2027届高三化学一轮复习课件：第八章　化学反应与电能_含解析

这是一份2027届高三化学一轮复习课件：第八章　化学反应与电能_含解析，共147页。
第1节　原电池原理及其应用第2节　电解原理及其应用第3节　金属的腐蚀与防护考法突破13　电极反应式的书写考法突破14　新型电化学装置分析及相关计算考法突破15　离子交换膜在电化学中的应用
目 录 CONTENTS
第1节　原电池原理及其应用
一、原电池的工作原理1.原电池:将化学能转化为电能的装置。2.本质:发生了氧化还原反应。3.原电池的构成条件
4.原电池的工作原理(以锌铜原电池为例)
　注意盐桥的作用:①盐桥中离子定向移动构成了电流通路;②使盐桥两侧溶液保持电中性;③使相互反应的物质不接触,增大了化学能转化为电能的效率。另外注意电子只能沿着导线传递,不能进入溶液。
5.原电池正、负极的判断依据
　注意①太阳能电池不属于原电池。太阳能电池是将太阳能转化为电能的装置,原电池是将化学能转化为电能的装置。②在原电池中,正极的电势高于负极。③a.以Mg和Al为电极、NaOH溶液为电解质溶液的原电池中,虽然Mg比Al活泼,但是Mg不与NaOH溶液反应,故Al作负极,Mg作正极。b.以Fe(或Al)和Cu为电极、浓硝酸为电解质溶液的原电池中,虽然Fe(或Al)比Cu活泼,但是常温下Fe(或Al)会在浓硝酸中钝化,故钝化后,Cu作负极,Fe(或Al)作正极。
二、原电池原理的应用1.设计制作化学电源
　注意原电池供电时发生了氧化还原反应,其中氧化反应在负极进行,还原反应在正极进行,氧化反应和还原反应均可看成“半反应”。2.加快化学反应速率一个自发进行的氧化还原反应,形成原电池时会使反应速率增大。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液可构成原电池,可使反应速率增大。3.比较金属的活动性强弱原电池中,一般活动性强的金属作负极,而活动性弱的金属(或非金属导体)作正极。
4.用于金属的防护使需要保护的金属制品作原电池正极。如要保护铁质输水管道或钢铁桥梁,可用导线将其与一块锌块相连,使锌块作原电池的负极。三、化学电源的分类及工作原理1.一次电池(也叫干电池)(1)特点:放电后不可再充电,只能使用一次;电解质溶液制成胶状,不流动。(2)常见类型:普通锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池等。(3)碱性锌锰电池的基本构造如下图:
2.二次电池(又称可充电电池或蓄电池)(1)特点:放电后可以再充电而反复使用的电池。(2)常见类型:铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。(3)铅酸蓄电池:由两组栅状极板交替排列而成,正极板上覆盖有PbO2,负极板上覆盖有Pb,稀硫酸作电解质溶液,其基本构造如图所示。
　注意①PbSO4是一种不溶物,书写电极方程式或离子方程式时不能拆为离子形式。②铅酸蓄电池在放电时,负极(Pb→PbSO4)和正极(PbO2→PbSO4)的质量都增加。
　注意LixCy表示嵌锂石墨,石墨不参与电极反应,相当于载体;LixCy中Li和C元素的化合价都看作0。3.燃料电池可连续将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源,极大提高了能源的利用率。如氢氧燃料电池,其电解质溶液可以呈酸性,也可以呈碱性。
　注意判断一种电池的优劣,主要看这种电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少(比能量)或者输出功率的大小(比功率),以及电池可储存时间的长短。4.学生必做实验:制作简单的燃料电池(1)实验前思考:①氢氧燃料电池中正极和负极的反应物分别是什么?②如何获得这些反应物?③哪些材料可以作氢氧燃料电池的电极?④哪些物质可以用作氢氧燃料电池的电解质?(2)实验设计
　注意①石墨棒使用前经过烘干活化处理(可将石墨棒置于高温火焰上灼烧至红热状态,再投入冷水中)目的是使石墨棒的表面变得粗糙多孔,从而在电解过程中能吸附更多的气体,形成燃料电池时实验效果会更明显。②若采用发光二极管代替电流表,要注意正确判断其正极和负极,防止因二极管的电极接反而导致其不能发光。发光二极管灯脚中,长脚为正极,短脚为负极。③由于石墨电极表面存在差异、材质不纯或表面吸附空气等原因,在没有进行电解水获得氢气和氧气的实验时,也可能会形成微弱的电流。因此,建议不要使用检流计或毫安表来检验。
(3)实验总结在氢氧燃料电池中,电解质溶液可以是酸性的,也可以是碱性的,还可以是中性的。在电解水时,为增强导电性,常在水中滴加几滴稀硫酸或NaOH溶液等电解质溶液,本实验中直接使用了Na2SO4溶液(注意:不能滴加NaCl溶液,因为Cl-会放电)。
1.(2024湖南,1,3分)近年来,我国新能源产业得到了蓬勃发展,下列说法错误的是(　　　 )A.理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点B.氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁等优点C.锂离子电池放电时锂离子从负极脱嵌,充电时锂离子从正极脱嵌D.太阳能电池是一种将化学能转化为电能的装置
　解析　氢氧燃料电池可将化学能直接转化为电能,产物为水,具有能量转化率高、清洁等优点,B正确;锂离子电池放电时,Li+从负极脱嵌向正极移动,充电时Li+从正极脱嵌,移向负极,C正确;太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置,D错误。
2.(2021广东,9,2分)火星大气中含有大量CO2,一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极,碳纳米管为正极,放电时 (　　　 )A.负极上发生还原反应B.将电能转化为化学能C.阳离子由正极移向负极D.CO2在正极上得电子
　解析　根据题中信息,一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电(原电池,将化学能转化为电能),金属钠为负极,碳纳米管为正极,则CO2在正极上得电子发生还原反应,Na在负极上失电子发生氧化反应;在原电池中阳离子由负极移向正极;综上分析可知选D。
3.(2024江苏,8,3分)碱性锌锰电池的总反应为Zn+2MnO2+H2O  ZnO+2MnOOH,电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是 (　　　 )A.电池工作时,MnO2发生氧化反应B.电池工作时,OH-通过隔膜向正极移动C.环境温度过低,不利于电池放电D.反应中每生成1 ml MnOOH,转移电子数为2×6.02×1023
　解析　由题给电池总反应可知,Zn为负极,电极反应式为Zn+2OH--2e-  ZnO+H2O(氧化反应);MnO2为正极,电极反应式为MnO2+H2O+e-  MnOOH+OH-(还原反应),在原电池中,阴离子向负极移动,A、B错误。环境温度过低时,电解质中的离子运动速率减小,电子的传输速率也相应减小,即低温不利于电池放电,C正确。电池放电时,Mn元素化合价由+4→+3,则反应中每生成1 ml MnOOH,转移1 ml电子,即转移电子数为6.02×1023,D错误。
4.(2022湖南,8,3分)海水电池在海洋能源领域备受关注,一种锂—海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是 (　　　 )A.海水起电解质溶液作用B.N极仅发生的电极反应:2H2O+2e-  2OH-+H2↑
C.玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能D.该锂—海水电池属于一次电池
　解析　海水能导电,故起电解质溶液作用,A正确。锂为活泼金属,作负极;N极为电池正极,除了H2O,海水中溶解的O2也可能得电子,电极反应为O2+4e-+2H2O  4OH-,B错误。玻璃陶瓷的作用:一是传导离子,形成闭合回路;二是防水,阻止Li与H2O反应,C正确。根据电池结构可知该电池属于一次电池,D正确。
5.用图1所示的原电池装置进行实验,闭合K后用灵敏电流计测得电流随时间的变化如图2所示。t>t1时,Mg表面有气泡产生,Al质量减小。 图1     图2
下列分析不正确的是 (　　　 )A.tt1,Mg上产生的气体为H2C.t>t1,负极反应:Al-3e-+3OH-  Al(OH)3D.实验过程中,正极均有OH-生成
　解析　由题图2知,电流方向在t1时发生改变。根据题干信息,t>t1时,Mg表面有气泡产生,Al质量减小,可推知,t>t1时Al作负极,则tt1时,Mg作正极,表面有气泡产生,电极反应式为2H2O+2e-  H2↑+2OH-;Al作负极,电解质溶液为NaOH溶液,则电极反应式为Al+4OH--3e-  [Al(OH)4]-,B正确、C错误。实验过程中,正极均为H2O得电子生成H2,均有OH-生成,D正确。
6.一种以KOH溶液为电解质溶液的高能镍氢电池,其工作原理如图所示。下列说法错误的是 (　　　 )A.电极a为正极B.电极a的电势低于电极b
C.离子交换膜允许OH-从左室移向右室D.电池总反应为2NiO(OH)+H2  2Ni(OH)2
　装置分析题图中电极a上NiO(OH)转化为Ni(OH)2,发生还原反应;电极b上H2转化为H2O,发生氧化反应,则电极a为正极,结合电荷守恒和电解质溶液性质可得电极反应式为NiO(OH)+e-+H2O  Ni(OH)2+OH-;电极b为负极,结合电荷守恒和电解质溶液性质可得电极反应式为H2-2e-+2OH-  2H2O。
　解析　电极a上发生还原反应,为正极,A正确。正极电势高于负极,B错误。原电池中阴离子移向负极,再结合正极上生成OH-,负极上消耗OH-,可得离子交换膜允许OH-从左室移向右室,C正确。结合电子转移守恒,将正、负极电极反应式相加可得电池总反应为2NiO(OH)+H2  2Ni(OH)2,D正确。
7.FeCl3溶液常用于腐蚀印刷电路铜板,反应过程的离子方程式为2Fe3++Cu  2Fe2++Cu2+。若将此反应设计成原电池,负极上发生的反应为_________________,正极上发生的反应为__________________。画出设计的装置图(标出电解质溶液和电子的流向)
　Fe3++e-  Fe2+    
　Cu-2e-  Cu2+    
　解析　根据所给的离子方程式可得在反应中Cu发生氧化反应,Fe3+发生还原反应,则设计成原电池时,Cu为负极,Fe3+在正极得电子发生还原反应,石墨(C)电极作正极。
第2节　电解原理及其应用
一、电解池的构成及工作原理1.电解池:将电能转化为化学能的装置。2.电解池的构成(1)有外接电源。(2)有与外接电源相连的两个电极。(3)电解质溶液(或熔融电解质)。(4)形成闭合回路。3.电解池工作原理(阳极为惰性电极)
　注意①在电解池中,阳极电势高于阴极。②电化学中规定:发生氧化反应的为阳极,发生还原反应的为阴极。③如果阳极为活性电极,则活性电极放电。
4.电解池中阴、阳极的判断方法
二、用惰性电极电解电解质溶液的类型
三、电解池中阴极、阳极放电顺序1.阴极(与电极材料无关),氧化性强的先放电,放电顺序如下:  2.阳极(1)活性电极:电极材料失电子,M-ne- Mn+。(2)惰性电极:阴离子失电子,一般情况下放电顺序为S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根>F-。四、电解原理的应用1.氯碱工业:电解饱和食盐水的工业生产
 阳极:2Cl--2e-  Cl2↑阴极:2H2O+2e-  H2↑+2OH-总反应:2Cl-+2H2O   2OH-+Cl2↑+H2↑
交换膜:阳离子交换膜,只允许阳离子通过,能阻止阴离子和气体通过,可防止Cl2与阴极生成的NaOH反应,也可防止H2与Cl2反应引起爆炸。2.电镀铜和电解精炼铜
注意电解精炼铜时,粗铜中的Ag、Au等不反应,沉积在电解槽底部形成阳极泥。
注意①不用AlCl3冶炼铝的原因:AlCl3为共价化合物,熔融状态下不导电。②冰晶石的作用:作助熔剂,节能。4.学生必做实验:简单的电镀实验
　注意①在CuSO4溶液中加入一些氨水,制成铜氨溶液,可使镀层光亮。②向CuSO4溶液中边搅拌边滴加浓氨水,至溶液变为深蓝色铜氨溶液,此时放入洗净的新铁钉,几秒钟后取出,没有铜析出,表明所配溶液中溶质的浓度适宜。
　知识拓展多池串联装置属性的判断①有外接电源的全部是电解池,如下图。 ②无明显外接电源的一般只有1个原电池,其余都是电解池,如下图,发生自发氧化还原反应的A池为原电池,其余的为电解池。
③串联电路中,每个电极转移的电子数都相等。
1.用如图所示装置(X、Y是直流电源的两极)分别进行下列各组实验,则下表中各项所列对应关系均正确的一组是 (　　　 ) 
　解析　A项,电解Na2SO4溶液时,阳极上H2O失电子发生氧化反应,生成H+和O2,a管中溶液呈酸性,酚酞呈无色,错误;B项,电解AgNO3溶液时,阴极上Ag+得电子,即b管中电极反应式是Ag++e-  Ag,错误;C项,电解CuCl2溶液时,阳极上Cl-失电子,发生氧化反应,即b管中Cl-放电,产生Cl2,正确;D项,电解NaOH溶液实质是电解水,导致NaOH溶液的浓度增大,碱性增强,pH升高,错误。
2.下图为电解装置示意图。下列电解目的不能实现的是 (　　　 )
注:①表中的粗铜中含有锌、铁、镍、金、铂等杂质;②不考虑生成的Cl2与NaOH反应。
　解析　该装置为电解池,a极为阳极,b极为阴极。两极均以碳棒为电极,电解饱和食盐水时,Cl-在阳极放电生成Cl2,H2O在阴极放电生成OH-和H2,A能实现。Cu为镀层金属,作阳极;Fe为镀件,作阴极,电解质溶液为CuSO4溶液,B能实现。电解精炼铜时,粗铜作阳极,纯铜作阴极,电解质溶液为CuSO4溶液,C能实现。若活性金属Fe作阳极,则阳极上Fe失电子生成Fe2+,无法得到O2,D不能实现。
3.(2026届湖北武汉9月调研,10)某课题组工作者设计了一套装置,实现了CO2电还原制备甲酸盐,其原理如图所示。 
下列说法正确的是 (　　　 )A.电极a可与铅酸蓄电池的PbO2电极相连B.电极a的反应式为CO2+2e-+H+  HCOO-C.阳离子交换膜能替换为阴离子交换膜D.理论上每生成1 ml Cl2,同时会消耗44 g CO2
　解析　由原理图知,电极a上CO2被还原为HCOO-,则电极a为阴极,与外接电源负极相连,铅酸蓄电池中PbO2为正极,A错误。电极a一侧的电解质溶液为KOH溶液,则电极反应式中不能出现H+,正确的电极反应式为CO2+2e-+H2O  HCOO-+OH-[提示:CO2、HCOO-中碳元素的化合价分别为+4、+2,则1 ml CO2放电得到2 ml e-],B错误。若替换为阴离子交换膜,HCOO-会通过阴离子交换膜移向阳极区造成产物损失,C错误。阳极生成1 ml Cl2转移2 ml e-,结合B项中电极反应式知,每转移2 ml e-消耗1 ml CO2,即44 g CO2,D正确。
4.(2023广东,13,4分)利用活性石墨电极电解饱和食盐水,进行如图所示实验。闭合K1,一段时间后 (　　　 ) 
A.U形管两侧均有气泡冒出,分别是Cl2和O2B.a处布条褪色,说明Cl2具有漂白性C.b处出现蓝色,说明还原性:Cl->I-D.断开K1,立刻闭合K2,电流表发生偏转
　解析　A项,电解饱和食盐水的装置中,左侧是阳极,右侧是阴极,Cl-在阳极失去电子生成Cl2,H2O电离出的H+在阴极得到电子生成H2,错误。B项,Cl2本身不具有漂白性,Cl2与H2O反应生成的HClO具有漂白性,使a处布条褪色,错误。C项,b处发生反应Cl2+2I-  I2+2Cl-,还原剂为I-,还原产物为Cl-,则还原性:I->Cl-,错误。D项,断开K1后立刻闭合K2,题图中最右侧装置形成H2和Cl2的燃料电池,有电流产生,使电流表指针发生偏转,正确。
5.一种新一代集电致变色功能和储能功能于一体的电子器件的工作原理如图所示。接通电源后,该器件的透光率逐渐降低,可有效阻碍强光射入。 
下列说法错误的是 (　　　 )A.接通电源后,a极电势高于b极电势B.接通电源后,电路中转移1 ml电子时,a极质量减少7 gC.以此为电源电解精炼铜,若此装置中有2 ml Li+移向a极时,电解池的阳极质量减少64 gD.接通用电器时,b极的电极反应式为Li7Ti5O12-3e- Li4Ti5O12+3Li+
　解析　由“接通电源后,该器件的透光率逐渐降低,可有效阻碍强光射入”,可知接通电源后,a极上LiFePO4转化为FePO4,发生氧化反应;b极上Li4Ti5O12转化为Li7Ti5O12,发生还原反应,则a极为阳极,电极反应式为LiFePO4-e-  FePO4+Li+;b极为阴极,电极反应式为Li4Ti5O12+3e-+3Li+ Li7Ti5O12。阳极电势高于阴极,A正确。接通电源后,由a极的电极反应式知,电路中转移1 ml电子时,a极质量减少7 g,B正确。根据电子转移守恒可知,若此装置中有2 ml Li+移向a极时,说明电路中转移2 ml电子,但粗铜中含Fe、Zn等杂质,则减少的质量不一定是64 g,C错误。接通用电器时,是原电池,此时b极为负极,结合其作阴极时的电极反应式,可知D正确。
第3节　金属的腐蚀与防护
一、金属的腐蚀1.金属腐蚀的本质:金属原子失去电子变成金属阳离子,金属单质发生氧化反应。2.金属腐蚀的类型(1)化学腐蚀与电化学腐蚀
(2)钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀
3.金属腐蚀快慢的影响因素及判断原则(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀速率的快慢:电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐措施的腐蚀。(2)对同一金属来说,在相同浓度的不同溶液中腐蚀速率的快慢:强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。(3)活动性不同的两种金属构成原电池的两极时,活动性差别越大,活动性强的金属腐蚀速率越快。(4)一般来说,对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,金属腐蚀速率越快。
注意常温下,Fe、Al遇浓HNO3、浓H2SO4发生钝化。
二、金属的防护1.考虑因素:从金属、与金属接触的物质及两者反应的条件等方面来考虑。2.金属防护的方法
1.(2025广东茂名二模,6)汽车尾气管的钢材可通过镀铝的方法来延缓腐蚀,下列说法正确的是 (　　　 )A.当镀层破损时,钢铁为负极被保护B.当镀层破损时,为牺牲阴极法C.镀铝时将钢材与电源正极相连D.电化学腐蚀时铝发生反应:Al-3e-  Al3+
　解析　Al比Fe活泼,当镀层破损时,形成原电池时,Al作负极,Fe作正极被保护,A错误;由A项分析知,当镀层破损时,为牺牲阳极法,B错误;镀铝时,钢材应作阴极与电源负极相连,Al作阳极与电源正极相连,C错误;电化学腐蚀时,Al作负极,电极反应式为Al-3e-  Al3+,D正确。
2.(2026届山东潍坊11月期中,6)在潮湿的深层土壤中,厌氧细菌(最佳生存环境pH为7~8)可促使S 与H2反应生成S2-,加速钢管的腐蚀,反应原理如图所示。下列说法错误的是 (　　　 )A.腐蚀过程中钢管作负极
B.腐蚀过程中正极区局部土壤pH会下降C.厌氧细菌有利于发生“析氢腐蚀”D.S 与H2的反应可表示为4H2+S   S2-+4H2O
　解析　腐蚀过程中钢管作负极,发生反应Fe-2e-  Fe2+,A正确。腐蚀过程中正极区中H2O放电生成了H2和OH-,则使局部土壤pH升高,B错误。由题中信息可知,厌氧细菌条件下,有利于发生“析氢腐蚀”,C正确。根据题图并结合得失电子守恒、电荷守恒和原子守恒可得S 与H2的反应为4H2+S   S2-+4H2O,D正确。
3.下列说法中,错误的是 (　　　 )
　解析　钢铁表面水膜的酸性很弱或呈中性时,发生吸氧腐蚀;钢铁表面水膜的酸性较强时,发生析氢腐蚀,A、B正确。钢闸门与锌板相连时,形成原电池,锌板作负极,发生氧化反应被腐蚀,不断被消耗,需定期更换,C正确。钢闸门应连接直流电源的负极,作电解池的阴极而受到保护,D错误。
4.(2026届河北保定唐县一中9月考,5)某学习小组利用如图装置探究金属电化学腐蚀与防护的原理。下列说法正确的是 (　　　 )A.若b极为正极,K连接A时,铁棒防腐的方式称为牺牲阳极法B.相同条件下,若X溶液为食盐水,K分别连接B、C时前者铁棒的腐蚀速率更慢C.若X溶液为模拟海水,K未闭合时铁棒上E点表面铁锈最多D.若在X溶液中预先加入适量的K4[Fe(CN)6]溶液,可有效增强铁棒腐蚀或防腐的观察效果
　解析　若b为正极,K连接A时,铁棒为电解池的阳极,会加速铁棒腐蚀,A错误。相同条件下,若X溶液为食盐水,K连接B时,铁棒作负极,被腐蚀;K连接C时,活泼性:Zn>Fe,锌棒作负极,铁棒作正极,铁棒被保护,故后者铁棒的腐蚀速率更慢,B错误。若X溶液为模拟海水,K未闭合时,E点同时与海水和O2接触,腐蚀速率最大,故E点表面铁锈最多,C正确。Fe2+与K4[Fe(CN)6]溶液反应没有明显现象,D错误。
5.(2025安徽安庆二模,12)为了更好模拟在pH=2的混合溶液中钢铁电化学腐蚀的过程,利用压强传感器、氧气传感器进行数字化实验,得出相应的图像数据如下所示。下列说法错误的是　     (　　　 )
A.20~40 s内平均反应速率v(O2)=0.03 kPa/sB.反应初期氧气减少,总压增大,说明初期以析氢腐蚀为主,不受其他因素影响C.以析氢腐蚀为主时,pH越小,腐蚀越快
D.40 s后,炭粉表面发生的主要电极反应是O2+2H2O+4e-  4OH-
　解析　由题图知,20~40 s内O2的压强变化为20.6 kPa-20 kPa=0.6 kPa,则v(O2)= =0.03 kPa/s,A正确;钢铁的腐蚀过程放热,反应初期总压增大还可能是受温度影响,B错误;以析氢腐蚀为主时,pH越小,H+的浓度越大,腐蚀速率越快,C正确;40 s后总压和氧气的压强均减小,此时主要发生吸氧腐蚀且炭粉作正极,D正确。
考法突破13　电极反应式的书写
一、原电池中电极反应式的书写方法
　注意①物质得、失电子后在不同介质中的存在形式不同,书写电极反应式时必须考虑介质环境。如碱性溶液中不可能有CO2、H+生成,酸性溶液中不可能有NH3、OH-生成。②将正、负两极反应式相加得到总反应式时,应先调整化学计量数,使两式中得、失电子数目相等,再将两式相加。1.燃料电池电极反应式的书写(1)写出总反应式:与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应,以最终生成的物质为准。
(2)写出正极反应式:正极上O2发生还原反应,在不同环境中的电极反应如下。①酸性:O2+4H++4e-  2H2O②碱性:O2+2H2O+4e-  4OH-③熔融氧化物:O2+4e-  2O2-④熔融碳酸盐:O2+2CO2+4e-  2C (3)负极反应式的书写
　注意①若为碱性燃料电池,CO2会与OH-反应生成C ,此时产物应写成C 。②对于熔融氧化物或熔融碳酸盐燃料电池,配电荷守恒时应使用O2-或C 。③负极反应式也可用总反应式减去正极反应式(消去O2)得到。
2.可充电电池(二次电池)电极反应式的书写
例如,铅酸蓄电池放电时的总反应为Pb+PbO2+2H2SO4  2PbSO4+2H2O,负极反应为Pb-2e-+S   PbSO4,其逆过程即为充电时的阴极反应:PbSO4+2e-  Pb+S 。将放电时的总反应减去负极反应即得正极反应:PbO2+4H++S +2e-  PbSO4+2H2O,其逆
过程即为充电时的阳极反应:PbSO4+2H2O-2e-  PbO2+4H++S 。
二、电解池中电极反应式的书写方法 
　　例如,用惰性电极电解CuSO4溶液,溶液中存在的离子有Cu2+、S 、H+、OH-,根据放电顺序,OH-在阳极失电子,Cu2+在阴极得电子,故阳极反应式为2H2O-4e-  4H++O2↑(此溶液中OH-来自H2O的电离,故写成H2O失电子),阴极反应式为Cu2++2e-  Cu,相加(阳极式+阴极式×2)得电解总反应式:2Cu2++2H2O  2Cu+O2↑+4H+。
　注意①若是新情境中的电极反应式,则按照“一般电极反应式的书写”方法进行书写。②K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+在水溶液中无法放电,因为水电离出的H+的氧化性更强,要制备它们的单质需要电解其相应的熔融态物质,如电解熔融的MgCl2制备金属Mg。制备金属K一般采用Na+KCl  NaCl+K↑。
　解题技巧　　书写电极反应式时,若反应物或生成物较为复杂,转移电子数难以计算,在写出反应物与生成物后,可先配原子守恒,再根据电荷守恒确定转移电子数。
典例1    (2025陕西咸阳三模,12)一种新的双金属催化剂可用于电催化合成正丙醇,其原理如图所示。下列说法不正确的是 (　　　 )A.a为电源的正极
B.阴极的电极反应式:3CO+10e-+9H2O  C3H7OH+10OH-C.理论上,阳极得到22.4 L(标准状况)气体时,电路中转移电子数为4NA(NA为阿伏加德罗常数的值)D.正丙醇经过脱水反应可以得到丙烯
　解析　由题图知,该装置有外接电源,为电解池;在左侧电极上OH-被氧化为O2,则左侧电极为阳极,a为电源的正极,A正确。右侧电极为阴极,在阴极上CO被还原为C3H7OH,C3H7OH中C元素的平均化合价为-2,则3 ml CO反应时得到12 ml e-,可写出3CO+12e-  C3H7OH,结合电荷守恒可知在右边加“12OH-”,最后根据原子守恒可知在左边加“10H2O”,电极反应式为3CO+12e-+10H2O  C3H7OH+12OH-,B错误。在阳极上OH-被氧化为O2,每生成标准状况下22.4 L(1 ml) O2,转移4 ml电子,即电路中转移电子数为4NA,C正确。正丙醇(CH3CH2CH2OH)能发生消去反应生成丙烯(CH3CH CH2)和H2O,D正确。
典例2    (2026届广西南宁二中9月考,17节选)(4)近期科技工作者提出了一种在室温条件下以CH3OH、CO和O2为原料合成碳酸二甲酯的电化学方案,其原理如下图所示。回答下列问题:①左室中的电极反应式为______________________________________。②若反应转移的电子为2 ml,则左室溶液的质量增加为_______g。
　2CH3OH+CO-2e-  (CH3O)2CO+2H+    
　解析    (4)①根据题干信息及装置图知,该装置为电解池,在右侧电极上O2转化为H2O,发生还原反应,则右侧电极为阴极,左侧电极为阳极;在阳极上CH3OH、CO转化为(CH3O)2CO[提示: O→(CH3O)2 O],电极反应式为2CH3OH+CO-2e-  (CH3O)2CO+2H+。②根据阳极的电极反应式知,当反应转移2 ml电子时,2 ml CH3OH和1 ml CO进入左室,同时有2 ml H+通过交换膜进入右室(阴极室),则左室增加1 ml (CH3O)2CO,质量为90 g。
变式1　〔变电解质类别:固体氧化物电解质〕(2026届广东阳西一中9月联考,16)固体氧化物电解池对CO2资源化利用是实现碳中和的一种有效途径。CO2在电催化下产生合成气(CO和H2)。下列说法正确的是 (　　　 )A.若外接电源为铅酸蓄电池,则N极与PbO2电极相连
B.M极的电极反应式仅为CO2+2e-  CO+O2-C.O2-从N极区向M极区移动D.当电路中转移2 ml电子时,N极有标准状况下22.4 L O2产生
　解析　该装置为电解池,N极上发生氧化反应产生O2,则N极为阳极,与外接电源正极相连,铅酸蓄电池中PbO2为正极,故N极与PbO2电极相连,A正确。由题图知,M极上CO2、H2O被还原为CO、H2,电极反应式为CO2+2e-  CO+O2-、H2O+2e-  H2↑+O2-,B错误。电解池工作时,阴离子向阳极移动,则O2-从M极区向N极区移动,C错误。N极的电极反应式为2O2--4e-  O2↑,转移2 ml电子生成0.5 ml O2,标准状况下的体积为11.2 L,D错误。
变式2　〔变电极反应物类别:有机物参与的电极反应〕(2026届湖北荆州9月考,19节选)(4)乙腈(CH3CN)是丙烯腈生产中的主要副产品,乙胺(CH3CH2NH2)是乙腈加氢的产物。某研究团队设计以富含氧空位(OVs)的TiO2纳米阵列负载单原子Ni(Ni1/OVs-TiO2NA)为电极,利用电化学方法合成乙胺。其装置如图所示。
写出制备乙胺的电极反应式:___________________________________。
　CH3CN+4e-+4H+  CH3CH2NH2    
　解析    (4)该装置为电解池,在CE电极上OH-转化为O2,发生氧化反应,则CE电极为阳极;WE电极为阴极,CH3CN在阴极被还原为CH3CH2NH2,电极反应式为CH3CN+4e-+4H+  CH3CH2NH2[提示:在计算CH3CN和CH3CH2NH2中碳元素的化合价时,可将—CH3整体看作0价或者忽略,这样CH3CN中碳元素的化合价为+3,CH3CH2NH2中碳元素的化合价为-1,1 ml CH3CN反应得到4 ml e-]。
考法突破14　新型电化学装置分析及相关计算
一、突破新型电化学装置的四个步骤
二、常见新型电化学装置1.锂电池:锂电池是一类由金属锂或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。放电时Li失去电子被氧化为Li+,负极反应式为Li-e-  Li+,负极生成的Li+定向移动到正极。例如:      
2.锂离子电池:基于“嵌入/脱嵌”反应原理,在两极形成的电压的驱动下,Li+可以向电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。负极材料多采用石墨,电池充电时阴极反应式一般为6C+xLi++xe-  LixC6;放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程:LixC6-xe-  6C+xLi+。正极材料一般为含Li+的化合物,常用正极材料有LiFePO4、LiCO2、LiMn2O4等。
3.金属—空气电池:金属—空气电池是指以金属(铝、镁、锌等)为负极,以空气中的氧气或纯氧为正极反应物的一类电池。电解质溶液一般采用碱性电解质水溶液,当采用更活泼的钾、钠、钙等作负极时,因为它们可以和水反应,需采用非水的有机介质作为电解质溶液中的溶剂。 
负极:M-ne-  Mn+正极:O2+2H2O+4e-  4OH-
　注意负极生成的金属阳离子可能与电解质溶液发生进一步反应,例如Al3+能与OH-反应。4.有机物、高分子电池:有机物参与的二次电池通常与一些氧化态—还原态互变的特定官能团有关,在有机反应中,失去H或者加入O为失电子的氧化反应,加入H或者失去O为得电子的还原反应。醌—酚互变反应:
2H++    醛—羧酸互变反应:H2O+    +2H+
　注意①对于高分子链节中发生的氧化/还原反应,计算转移电子数时需要乘以聚合度。②有机物发生氧化/还原反应时,除了根据碳元素的化合价变化来确定得、失电子的数目外,还可根据得、失氢/氧原子的数目来确定得、失电子的数目。1个氢原子对应1个电子,1个氧原子对应2个电子。例如某电极上CH3CH2OH→CH3COOH,该转化过程中1个CH3CH2OH失去2个氢原子并得到1个氧原子,发生氧化反应,故1个CH3CH2OH失去2×1+2=4个电子。
5.浓差电池(1)原理:利用物质的浓度差产生电势差的一种电化学装置。浓差电池中,左、右两侧用离子交换膜隔开,两侧溶液中特定物质的浓度不同,导致两极上发生氧化/还原反应,从而产生电流。离子的移动方向遵循“从高浓度向低浓度移动”。(2)模型分析
如图,a、b两极均为Ag电极,两侧溶液均为AgNO3溶液。由于右侧溶液中c(Ag+)较大,Ag+得电子能力较强,故b极为正极,a极为负极,电极反应如下。负极(a极):Ag-e-  Ag+正极(b极):Ag++e-  Ag工作时a极区c(Ag+)逐渐增大,b极区c(Ag+)逐渐减小,b极区中的N 通过阴离子交换膜进入a极区。当两侧溶液中c(Ag+)相等时,电流表指针归零。6.总反应为非氧化还原反应的电池如图装置中两极均为Ag电极,右侧溶液中Ag+具有氧化性,易得电子,故右侧电极为正极,左侧电极为负极,反应原理如下。
 负极:Ag-e-+Cl-  AgCl正极:Ag++e-  Ag总反应:Ag++Cl-  AgCl↓
三、电化学计算的三种方法
如以电路中通过4 ml e-为桥梁可构建以下关系式:4e-~ ~ 
(式中M为金属,n为其离子所带电荷数)
　知识拓展　　在电化学计算中,可利用公式q=I×t=n(电子)×NA×1.6×10-19C来计算电路中通过的电荷量(1个电子所带的电荷量为1.6×10-19C)。
典例    (2025安徽合肥示范中学5月质检,12)下图为一种具有质子“摇椅”机制的水系镍有机电池示意图,放电时电极a上生成偶氮苯( )。下列有关说法正确的是 (　　　 ) 
A.放电时电极a为正极B.充电时K+和H+由左向右移动C.放电时每生成1 ml偶氮苯,外电路转移2 ml e-D.充电时电极b上的电极反应:NiOOH+e-+H+  Ni(OH)2
　解析　根据题干信息及电池示意图可知,放电时,电极a上 转化为 ,发生氧化反应,则电极a为负极,A错误。根据“放电时的负极为充电时的阴极,连接外接电源的负极;放电时的正极为充电时的阳极,连接外接电源的正极”,则充电时电极a为阴极,充电时阳离子移向阴极,则K+、H+由右向左移动,B错误。结合A项分析可得放电时,电极a的电极反应式为 -2e-+2OH- 
 +2H2O,则放电时每生成1 ml偶氮苯,外电路转移2 ml e-[快解:生成1 ml偶氮苯的过程中失去2 ml H原子,则转移2 ml e-],C正确。充电时,电极b为阳极,失电子发生氧化反应,结合电解质溶液为KOH溶液及电荷守恒可得电极反应式为Ni(OH)2-e-+OH-  NiOOH+H2O,D错误。
变式　〔变电池类型:新型液态燃料电池〕(2026届陕西韩城11月期中,13)直接过氧化氢燃料电池(DPPFC)是一种以H2O2作为燃料和氧化剂的新型液态燃料电池。在无氧环境下,可作为空间站和水下使用的电源,其工作原理如图所示(正、负电极均为石墨电极)。下列说法错误的是 (　　　 )
A.右侧石墨电极为正极B.K+通过离子交换膜2移向右室C.左侧石墨电极上的电极反应式为H2O2+2OH--2e-  O2↑+2H2OD.当外电路转移0.3 ml电子时,中间室溶液质量减轻52.2 g
　解析　原电池中阳离子移向正极,则右侧石墨电极为正极,A正确。结合装置分析,可知B正确。左侧石墨电极为负极,H2O2失去电子,发生氧化反应,结合电荷守恒和原子守恒可得电极反应式为H2O2+2OH--2e-  O2↑+2H2O,C正确。外电路转移0.3 ml电子时,根据电子转移守恒可知,有0.3 ml K+、0.15 ml S ,即0.15 ml K2SO4离开中间室,则中间室溶液质量减轻0.15 ml×174 ml/L=26.1 g,D错误。
考法突破15　离子交换膜在电化学中的应用
1.离子交换膜的分类与应用
2.双极膜双极膜是一种新型离子交换膜,其膜主体可分为阴离子选择层、阳离子选择层和中间界面层,水解离催化剂被夹在中间界面层的离子交换聚合物中,在该聚合物当中的H2O电离产生H+和OH-,在电场的作用下快速迁移到两侧溶液中,作为H+和OH-的供应源,为膜两侧的半反应提供各自理想的pH条件,存在关系:H+~OH-~H2O~e-。
3.离子交换膜类型的判断方法 
例如,氯碱工业中用离子交换膜法电解饱和食盐水时,离子交换膜的作用之一是防止阴极室生成的OH-迁移至阳极室与氯气反应造成产品损失,同时还要允许阳极室中的Na+迁移至阴极室以得到NaOH溶液,故该电解装置中的离子交换膜为阳离子交换膜。
　注意对于含有离子交换膜的电化学装置,判断反应后某极室溶液pH变化或计算溶液质量变化时,不要忽略离子透过离子交换膜进出造成的影响。
典例    常温下,通过电解使CO2转化为甲酸的装置如图所示,催化剂为C掺杂Bi纳米片。M极的电极反应式为2H2O-4e-  4H++O2↑。下列说法正确的是 (　　　 )A.M极与外接电源的负极相连
B.“交换膜”只允许阴离子通过C.N极的电极反应式主要为CO2+2H++2e-  HCOOHD.产生1 ml O2时,N极得到2 ml HCOOH
　解析　电解时,M极的电极反应式为2H2O-4e-  4H++O2↑,M极上发生氧化反应,为阳极,与外接电源的正极相连,A错误。N极为阴极,在阴极区要得到甲酸,电极反应式为CO2+2H++2e-  HCOOH,M极上产生H+,则“交换膜”只允许H+通过,B错误、C正确。根据题图可知N极上除了生成HCOOH,还生成了CO,则产生1 ml O2时,N极得到的HCOOH小于2 ml,D错误。
变式1　〔变交换膜类型:双极膜〕(2026届江西赣州南康中学测试一,10)一种新型的利用双极膜制备氨的电化学装置如图所示,已知在电场作用下,双极膜中间层的H2O解离为H+和OH-,并分别向两极迁移。下列说法不正确的是 (　　　 )A.电极n与电源正极相连B.双极膜中的H+移向电极mC.电解一段时间后,右池溶液pH减小D.每生成0.1 ml NH3,双极膜中有7.2 g水解离
　解析　装置中有外接电源,为电解池;电极n上OH-发生氧化反应生成O2,则电极n为阳极,与电源正极相连,A正确。在电解池中阳离子向阴极移动,则双极膜中H2O解离出的H+向电极m(阴极)移动,B正确。电极n为阳极,电极反应式为4OH--4e-  O2↑+2H2O,同时双极膜中H2O解离出的OH-向电极n(阳极区)移动,电极n上消耗OH-的量与从双极膜中进入阳极区的OH-的量相同,但阳极反应生成H2O,则KOH溶液浓度减小,即右池溶液pH减小,C正确。电极m为阴极,电极反应式为N +8e-+9H+  NH3↑+3H2O,每生成0.1 ml NH3转移0.8 ml电子,双极膜中解离0.8 ml H2O,质量为14.4 g,D错误。
变式2　〔变交换膜类型:双膜三室装置〕(2025湖北随州八校三模,10)双膜碱性多硫化物—空气液流二次电池可用于再生能源储能和智能电网的备用电源等,电极Ⅰ为掺杂Na2S2的电极,电极Ⅱ为碳电极,电池工作原理如图所示。下列说法错误的是 (　　　 )
A.离子交换膜a为阳离子交换膜,离子交换膜b为阴离子交换膜B.放电时,中间储液器中NaOH溶液的浓度不断变大C.充电时,电极Ⅰ的电极反应式为2 -2e-   D.充电时,电路中每通过1 ml电子,阳极室溶液质量理论上增加9 g
　解析　由双膜碱性多硫化物—空气液流二次电池的工作原理知,放电时,O2被还原为OH-,则电极Ⅱ为正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-  4OH-,根据电流方向,正极区产生的OH-向左侧(负极)迁移,离子交换膜b为阴离子交换膜;电极Ⅰ为负极,电极反应式为2 -2e-   ,负极区Na+向右侧(正极)迁移,离子交换膜a为阳离子交换膜,A正确。根据A项分析,电池放电时,Na+和OH-分别移向储液器,储液器中NaOH溶液浓度不断变大,B正确。充电时,电极Ⅰ为阴极,电极反应式为 +2e-  2 ,C错误。充电时,电极Ⅱ为阳极,电极反应式为4OH--4e-  O2↑+2H2O,电路中每通过1 ml电子,就有1 ml OH-从中间储液器进入阳极室,同时1 ml OH-放电生成0.25 ml O2,根据电极反应式知,溶液质量理论上相当于增加了0.5 ml H2O的质量,即0.5 ml×18 g·ml-1=9 g,D正确。
变式3　〔变装置:浓差电池、三膜四室〕(2025湖南邵阳二模,12)浓差电池是一种利用电解质溶液浓度差产生电势差而形成的电池。理论上当电解质溶液的浓度相等时停止放电。图1为浓差电池,图2为电渗析法制备次磷酸(H3PO2),用图1的浓差电池提供电能制备次磷酸。
下列说法错误的是　     (　　　 )A.Cu(Ⅰ)是电池的负极B.b膜、d膜是阳离子交换膜,c膜是阴离子交换膜C.电渗析过程中M、N室中H2SO4和NaOH的浓度均增大D.电池从开始到停止放电,理论上可制备0.02 ml H3PO2
　解析　题图1为浓差电池,浓差电池中离子浓度大的一极为正极,离子浓度小的一极为负极,则Cu(Ⅰ)为负极,Cu(Ⅱ)为正极,A正确。题图2为电渗析法制备次磷酸(H3PO2),分析题图2知,在产品室中得到H3PO2,则原料室中的H2P 应移向产品室,c膜为阴离子交换膜;M室中的H+移向产品室,则b膜为阳离子交换膜;再结合“电解池中阴离子向阳极移动,阳离子向阴极移动”可得出X电极为阳极,Y电极为阴极;Y电极的电极反应式为2H2O+2e-  H2↑+2OH-,则原料室中Na+通过d膜移向N室与Y电极上产生的OH-结合生成NaOH,得出d膜为阳离子交换膜,B正确。根据B项分析,N室中NaOH溶液的浓度增大;X电极为电解池的阳极,电极反应式为2H2O-4e-  O2↑+4H+,根据电子转移守恒,理论上产生的H+的量与通过b膜进入产品室的H+的量相等,故M室中H2SO4物质的量不变,但M
室中H2O减少,故M室中H2SO4溶液的浓度增大,C正确。当浓差电池两侧的CuSO4溶液浓度相等时,停止放电,即c(CuSO4)= =3 ml·L-1时停止放电,则转移电子的物质的量为2n(S )=2×10×10-3 L×(5 ml·L-1-3 ml·L-1)=0.04 ml,根据电子转移守恒得出,可制备0.04 ml H3PO2,D错误。