2021高考化学专题讲解 专题六　化学能与电能的转化（讲解部分）课件

这是一份2021高考化学专题讲解 专题六　化学能与电能的转化（讲解部分）课件，共48页。

考点一　原电池原理及其应用
基础知识一、原电池的工作原理1.原电池将①　化学    能转化为②　电    能的装置。2.构成条件(1)具有两个活泼性不同的电极(金属和金属或金属和导电的非金属)。(2)电解质溶液。(3)形成闭合回路。
3.原电池的两极负极:通常是活泼性较强的金属,发生③　氧化    反应。正极:通常是活泼性较弱的金属或能导电的非金属,发生④　还原    反应。4.电极反应式的书写和电子移动方向
(1)电极反应式的书写(以Zn-Cu原电池为例,如图) 负极:⑤　Zn    ,电极反应式:⑥　Zn-2e- Zn2+    。正极:⑦　Cu    ,电极反应式:⑧　Cu2++2e- Cu    。电池总反应:⑨　Zn+Cu2+ Zn2++Cu    。
(2)电子移动方向电子由⑩　负极    释放,经外电路流入 　正极    ,电解质溶液中的阳离子移向正极,某些阳离子在正极上得电子被 　还原    ,形成一个闭合回路。
三、原电池原理的应用1.金属的腐蚀(1)化学腐蚀:金属跟接触到的干燥气体(如O2、Cl2、SO2等)或非电解质液 体(如石油)等直接发生化学反应而引起的腐蚀。(2)电化学腐蚀a.定义:不纯的金属与电解质溶液接触时,会发生原电池反应,比较活泼的金 属失去电子而被氧化,这种腐蚀叫电化学腐蚀。
注意　金属的腐蚀主要是发生电化学腐蚀。b.吸氧腐蚀与析氢腐蚀(以钢铁的电化学腐蚀为例)
2.金属的防护(1)改变金属的内部结构。例如把Ni、Cr等加入普通钢中制成不锈钢。(2)覆盖保护层:a.涂油脂、喷油漆、搪瓷、覆盖塑料等;b.电镀耐腐蚀的金 属(Zn、Sn、Cr、Ni等)。
(3)电化学保护法:通常采用如下两种方法。a.牺牲阳极的阴极保护法。这 种方法通常是在被保护的钢铁设备上(如锅炉的内壁、船舶的外壳等)装 上若干镁合金或锌块。b.外加电流的阴极保护法。这种方法是把被保护 的钢铁设备(如钢闸门)作为 　阴    极,用惰性电极作为 　阳    极,两者均存在于电解质溶液(如海水)里,外接直流电源。通电后,电子被强制流向 被保护的钢铁设备,使钢铁表面腐蚀电流降至零或接近于零,从而起到保护 作用。
3.金属腐蚀快慢的比较不纯的金属在潮湿的空气中形成原电池发生电化学腐蚀,活泼金属因被腐 蚀而损耗。金属腐蚀的快慢与下列两种因素有关:(1)与构成原电池的材料有关,两极材料的活泼性差别越大,电动势越大,进 行氧化还原反应的速率越快,活泼金属被腐蚀的速率就越快。(2)与金属所接触的介质有关,通常活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于在 非电解质溶液中的腐蚀,在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中 的腐蚀。一般来说,可用下列原则判断金属腐蚀的快慢:电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的 腐蚀
考点二　电解原理及其应用
基础知识一、电解原理1.电解使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原 反应的过程。
2.电解池(1)装置特点①　电    能转化为②　化学    能。(2)形成条件a.与直流电源相连的两个电极。b.电解质溶液(或熔融态电解质)。c.形成闭合回路。
3.电极反应规律(1)阴极与电源③　负    极相连,④　得到    电子发生⑤　还原    反应。(2)阳极与电源⑥　正    极相连,⑦　失去    电子发生⑧　氧化    反应。
二、电解原理的应用1.氯碱工业(1)食盐水的精制
说明    阳离子交换膜(以电解饱和NaCl溶液为例)只允许阳离子(Na+)通过, 而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过,这样既能阻止H2和Cl2混合爆炸, 又能避免Cl2和NaOH溶液反应生成NaClO影响烧碱质量。(3)电极反应及总反应阳极:⑨　2Cl--2e-  Cl2↑    。阴极:⑩　2H++2e-  H2↑    。总反应(离子方程式): 　2Cl-+2H2O 2OH-+Cl2↑+H2↑    。2.电镀(1)电镀的特点电镀时,阳极是 　镀层金属    ,阴极是 　镀件    ,一般用含有镀层金属离子的溶液作电镀液;电镀池工作时,阳极质量 　减小    ,阴极质量     
增大    ,电解质溶液浓度 　不变    。(2)铜的电解精炼阳极(用 　粗铜    ): 　Cu-2e-  Cu2+    。粗铜中的金、银等金属杂质,因失电子能力比铜弱,难以在阳极失去电子变 成阳离子,以阳极泥的形式沉积下来。阴极(用 　纯铜    ): 　Cu2++2e-  Cu    。3.电冶金金属冶炼就是使矿石中的金属离子获得电子,从其化合物中还原出来。通 式为 　Mn++ne-  M    。钠的冶炼:NaCl在熔融状态下发生电离,通直流电,阴极反应式为 　2Na++2e-  2Na    ,阳极反应式为 　2Cl--2e-  Cl2↑    。
核心精讲一、惰性电极电解电解质溶液的规律
说明　(1)用惰性电极电解强碱、含氧酸、活泼金属的含氧酸盐的稀溶液 时,实际上是电解H2O,溶质的质量分数增大,浓度增大。(2)电解时产物的判断要遵循阴、阳离子的放电顺序。(3)电解后要恢复原电解质溶液的浓度,需加适量的某物质,该物质可以是 阴极与阳极产物的化合物。例如用惰性电极电解CuSO4溶液,要恢复原溶 液的浓度,可向电解后的溶液中加入CuO,但不能加入Cu(OH)2,因为Cu(OH)2与生成的H2SO4反应后使水量增加。
二、原电池、电解池、电镀池的比较
一、原电池电极反应式的书写方法1.一般电极反应式的书写
2.复杂电极反应式的书写总体思路:复杂电极反应式=总反应式-较简单一极电极反应式(1)燃料电池正极反应式的书写正极通入的气体一般是氧气,根据电解质的不同,分以下几种情况:①在酸性溶液中生成水:O2+4H++4e-  2H2O;②在碱性溶液中生成氢氧根离子:O2+2H2O+4e-  4OH-;③在固体电解质(高温下能传导O2-)中生成O2-:O2+4e-  2O2-;
④在熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)中生成碳酸根离子:O2+2CO2+4e-  2C 。(2)燃料电池负极反应式的书写负极通入的是燃料,发生氧化反应,负极生成的离子一般与正极产物结合, 有以下几种情况:①若负极通入的气体是氢气,则a.酸性溶液中:H2-2e-  2H+;b.碱性溶液中:H2-2e-+2OH-  2H2O;c.熔融氧化物中:H2-2e-+O2-  H2O。②若负极通入的气体为含碳的化合物,如CO、CH4、CH3OH等,碳元素均 转化为+4价碳的化合物,在酸性溶液中生成CO2,在碱性溶液中生成C ,熔融碳酸盐中生成CO2,熔融氧化物中生成C ;含有的氢元素最终生成水。
如CH3OH燃料电池负极反应式在酸性溶液中为CH3OH-6e-+H2O  CO2↑+6H+;在碱性溶液中为CH3OH-6e-+8OH-  C +6H2O。例1    (2019河南汝州期末,18)图甲是一种利用微生物将废水中的尿素[CO(NH2)2]的化学能直接转化为电能,并生成对环境友好物质的装置,同时利用此装置的电能在铁上镀铜(如图乙)。下列说法中正确的是 (　　) 
A.铜电极应与X相连接B.H+透过质子交换膜由右向左移动C.当N电极消耗0.25 ml气体时,铁电极增重16 gD.M电极反应式:H2NCONH2+H2O-6e-  CO2↑+N2↑+6H+
解题导引　微生物电池是燃料电池的一种,实质还是氧化还原反应。根据 示意图判断电池的正、负极,再结合图中微粒变化的情况书写出电极反应 式。
解析　A项,根据图甲可判断出N极为正极,M极为负极,电镀时,待镀金属作 阴极,镀层金属作阳极,即铁连接X,Cu连接Y,故A错误;B项,H+从负极流向正 极,即从M极流向N极,故B错误;C项,N极反应式为O2+4H++4e-  2H2O,铁极反应式为Cu2++2e-  Cu,当N电极消耗0.25 ml气体时,铁电极质量增加32 g,故C错误;D项,M极为负极,产生H+,因此电极反应式为CO(NH2)2+H2O-6e-  CO2↑+N2↑+6H+,故D正确。
二、与电化学相关的计算 如可以通过4 ml e-为桥梁构建如下关系式:
例2    (2019山西吕梁期末,11)某镍冶炼车间排放的漂洗废水中含有一定浓 度的Ni2+和Cl-,图甲是双膜三室电沉积法回收废水中的Ni2+的示意图,图乙 描述的是实验中阴极液pH与镍回收率之间的关系。下列说法不正确的是  (　　) 
 图乙A.交换膜a为阳离子交换膜B.阳极反应式为2H2O-4e-  O2↑+4H+C.阴极液 pH=1时,镍的回收率低主要是有较多的H2生成D.浓缩室得到1 L 0.5 ml/L的盐酸时,阴极回收得到11.8 g镍
解题导引　为维持电荷的守恒,电极反应剩余的离子通过离子交换膜渗透 补充,为交换膜的判断提供了依据。根据离子的放电顺序写出电极反应 式。
解析　阳极氢氧根离子失电子生成氧气,氢离子通过交换膜a进入浓缩室, 所以交换膜a为阳离子交换膜,故A正确;阳极反应式为2H2O-4e-  O2↑+4H+,故B正确;阴极发生还原反应,酸性强时主要是氢离子发生还原反应生 成氢气,酸性弱时主要是Ni2+发生还原反应生成Ni,故C正确;浓缩室得到1 L 0.5 ml/L的盐酸时,转移电子0.4 ml,阴极生成镍和氢气,所以阴极回收得 到的镍小于11.8 g,故D错误。
传统化石能源面临枯竭,对能量的高效转化和利用是目前化学科学领域研 究的热点。如2019年课标Ⅲ卷第13题以具有高稳定性和高循环效率的3D-Zn—NiOOH二次电池为载体,将科学研究热点引入考题,考查新型电池的 结构、充放电工作原理、电极反应等内容。
例    (2019江西南昌一模,13)微生物燃料电池(MFC)是一种现代化氨氮去 除技术。如图为MFC碳氮联合同时去除的转化系统原理示意图。下列说 法正确的是 (　　) A.好氧微生物反应器中反应为N +2O2  N +2H++H2O
B.B极电势比A极电势低C.A极的电极反应式为CH3COO-+8e-+2H2O  2CO2↑+7H+D.当电路中通过1 ml电子时,理论上总共生成2.24 L N2
解析　A项,N 在好氧微生物反应器中转化为N ,方程式为N +2O2  N +2H++H2O;B项,分析题图可知,A为原电池的负极,B为原电池的正极,B极电势比A极电势高;C项,A极的电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O   2CO2↑+7H+;D项,当电路中通过1 ml电子时,理论上总共生成标准状况下2.24 L N2。
题目价值　能举例说明化学在解决能源危机中的重要作用,能分析能源的 利用对自然环境和社会发展的影响,能综合考虑化学变化中的物质变化和 能量变化来分析、解决实际问题,如新型电池的开发、金属的防腐等。
1.活学妙用,溯本求源对于复杂的组合装置,要分析题意确定装置是“原电池”还是“电解池”, 从氧化还原反应的角度,结合电子、离子的移动方向,确定装置的正、负极 或阴、阳极,紧紧抓住原电池、电解池的工作原理,防止被复杂的装置所迷 惑。
例1    (2019安徽江南十校联考,13)利用电解质溶液的浓度对电极电势的影响,可设计浓差电池。下图为一套浓差电池和电解质溶液再生的配套 装置示意图,闭合开关K之前,两个Cu电极的质量相等。下列有关这套装置 的说法中错误的是 (　　) 
A.循环物质E为水B.乙池中Cu电极为阴极,发生还原反应C.甲池中的电极反应式为Cu2++2e-  CuD.若外电路中通过1 ml电子,两电极的质量差为64 g
思路分析    由S 的移动方向可知右边Cu电极为负极,发生氧化反应。当电路中通过1 ml电子时,左边电极质量增加32 g,右边电极质量减小32 g, 两极的质量差为64 g。电解质再生池是利用太阳能将CuSO4稀溶液蒸发, 分离为CuSO4浓溶液和水后,再返回浓差电池。答案    B
2.实事求是,尊重科学化学是一门以实验为基础的自然科学,人们对科学规律的发现是通过对自 然现象的反复观察、探究和验证逐步完成的,化学离不开实验,当实验的现 象、结果与熟悉的知识不相符时,我们要尊重实验客观事实,实事求是,不 盲从于熟悉的知识。
   例2 (2019云南保山检测,12)中国科学家用墨汁书写后的纸张作为空气电极,设计并组装了轻型、柔性、能折叠的可充电锂-空气电池(如图甲), 电池的工作原理如图乙。下列有关说法正确的是 (　　) 
C.闭合开关K给锂电池充电,X对应充电电极上的反应为Li++e- LiD.放电时,Li+由正极经过有机电解质溶液移向负极
A.放电时,纸张中的纤维素作为锂电池的负极B.充电时,若阳极放出1 ml O2,则有4 ml e-回到电源正极
思路分析    可充电锂-空气电池放电时,活泼的锂是负极,电极反应式为Li-e- Li+;墨汁中的石墨作锂电池的正极,电极反应式为O2+2Li++2e- Li2O2,Li+由负极经有机电解质溶液移向正极。闭合开关K给锂电池充电,电池 负极接电源的负极,充电时阳极上发生失电子的氧化反应。