2021高考化学一轮复习专题六化学能与电能的转化课件 47页

考点一　原电池原理及其应用 考点清单 基础知识 一、原电池的工作原理 1.原电池 将①　化学    能转化为②　电    能的装置。 2.构成条件 (1)具有两个活泼性不同的电极(金属和金属或金属和导电的非金属)。 (2)电解质溶液。 (3)形成闭合回路。 3.原电池的两极 负极:通常是活泼性较强的金属,发生③　氧化    反应。 正极:通常是活泼性较弱的金属或能导电的非金属,发生④　还原    反应。 4.电极反应式的书写和电子移动方向 (1)电极反应式的书写(以Zn-Cu原电池为例,如图)   负极:⑤　Zn    ,电极反应式:⑥　Zn-2e- Zn2+    。 正极:⑦　Cu    ,电极反应式:⑧　Cu2++2e- Cu    。 电池总反应:⑨　Zn+Cu2+ Zn2++Cu    。 (2)电子移动方向 电子由⑩　负极    释放,经外电路流入 　正极    ,电解质溶液中的阳离 子移向正极,某些阳离子在正极上得电子被 　还原    ,形成一个闭合回 路。 电池 电极反应式 总反应式 碱性锌 锰电池 负极:Zn+2OH--2e-  Zn(OH)2 Zn+2MnO2+2H2O   2MnOOH+Zn(OH)2     正极:2MnO2+2H2O+2e-   2MnOOH+2OH- 铅蓄 电池 负极:Pb(s)+S (aq)-2e-   PbSO4(s) Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)   2PbSO4(s)+2H2O(l) 正极:PbO2(s)+4H+(aq)+S  (aq) +2e-  PbSO4(s)+2H2O(l) 二、化学电源 氢镍电池 负极:H2+2OH--2e-  2H2O 2NiOOH+H2  2Ni(OH)2 正极:2NiOOH+2H2O+2e-   2Ni(OH)2+2OH- 氢氧燃料 电池(H2SO4 作电解质) 负极:2H2-4e-  4H+ 2H2+O2  2H2O 正极:O2+4H++4e-  2H2O 氢氧燃料 电池(KOH 作电解质) 负极:2H2+4OH--4e-  4H2O 2H2+O2  2H2O 正极:O2+2H2O+4e-  4OH- 电池 电极反应式 总反应式 CH4燃料电池 (H2SO4作电解质) 负极:CH4+2H2O-8e-  CO2+ 8H+ CH4+2O2  CO2+2H2O 正极:2O2+8H++8e-  4H2O CH3OH燃料 电池(NaOH 作电解质) 负极:2CH3OH+16OH--12e-   2C +12H2O 2CH3OH+3O2+4NaOH   2Na2CO3+6H2O 正极:3O2+6H2O+12e-  12OH- 电池 电极反应式 总反应式 三、原电池原理的应用 1.金属的腐蚀 (1)化学腐蚀:金属跟接触到的干燥气体(如O2、Cl2、SO2等)或非电解质液 体(如石油)等直接发生化学反应而引起的腐蚀。 (2)电化学腐蚀 a.定义:不纯的金属与电解质溶液接触时,会发生原电池反应,比较活泼的金 属失去电子而被氧化,这种腐蚀叫电化学腐蚀。 注意　金属的腐蚀主要是发生电化学腐蚀。 b.吸氧腐蚀与析氢腐蚀(以钢铁的电化学腐蚀为例) 2.金属的防护 (1)改变金属的内部结构。例如把Ni、Cr等加入普通钢中制成不锈钢。 (2)覆盖保护层:a.涂油脂、喷油漆、搪瓷、覆盖塑料等;b.电镀耐腐蚀的金 属(Zn、Sn、Cr、Ni等)。 类型 吸氧腐蚀 析氢腐蚀 条件 水膜酸性很弱或呈中性 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 (3)电化学保护法:通常采用如下两种方法。a.牺牲阳极的阴极保护法。这 种方法通常是在被保护的钢铁设备上(如锅炉的内壁、船舶的外壳等)装 上若干镁合金或锌块。b.外加电流的阴极保护法。这种方法是把被保护 的钢铁设备(如钢闸门)作为 　阴    极,用惰性电极作为 　阳    极,两者 均存在于电解质溶液(如海水)里,外接直流电源。通电后,电子被强制流向 被保护的钢铁设备,使钢铁表面腐蚀电流降至零或接近于零,从而起到保护 作用。 3.金属腐蚀快慢的比较 不纯的金属在潮湿的空气中形成原电池发生电化学腐蚀,活泼金属因被腐 蚀而损耗。金属腐蚀的快慢与下列两种因素有关: (1)与构成原电池的材料有关,两极材料的活泼性差别越大,电动势越大,进 行氧化还原反应的速率越快,活泼金属被腐蚀的速率就越快。 (2)与金属所接触的介质有关,通常活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于在 非电解质溶液中的腐蚀,在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中 的腐蚀。 一般来说,可用下列原则判断金属腐蚀的快慢: 电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的 腐蚀 考点二　电解原理及其应用 基础知识 一、电解原理 1.电解 使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原 反应的过程。 2.电解池 (1)装置特点 ①　电    能转化为②　化学    能。 (2)形成条件 a.与直流电源相连的两个电极。 b.电解质溶液(或熔融态电解质)。 c.形成闭合回路。 3.电极反应规律 (1)阴极 与电源③　负    极相连,④　得到    电子发生⑤　还原    反应。 (2)阳极 与电源⑥　正    极相连,⑦　失去    电子发生⑧　氧化    反应。 二、电解原理的应用 1.氯碱工业 (1)食盐水的精制 (2)主要生产过程 说明    阳离子交换膜(以电解饱和NaCl溶液为例)只允许阳离子(Na+)通过, 而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过,这样既能阻止H2和Cl2混合爆炸, 又能避免Cl2和NaOH溶液反应生成NaClO影响烧碱质量。 (3)电极反应及总反应 阳极:⑨　2Cl--2e-  Cl2↑    。 阴极:⑩　2H++2e-  H2↑    。 总反应(离子方程式): 　2Cl-+2H2O 2OH-+Cl2↑+H2↑    。 2.电镀 (1)电镀的特点 电镀时,阳极是 　镀层金属    ,阴极是 　镀件    ,一般用含有镀层金属 离子的溶液作电镀液;电镀池工作时,阳极质量 　减小    ,阴极质量      增大    ,电解质溶液浓度 　不变    。 (2)铜的电解精炼 阳极(用 　粗铜    ): 　Cu-2e-  Cu2+    。 粗铜中的金、银等金属杂质,因失电子能力比铜弱,难以在阳极失去电子变 成阳离子,以阳极泥的形式沉积下来。 阴极(用 　纯铜    ): 　Cu2++2e-  Cu    。 3.电冶金 金属冶炼就是使矿石中的金属离子获得电子,从其化合物中还原出来。通 式为 　Mn++ne-  M    。 钠的冶炼:NaCl在熔融状态下发生电离,通直流电,阴极反应式为 　2Na++ 2e-  2Na    ,阳极反应式为 　2Cl--2e-  Cl2↑    。 核心精讲 一、惰性电极电解电解质溶液的规律 类型 电极反应特 点 实例 电解 物质 电解质 的变化 pH 使电解质 溶液复原 的方法 电解 水型 阴极:4H++4e-   2H2↑ 阳极:4OH— 4e-  2H2O +O2↑ NaOH 水 浓度增大 增大 加水 H2SO4 水 浓度增大 减小 加水 Na2SO4 水 浓度增大 不变 加水 电解 电解 质型 电解质电离 出的阴、阳 离子分别在 两极放电 HCl 电解质 浓度减小 增大 加氯化氢 CuCl2 电解质 浓度减小 — 加氯化铜 放H2 生碱型 阴极:放出H2 阳极:电解质 阴离子放电 NaCl 电解质 和水 生成新 电解质 增大 加氯化氢 放O2 生酸型 阴极:电解质 阳离子放电 阳极:OH-放电 CuSO4 电解质 和水 生成新 电解质 减小 加氧化铜 类型 电极反应特 点 实例 电解 物质 电解质 的变化 pH 使电解质溶 液复原的方 法 说明　(1)用惰性电极电解强碱、含氧酸、活泼金属的含氧酸盐的稀溶液 时,实际上是电解H2O,溶质的质量分数增大,浓度增大。 (2)电解时产物的判断要遵循阴、阳离子的放电顺序。 (3)电解后要恢复原电解质溶液的浓度,需加适量的某物质,该物质可以是 阴极与阳极产物的化合物。例如用惰性电极电解CuSO4溶液,要恢复原溶 液的浓度,可向电解后的溶液中加入CuO,但不能加入Cu(OH)2,因为Cu(OH)2 与生成的H2SO4反应后使水量增加。   原电池 电解池 电镀池 定义 将化学能转变成电能 的装置 将电能转变成化学能 的装置 应用电解原理在某些 金属表面镀上一层其 他金属或合金的装置 装置举例       二、原电池、电解池、电镀池的比较 形成条件 ①活泼性不同的两电极 ②电解质溶液(电极插入其中, 并能与电极发生自发反应) ③形成闭合回路 ①两电极接直流电源 ②两电极插入电解质溶液( 或熔融电解质)中 ③形成闭合回路 ①镀层金属接电源正极,待 镀金属接电源负极 ②电镀液必须含有镀层金 属的离子(电镀过程中电 镀液浓度不变) 电极名称 负极:氧化反应,金属失电子或 者氢气等还原性物质失电子 正极:还原反应,溶液中的阳离 子得电子或者氧气等得电子 阳极:氧化反应,溶液中的 阴离子失电子,或金属电极 失电子 阴极:还原反应,溶液中的 阳离子得电子 阳极:金属电极失电子 阴极:电镀液中镀层金属 阳离子得电子(在电镀控 制的条件下,水电离产生 的H+及OH-一般不放电)   原电池 电解池 电镀池 负极 正极 电源负极 阴极 电源正极 阳极 同电解池 (1)同一原电池的正、负极的电极反应中得失电子数相等。(2)同一电解池的阴、阳极的电极反应 中得失电子数相等。(3)串联电路中的各个电极反应得失电子数相等。上述三种情况下,在计算电 解产物的量时,应按得失电子数相等计算   原电池 电解池 电镀池 一、原电池电极反应式的书写方法 1.一般电极反应式的书写 知能拓展 2.复杂电极反应式的书写 总体思路:复杂电极 反应式=总反应式-较简单一极电极反应式 (1)燃料电池正极反应式的书写 正极通入的气体一般是氧气,根据电解质的不同,分以下几种情况: ①在酸性溶液中生成水: O2+4H++4e-  2H2O; ②在碱性溶液中生成氢氧根离子: O2+2H2O+4e-  4OH-; ③在固体电解质(高温下能传导O2-)中生成O2-: O2+4e-  2O2-; ④在熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)中生成碳酸根离子: O2+2CO2+4e-  2C 。 (2)燃料电池负极反应式的书写 负极通入的是燃料,发生氧化反应,负极生成的离子一般与正极产物结合, 有以下几种情况: ①若负极通入的气体是氢气,则 a.酸性溶液中:H2-2e-  2H+; b.碱性溶液中:H2-2e-+2OH-  2H2O; c.熔融氧化物中:H2-2e-+O2-  H2O。 ②若负极通入的气体为含碳的化合物,如CO、CH4、CH3OH等,碳元素均 转化为+4价碳的化合物,在酸性溶液中生成CO2,在碱性溶液中生成C ,熔 融碳酸盐中生成CO2,熔融氧化物中生成C ;含有的氢元素最终生成水。 如CH3OH燃料电池负极反应式在酸性溶液中为CH3OH-6e-+H2O  CO2↑+ 6H+;在碱性溶液中为CH3OH-6e-+8OH-  C +6H2O。 例1    (2019河南汝州期末,18)图甲是一种利用微生物将废水中的尿素 [CO(NH2)2 ]的化学能直接转化为电能,并生成对环境友好物质的装置,同时利用此装置 的电能在铁上镀铜(如图乙)。下列说法中正确的是 (　　)   A.铜电极应与X相连接 B.H+透过质子交换膜由右向左移动 C.当N电极消耗0.25 mol气体时,铁电极增重16 g D.M电极反应式:H2NCONH2+H2O-6e-  CO2↑+N2↑+6H+  解题导引　微生物电池是燃料电池的一种,实质还是氧化还原反应。根据 示意图判断电池的正、负极,再结合图中微粒变化的情况书写出电极反应 式。 解析　A项,根据图甲可判断出N极为正极,M极为负极,电镀时,待镀金属作 阴极,镀层金属作阳极,即铁连接X,Cu连接Y,故A错误;B项,H+从负极流向正 极,即从M极流向N极,故B错误;C项,N极反应式为O2+4H++4e-  2H2O,铁 极反应式为Cu2++2e-  Cu,当N电极消耗0.25 mol气体时,铁电极质量增加 32 g,故C错误;D项,M极为负极,产生H+,因此电极反应式为CO(NH2)2+H2O- 6e-  CO2↑+N2↑+6H+,故D正确。 答案    D 二、与电化学相关的计算   如可以通过4 mol e-为桥梁构建如下关系式: 例2    (2019山西吕梁期末,11)某镍冶炼车间排放的漂洗废水中含有一定浓 度的Ni2+和Cl-,图甲是双膜三室电沉积法回收废水中的Ni2+的示意图,图乙 描述的是实验中阴极液pH与镍回收率之间的关系。下列说法不正确的是  (　　)   图甲   图乙 A.交换膜a为阳离子交换膜 B.阳极反应式为2H2O-4e-  O2↑+4H+ C.阴极液 pH=1时,镍的回收率低主要是有较多的H2生成 D.浓缩室得到1 L 0.5 mol/L的盐酸时,阴极回收得到11.8 g镍 解题导引　为维持电荷的守恒,电极反应剩余的离子通过离子交换膜渗透 补充,为交换膜的判断提供了依据。根据离子的放电顺序写出电极反应 式。 解析　阳极氢氧根离子失电子生成氧气,氢离子通过交换膜a进入浓缩室, 所以交换膜a为阳离子交换膜,故A正确;阳极反应式为2H2O-4e-  O2↑+ 4H+,故B正确;阴极发生还原反应,酸性强时主要是氢离子发生还原反应生 成氢气,酸性弱时主要是Ni2+发生还原反应生成Ni,故C正确;浓缩室得到1 L  0.5 mol/L的盐酸时,转移电子0.4 mol,阴极生成镍和氢气,所以阴极回收得 到的镍小于11.8 g,故D错误。 答案    D 传统化石能源面临枯竭,对能量的高效转化和利用是目前化学科学领域研 究的热点。如2019年课标Ⅲ卷第13题以具有高稳定性和高循环效率的 3D-Zn—NiOOH二次电池为载体,将科学研究热点引入考题,考查新型电池的 结构、充放电工作原理、电极反应等内容。 实践探究 例    (2019江西南昌一模,13)微生物燃料电池(MFC)是一种现代化氨氮去 除技术。如图为MFC碳氮联合同时去除的转化系统原理示意图。下列说 法正确的是 (　　)   A.好氧微生物反应器中反应为N +2O2  N +2H++H2O B.B极电势比A极电势低 C.A极的电极反应式为CH3COO-+8e-+2H2O  2CO2↑+7H+ D.当电路中通过1 mol电子时,理论上总共生成2.24 L N2  解析　A项,N 在好氧微生物反应器中转化为N ,方程式为N +2O2   N +2H++H2O;B项,分析题图可知,A为原电池的负极,B为原电池的正 极,B极电势比A极电势高;C项,A极的电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O   2CO2↑+7H+;D项,当电路中通过1 mol电子时,理论上总共生成标准状 况下2.24 L N2。 答案    A 题目价值　能举例说明化学在解决能源危机中的重要作用,能分析能源的 利用对自然环境和社会发展的影响,能综合考虑化学变化中的物质变化和 能量变化来分析、解决实际问题,如新型电池的开发、金属的防腐等。 1.活学妙用,溯本求源 对于复杂的组合装置,要分析题意确定装置是“原电池”还是“电解池”, 从氧化还原反应的角度,结合电子、离子的移动方向,确定装置的正、负极 或阴、阳极,紧紧抓住原电池、电解池的工作原理,防止被复杂的装置所迷 惑。 创新思维 例1    (2019安徽江南十校联考,13)利用电解质溶液的浓度对电极电势 的影响,可设计浓差电池。下图为一套浓差电池和电解质溶液再生的配套 装置示意图,闭合开关K之前,两个Cu电极的质量相等。下列有关这套装置 的说法中错误的是 (　　)   A.循环物质E为水 B.乙池中Cu电极为阴极,发生还原反应 C.甲池中的电极反应式为Cu2++2e-  Cu D.若外电路中通过1 mol电子,两电极的质量差为64 g 思路分析    由S 的移动方向可知右边Cu电极为负极,发生氧化反应。当 电路中通过1 mol电子时,左边电极质量增加32 g,右边电极质量减小32 g, 两极的质量差为64 g。电解质再生池是利用太阳能将CuSO4稀溶液蒸发, 分离为CuSO4浓溶液和水后,再返回浓差电池。 答案    B 2.实事求是,尊重科学 化学是一门以实验为基础的自然科学,人们对科学规律的发现是通过对自 然现象的反复观察、探究和验证逐步完成的,化学离不开实验,当实验的现 象、结果与熟悉的知识不相符时,我们要尊重实验客观事实,实事求是,不 盲从于熟悉的知识。    例2 (2019云南保山检测,12)中国科学家用墨汁书写后的纸张作为空 气电极,设计并组装了轻型、柔性、能折叠的可充电锂-空气电池(如图甲), 电池的工作原理如图乙。下列有关说法正确的是 (　　)   C.闭合开关K给锂电池充电,X对应充电电极上的反应为Li++e- Li D.放电时,Li+由正极经过有机电解质溶液移向负极 A.放电时,纸张中的纤维素作为锂电池的负极 B.充电时,若阳极放出1 mol O2,则有4 mol e-回到电源正极 思路分析    可充电锂-空气电池放电时,活泼的锂是负极,电极反应式为Li-e-  Li+;墨汁中的石墨作锂电池的正极,电极反应式为O2+2Li++2e- Li2O2, Li+由负极经有机电解质溶液移向正极。闭合开关K给锂电池充电,电池 负极接电源的负极,充电时阳极上发生失电子的氧化反应。 解析　可充电锂-空气电池放电时,锂作负极,A错误;充电时,阳极的电极反 应式为Li2O2-2e- O2↑+2Li+,若阳极放出1 mol O2,则有2 mol e-回到电源 正极,B错误;闭合开关K给锂电池充电,X对应充电电极为阴极,阴极上的反 应式为Li++e- Li,C正确;放电时,阳离子向正极移动,Li+由负极经过有机 电解质溶液移向正极,D错误。 答案    C