高考题型专讲之
电化学
考纲要求
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。
题型特点
本部分考查内容主要有以下三个方面:( 1)原电池原理及其应用以及金属的腐蚀与防护;( 2)电解原理、精炼铜;( 3)可充电电池的充电与放电。考查方式以选择题为主,有时出现在非选择题中。选择题常以新型电源和生产生活、科学实验、物质制备等为背景,考查电极的判断、离子 或电子的移动方向、电极上电子转移的数目、电极上发生的反应类型、电极附近溶液的酸碱性、电极反应式的正误判断、金属腐蚀的原因及防护措施等;而非选择题 则常考查电极反应式的书写、利用原电池工作原理和电解原理探究金属腐蚀的原因及防护的措施、某些反应速率加快的原因、电解原理的应用和进行简单的有关计算 等。
题型示例
( 2012·安徽)某兴趣小组设计如下微型实验装置。实验时,先断开 K 2,闭合 K 1,两极均有气泡产生;一段时间后,断开 K 1,闭合 K 2,发现电流发 A指针偏转。
下列有关描述正确的是
A.断开 K 2,闭合 K 1时,总反应的离子方程式为:
B.断开 K 1,闭合 K 2时,石墨电极附近溶液变红
C.断开 K 1,闭合 K 2时,铜电极上的电极反应为:
D.断开 K 1,闭合 K 2时,石墨电极作正极
答案: D
解析:断开 K 2,闭合 K 1时,装置为电解池,两极均有气泡产生,表明石墨为阳极,铜为阴极,(若铜为阳极,则铜溶解),反应为 2 Cl-+ 2 H 2 O H 2↑+ 2 OH-+ Cl 2↑,因此石墨电极处产生 Cl 2,在铜电极处产生 H 2,附近水的电离平衡被破坏使 c( OH-)> c( H+),溶液变红,(两极产生的气体收集在装置中可作断开 K 1、闭合 K 2时的反应的物质),故 A、 B两项均错误;断开 K 1、闭合 K 2时,为原电池反应,铜电极为负极,发生氧化反应为 H 2- 2 e-+ 2 OH-= 2 H 2 O,而石墨为正极,发生还原反应,电极反应为 Cl 2+ 2 e-= 2 Cl-,故 C项错误, D项正确。
解题策略
新型电池分析 新型电池的分析的是新课标高考命题的 热点,分析的关键是根据原电池和电解池的工作原理,分析清楚电极反应的实质。重视电化学与其他知识点的联系,从氧化还原反应的基本原理入手,将原电池、电 解池的构成要素、工作原理、电极反应的特点、电子转移过程与能量转化关系、电子守恒等问题进行系统归纳,形成科学的知识体系,并在此基础上通过对比、联系 等方式,在知识、能力与题型之间寻找有关规律,是解决此类问题关键。
知识要点
一、原电池
1、原电池:把化学能直接转化为电能的装置。
2、构成原电池的基本条件:
有两块金属(或非金属)导体作电极;两个电极相连插入电解质溶液中并形成闭合电路;有可自发发生的氧化还原反应。
3、盐桥:在 U型管中装满用饱和 KCl溶液和琼胶作成的冻胶。
盐桥的作用:使 Cl-向锌盐方向移动, K+向铜盐方向移动,使 Zn盐和 Cu盐溶液一直保持电中性,从而使电子不断从 Zn极流向 Cu极。
4、原电池工作原理
较活泼的金属失去电子发生氧化反应,电子从较活泼金属(负极)通过外电路流向较不活泼的金属(正极)。
加入盐桥后由两个半电池组成的原电池工作原理:
( 1)用还原性较强的物质(如:活泼金属)作负极,向外电路提供电子;用氧化性较强的物质作正极,并在正极得到电子。
( 2)原电池在放电时,负极上的电子经过导线流向正极,而氧化性较强的物质从正极上得到电子,两极之间再通过盐桥及池内溶液中的阴、阳离子定向运动形成的内电路构成有稳定电流的闭合回路。
5、原电池的正负极的判断:
①根据电子流动方向判断:在原电池中,电子流出的一极是负极,电子流入的一极是正极。
②根据两极材料判断:一般活泼性较强的金属为负极;活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。③根据原电池里电解质溶液内离子的定向流动方向判断:阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。④根据原电池两极发生的变化来判断。负极发生氧化反应;正极发生还原反应。
⑤根据现象判断:一般溶解的一极为负极,质量增加或放出气体的一极为正极。
6、电极反应式的书写
( 1)一般电极反应式的书写:
( 2)复杂的电极反应式的书写:对于复杂的电极反应式可由电池反应减去负极反应而得到正极反应。此时必须保证电池反应转移的电子数等于电极反应转移的电子数,即遵守电荷守恒和质量守恒和电子守恒规律。
7、原电池原理在化工、农业生产及科研中的应用
( 1)比较不同金属的活动性强弱:根据原电池原理可知,在原电池反应过程中,一般活动性强的金属作负极,而活动性弱的金属(或碳棒)作正极.若有两种金属 A和 B,用导线将 A和 B连接后,插入到稀硫酸中,一段时间后,若观察到 A极溶解,而 B极上有气体放出,说明在原电池工作过程中, A被氧化成阳离子而失去电子作负极, B作正极,则金属 A的金属活动性比 B强。
( 2)加快化学反应速率:由于原电池将氧化还原反应拆成两个半反应且有电流产生,因而反应速率加快.如 Zn与稀 H 2 SO 4反应制氢气时,可向溶液中滴加少量 CuSO 4溶液,形成 Cu- Zn原电池,加快反应进行。
( 3)用于金属的防护:要保护一个铁制闸门,可用导线将其与一锌块相连,使锌作原电池的负极,铁制闸门作正极。
( 4)设计制作化学电源:
设计原电池时要紧扣构成原电池的条件:( 1)首要将已知氧化还原反应拆分为两个半反应;( 2)根据原电池的电极反应特点,结合两个半反应找出正负极材料(负极就是失电子的物质,正极用比负极活泼性差的金属或导电的非金属如石墨)及电解质溶液。
二、化学电源
1、一次电池
( 1)碱性锌锰干电池
负极: Zn+ 2 OH—— 2 e—= ZnO+ H 2 O,正极: MnO 2+ 2 H 2 O+ 2 e—= Mn (OH) 2+ 2 OH—
总反应式为: Zn+ MnO 2+ H 2 O= ZnO+ Mn (OH) 2
( 2)银锌纽扣电池
负极: Zn+ 2 OH—— 2 e—= ZnO+ H 2 O,正极: Ag 2 O+ H 2 O+ 2 e—= 2 Ag+ 2 OH—,
总反应式为: Ag 2 O+ Zn= 2 Ag+ ZnO
2、二次电池(可充电电池)
( 1)铅蓄电池
典型的可充电电池,其电极反应分为放电和充电两个过程。
负极:( Pb) Pb+ SO 4 2—— 2 e—= PbSO 4(充电时为阴极)
正极:( PbO 2) PbO 2+ 4 H++ SO 4 2—+ 2 e—= PbSO 4+ 2 H 2 O(充电时为阳极)
总反应:(放电与充电) PbO 2+ Pb+ 2 H 2 SO 4 2 PbSO 4+ 2 H 2 O
( 2)碱性蓄电池
这类电池一般寿命比铅酸蓄电池长很多,且拾携带很方便。
Ni-Cd电池: Cd+ 2 NiO (OH)+ 2 H 2 O= 2 Ni (OH) 2+ Cd (OH) 2
Ni-Fe电池: Fe+ 2 NiO (OH)+ 2 H 2 O= 2 Ni (OH) 2+ Fe (OH) 2
( 3)微型锂电池
常用于心脏起搏器、手机的一种微型电池,一般用金属锂作负极,石墨作正极,电解质溶液为溶有四氯化铝锂( LiAlCl 4)的亚硫酸氯( SOCl 2 )。
电池的总反应式: 8 Li+ 3 SOCl 2= 6 LiCl+ Li 2 SO 3+ 2 S。
3、新型电池
( 1)燃料电池:利用氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气或空气进行电化学反应时释放出来的化学能直接转化成电能的一类原电池。
氢氧燃料电池最常见,方程式如下:
( 2)海水电池
以铝——空气——海水为材料组成的新型电池,用作航海标志灯。该电池以取之不尽的海水为电解质,靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。
负极: 4 Al– 12 e—= 4 Al 3+
正极: 3 O 2+ 6 H 2 O+ 12 e—= 12 OH—
总反应式为: 4 Al+ 3 O 2+ 6 H 2 O= 4 Al (OH) 3
( 3)熔融盐燃料电池
按其所用燃料或熔融盐的不同,有多个不同的品种,如天然气( CO)——熔融碳酸盐(熔融磷酸盐)型等等,一般要在一定的高温下(确保盐处于熔化状态)才能工作。
以 CO—— Li 2 CO 3和 Na 2 CO 3(电解质)——空气、 CO 2型电池为例(该电池的工作温度一般为 6500 C):
总反应式为: 2 CO+ O 2= 2 CO 2
负极反应式: 2 CO+ 2 CO 3 2- - 4 e-= 4 CO 2
正极反应式: O 2+ 2 CO 2+ 4 e—= 2 CO 3 2—
三、电解池
1、电解:使电流通过电解质溶液,而在阴、阳两极发生氧化还原反应的过程。电离是电解的前提。电解质的导电过程即是被电解过程。
2、电解池:将电能转化为化学能的装置。
3、电解池的工作原理
以电解 CuCl 2溶液为例
( 1)电极
阳极——与电源正极相连
阴极——与电源负极相连
隋性电极——只导电,不参与氧化还原反应( C/ Pt/ Au)
活泼电极——既导电又参与氧化还原反应( Cu/ Ag)
( 2)电极反应(阳氧阴还)
阳极: 2 Cl— -2 e—= Cl 2 (氧化)
阴极: Cu 2++ 2 e—= Cu(还原)
总反应: CuCl 2 Cu+ Cl 2↑
4、电极产物的判断及有关反应式的书写
原电池的两极称为正、负极,是由两极材料的相对活泼程度决定 (原电池的正、负极在内电路中有时也称为阴极、阳极)。电解池的两极称为阴、阳极,是由外接电源决定。原电池和电解池中,阳离子总是向阴极移动,阴离子总是向阳极移动。
⑴电极产物的判断:
①阴极与电源负极相连,得电子发生还原反应。其规律有两个:一是电极本身不参加反应;二是电解质溶液中氧化性强的阳离子先得电子放电,如 Ag+> Hg 2+> Fe 3+> Cu 2+> H+(指酸电离的)> Pb 2+> Sn 2+> Fe 2+> Zn 2+> Al 3+> Mg 2+> Na+> Ca 2+> K+,要注意到金属活动性顺序表中 Al及 Al前面的金属离子在溶液中不放电。
②阳极与电源正极相连,失去电子发生氧化反应。其规律有两个:一是若阳极为活性电极(除 Pt、 Au之外的金属作电极),电极本身失去电子被氧化,电解质溶液中的阴离子不参与电极反应;二是若阳极为惰性电极( Pt、 Au或非金属作电极),电解质溶液中还原性强的阴离子失去电子被氧化,活性电极>无氧酸根( S 2-> I-> Br-> Cl-)> OH->含氧酸根。
⑵电极方程式、电解方程式的书写:
书写电解反应的一般步骤是:(以写出用石墨做电极电解 CuSO 4溶液的电极反应式及总的电解方程式为例)
第一步:明确溶液中存在哪些离子溶液中的阳离子: Cu 2+、 H+,阴离子: OH-、 SO 4 2—。
第二步:判断阴阳两极附近离子种类及离子放电顺序阴极: Cu 2+> H+阳极: OH-> SO 4 2—
第三步:写电极反应式和总的电解方程式
阴极: 2 Cu 2++ 4 e-= 2 Cu阳极: 4 OH-- 4 e-= 2 H 2 O+ O 2↑或 2 H 2 O- 4 e-= O 2↑+ 4 H+
使得失电子数相等,两极反应式相加得总方程式: 2 Cu 2++ 2 H 2 O 2 Cu+ O 2↑+ 4 H+(离子方程式)或 2 CuSO 4+ 2 H 2 O 2 Cu+ O 2↑+ 2 H 2 SO 4。
[注意]①上述例子中的电极若换成铜棒,阳极反应式为: Cu- 2 e-= Cu 2+,阴极反应式不变;②电极反应式的书写要以实际放电的离子表示,但电解方程式的书写中,弱电解质要以分子式的形式书写。如本例中的阳极反应式可写为 OH-,但是电解总反应方程式则必须写为 H 2 O。
5、以惰性电极电解电解质溶液的类型
6、电化学计算的基本方法
原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液 pH的计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数测定的计算、根据电荷量求产物的量与根据产物的量求电荷量等的计算。不论哪类计算,均可概括为下列三种方法:①根据电子守恒法计算:用于串联电路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电荷量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。②根据总反应式计算:先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列比例式计算③根据关系式计算:借得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁,建立计算所需的关系式。
7、电解原理的应用
( 1)电解饱和食盐水
电极反应:
阳极: 2 Cl-- 2 e-= Cl 2↑
阴极: 2 H++ 2 e-= H 2↑(加酚酞变红)
总反应: 2 NaCl+ 2 H 2 O 2 NaOH+ Cl 2↑+ H 2↑。
应用: 氯碱工业制烧碱、氯气、氢气。
( 2)电镀铜或电解精炼铜
两极材料:待镀金属或精铜做阴极,镀层金属或粗铜做阳极。
电解质: CuSO 4溶液。电镀时,理论上电解前后电解质溶液浓度不变。
电极反应:阳极: Cu -2 e-= Cu 2+; 阴极: Cu 2++ 2 e-= Cu。
( 3)电解冶炼钠(电解熔融 NaCl)
⑴电极反应:阳极: 2 Cl- -2 e-= Cl 2↑阴极: 2 Na++ 2 e-= 2 Na;
⑵总反应方程式: 2 NaCl 2 Na+ Cl 2↑。
⑶应用:冶炼 Na、 Mg、 Al等活泼金属。