第三讲电化学基础

2010年高考总复习——化学3电化学基础电化学知识是历年高考的重要内容，主要考点有：原电池、电解池的电极判断及电极反应式的书写；根据原电池、电解池的电极变化判断金属活动性强弱；根据电解时电极变化判断电极材料或电解质种类；新型电池的电极反应及应用；有关电解产物的判断和计算。其中原电池的工作原理、电解产物判断与计算是高考命题的热点。试题主要涉及电极反应、溶液的pH变化、金属活动性判断、相关定量计算等；主要题型有选择题、简答题、综合分析计算题等。在高考中，电化学基础知识出现的频率很高，分析其中的原因，一是这部分知识在实际生活、工业生产中有极为重要的地位和作用；二是这部分知识的综合程度非常高，除了有机化学以外，涉及到高中化学中基本概念、基本理论、元素化合物知识、化学计算、化学实验等各个板块的知识，对考生的知识、能力要求极高。展望今后命题会继续在上述几方面进行，同时也会出现涉及新能源、环境保护、工业生产等热点问题，及利用电解原理实现用通常方法难以制备的物质等方面的内容。原电池和电解池的实质是在电极上发生的氧化还原反应，是氧化还原反应的进一步延伸和深化。在这部分知识中，既有化学实验验证，又有理论分析推理过程。由于电化学常常涉及物理学中的串联电路、并联电路以及相关物理量如电流、电压、电阻、时间、电荷量等，还要求学生具备一定的物理知识基础。毫不夸张地说，能否掌握好电化学的知识，可以充分反映出考生在化学学科、甚至是自然科学领域知识水平和能力的高低。高考中对于电化学的具体要求如下：①了解原电池和电解池的工作原理。②能够结合氧化还原、离子反应以及相应的元素化合物知识，准确判断电极上发生的化学反应，并能写出电极反应和电池反应方程式。③了解常见化学电源的种类及其工作原理。④了解铜的电解精炼、镀铜、氯碱工业等反应原理。⑤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。热点一、对日常生活中使用的充电电池进行分析1、化学电源在日常生活和工业生产中有广泛的用途，因此在高考中越来越多地考查有关原电池的知识，主要集中在运用原电池的原理分析生活中的电池（特别是新型电池、燃料电池）。基本思路：①根据原电池原理、元素化合价变化判断电极。②根据题目要求书写原电池反应的总方程式，并且写出某一个电极的电极反应式。在书写电极反应式和总方程式时必须注意，除了考虑氧化还原过程（电子转移）外，还必须考虑溶液中的溶质参与反应（离子反应）。③用电池反应的总方程式和已经写出的电极反应式“减去”另一个电极的电极反应式。规律：先写出自己比较熟悉的那个电极反应式，然后根据条件书写总方程式，最后用总方程式“减去”已经写出的电极反应式，就可以得到另外一个不常见的电极反应式。例如：甲烷燃料电池，电解质溶液：强碱（KOH）溶液首先写出O2所在电极——正极的反应式：2O2+8e－+4H2O=8OH－；然后写出总方程式：CH4+2O2+2OH－=CO32－+3H2O（由于溶液中存在大量OH－，因此不能生成CO2）最后得到负极的反应式：CH4－8e－+10OH－=CO32－+7H2O④由于生活中大量使用二次电池，二次电池的放电过程利用原电池反应，充电过程利用电解池反应，要注意这两类装置的区别。原电池电解池装置本质两极发生氧化还原反应，产生电流，将化学能转化为电能在直流电作用下，两极上发生氧化还原反应，把电能转化为化学能电子流动方向电子由负极流向正极电子由直流电源的负极流出，经过导线到达电解池的阴极，然后由离子通过电解液到达阳极，离子在阳极失去电子，电子再回到直流电源的正极电极上的反应负极：还原剂失去电子，发生氧化反应正极：氧化剂得到电子，发生还原反应阳极：发生氧化反应。若是惰性电极，溶液中阴离子失电子；若是活性电极阳极本身失电子阴极：发生还原反应。阴极本身仅起传递电子作用，溶液中阳离子得电子发生还原反应例1（08高考）．电池是人类生产和生活中的重要能量来源，各式各样电池的发展是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是（）A．锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细B．氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化D．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅解析：选项A中Zn－Mn干电池作负极的是Zn，石墨作电池的正极，只起导电的作用，被腐蚀的是Zn；选项B中氢氧燃料电池是把化学能直接转化为电能，而不是把热能直接转化为电能；太阳能电池的主要材料是高纯度的单晶硅，它的能量转化高。答案：C例2（08高考）．LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为：FePO4+LiLiFePO4，电池的正极材料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li+导电固体为电解质。下列有关LiFePO4电池说法正确的是（）A．可加入硫酸以提高电解质的导电性B．放电时电池内部Li+向负极移动C．充电过程中，电池正极材料的质量减少D．放电时电池正极反应为：FePO4+Li++e－=LiFePO4解析：放电时，负极：Li－e—=Li+，正极：FePO4+Li++e—=LiFePO4；充电时，阳极：LiFePO4－e—=FePO4+Li+，阴极：Li++e—=Li，所以C、D正确。若加入硫酸，与Li单质（固体）发生反应，所以A错；放电时，Li+（正电荷）应在电池内部（电解质中）向正极移动，故B错。答案：CD例3（08高考）．镍镉（Ni-Cd）可充电电池在现代生活中有广泛应用。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+2H2O放电充电Cd(OH)2+2Ni(OH)2有关该电池的说法正确的是（）A．充电时阳极反应：Ni(OH)2－e—+OH—=NiOOH+H2OB．充电过程是化学能转化为电能的过程C．放电时负极附近溶液的碱性不变D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动解析：由充电时方程式中的Cd和Ni的化合价的变化可知，Ni(OH)2作阳极，电解质溶液为KOH，所以电极反应式为：Ni(OH)2－e－＋OH—=NiOOH＋H2O；Cd(OH)2作阴极，Cd(OH)2＋2e－=Cd＋2OH－；充电的过程是将电能转化为化学能。放电时，Cd作负极，Cd－2e－＋2OH－=Cd(OH)2，Cd周围的c(OH－)下降，OH－向负极移动。答案：A放电充电例4（09高考）．市场上经常见到的标记为Li-ion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为金属锂的载体），电解质为一种能传导Li+的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应为：20.3520.8522LiLiNiOLiNiO放电充电下列说法不正确．．．的是（）A．放电时，负极的电极反应式：Li－e—=Li+B．充电时，Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应C．该电池不能用水溶液作为电解质D．放电过程中Li+向负极移动答案：D例5（09高考）．Li-SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4—SOCl2。电池的总反应可表示为：4Li+2SOCl2=4LiCl+S+SO2。请回答下列问题：（1）电池的负极材料为，发生的电极反应为；（2）电池正极发生的电极反应为；（3）SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是，反应的化学方程式为；（4）组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是。答案：（1）锂Li－e—=Li+（2）2SOCl2+4e—=4Cl—+S+SO2（3）出现白雾，有刺激性气体生成；SOCl2+H2O=SO2↑+2HCl↑（4）锂是活泼金属，易与H2O、O2反应；SOCl2也可与水反应2、燃料电池是目前研究的热点，在工业生产中有着巨大的应用前景。燃料电池与传统的原电池不同，利用某些金属材料对气体的良好吸附性能，使气体在金属电极表面发生氧化还原反应。燃料电池使用的原料非常容易得到，但是相对于传统电池而言，维护成本较高，使用时还涉及到安全问题。解答燃料电池有关的问题时，要求考生深入理解原电池的形成条件：（1）还原剂与氧化剂在两个不同的电极上发生反应（在反应中，还原剂与氧化剂的粒子不是通过直接的有效碰撞而发生反应，否则无法形成电流）。（2）形成闭合回路，两个电极之间通过导线相连（或直接接触）。电池内部，两电极之间应填充导电介质（通常是用电解液，但某些电池中因电极与水剧烈反应而不能使用水溶液）。例6（08高考）．用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂-KNO3的U型管）构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是（）①在外电路中，电流由铜电极流向银电极②正极反应为：Ag++e-=Ag③实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同A．①②B．②③C．②④D．③④解析：Cu作负极，Ag作正极。负极：Cu-2e—=Cu2+；正极：Ag++e—=Ag。在外电路中，电子由Cu电极流向Ag电极，而电流方向与电子流向相反，所以①错。没有盐桥，原电池不能继续工作，③错。无论是否为原电池，反应实质相同，均为氧化还原反应，④对。答案：C例7（09高考）．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。下列判断不正确．．．的是（）A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3+被还原C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中石墨电极为负极答案：D例8（08高考）．一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是（）A．CH3OH(g)+O2(g)=H2O(1)+CO2(g)+2H+(aq)+2e－B．O2(g)+4H+(aq)+4e－=2H2O(1)C．CH3OH(g)+H2O(1)=CO2(g)+6H+(aq)+6e－D．O2(g)+2H2O(1)+4e－=4OH－解析：甲醇与氧气反应的化学方程式为：2CH3OH＋3O2→2CO2＋4H2O，所以在负极上甲醇失去电子而放电，在该极上的电极反应式为：CH3OH(g)+H2O(1)=CO2(g)+6H+(aq)+6e－。答案：C例9（09高考）．以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是（）A．该电池能够在高温下工作B．电池的负极反应为：C6H12O6+6H2O－24e—=6CO2↑+24H+C．放电过程中，H+从正极区向负极区迁移D．在电池反应中，每消耗1mol氧气，理论上能生成标准状况下2CO气体22.46L答案：B例10（09高考）．氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。下图为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定，请回答：（1）氢氧燃料电池的能量转化主要形式是，在导线中电子流动方向为（用a、b表示）。（2）负极反应式为。（3）电极表面镀铂粉的原因为。（4）该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断提供电能。因此，大量安全储氢是关键技术之一。金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：Ⅰ．2Li+H2△2LiHⅡ．LiH+H2O=LiOH+H2↑①反应Ⅰ中的还原剂是，反应Ⅱ中的氧化剂是。②已知LiH固体密度为0.82g/cm3。用锂吸收224L（标准状况）H2，生成的LiH体积与被吸收的H2体积比为。③由②生成的LiH与H2O作用，放出的H2用作电池燃料，若能量转化率为80％，则导线中通过电子的物质的量为mol。答案：（1）由化学能转变为电能由a到b（2）2H2+4OH－－4e－=4H2O或H2+2OH――2e－=2H2O（3）增大电极单位面积吸附H2、O2分子数，加快电极反应速率（4）①LiH2O②1/1148或8.71×10－4③32例11．X、Y、Z、W为按原子序数由小到大排列的四种短周期元素。已知：①X可分别与Y、W形成X2Y，X2Y2