2020届高考化学二轮复习电化学原理分析和电极反应的书写学案

微焦点12 电化学原理分析和电极反应的书写

[学生用书P25]

续　表

　　　　　　　新型原电池的工作原理分析

[典例导考1](2019·金华十校高三上期末联考)某高能电池以稀硫酸作为电解质溶液,其总反应式为CH2CH2+O2CH3COOH。下列说法正确的是(　　)

A.在电池工作过程中,溶液中的S向正极移动

B.随着反应的进行,正极区域附近溶液的pH变小

C.当转移4 mol电子时,溶液中的CH3COOH分子数为NA(NA为阿伏加德罗常数的值)

D.负极的电极反应式为CH2CH2-4e-+2H2OCH3COOH+4H+

【审】　本题考查原电池,需知道电池的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。

【切】　电子移动方向和电流方向:电子从负极流出经外电路流入正极;电流从正极流出经外电路流入负极。离子的迁移方向:电解质溶液中,阴离子向负极迁移,阳离子向正极迁移。

【解】　根据原电池的工作原理,阴离子向负极移动,即S向负极移动,A项错误;电解质是硫酸,正极反应式为O2+4H++4e-2H2O,正极区域pH变大,B项错误;负极反应式为CH2CH2+2H2O-4e-CH3COOH+4H+,当转移4 mol电子时,生成1 mol CH3COOH,但CH3COOH属于弱电解质,部分电离,因此溶液中CH3COOH分子的物质的量小于 1 mol,C项错误;根据电池总反应,电解质是硫酸,因此负极反应式为CH2CH2+2H2O-4e-CH3COOH+4H+,D项正确。

【答】　D

【思】　不同“介质”下燃料电池电极反应式的书写。以CH3OH、O2燃料电池为例,分析电极反应式的书写。

(1)酸性介质,如H2SO4。CH3OH在负极上失去电子生成CO2气体,O2在正极上得到电子,在H+作用下生成H2O。电极反应式为负极:CH3OH-6e-+H2OCO2↑+6H+;正极:O2+6e-+6H+3H2O。

(2)碱性介质,如KOH溶液。CH3OH在负极上失去电子,在碱性条件下生成C,1 mol CH3OH 失去6 mol e-,O2在正极上得到电子生成OH-,电极反应式为负极:CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O;正极:O2+6e-+3H2O6OH-。

(3)熔融盐介质,如K2CO3。在电池工作时,C移向负极,CH3OH在负极上失去电子,在C的作用下生成CO2气体,O2在正极上得到电子,在CO2的作用下生成C,其电极反应式为负极:CH3OH-6e-+3C4CO2↑+2H2O;正极:O2+6e-+3CO23C。

(4)掺杂Y2O3的ZrO3固体做电解质,在高温下能传导正极生成的O2-。根据O2-移向负极,在负极上CH3OH失电子生成CO2气体,而O2在正极上得电子生成O2-,电极反应式为负极:CH3OH-6e-+3O2-CO2↑+2H2O;正极:O2+6e-3O2-。

[应用提能1-1] 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+(1-)O2

【答案】　D

【微探究】　根据原电池的工作原理,多孔碳材料吸附O2,O2在此获得电子,所以多孔碳材料电极为电池的正极,A项错误;放电时电子从负极(锂电极)流出,通过外电路流向正极(多孔碳材料电极),B项错误;Li+带正电荷,充电时,应该向电解池的阴极(锂电极)迁移,C项错误;充电时,电池总反应为Li2O2-x2Li+O2,D项正确。

[应用提能1-2]利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意图如图所示。下列说法错误的是              (　　)

A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能

B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+2H++2MV+

C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3

D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动

【答案】　B

【微探究】　由题图和题意知,电池总反应是3H2+N22NH3。该合成氨反应在常温下进行,并形成原电池产生电能,反应不需要高温、高压和催化剂,A项正确;观察题图知,左边电极发生氧化反应MV+-e-MV2+,为负极,不是阴极,B项错误;正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3,C项正确;电池工作时,H+通过交换膜,由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移,D项正确。

　　　　　　　新型电解池的工作原理分析

[典例导考2](2018·全国Ⅲ卷)KIO3可采用“电解法”制备,装置如图所示。

(1)写出电解时阴极的电极反应式: 

　。 

(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为　　　　,其迁移方向是　　　　。 

【审】　利用电解原理制备某些物质。

【切】　阳离子交换膜只允许阳离子通过;阴极发生得到电子的还原反应。

【解】　(1)电解质溶液是KOH溶液,阴极的电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑。(2)电解过程中阳极反应式为I-+6OH--6e-I+3H2O,阳极的K+通过阳离子交换膜由电极a迁移到电极b。

【答】　(1)2H2O+2e-2OH-+H2↑　(2)K+　由a到b(或从左到右)

【思】　要注意分析、总结离子交换膜技术在电化学原理中的应用。

[应用提能2]支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流的阴极保护法进行防腐,工作原理如图所示,其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是              (　　)

A.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零

B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩

C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流

D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整

【答案】　C

【微探究】　依题意,钢管桩为阴极,电子流向阴极,阴极被保护,钢管桩表面腐蚀电流是指铁失去电子形成的电流,接近于0,铁不容易失去电子,A项正确;阳极上发生氧化反应,失去电子,电子经外电路流向阴极,B项正确;高硅铸铁做阳极,阳极上发生氧化反应,阳极上主要是海水中的水被氧化生成氧气,惰性辅助阳极不被损耗,C项错误;根据海水对钢管桩的腐蚀情况,增大或减小电流强度,D项正确。

　　　　　　　电极反应式的书写规律

[典例导考3](2017·江苏卷)铝是应用广泛的金属。以铝土矿(主要成分为Al2O3,含SiO2和Fe2O3等杂质)为原料制备铝。

(1)电解熔融 Al2O3,电解过程中做阳极的石墨易消耗,原因是　。 

 (2)下图是电解Na2CO3溶液的装置。阳极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　,阴极产生的物质A的化学式为　　　　。 

【审】　根据电解基本原理结合题目信息分析电极反应。

【切】　要从文本、图示中解读出关键信息。

【解】　(1)电解熔融Al2O3时阳极上生成O2,O2会氧化石墨。(2)阳极上水电离出OH-失去电子生成O2,水电离出H+与C反应生成HC,阴极上水电离出H+得到电子生成H2。

【答】　(1)石墨电极被阳极上产生的O2氧化

(2)4C+2H2O-4e-4HC+O2↑　H2

【思】　电极反应式的书写不能凭经验主义,实际上原电池和电解池的电极反应是非常复杂的,在解题过程中,要结合题目信息灵活应变。

[应用提能3-1]我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池,将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液,钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料,电池的总反应为3CO2+4Na 2Na2CO3+C。下列说法错误的是              (　　)

A.放电时,Cl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- 2C+C

D.充电时,正极反应为Na++e- Na

【答案】　D

【微探究】　电池放电时,Cl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-2C+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。

[应用提能3-2]在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上,科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案,主要包括电化学过程和化学过程,如下图所示:

　　阴极发生的反应有 

(写反应方程式)。电路中转移1 mol电子,需消耗氧气　　　　L(标准状况)。 

【答案】　Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O　5.6

【微探究】　阴极发生还原反应Fe3++e-Fe2+,生成的二价铁又被氧气氧化成三价铁,发生反应4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O;由反应可知电路中转移4 mol电子消耗1 mol O2,则转移1 mol电子消耗 mol O2,其在标准状况下的体积为 mol×22.4 L/mol=5.6 L。