例2．(2018·全国卷Ⅰ)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2‎ 和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：‎ ‎①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋‎ ‎②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋‎ 该装置工作时，下列叙述错误的是(　　)‎ A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O B．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低 D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为酸性 ‎【答案】C　‎ ‎【解析】阴极发生还原反应，氢离子由交换膜右侧向左侧迁移，阴极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，A项正确；结合阳极区发生的反应，可知协同转化总反应式为CO2＋H2S===S＋CO＋H2O，B项正确；石墨烯作阳极，其电势高于ZnO@石墨烯的，C项错误；Fe3＋、Fe2＋在碱性或中性介质中会生成沉淀，它们只稳定存在于酸性较强的介质中，D项正确。 作为阴极 C．阴极的电极反应式为： ‎ D．硫酸根离子在电解过程中向阳极移动 ‎【答案】C ‎ 【举一反三】(2016·课标全国Ⅰ，11)三室式电渗析法处理含Na2SO4‎ 废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SO可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。‎ 下列叙述正确的是(　　)‎ A．通电后中间隔室的SO离子向正极迁移，正极区溶液pH增大 B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品 C．负极反应为2H2O－4e－===O2＋4H＋，负极区溶液pH降低 D．当电路中通过1 mol电子的电量时，会有0.5 mol的O2生成 答案　B ‎【举一反三】(2016·北京理综，12)用石墨电极完成下列电解实验。‎ 实验一 实验二 装置 现象 a、d处试纸变蓝；b处变红，局部褪色；c处无明显变化 两个石墨电极附近有气泡产生；n处有气泡产生；……‎ 下列对实验现象的解释或推测不合理的是(　　)‎ A．a、d处：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－‎ B．b处：2Cl－－2e－===Cl2↑‎ C．c处发生了反应：Fe－2e－===Fe2＋‎ D．根据实验一的原理，实验二中m处能析出铜 答案　B ‎【变式探究】(2015·福建理综，11，6分)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)。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 D．a 电极的反应为：3CO2＋18H＋－18e－===C3H8O＋5H2O 解析　A项，该装置是电解池，在电解和光的作用下H2O在光催化剂的表面转化为O2和H＋，故该装置是将电能和光能转化为化学能，错误；B项，根据同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引的原则，该装置工作时，H＋从阳极b极区向阴极a极区迁移，正确；C项，该电解池的总反应式为：6CO2＋8H2O‎2C3H8O＋9O2。根据总反应方程式可知，每生成1 mol O2，有 mol CO2被还原，其质量为 g，错误；D项，a电极为阴极，发生还原反应，电极反应式为：3CO2＋18H＋＋18e－===C3H8O＋5H2O，错误。 ‎ 答案　B ‎【变式探究】下列金属防腐的措施中，使用外加电流的阴极保护法的是(　　)‎ A．水中的钢闸门连接电源的负极 B．金属护栏表面涂漆 C．汽车底盘喷涂高分子 D．地下钢管连接镁块 解析　B、C为加保护层保护法；D为原电池原理的牺牲阳极的阴极保护法。‎ 答案　A ‎ ‎【变式探究】(2015·重庆理综，11，14分)我国古代青铜器工艺精湛，有很高的艺术价值和历史价值。但出土的青铜器大多受到环境腐蚀，故对其进行修复和防护具有重要意义。‎ ‎(1)原子序数为29的铜元素位于元素周期表中第________周期。‎ ‎(2)某青铜器中Sn、Pb的质量分别为‎119 g、‎20.7 g，则该青铜器中Sn和Pb原子的数目之比为________。‎ ‎(3)研究发现，腐蚀严重的青铜器表面大都存在CuCl。关于CuCl在青铜器腐蚀过程中的催化作用，下列叙述正确的是________。‎ A．降低了反应的活化能 B．增大了反应的速率 C．降低了反应的焓变 D．增大了反应的平衡常数 ‎(4)采用“局部封闭法”可以防止青铜器进一步被腐蚀。如将糊状Ag2O涂在被腐蚀部位，Ag2O与有害组分CuCl发生复分解反应，该化学方程式为_________________________________________________。‎ ‎(5)如图为青铜器在潮湿环境中发生电化学腐蚀的原理示意图。‎ ‎①腐蚀过程中，负极是________(填图中字母“a”或“b”或“c”)；‎ ‎②环境中的Cl－扩散到孔口，并与正极反应产物和负极反应产物作用生成多孔粉状锈Cu2(OH)3Cl，其离子方程式为__________________________________；‎ ‎③若生成‎4.29 g Cu2(OH)3Cl，则理论上耗氧体积为________L(标准状况)。‎ 答案　(1)四 ‎(2)10∶1‎ ‎(3)A、B ‎(4)Ag2O＋2CuCl===2AgCl＋Cu2O ‎ ‎(5)①c　②2Cu2＋＋ 3OH－＋Cl－===Cu2(OH)3Cl↓　‎ ‎③0.448‎ ‎【方法技巧】金属腐蚀快慢的比较 ‎(1)一般来说(可用下列原则判断：)电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀；‎ ‎(2)对同一金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中；‎ ‎(3)活泼性不同的两种金属，活泼性差别越大，腐蚀越快；‎ ‎(4)对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，金属腐蚀的速率越快。‎