2022届高考化学二轮专题复习学案练习专题六 考点二　化学能与电能

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考点二　化学能与电能

(一)原电池原理及应用
1．图解原电池工作原理

2．原电池装置图的升级考查

说明　(1)无论是装置①还是装置②，电子均不能通过电解质溶液。
(2)在装置①中，由于不可避免会直接发生Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu而使化学能转化为热能，所以装置②的能量转化率高。
(3)盐桥的作用：原电池装置由装置①到装置②的变化是由盐桥连接两个“半电池装置”，其中盐桥的作用有三种：a.隔绝正负极反应物，避免直接接触，导致电流不稳定；b.通过离子的定向移动，构成闭合回路；c.平衡电极区的电荷。
(4)离子交换膜作用：由装置②到装置③的变化是“盐桥”变成“质子交换膜”。离子交换膜是一种选择性透过膜，允许相应离子通过，离子迁移方向遵循电池中离子迁移方向。


3．陌生原电池装置的知识迁移
(1)燃料电池

(2)可逆电池

(二)电解池原理及应用
1．图解电解池工作原理(阳极为惰性电极)

2．正确判断电极产物
(1)阳极产物的判断首先看电极，如果是活性电极作阳极，则电极材料失电子，电极溶解(注意：铁作阳极溶解生成Fe2＋，而不是Fe3＋)；如果是惰性电极，则需看溶液中阴离子的失电子能力，阴离子放电顺序为S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－(水)。
(2)阴极产物的判断直接根据阳离子的放电顺序进行判断：
Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)。
3．对比掌握电解规律(阳极为惰性电极)
电解类型
电解质实例
溶液复原物质
电解水
NaOH、H2SO4或Na2SO4
水
电解电解质
HCl或CuCl2
原电解质
放氢生碱型
NaCl
HCl气体
放氧生酸型
CuSO4或AgNO3
CuO或Ag2O

注意　电解后有关电解质溶液恢复原态的问题应该用质量守恒法分析。一般是加入阳极产物和阴极产物的化合物，但也有特殊情况，如用惰性电极电解CuSO4溶液，Cu2＋完全放电之前，可加入CuO或CuCO3复原，而Cu2＋完全放电之后，溶液中H＋继续放电，应加入Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3复原。
4．正误判断，下列说法正确的打“√”，错误的打“×”
(1)电解质溶液导电发生化学变化(√)
(2)电解精炼铜和电镀铜，电解液的浓度均会发生很大的变化(×)
(3)电解饱和食盐水，在阳极区得到NaOH溶液(×)
(4)工业上可用电解MgCl2溶液、AlCl3溶液的方法制备Mg和Al(×)
(5)电解精炼铜时，阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料(√)
(6)用惰性电极电解CuSO4溶液，若加入0.1 mol Cu(OH)2固体可使电解质溶液复原，则整个电路中转移电子数为0.4NA(√)
5．陌生电解池装置图的知识迁移
(1)电解池

(2)金属腐蚀


角度一　原电池原理的应用
1．(2020·全国卷Ⅰ，12)科学家近年发明了一种新型Zn—CO2水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。

下列说法错误的是(　　)
A．放电时，负极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)
B．放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol
C．充电时，电池总反应为2Zn(OH)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D．充电时，正极溶液中OH－浓度升高
答案　D
解析　由装置示意图可知，放电时负极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)，A项正确；放电时CO2转化为HCOOH，C元素化合价降低2，则1 mol CO2转化为HCOOH时，转移电子数为2 mol，B项正确；由装置示意图可知充电时正极(阳极)产生O2，负极(阴极)产生Zn，C项正确；充电时正极(阳极)上发生反应2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，OH－浓度降低，D项错误。
2．(2020·全国卷Ⅲ，12)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)—空气电池如下图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===VO＋2B(OH)＋4H2O

该电池工作时，下列说法错误的是(　　)
A．负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应
B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C．电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)＋4VO
D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
答案　B
解析　根据VB2电极发生的反应VB2＋16OH－－11e－===VO＋2B(OH)＋4H2O，判断得出VB2电极为负极，复合碳电极为正极，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，所以电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)＋4VO，C正确；负载通过0.04 mol电子时，有0.01 mol氧气参与反应，即标准状况下有0.224 L氧气参与反应，A正确；负极区消耗OH－，溶液的pH降低，正极区生成OH－，溶液的pH升高，B错误。
3．[2020·新高考全国卷Ⅰ(山东)，10]微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含CH3COO－的溶液为例)。下列说法错误的是(　　)

A．负极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋
B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜
C．当电路中转移1 mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5 g
D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
答案　B
解析　由装置示意图可知，负极区CH3COO－发生氧化反应生成CO2和H＋，A项正确；隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，才能使模拟海水中的氯离子移向负极，钠离子移向正极，达到海水淡化的目的，B项错误；电路中有1 mol 电子通过，则电解质溶液中有1 mol钠离子移向正极，1 mol氯离子移向负极，C项正确；负极产生CO2：CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，正极产生H2：2H＋＋2e－===H2↑，根据电荷守恒，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1，D项正确。
角度二　电解池原理的应用
4．(2020·全国卷Ⅱ，12)电致变色器件可智能调控太阳光透过率，从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时，Ag＋注入到无色WO3薄膜中，生成AgxWO3，器件呈现蓝色，对于该变化过程，下列叙述错误的是(　　)

A．Ag为阳极
B．Ag＋由银电极向变色层迁移
C．W元素的化合价升高
D．总反应为：WO3＋xAg===AgxWO3
答案　C
解析　根据题给信息，通电时Ag＋注入无色WO3薄膜中，生成AgxWO3，可得Ag为阳极，失去电子发生氧化反应，Ag－e－===Ag＋，Ag＋通过固体电解质向变色层迁移，总反应为WO3＋xAg===AgxWO3，A、B、D正确；WO3得xe－生成WO，W元素的化合价降低，C错误。
5．[2020·新高考全国卷Ⅰ(山东)，13]采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如下图所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是(　　)

A．阳极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑
B．电解一段时间后，阳极室的pH未变
C．电解过程中，H＋由a极区向b极区迁移
D．电解一段时间后，a极生成的O2与b极反应的O2等量
答案　D
解析　A项，根据题图可知a极为阳极，其反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，正确；B项，阳极室产生的氢离子通过质子交换膜进入阴极室，阳极室pH保持不变，正确；C项，电解过程中阳离子移向阴极，故H＋移向b极区，正确；D项，根据电极反应式：阳极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，阴极反应为2H＋＋O2＋2e－===H2O2，故a极生成的O2与b极反应的O2不等量，错误。
6．[2020·全国卷Ⅱ，26(1)]氯气是制备系列含氯化合物的主要原料，可采用如图所示的装置来制取。装置中的离子膜只允许______离子通过，氯气的逸出口是______(填标号)。

答案　Na＋　a
解析　电解精制盐水的电极反应为阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，为了防止阴极产生的OH－与阳极产生的Cl2反应，中间的离子交换膜应为阳离子交换膜，只允许Na＋通过，Cl2在a口逸出。
7．[2020·全国卷Ⅱ，28(3)]CH4和CO2都是比较稳定的分子，科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化，其原理如下图所示：

①阴极上的反应式为_____________________________________________________。
②若生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1，则消耗的CH4和CO2体积比为________。
答案　①CO2＋2e－===CO＋O2－　②6∶5
解析　①由图示可知，阴极上CO2―→CO，且固体电解质能传导O2－，则阴极反应式为CO2＋2e－===CO＋O2－。②假设生成的乙烯和乙烷的物质的量分别为2 mol和1 mol，由4CH4―→2C2H4＋4H2、2CH4―→C2H6＋H2知，生成2 mol乙烯和1 mol乙烷时，共脱去5 mol H2，转移10 mol e－，根据电子转移数目守恒可知，此时消耗的CO2为5 mol，消耗的CH4为6 mol，即消耗的CH4和CO2的体积比为6∶5。

题组一　分类书写“电池”电极反应式
类型一　辨析“介质”书写电极反应式
1．按要求书写不同“介质”下甲醇燃料电池的电极反应式。
(1)酸性介质，如H2SO4溶液：
负极：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋。
正极：O2＋6e－＋6H＋===3H2O。
(2)碱性介质，如KOH溶液：
负极：CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O。
正极：O2＋6e－＋3H2O===6OH－。
(3)熔融盐介质，如K2CO3：
负极：CH3OH－6e－＋3CO===4CO2＋2H2O。
正极：O2＋6e－＋3CO2===3CO。
(4)掺杂Y2O3的ZrO3固体作电解质，在高温下能传导O2－：
负极：CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O。
正极：O2＋6e－===3O2－。

碱性介质　C―→CO
其余介质　C―→CO2
酸性介质　H―→H＋
其余介质　H―→H2O


类型二　明确“充、放电”书写电极反应式
2．镍镉(Ni—Cd)可充电电池在现代生活中有广泛的应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2。
负极：Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2。
阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O。
类型三　识别“交换膜”提取信息，书写电极反应式
3．如将燃煤产生的二氧化碳回收利用，可达到低碳排放的目的。如下图是通过人工光合作用，以CO2和H2O为原料制备HCOOH和O2的原理示意图。

负极：2H2O－4e－===O2＋4H＋。
正极：2CO2＋4H＋＋4e－===2HCOOH。
4．液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小等优点。一种以液态肼(N2H4)为燃料的电池装置如图所示。

负极：N2H4－4e－＋4OH－===N2＋4H2O。
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
类型四　锂离子电池电极反应式书写
5．某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池总反应为Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋C6(x＜1)。则：
负极：____________________________________________________________________。
正极：____________________________________________________________________。
答案　LixC6－xe－===xLi＋＋C6
Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2



锂离子电池充放电分析
常见的锂离子电极材料
正极材料：LiMO2(M：Co、Ni、Mn等)
LiM2O4(M：Co、Ni、Mn等)
LiMPO4(M：Fe等)
负极材料：石墨(能吸附锂原子)
负极反应：LixCn－xe－===xLi＋＋nC
正极反应：Li1－xMO2＋xLi＋＋xe－===LiMO2
总反应：Li1－xMO2＋LixCnnC＋LiMO2。
类型五　可逆反应电极反应式书写
6．控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。回答下列问题：

(1)反应开始时，负极为_______(填“甲”或“乙”)中的石墨，电极反应式为________。
(2)电流表读数为________时，反应达到化学平衡状态。
(3)当达到化学平衡状态时，在甲中加入FeCl2固体，此时负极为______(填“甲”或“乙”)中的石墨，电极反应式为_____________________________________________________。
答案　(1)乙　2I－－2e－===I2
(2)零
(3)甲　Fe2＋－e－===Fe3＋
题组二　电解池电极反应式书写集训
(一)基本电极反应式的书写
1．按要求书写电极反应式
(1)用惰性电极电解NaCl溶液：
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑。
阴极：2H＋＋2e－===H2↑。
(2)用惰性电极电解CuSO4溶液：
阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑(或2H2O－4e－===O2↑＋4H＋)。
阴极：2Cu2＋＋4e－===2Cu。
(3)铁作阳极，石墨作阴极电解NaOH溶液：
阳极：Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2。
阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。
(4)用惰性电极电解熔融MgCl2：
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑。
阴极：Mg2＋＋2e－===Mg。
(二)提取“信息”书写电极反应式
2．按要求书写电极反应式
(1)以铝材为阳极，在H2SO4溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极反应式为2Al－6e－＋3H2O===Al2O3＋6H＋。
(2)用Al单质作阳极，石墨作阴极，NaHCO3溶液作电解液进行电解，生成难溶物R，R受热分解生成化合物Q，写出阳极生成R的电极反应式：Al＋3HCO－3e－===Al(OH)3↓＋3CO2↑。
(3)离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系。由有机阳离子、Al2Cl和AlCl组成的离子液体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，则电极反应式为
阳极：Al－3e－＋7AlCl===4Al2Cl。
阴极：4Al2Cl＋3e－===Al＋7AlCl。
(4)用惰性电极电解K2MnO4溶液能得到化合物KMnO4，则电极反应式为
阳极：2MnO－2e－===2MnO。
阴极：2H＋＋2e－===H2↑。
(5)将一定浓度的磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、氯化锂混合液作为电解液，以铁棒作阳极，石墨为阴极，电解析出LiFePO4沉淀，则阳极反应式为Fe＋H2PO＋Li＋－2e－===LiFePO4↓＋2H＋。
(三)根据“交换膜”利用“信息”书写电极反应式
3．按要求书写电极反应式
(1)电解装置如图，电解槽内装有KI及淀粉溶液，中间用阴离子交换膜隔开。在一定的电压下通电，发现左侧溶液变蓝色，一段时间后，蓝色逐渐变浅。

已知：3I2＋6OH－===IO＋5I－＋3H2O
阳极：2I－－2e－===I2。
阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。
(2)可用氨水作为吸收液吸收工业废气中的SO2，当吸收液失去吸收能力时，可通过电解法使吸收液再生而循环利用(电极均为石墨电极)，并生成化工原料硫酸。其工作示意图如下：

阳极：HSO－2e－＋H2O===3H＋＋SO。
阴极：2H＋＋2e－===H2↑(或2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－)。
题组三　学科交叉计算
4．新型固体燃料电池的电解质是固体氧化锆和氧化钇，高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。如图所示，其中多孔电极不参与电极反应。

(1)该电池的负极反应式为___________________________________________________。
(2)如果用该电池作为电解装置，当有16 g甲醇发生反应时，则理论上提供的电量表达式为______________________________________________(1个电子的电量为1.6×10－19C)。
答案　(1)CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O
(2)×6×6.02×1023 mol－1×1.6×10－19C
5．以CH4(g)为燃料可以设计甲烷燃料电池，该电池以稀H2SO4作电解质溶液，其负极电极反应式为______________________________________________________________________，已知该电池的能量转换效率为86.4%，甲烷的燃烧热为－890.3 kJ·mol－1，则该电池的比能量为____kW·h·kg－1[结果保留1位小数，比能量＝，1 kW·h＝3.6×106 J]。
答案　CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋　13.4
解析　甲烷燃料电池中，甲烷在负极被氧化，电解质为硫酸，负极反应式：CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋，该电池的能量转换效率为86.4%，甲烷的燃烧热为－890.3 kJ·mol－1，1 mol甲烷燃烧输出的电能为≈0.214 kW·h，比能量＝＝≈13.4 kW·h·kg－1。

学科交叉的主要计算公式
化学与物理结合的计算，主要涉及两个公式：
(1)Q＝It＝n(e－)F，F计算时一般取值96 500 C·mol－1。
(2)W＝UIt。