湖南版2021高考化学一轮复习专题7化学能与电能的转化课件

湖南版2021高考化学一轮复习专题7化学能与电能的转化课件

考点一　原电池原理及其应用 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 考点 清单 负极:活泼性较③ 　强     的金属,发生④ 　氧化     反应。 正极:活泼性较⑤ 　弱     的金属或能导电的非金属,发生⑥ 　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,如下图)   负极:⑦ 　Zn     , 电极反应式:⑧ 　Zn-2e -   Zn 2+      。 正极:⑨ 　Cu     ,电极反应式:⑩ 　Cu 2+ +2e -   Cu     。 电池总反应:   　Zn+Cu 2+   Zn 2+ +Cu     。 (2)电子移动方向 电子由   　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。 二、化学电源 化学电源包括一次电池、二次电池和燃料电池等几大类,一次电池又称为 干电池,二次电池又称为充电电池或蓄电池。 电池 电极反应式 总反应式 碱性锌 锰电池 负极:Zn+2OH - -2e -   Zn(OH) 2 Zn+2MnO 2 +2H 2 O   2 MnOOH+Zn(OH) 2      正极:2MnO 2 +2H 2 O+2e -   2 MnOOH+2OH - 铅蓄 电池 负极:Pb(s)+S   (aq)-2e -   PbSO 4 (s) Pb(s)+PbO 2 (s)+2H 2 SO 4 (aq)   2PbSO 4 (s)+2H 2 O(l) 正极:PbO 2 (s)+4H + (aq)+S   (aq) +2e -   PbSO 4 (s)+2H 2 O(l) 氢镍电池 负极:H 2 +2OH - -2e -   2H 2 O 2NiOOH+H 2   2Ni(OH) 2 正极:2NiOOH+2H 2 O+2e -   2 Ni(OH) 2 +2OH - 氢氧燃料 电池(H 2 SO 4 作电解质) 负极:2H 2 -4e -   4H + 2H 2 +O 2   2H 2 O 正极:O 2 +4H + +4e -   2H 2 O 氢氧燃料 电池(KOH 作电解质) 负极:2H 2 +4OH - -4e -   4H 2 O 2H 2 +O 2   2H 2 O 正极:O 2 +2H 2 O+4e -   4OH - 续表 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O 2 、Cl 2 、SO 2 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。 电池 电极反应式 总反应式 CH 4 燃料电池 (H 2 SO 4 作电解质) 负极:CH 4 +2H 2 O-8e -   CO 2 +8 H + CH 4 +2O 2   CO 2 +2H 2 O 正极:2O 2 +8H + +8e -   4H 2 O CH 3 OH燃料 电池(NaOH 作电解质) 负极:2CH 3 OH+16OH - -12e -   2C   +12H 2 O 2CH 3 OH+3O 2 +4NaOH   2Na 2 CO 3 +6H 2 O 正极:3O 2 +6H 2 O+12e -   12OH - (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。 类型 吸氧腐蚀 析氢腐蚀 条件 水膜酸性   　很弱     或呈        中     性 水膜呈   　酸     性 正极反应(C)   　O 2 +2H 2 O+4e -   4OH -      2H + +2e -   H 2 ↑ 负极反应(Fe) Fe-2e -   Fe 2+ 其他反应 Fe 2+ +2OH -   Fe(OH) 2 ↓ 4Fe(OH) 2 +2H 2 O+O 2   4Fe(OH) 3 Fe(OH) 3 失去部分水转化为铁锈(Fe 2 O 3 · n H 2 O) (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, 置于同一电解质溶 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① 氧化还原 反应的过程。 2.电解池 (1)装置特点 ② 　电     能转化为③ 　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.电解池工作原理示意图   4.电解池阴、阳两极的放电顺序   二、电解原理的应用 1.氯碱工业   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(Cl 2 )通过,这样既能阻止H 2 和Cl 2 混合爆炸,又能避 免Cl 2 和NaOH溶液反应生成NaClO影响烧碱质量。 电极反应及总反应 阳极:④ 　2Cl - -2e -   Cl 2 ↑     。 阴极:⑤ 　2H + +2e -   H 2 ↑     。 总反应(离子方程式):⑥ 　2Cl - +2H 2 O   2OH - +Cl 2 ↑+H 2 ↑     。 2.电镀 (1)电镀的特点 电镀时,阳极是⑦ 　镀层金属     ,阴极是⑧ 　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⑨ 　减小     ,阴极质量⑩       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 -   Cu 2+      ;精铜作阴极,   　Cu 2+ +2e -   Cu     。 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。 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   　M n + + n e -   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 -   Cl 2 ↑     ,总反应式:   2 NaCl(熔融)   2Na+Cl 2 ↑      。 知识归纳 原电池、电解池、电镀池的比较 原电池 电解池 电镀池 定 义 将化学能转变成电能 的装置 将电能转变成化学能 的装置 应用电解原理在某些 金属表面镀上一层其 他金属或合金的装置 装 置 举 例       形 成 条 件 ①活泼性不同的两电 极 ②电解质溶液(电极插 入其中,并能与电极发 生自发反应) ③形成闭合回路 ①两电极接直流电源 ②两电极插入电解质 溶液(或熔融电解质)中 ③形成闭合回路 ①镀层金属接电源正 极,待镀金属接电源负 极 ②电镀液必须含有镀 层金属的离子(电镀过 程中电镀液浓度不变) 电 极 名 称 负极:氧化反应,金属失 电子或者氢气等还原 性物质失电子 正极:还原反应,溶液中 的阳离子得电子或者 氧气等得电子 阳极:氧化反应,溶液中 的阴离子失电子,或金 属电极失电子 阴极:还原反应,溶液中 的阳离子得电子 阳极:金属电极失电子 阴极:电镀液中镀层金 属阳离子得电子(在电 镀控制的条件下,水电 离产生的H + 及OH - 一般 不放电)   负极   正极 电源负极   阴极 电源正极   阳极 同电解池 (1)同一原电池的正、负极的电极反应中得失电子数相等。(2)同一电解池的阴、阳极的电极反应 中得失电子数相等。(3)串联电路中的各个电极反应得失电子数相等。上述三种情况下,在计算电 解产物的量时,应按得失电子数相等计算 模型观 　 原电池、电解池工作原理模型的构建 通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关 系,建立认知模型,并能运用与解释化学现象、揭示现象的本质和规律。通 过构建原电池原理模型,判断原电池的正、负极;通过构建电解池的工作原 理模型,判断电解质溶液电解的规律。 一、原电池正、负极的判断 知能拓展 判断角度 负极 正极 电极材料 一般是活动性较强的金属 一般是活动性较弱的金属或能 导电的非金属 判断角度 负极 正极 电子流向 电子流出的一极 电子流入的一极 离子移动方向 阴离子移向的一极 阳离子移向的一极 发生的反应 氧化反应 还原反应 反应现象 一般质量减小 质量增加或不变 注意 　(1)在原电池Al-NaOH(aq)-Mg中,Al作负极;(2)在原电池Al-浓硫酸-Cu中, Cu作负极。 二、惰性电极电解电解质溶液的规律 类型 电极反应特 点 实例 电解 物质 电解质 的变化 pH 使电解质 溶液复原 的方法 电解 水型 阴极:4H + +4e -   2H 2 ↑ 阳极:4OH - -4 e -   2H 2 O +O 2 ↑ NaOH 水 浓度增大 增大 加水 H 2 SO 4 水 浓度增大 减小 加水 Na 2 SO 4 水 浓度增大 不变 加水 电解 电解 质型 电解质电离 出的阴、阳 离子分别在 两极放电 HCl 电解质 浓度减小 增大 加氯化氢 CuCl 2 电解质 浓度减小 — 加氯化铜 放H 2 生碱型 阴极:放出H 2 阳极:电解质 阴离子放电 NaCl 电解质 和水 生成新 电解质 增大 加氯化氢 放O 2 生酸型 阴极:电解质 阳离子放电 阳极:OH - 放 电 CuSO 4 电解质 和水 生成新 电解质 减小 加氧化铜 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H 2 O,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CuSO 4 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H 2 SO 4 反应后使水量增加。 例1(2019广东佛山二检,10)沉积物微生物燃料电池可处理含硫废水,其工 作原理如图所示。下列说法错误的是(　　) A.碳棒b的电极反应式为O 2 +4e - +4H +   2H 2 O B.光照强度对电池的输出功率有影响 C.外电路的电流方向:碳棒a→碳棒b D.酸性增强不利于菌落存活,故工作一段时间后,电池效率降低 解题导引　题目给出了沉积物微生物燃料电池示意图,解题时需先调用有 关原电池模型的知识点,根据示意图信息判断出碳棒a是负极,碳棒b是正 极,进一步分析出该原电池中电子、离子移动方向、电流方向和电极反应, 就可以判断出答案。 解析　由题图可知,碳棒a作负极,碳棒b作正极。A项,正极O 2 得电子生成 水,电极反应式为O 2 +4e - +4H +   2H 2 O,故A正确;B项,CO 2 在光照和光合菌 的作用下反应生成氧气,光照强度对电池的输出功率有影响,故B正确;C项, 外电路电流由正极流向负极,即由碳棒b→碳棒a,故C错误;D项,酸性增强可 使菌落失活,工作一段时间后,电池效率降低,故D正确。 答案   C 易错警示　原电池中,负极失去电子发生氧化反应,正极得到电子发生还原 反应,电流从正极经外电路流向负极。守恒观　电极反应式的书写、与电 化学相关的计算 　　认识化学变化的本质特征是有新物质生成,根据物质变化,寻找参与电 极反应的反应物、生成物,遵循守恒,正确书写电极反应式。始终运用守 恒,解决与电化学相关的计算。 一、电极反应式的书写 (1)一般电极反应式的书写   (2)复杂电极反应式的书写   二、电化学的相关计算方法   如可以通过4 mol e - 为桥梁构建如下关系式:   ~   (式中M为金属, n 为其离子的化合价数值) 例2一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。下列有关该电池的说法正确 的是   (　　)   A.反应 CH 4 +H 2 O   3H 2 +CO,每消耗1 mol CH 4 转移12 mol电子 B.电极A上H 2 参与的电极反应为:H 2 +2OH - -2e -   2H 2 O C.电池工作时,C   向电极B移动 D.电极B上发生的电极反应为:O 2 +2CO 2 +4e -   2C   解题导引       解析　A项,由化合价变化知,每消耗1 mol CH 4 转移6 mol电子;B项,电极A 为负极,H 2 参与的电极反应为H 2 -2e - +C     H 2 O+CO 2 ;C项,电池工作时,C   向电极A移动;D项,电极B是正极,电极反应为O 2 +4e - +2CO 2   2C   。 答案    D 镍金属氢化物电池、锂聚合物电池、水系锌离子电池等新型二次电池备 受青睐,以此为情境,创设出同时考查原电池和电解池工作原理的试题,培 养创新意识和知识应用能力。解题时通过构建原电池、电解池工作原理 模型,将模型迁移应用,解决问题。 实践探究 例题(2019课标Ⅲ,13,6分)为提升电池循环效率和稳定性,科学家近期利用 三维多孔海绵状Zn(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点,设计了采用强碱性电 解质的3D-Zn-NiOOH二次电池,结构如下图所示。电池反应为Zn(s)+2 NiOOH(s)+H 2 O(l)   ZnO(s)+2Ni(OH) 2 (s)。   下列说法错误的是   (　　) A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积,所沉积的ZnO分散度高 B.充电时阳极反应为Ni(OH) 2 (s)+OH - (aq)-e -   NiOOH(s)+H 2 O(l) C.放电时负极反应为Zn(s)+2OH - (aq)-2e -   ZnO(s)+H 2 O(l) D.放电过程中OH - 通过隔膜从负极区移向正极区 解析　三维多孔海绵状Zn沉积的ZnO分散度高,原因就是海绵状Zn具有较 高的表面积,吸附能力强。在充电时总反应:ZnO(s)+2Ni(OH) 2 (s)   Zn(s) +2NiOOH(s)+H 2 O(l),阳极发生氧化反应失去电子。放电时总反应:Zn(s)+2 NiOOH(s)+H 2 O(l)   ZnO(s)+2Ni(OH) 2 (s),负极失电子发生氧化反应。在 放电过程中,阳离子应该向正极区移动,而阴离子(OH - )应该通过隔膜从正 极区移向负极区,D错误。 答案   D     本题价值　借用科学家新设计的二次电池结构图为考查背景,不仅考查了 知识点,还考查了学生对图像信息的接受、吸收、整合能力。 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(　　) 创新思维   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Cu 2+ +2e -   Cu D.若外电路中通过1 mol电子,两电极的质量差为64 g 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,我们要尊重客观实验事实,实事求是,不 盲从于熟悉的知识。 解析　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 mol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CuSO 4 稀溶液蒸发,分离 为CuSO 4 浓溶液和水后,再返回浓差电池。 答案    B 例2(2019 5·3原创预测卷四,13)如图所示,用两张砂纸分别将镁条和铝片表 面的氧化膜打磨干净,并迅速将两个电极分别插入两个盛有0.5 mol/L的电 解质溶液的烧杯中,盐桥中装有含饱和氯化钠溶液的琼脂。结果发现该装 置中,电流计指针一直偏向铝片,镁条溶解,两极上均没有气泡产生。下列 说法正确的是   (　　)   A.铝片为负极,电极反应为2Al+4OH - -6e -   2Al   +2H 2 O B.镁条为负极,电极反应为Mg-2e -   Mg 2+ C.该实验证明镁能与氢氧化钠溶液反应 D.若镁电极减少0.48 g,则氢氧化钠溶液增重1.6 g 解析　从题中信息可知,镁条溶解,作负极,电极反应为Mg-2e -   Mg 2+ ,铝 片作正极,电极反应为O 2 +2H 2 O+4e -   4OH - ,该电池反应相当于镁在溶液 中发生了吸氧腐蚀,A、C错误,B正确;若0.02 mol Mg参加反应,失去0.04 mol e - ,盐桥中转移0.04 mol Na + ,则生成0.04 mol NaOH,但是由于水参与了 反应,氢氧化钠溶液增加的质量为(0.04 × 40)g-0.36 g=1.24 g,D错误。 答案   B