專題06-化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化-(講)-解析版

專題06化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化【考情探究】課標(biāo)解讀內(nèi)容原電池原理及其應(yīng)用電解原理及其應(yīng)用解讀理解原電池的構(gòu)成、工作原理及應(yīng)用，能書寫電極反應(yīng)和總反應(yīng)方程式2.了解金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因、金屬腐蝕的危害以及防止金屬腐蝕的措施3.了解常見化學(xué)電源的種類及其工作原理理解電解池的構(gòu)成、工作原理及應(yīng)用，能書寫電極反應(yīng)和總反應(yīng)方程式考情分析電化學(xué)是氧化還原反應(yīng)知識的應(yīng)用和延伸，是熱點考查內(nèi)容。通常會以新型二次電池為載體考查原電池原理與電解原理。試題難度中等，預(yù)計今后對本專題知識的考查會保持穩(wěn)定。備考策略本專題命題往往以可充電電池的工作原理及電解原理的應(yīng)用為背景，考查電極反應(yīng)式的書寫、離子移動方向、金屬的電化學(xué)腐蝕及防護(hù)等知識。同時也對信息提取、應(yīng)用能力進(jìn)行考查。備考時要側(cè)重原電池與電解池工作原理中基礎(chǔ)考點的復(fù)習(xí)和電極反應(yīng)式書寫技巧的掌握?！靖哳l考點】高頻考點一新型電池的工作原理分析1．突破原電池工作原理2．原電池的改進(jìn)【特別提醒】(1)改進(jìn)后的優(yōu)點是電流效率的提高，電流持續(xù)穩(wěn)定。(2)鹽析的三個作用①隔絕正負(fù)極反應(yīng)物，避免直接接觸，導(dǎo)致電流不穩(wěn)定；②通過離子的定向移動，構(gòu)成閉合回路；③平衡電極區(qū)的電荷。(3)離子交換膜的作用：離子交換膜是一種選擇性透過膜，允許相應(yīng)離子通過，離子遷移方向遵循電池中離子遷移方向。3．二次電池充電時連接模型(“正”接“正”，“負(fù)”接“負(fù)”)注意：放電時負(fù)極反應(yīng)與充電時的陰極反應(yīng)相反，同理放電時正極反應(yīng)與充電時陽極反應(yīng)相反。如鉛蓄電池：負(fù)極：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－===PbSO4陰極：PbSO4＋2e－===Pb＋SOeq\o\al(2－,4)高頻考點二電解原理的應(yīng)用金屬腐蝕與防護(hù)1．電解池工作原理模型圖【特別提醒】①陽離子在陰極上的放電順序：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋＞……②陰離子在陽極上的放電順序：S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根離子＞……③當(dāng)陽極是金屬(Au、Pt除外)電極時，溶液中的離子不再放電而是金屬失電子生成金屬陽離子。④微粒的放電順序受溫度、濃度、電壓、電極材料等因素的影響。2．電化學(xué)計算的兩種常用方法(1)根據(jù)電子守恒計算①用于串聯(lián)電路中陰陽兩極產(chǎn)物、正負(fù)兩極產(chǎn)物、相同電量等類型的計算，其依據(jù)是電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相等。②用于混合溶液中電解的分階段計算。(2)根據(jù)關(guān)系式計算根據(jù)得失電子守恒定律建立起已知量與未知量之間的橋梁，構(gòu)建計算所需的關(guān)系式。如以通過4mole－為橋梁可構(gòu)建如下關(guān)系式：(式中M為金屬，n為其離子的化合價數(shù)值)3．金屬電化學(xué)腐蝕與防護(hù)(1)金屬腐蝕快慢的三個規(guī)律①金屬腐蝕類型的差異電解原理引起的腐蝕>原電池原理引起的腐蝕>化學(xué)腐蝕>有防護(hù)腐蝕措施的腐蝕。②電解質(zhì)溶液的影響a．對同一金屬來說，腐蝕的快慢(濃度相同)：強電解質(zhì)溶液>弱電解質(zhì)溶液>非電解質(zhì)溶液。b．對同一種電解質(zhì)溶液來說，電解質(zhì)濃度越大，腐蝕越快。③活潑性不同的兩金屬，活潑性差別越大，腐蝕越快。(2)兩種腐蝕與三種保護(hù)①兩種腐蝕：析氫腐蝕、吸氧腐蝕(關(guān)鍵在于電解液的pH)。②三種保護(hù)：電鍍保護(hù)、犧牲陽極的陰極保護(hù)法、外加電流的陰極保護(hù)法。高頻考點三離子交換膜在電化學(xué)中的綜合應(yīng)用1．離子交換膜的作用(1)防止副反應(yīng)的發(fā)生，避免影響所制取產(chǎn)品的質(zhì)量；防止引發(fā)不安全因素(如在電解飽和食鹽水中，利用陽離子交換膜，防止陽極產(chǎn)生的Cl2進(jìn)入陰極室與氫氧化鈉反應(yīng)，導(dǎo)致所制產(chǎn)品不純；防止與陰極產(chǎn)生的H2混合發(fā)生爆炸)。(2)用于物質(zhì)的分離、提純等。(3)用于物質(zhì)的制備。2．離子交換膜的類型根據(jù)透過的微粒，離子交換膜可以分為多種，在高考試題中主要出現(xiàn)過陽離子交換膜、陰離子交換膜和質(zhì)子交換膜三種。陽離子交換膜只允許陽離子通過，阻止陰離子和氣體通過，陰離子交換膜只允許陰離子通過，質(zhì)子交換膜只允許質(zhì)子(H＋)通過。3．離子交換膜類型的判斷根據(jù)電解質(zhì)溶液呈電中性的原則，判斷膜的類型：(1)首先寫出陰、陽兩極上的電極反應(yīng)，依據(jù)電極反應(yīng)式確定該電極附近哪種離子剩余。(2)根據(jù)溶液呈電中性，判斷出離子移動的方向，從而確定離子交換膜的類型。4．定量關(guān)系外電路電子轉(zhuǎn)移數(shù)＝通過隔膜的陰、陽離子帶的負(fù)或正電荷數(shù)?！绢}型突破】題型一考查二次電池例1.（2020·天津卷）熔融鈉-硫電池性能優(yōu)良，是具有應(yīng)用前景的儲能電池。下圖中的電池反應(yīng)為(x=5~3，難溶于熔融硫)，下列說法錯誤的是（）A.Na2S4的電子式為B.放電時正極反應(yīng)為C.Na和Na2Sx分別為電池的負(fù)極和正極D.該電池是以為隔膜的二次電池【答案】C【解析】根據(jù)電池反應(yīng)：可知，放電時，鈉作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為：Na-e-=Na+，硫作正極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為，據(jù)此分析。Na2S4屬于離子化合物，4個硫原子間形成三對共用電子對，電子式為，故A正確；放電時發(fā)生的是原電池反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為：，故B正確；放電時，Na為電池的負(fù)極，正極為硫單質(zhì)，故C錯誤；放電時，該電池是以鈉作負(fù)極，硫作正極的原電池，充電時，是電解池，為隔膜，起到電解質(zhì)溶液的作用，該電池為二次電池，故D正確；答案選C?！痉椒记伞?1)放電時，正、負(fù)極的判斷。(2)充、放電時兩極反應(yīng)式書寫判斷。(3)充、放電時，電子、離子的移動方向。(4)電極附近溶液性質(zhì)的變化。(5)充、放電兩極反應(yīng)類型判斷。(6)充電連接判斷。(7)基本電化學(xué)計算?！咀兪教骄俊?2019·全國卷Ⅲ)為提升電池循環(huán)效率和穩(wěn)定性，科學(xué)家近期利用三維多孔海綿狀Zn(3D-Zn)可以高效沉積ZnO的特點，設(shè)計了采用強堿性電解質(zhì)的3D-Zn—NiOOH二次電池，結(jié)構(gòu)如圖所示。電池反應(yīng)為Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。下列說法錯誤的是()A．三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高B．充電時陽極反應(yīng)為Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)C．放電時負(fù)極反應(yīng)為Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)D．放電過程中OH－通過隔膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)【答案】D【解析】A項，三維多孔海綿狀Zn為多孔結(jié)構(gòu)，具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高，正確；B項，二次電池充電時作為電解池使用，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，元素化合價升高，原子失去電子，陽極反應(yīng)為Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)，正確；C項，二次電池放電時作為原電池使用，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，元素化合價升高，原子失去電子，由電池總反應(yīng)可知負(fù)極反應(yīng)為Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)，正確；D項，二次電池放電時作為原電池使用，陰離子從正極區(qū)向負(fù)極區(qū)移動，錯誤。題型二考查新型電池例2.（2020·新課標(biāo)Ⅲ）一種高性能的堿性硼化釩(VB2)—空氣電池如下圖所示，其中在VB2電極發(fā)生反應(yīng)：該電池工作時，下列說法錯誤的是（）A.負(fù)載通過0.04mol電子時，有0.224L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)O2參與反應(yīng)B.正極區(qū)溶液的pH降低、負(fù)極區(qū)溶液的pH升高C.電池總反應(yīng)為D.電流由復(fù)合碳電極經(jīng)負(fù)載、VB2電極、KOH溶液回到復(fù)合碳電極【答案】B【解析】根據(jù)圖示的電池結(jié)構(gòu)，左側(cè)VB2發(fā)生失電子的反應(yīng)生成和，反應(yīng)的電極方程式如題干所示，右側(cè)空氣中的氧氣發(fā)生得電子的反應(yīng)生成OH-，反應(yīng)的電極方程式為O2+4e-+2H2O=4OH-，電池的總反應(yīng)方程式為4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8+4，據(jù)此分析。當(dāng)負(fù)極通過0.04mol電子時，正極也通過0.04mol電子，根據(jù)正極的電極方程式，通過0.04mol電子消耗0.01mol氧氣，在標(biāo)況下為0.224L，A正確；反應(yīng)過程中正極生成大量的OH-使正極區(qū)pH升高，負(fù)極消耗OH-使負(fù)極區(qū)OH-濃度減小pH降低，B錯誤；根據(jù)分析，電池的總反應(yīng)為4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8+4，C正確；電池中，電子由VB2電極經(jīng)負(fù)載流向復(fù)合碳電極，電流流向與電子流向相反，則電流流向為復(fù)合碳電極→負(fù)載→VB2電極→KOH溶液→復(fù)合碳電極，D正確?！咀兪教骄俊浚?018·全國卷Ⅲ）一種可充電鋰-空氣電池如圖所示。當(dāng)電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x（x=0或1）。下列說法正確的是（）A.放電時，多孔碳材料電極為負(fù)極B.放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極C.充電時，電解質(zhì)溶液中Li+向多孔碳材料區(qū)遷移D.充電時，電池總反應(yīng)為Li2O2-x=2Li+（1－x2）O【答案】D【解析】放電時，O2與Li+在多孔碳電極處反應(yīng)，說明電池內(nèi)，Li+向多孔碳電極移動，因為陽離子移向正極，所以多孔碳電極為正極，A錯誤。因為多孔碳電極為正極，外電路電子應(yīng)該由鋰電極流向多孔碳電極（由負(fù)極流向正極），B錯誤。充電和放電時電池中離子的移動方向應(yīng)該相反，放電時，Li+向多孔碳電極移動，充電時向鋰電極移動，C錯誤。根據(jù)圖示和上述分析，電池的正極反應(yīng)應(yīng)該是O2與Li+得電子轉(zhuǎn)化為Li2O2-X，電池的負(fù)極反應(yīng)應(yīng)該是單質(zhì)Li失電子轉(zhuǎn)化為Li+，所以總反應(yīng)為：2Li+(1－x2)O2＝Li2O2-X，充電的反應(yīng)與放電的反應(yīng)相反，所以為Li2O2-X＝2Li+(1－x2)O2題型三考查電解原理及其應(yīng)用例3.（2020·浙江卷）電解高濃度(羧酸鈉)的溶液，在陽極放電可得到(烷烴)。下列說法不正確的是()A.電解總反應(yīng)方程式：B.在陽極放電，發(fā)生氧化反應(yīng)C.陰極的電極反應(yīng)：D.電解、和混合溶液可得到乙烷、丙烷和丁烷【答案】A【解析】因為陽極RCOO-放電可得到R-R(烷烴)和產(chǎn)生CO2，在強堿性環(huán)境中，CO2會與OH-反應(yīng)生成CO32-和H2O，故陽極的電極反應(yīng)式為2RCOO--2e-+4OH-=R-R+2CO32-+2H2O，陰極上H2O電離產(chǎn)生的H+放電生成H2，同時生成OH-，陰極的電極反應(yīng)式為2H2O+2e-=2OH-+H2↑，因而電解總反應(yīng)方程式為2RCOONa+2NaOHeq\o(=,\s\up8(通電))R-R+2Na2CO3+H2↑，故A錯誤；RCOO-在陽極放電，電極反應(yīng)式為2RCOO--2e-+4OH-=R-R+2CO32-+2H2O，-COO-中碳元素的化合價由+3價升高為+4價，發(fā)生氧化反應(yīng)，烴基-R中元素的化合價沒有發(fā)生變化，故B正確；陰極上H2O電離產(chǎn)生的H+放電生成H2，同時生成OH-，陰極的電極反應(yīng)為2H2O+2e-=2OH-+H2↑，故C正確；根據(jù)題中信息，由上述電解總反應(yīng)方程式可以確定下列反應(yīng)能夠發(fā)生：2CH3COONa+2NaOHeq\o(=,\s\up8(通電))CH3-CH3+2Na2CO3+H2↑，2CH3CH2COONa+2NaOHeq\o(=,\s\up8(通電))CH3CH2-CH2CH3+2Na2CO3+H2↑，CH3COONa+CH3CH2COONa+2NaOHeq\o(=,\s\up8(通電))CH3-CH2CH3+2Na2CO3+H2↑。因此，電解CH3COONa、CH3CH2COONa和NaOH的混合溶液可得到乙烷、丙烷和丁烷，D正確。【舉一反三】（2020·江蘇卷）將金屬M連接在鋼鐵設(shè)施表面，可減緩水體中鋼鐵設(shè)施的腐蝕。在題圖所示的情境中，下列有關(guān)說法正確的是A.陰極的電極反應(yīng)式為B.金屬M的活動性比Fe的活動性弱C.鋼鐵設(shè)施表面因積累大量電子而被保護(hù)D.鋼鐵設(shè)施在河水中的腐蝕速率比在海水中的快【答案】C【解析】該裝置為原電池原理的金屬防護(hù)措施，為犧牲陽極的陰極保護(hù)法，金屬M作負(fù)極，鋼鐵設(shè)備作正極，據(jù)此分析解答。陰極的鋼鐵設(shè)施實際作原電池的正極，正極金屬被保護(hù)不失電子，故A錯誤；陽極金屬M實際為原電池裝置的負(fù)極，電子流出，原電池中負(fù)極金屬比正極活潑，因此M活動性比Fe的活動性強，故B錯誤；金屬M失電子，電子經(jīng)導(dǎo)線流入鋼鐵設(shè)備，從而使鋼鐵設(shè)施表面積累大量電子，自身金屬不再失電子從而被保護(hù)，故C正確；海水中的離子濃度大于河水中的離子濃度，離子濃度越大，溶液的導(dǎo)電性越強，因此鋼鐵設(shè)施在海水中的腐蝕速率比在河水中快，故D錯誤；故選C?！咀兪教骄俊縖2019·江蘇卷]將鐵粉和活性炭的混合物用NaCl溶液濕潤后，置于如圖所示裝置中，進(jìn)行鐵的電化學(xué)腐蝕實驗。下列有關(guān)該實驗的說法正確的是A．鐵被氧化的電極反應(yīng)式為Fe?3e?===Fe3+B．鐵腐蝕過程中化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化為電能C．活性炭的存在會加速鐵的腐蝕D．以水代替NaCl溶液，鐵不能發(fā)生吸氧腐蝕【答案】C【解析】在鐵的電化學(xué)腐蝕中，鐵單質(zhì)失去電子轉(zhuǎn)化為二價鐵離子，即負(fù)極反應(yīng)為：Fe?2e?=Fe2+，故A錯誤；鐵的腐蝕過程中化學(xué)能除了轉(zhuǎn)化為電能，還有一部分轉(zhuǎn)化為熱能，故B錯誤；活性炭與鐵混合，在氯化鈉溶液中構(gòu)成了許多微小的原電池，加速了鐵的腐蝕，故C正確；以水代替氯化鈉溶液，水也呈中性，鐵在中性或堿性條件下易發(fā)生吸氧腐蝕，故D錯誤。題型四考查膜電池綜合應(yīng)用例4.（2020·山東卷）微生物脫鹽電池是一種高效、經(jīng)濟(jì)的能源裝置，利用微生物處理有機廢水獲得電能，同時可實現(xiàn)海水淡化?，F(xiàn)以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用下圖裝置處理有機廢水(以含CH3COO-的溶液為例)。下列說法錯誤的是A.負(fù)極反應(yīng)為B.隔膜1為陽離子交換膜，隔膜2為陰離子交換膜C.當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1mol電子時，模擬海水理論上除鹽58.5gD.電池工作一段時間后，正、負(fù)極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為2:1【答案】B【解析】據(jù)圖可知a極上CH3COOˉ轉(zhuǎn)化為CO2和H+，C元素被氧化，所以a極為該原電池的負(fù)極，則b極為正極。a極為負(fù)極，CH3COOˉ失電子被氧化成CO2和H+，結(jié)合電荷守恒可得電極反應(yīng)式為CH3COOˉ+2H2O-8eˉ=2CO2↑+7H+，故A正確；為了實現(xiàn)海水的淡化，模擬海水中的氯離子需要移向負(fù)極，即a極，則隔膜1為陰離子交換膜，鈉離子需要移向正極，即b極，則隔膜2為陽離子交換膜，故B錯誤；當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1mol電子時，根據(jù)電荷守恒可知，海水中會有1molClˉ移向負(fù)極，同時有1molNa+移向正極，即除去1molNaCl，質(zhì)量為58.5g，故C正確；b極為正極，水溶液為酸性，所以氫離子得電子產(chǎn)生氫氣，電極反應(yīng)式為2H++2eˉ=H2↑，所以當(dāng)轉(zhuǎn)移8mol電子時，正極產(chǎn)生4mol氣體，根據(jù)負(fù)極反應(yīng)式可知負(fù)極產(chǎn)生2mol氣體，物質(zhì)的量之比為4:2=2:1，故D正確；故答案為B?！咀兪教骄俊浚?020·新課標(biāo)Ⅰ）科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn?CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是（）A.放電時，負(fù)極反應(yīng)為B.放電時，1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2molC.充電時，電池總反應(yīng)為D.充電時，正極溶液中OH?濃度升高【答案】D【解析】由題可知，放電時，CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，即CO2發(fā)生還原反應(yīng)，故放電時右側(cè)電極為正極，左側(cè)電極為負(fù)極，Zn發(fā)生氧化反應(yīng)生成；充電時，右側(cè)為陽極，H2O發(fā)生氧化反應(yīng)生成O2，左側(cè)為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)生成Zn，以此分析解答。放電時，負(fù)極上Zn發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：，故A正確；放電時，CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，C元素化合價降低2，則1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH時，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2mol，故B正確；充電時，陽極上H2O轉(zhuǎn)化為O2，負(fù)極上轉(zhuǎn)化為Zn，電池總反應(yīng)為：，故C正確；充電時，正極即為陽極，電極反應(yīng)式為：，溶液中H+濃度增大，溶液中c(H+)?c(OH-)=KW，溫度不變時，KW不變，因此溶液中OH-濃度降低，故D錯誤?！咀兪教骄俊?2019·全國卷Ⅰ)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2＋/MV＋在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是