2020届化学高考二轮复习（浙江）化学能与电能的转化学案

第2讲　化学能与电能的转化

[考试说明]

续　表

　原电池原理及其应用[学生用书P43]

1．原电池的工作原理

如图是两种锌铜原电池示意图：

(1)反应原理

(2)原电池中的三个方向

①电子流动方向：从负极流出沿导线流入正极；

②电流流动方向：从正极沿导线流向负极；

③离子迁移方向：电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。

2．原电池正、负极的判断

(1)根据电极材料。一般是较活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。

(2)根据电子流动方向或电流方向。电子流动方向：由负极→正极；电流方向：由正极→负极。

(3)根据原电池电解质溶液中离子的移动方向。在原电池的电解质溶液内，阳离子向正极移动，而阴离子向负极移动。

(4)根据原电池两极发生的变化。原电池的负极失电子，发生氧化反应；而正极得电子，发生还原反应。

3．不同介质下电极反应式的书写技巧和步骤

电极反应式属于以离子反应表达的氧化还原半反应，要遵循离子方程式拆分物质的规则。

(1)先写出电极反应式的主要框架(待配平)

①酸性电解液

负极：还原剂－xe－―→氧化产物＋H＋

正极：氧化剂＋xe－＋H＋―→还原产物

②非酸性电解质(或液)(包括碱溶液、熔融碳酸盐及氧化物)

负极：还原剂－xe－＋阴离子―→氧化产物

正极：氧化剂＋xe－―→阴离子＋还原产物

(2)依据化合价变化分别计算氧化剂、还原剂与电子的比例。

(3)根据电荷守恒配平离子，最后根据原子守恒配平其余物质。

题组一　原电池原理的应用

1．如图所示进行实验，下列说法不正确的是(　　)

A．装置甲的锌片上和装置乙的铜片上均可观察到有气泡产生

B．甲、乙装置中的能量变化均为化学能转化为电能

C．装置乙中的锌、铜之间用导线连接电流计，可观察到电流计指针发生偏转

D．装置乙中负极的电极反应式：Zn－2e－===Zn2＋

解析：选B。装置甲为锌片与稀硫酸反应装置，可观察到锌片上有气泡；装置乙为铜锌原电池，锌片、铜片和硫酸形成的原电池中，铜片为原电池正极，该极上氢离子得电子生成氢气，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，故装置乙的铜片上也可观察到有气泡产生，锌片为原电池负极，锌失电子，负极上的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，电子由负极经导线流向正极，整个电路形成回路，产生电流，化学能转变为电能，锌、铜之间用导线连接电流计，可观察到电流计指针发生偏转。故A、C、D正确。甲装置不是原电池，能量变化不是化学能转化为电能，没有产生电流，而乙装置是原电池，原电池中的能量变化为化学能转化为电能，B不正确。

2．(2017·浙江4月选考，T17)银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。其工作示意图如下。下列说法不正确的是(　　)

A．Zn电极是负极

B．Ag2O电极发生还原反应

C．Zn电极的电极反应式：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2

D．放电前后电解质溶液的pH保持不变

解析：选D。由银锌电池的反应原理：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag知，Zn的化合价升高，被氧化，作负极，其电极反应式为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2。因总反应消耗H2O，使得OH－的浓度增大，所以放电前后电解质溶液的pH增大。

题组二　电极反应式的考查

3．Mg­AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是(　　)

A．负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋

B．正极反应式为Ag＋＋e－===Ag

C．电池放电时Cl－由正极向负极迁移

D．负极会发生副反应 Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑

解析：选B。该电池中Mg作负极，失去电子发生氧化反应，生成Mg2＋，A项正确；正极反应为AgCl＋e－===Ag＋Cl－，B项错误；电池放电时，Cl－从正极向负极移动，C项正确；在负极，Mg会发生副反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑，D项正确。

4．(2018·浙江4月选考，T17)锂(Li)­空气电池的工作原理如图所示。

下列说法不正确的是(　　)

A．金属锂作负极，发生氧化反应

B．Li＋通过有机电解质向水溶液处移动

C．正极的电极反应：O2＋4e－===2O2－

D．电池总反应：4Li＋O2＋2H2O===4LiOH

答案：C

介质对电极反应式书写的影响

(1)中性溶液中，反应物若是H＋得电子或OH－失电子，则H＋或OH－均来自水的电离。

(2)酸性溶液中，反应物或生成物中均没有OH－。

(3)碱性溶液中，反应物或生成物中均没有H＋。

(4)水溶液中不能出现O2－。

　化学电源[学生用书P44]

新型电池是对电化学原理的综合考查，在新高考中依托新型电池考查的电化学原理知识有以下几点。

1．判断电极

(1)放电时正、负极的判断

①负极：元素化合价升高或发生氧化反应的物质；

②正极：元素化合价降低或发生还原反应的物质。

(2)充电时阴、阳极的判断

①阴极：放电时的负极在充电时为阴极；

②阳极：放电时的正极在充电时为阳极。

2．微粒流向

(1)电子流向

①电解池：电源负极―→阴极，阳极―→电源正极；

②原电池：负极―→正极。

提示：无论是电解池还是原电池电子均不能流经电解质溶液。

(2)离子流向

①电解池：阳离子移向阴极，阴离子移向阳极；

②原电池：阳离子移向正极，阴离子移向负极。

3．书写电极反应式

(1)放电时电极反应式的书写

①依据条件，指出参与负极和正极反应的物质，根据化合价的变化，判断转移电子的数目；

②根据守恒书写负极(或正极)反应式，特别应注意电极产物是否与电解质溶液共存。

(2)充电时电极反应式的书写

充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电时的阳极反应为放电时正极反应的逆过程，充电时的阴极反应为放电时负极反应的逆过程。

1．(2019·浙江4月选考，T12)化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。

下列说法不正确的是(　　)

A．甲：Zn2＋向Cu电极方向移动，Cu电极附近溶液中H＋浓度增加

B．乙：正极的电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－

C．丙：锌筒做负极，发生氧化反应，锌筒会变薄

D．丁：使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降

答案：A

2．(2017·浙江11月选考，T17)金属(M)­空气电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．金属M做电池负极

B．电解质是熔融的MO

C．正极的电极反应O2＋4e－＋2H2O===4OH－

D．电池反应2M＋O2＋2H2O===2M(OH)2

解析：选B。由原电池中阴离子移向负极，阳离子移向正极，结合题图可知金属M做电池负极，电解质溶液是碱性溶液，负极的电极反应为M－2e－===M2＋，正极的电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，电池总反应为2M＋O2＋2H2O===2M(OH)2。

3．(2018·浙江11月选考，T17)最近，科学家研发了“全氢电池”，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．右边吸附层中发生了还原反应

B．负极的电极反应是H2－2e－＋2OH－===2H2O

C．电池的总反应是2H2＋O2===2H2O

D．电解质溶液中Na＋向右移动，ClO向左移动

解析：选C。观察“全氢电池”的工作原理图示可知，将氢气送到燃料电池的负极，经过催化剂的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，左边吸附层是H2进入的一极，属于负极，发生氧化反应，则右边吸附层为正极，发生还原反应，A选项正确；H2进入的一极是负极，由于是在NaOH溶液的环境中，所以负极的电极反应是H2－2e－＋2OH－===2H2O，B选项正确；电子经外电路，由燃料电池的负极到达正极，与氢离子(质子)结合为H2，所以不存在2H2＋O2 ===2H2O，电池的总反应是HClO4＋NaOH===NaClO4＋H2O(H2在反应前后被消去)，C选项不正确；在原电池中，由于右侧消耗氢离子(质子)，左侧产生氢离子(质子)，为了平衡电荷，电解质溶液中Na＋向右移动，ClO向左移动，D选项正确。

书写电极反应式时的三个原则

(1)共存原则：因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同，所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。碱性溶液中CO2不可能存在，也不可能有H＋参加反应；当电解质溶液呈酸性时，不可能有OH－参加反应。

(2)得氧失氧原则：得氧时，在反应物中加H2O(电解质为酸性时)或OH－(电解质为碱性或中性时)；失氧时，在反应物中加H2O(电解质为碱性或中性时)或H＋(电解质为酸性时)。

(3)中性吸氧反应成碱原则：在中性电解质溶液中，通过金属吸氧所建立起来的原电池反应，其反应的最后产物是碱。

　电解原理及其应用　金属的腐蚀与防护[学生用书P44]

1．电解池

(1)以用惰性电极电解CuCl2溶液为例：

总反应方程式：CuCl2Cu＋Cl2↑。

(2)电解池中电子和离子的移动

注意：电子只在导线中移动，不可流经溶液。

2．牢记电解池的电极反应及其放电顺序

(1)阳离子在阴极上的放电顺序：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋＞……

(2)阴离子在阳极上的放电顺序：S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞……

3．判断电解池阴、阳极的“四方法”

(1)根据所连接的外加电源判断，与直流电源正极相连的为阳极，与直流电源负极相连的为阴极。

(2)根据电子流动方向判断，电子流动方向：由电源负极流向阴极，由阳极流向电源正极。

(3)根据电解池里电解质溶液中离子的移动方向判断，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。

(4)根据电解池两极上的现象判断，一般情况下：

①阴极上的现象：析出金属(质量增加)或有无色气体(H2)放出；

②阳极上的现象：有非金属单质生成，呈气态的有Cl2、O2或电极质量减小(活性电极作阳极)。

4．掌握电解的四大类型及规律

5．金属的腐蚀与防护

(1)两种防护方法

①加防护层

(2)金属腐蚀的快慢规律

电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞一般化学腐蚀＞有防腐措施的腐蚀。

(3)防腐措施效果比较

外加电流的阴极保护法＞牺牲阳极的阴极保护法＞有一般防腐条件的防护＞未采取任何防护措施。

题组一　电解原理及其应用

1．[2018·浙江4月选考，T30(一)]以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]水溶液为原料，通过电解法可以制备四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH]，装置如图所示。

(1)收集到(CH3)4NOH的区域是______(填a、b、c或d)。

(2)写出电池总反应：__________________________________________________。

答案：(1)d

(2)2(CH3)4NCl＋2H2O2(CH3)4NOH＋H2↑＋Cl2↑

2．[2017·浙江11月选考，T30(二)]科学家发现，以H2O和N2为原料，熔融NaOH­KOH为电解质，纳米Fe2O3作催化剂，在250 ℃和常压下可实现电化学合成氨。阴极区发生的变化可视为按两步进行，请补充完整。

电极反应式：____________________________________和2Fe＋3H2O＋N2===2NH3＋Fe2O3。

答案：Fe2O3＋3H2O＋6e－===2Fe＋6OH－

3．[2019·浙江4月选考，T30(4)]以铂阳极和石墨阴极设计电解池，通过电解NH4HSO4溶液产生(NH4)2S2O8，再与水反应得到H2O2，其中生成的NH4HSO4可以循环使用。

(1)阳极的电极反应式是_______________________________________________。

(2)制备H2O2的总反应方程式是_________________________________。

答案：(1)2HSO－2e－===S2O＋2H＋或2SO－2e－===S2O　(2)2H2OH2O2＋H2↑

4.

[2018·浙江11月选考，T30(二)]高铁酸钾(K2FeO4)可用作水处理剂。某同学通过“化学—电解法”探究K2FeO4的合成，其原理如图所示。接通电源，调节电压，将一定量Cl2通入KOH溶液，然后滴入含Fe3＋的溶液，控制温度，可制得K2FeO4。

(1)请写出“化学法”得到FeO的离子方程式：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)请写出阳极的电极反应式(含FeO)：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：(1)依据氧化还原原理，氯气与氢氧化钾反应生成次氯酸根离子，可以氧化三价铁离子生成高铁酸根：2Fe3＋＋3ClO－＋10OH－===2FeO＋3Cl－＋5H2O或2Fe(OH)3＋3ClO－＋4OH－===2FeO＋3Cl－＋5H2O。

(2)根据电解法制备，三价铁离子失去电子生成高铁酸根，电极反应式为Fe3＋－3e－＋8OH－===FeO＋4H2O或Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO＋4H2O。

答案：(1)2Fe3＋＋3ClO－＋10OH－===2FeO＋3Cl－＋5H2O[或2Fe(OH)3＋3ClO－＋4OH－===2FeO＋3Cl－＋5H2O]

(2)Fe3＋＋8OH－－3e－===FeO＋4H2O

[或Fe(OH)3＋5OH－－3e－===FeO＋4H2O]

书写电解池电极方程式的常见失分点

(1)阴极不管是什么材料，电极本身都不反应，一定是溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电。

(2)要确保两极电子转移数目相同，且总反应式注明条件“电解”。

(3)电解水溶液时，应注意放电顺序中H＋、OH－之后的离子一般不参与放电。

题组二　金属的腐蚀与防护

5．(2019·舟山高三选考模拟)钼酸钠和月桂酰肌氨酸的混合液常作为碳素钢的缓蚀剂。常温下，碳素钢在三种不同介质中的腐蚀速率实验结果如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．盐酸的浓度越大，腐蚀速率越快

B．钼酸钠和月桂酰肌氨酸的浓度相等时，腐蚀速率最小

C．碳素钢的腐蚀速率不随硫酸的浓度增大而增大，说明反应速率不与c(H＋)成正比

D．对比盐酸和硫酸两条曲线，可知Cl－也会影响碳素钢的腐蚀速率

解析：选C。由酸的浓度对腐蚀速率的影响图可知，盐酸的浓度越大，腐蚀速率越快，A项正确；由图可知，曲线的最低点腐蚀速率最小，则钼酸钠和月桂酰肌氨酸的浓度相等时，腐蚀速率最小，B项正确；浓硫酸有强氧化性，能使金属表面形成致密的氧化膜保护层，则硫酸浓度较大时，不能说明腐蚀速率与氢离子浓度的关系，C项错误；碳素钢在盐酸和硫酸中的腐蚀速率随酸浓度的变化有明显差异，可知Cl－有利于碳素钢的腐蚀，SO不利于碳素钢的腐蚀，D项正确。