2020届高考化学一轮复习电化学学案

2020届高考化学一轮复习电化学学案

专题18 电化学 电化学原理的分析和应用是高考的热点。和2016年大纲相比，主要变化有：“理解原电池和电解池的构成”，要求由“了解”提高为“理解”；“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”降低为“了解”。因此预测关于新型电源的工作原理分析、电极反应式的书写仍会在高考中出现，必须高度关注。同样电解原理及其应用也是高考的高频考点，因其与氧化还原反应、离子反应，电解质溶液、元素化合物性质等知识联系密切而成为高考的重点和热点。由于电解原理在工业上的应用更加广泛，预测2018年高考，仍会联系化学工艺过程对电解原理的应用进行考查，以原电池和电解池的工作原理为基点，考察新情境下化学电源的工作原理和电解原理的应用，应给予高度关注。‎ 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(也叫电解槽)‎ ‎(1)概念：‎ 电解池是把电能转变为化学能的装置。‎ ‎(2)构成条件：‎ ‎①有与电源相连的两个电极。‎ ‎②电解质溶液(或熔融盐)。‎ ‎③形成闭合回路。‎ ‎(3)电极名称及电极反应式(如图)：‎ 总反应方程式：Cu2＋＋2Cl－Cu＋Cl2↑‎ ‎(4)电子和离子移动方向：‎ ‎①电子：从电源负极流向电解池的阴极；从电解池的阳极流向电源的正极。‎ ‎②离子：阳离子移向电解池的阴极；阴离子移向电解池的阳极。‎ 命题点1　电解方程式的书写 ‎1．方法步骤 ‎(1)首先判断阴、阳极，分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。‎ ‎(2)再分析电解质水溶液的组成，找全离子并分阴、阳两组(勿忘水溶液中的H＋和OH－)。‎ ‎(3)然后排出阴、阳两极的放电顺序。‎ 阴极：阳离子放电顺序：Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋(酸)>Fe2＋>Zn2＋>H＋(水)>Al3＋>Mg2＋>Na＋>Ca2＋>K＋‎ ‎(水溶液中Al3＋、Mg2＋、Na＋、Ca2＋、K＋不放电)。‎ 阳极：活泼电极>S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子(水溶液中含氧酸根离子不放电)。‎ ‎(4)分析电极反应，判断电极产物，写出电极反应式，要注意遵循原子守恒和电荷守恒。‎ ‎(5)最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式。‎ ‎2．注意问题 ‎(1)书写电解池中电极反应式时，要以实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，弱电解质要写成分子式。‎ ‎(2)要确保两极电子转移数目相同，且注明条件“电解”。‎ ‎(3)注意题目信息中提示的离子的放电，如电解法制取KMnO4等。‎ 例1．按要求书写有关的电极反应式及总方程式。‎ ‎(1)用惰性电极电解AgNO3溶液：‎ 阳极反应式：___________________________________________________________；‎ 阴极反应式：___________________________________________________________；‎ 总反应离子方程式：_____________________________________________________。‎ ‎(2)用惰性电极电解MgCl2溶液 阳极反应式：___________________________________________________________；‎ 阴极反应式：___________________________________________________________；‎ 总反应离子方程式：_____________________________________________________。‎ ‎(3)用铁作电极电解NaCl溶液 阳极反应式：___________________________________________________________；‎ 阴极反应式：___________________________________________________________；‎ 总化学方程式：_________________________________________________________。‎ ‎(4)用铜作电极电解盐酸溶液 阳极反应式：__________________________________________________________；‎ 阴极反应式：___________________________________________________________；‎ 总反应离子方程式：_____________________________________________________。‎ ‎【答案】(1)4OH－－4e－===O2↑＋2H2O　　4Ag＋＋4e－===4Ag　　4Ag＋＋2H2O4Ag＋O2↑＋4H＋‎ ‎(2)2Cl－－2e－===Cl2↑　　2H＋＋2e－===H2↑‎ Mg2＋＋2Cl－＋2H2OMg(OH)2↓＋Cl2↑＋H2↑‎ ‎(3)Fe－2e－===Fe2＋　　2H＋＋2e－===H2↑‎ Fe＋2H2OFe(OH)2↓＋H2↑‎ ‎(4)Cu－2e－===Cu2＋　　2H＋＋2e－===H2↑‎ Cu＋2H＋Cu2＋＋H2↑‎ 例2．Ⅰ.以铝材为阳极，在H2SO4溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极电极反应式为_____________。 ‎ Ⅱ.用Al单质作阳极，石墨作阴极，NaHCO3溶液作电解液进行电解，生成难溶物R，R受热分解生成化合物Q。写出阳极生成R的电极反应式：__________________________________________。‎ ‎【答案】Ⅰ.2Al－6e－＋3H2O===Al2O3＋6H＋‎ Ⅱ.Al＋3HCO－3e－===Al(OH)3＋3CO2↑‎ 命题点2　电解质溶液的类型及规律 例3．如图是电解饱和NaCl溶液的实验装置，其中c、d为石墨电极。则下列有关判断中正确的是(　　)‎ A．a为正极、b为负极 B．c为阴极、d为阳极 C．电解过程中，d电极质量增加 D．电解过程中，氯离子浓度不变 ‎【答案】A　‎ ‎【解析】由电子流向可知，a为正极，b为负极，c为阳极，d为阴极，c极：2Cl－－2e－===Cl2↑；d极：2H＋＋2e－===H2↑，因此，B、C、D项均错。‎ 例4.以石墨为电极，电解KI溶液(其中含有少量酚酞和淀粉)。下列说法错误的是(　　)‎ A．阴极附近溶液呈红色　　　 B．阴极逸出气体 C．阳极附近溶液呈蓝色 D．溶液的pH变小 ‎【答案】D ‎【解析】以石墨为电极，电解KI溶液的方程式是2KI＋2H2O通电,I2＋H2↑＋2KOH。由于其中含有少量酚酞和淀粉，所以在阳极附近碘单质遇淀粉，溶液变为蓝色；在阴极由于产生氢气，溶液显碱性，遇酚酞，溶液变为红色。因为产生了碱，溶液碱性增强，所以溶液的pH变大。因此选项是D。‎ 例5．用惰性电极电解下列各组中的三种电解质溶液，在电解的过程中，溶液的pH依次为升高、不变、降低的是(　　)‎ A．AgNO3　　CuCl2　　Cu(NO3)2‎ B．KCl　　Na2SO4　　CuSO4‎ C．CaCl2　　KOH　　NaNO3‎ D．HCl　　HNO3　　K2SO4‎ ‎[方法技巧]‎ 惰性电极电解电解质溶液的四种类型 类型 电极反应特点 电解质 溶液 电解 对象 电解质 浓度 pH 电解质溶 液复原 电解 水型 阴极：‎ ‎4H＋＋4e－‎ ‎===2H2↑‎ 阳极：4OH－‎ ‎－4e－===‎ ‎2H2O＋O2↑‎ 强碱(如 NaOH)‎ 水 增大 增大 加水 含氧酸(如 H2SO4)‎ 水 增大 减小 加水 活泼金属 的含氧酸 盐(如 Na2SO4)‎ 水 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 无氧酸 ‎(如HCl)‎ 电解质 减小 增大 通入氯 化氢气 体 不活泼金 属的无氧 酸盐(如 CuCl2)‎ 电解质 减小 ‎－‎ 加氯化 铜 放H2‎ 生碱型 阴极：H2O放 H2生成碱 阳极：电解质 阴离子放电 活泼金属 的无氧酸 盐(如 NaCl)‎ 电解质 和水 生成 新电 解质 增大 通入氯 化氢气 体 放O2‎ 生酸型 阴极：电解质 阳离子放电 阳极：H2O放 O2生成酸 不活泼金 属的含氧 酸盐(如 CuSO4)‎ 电解质 和水 生成 新电 解质 减小 加氧化 铜 例6.电解装置如图所示，电解槽内装有KI及淀粉溶液，中间用阴离子交换膜隔开。在一定的电压下通电，发现左侧溶液变蓝色，一段时间后，蓝色逐渐变浅。‎ 已知：3I2＋6OH－===IO＋5I－＋3H2O 下列说法不正确的是(　　)‎ A．右侧发生的电极反应式：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－‎ B．电解结束后，右侧溶液中含有IO C．电解槽内发生反应的总化学方程式：KI＋3H2OKIO3＋3H2↑‎ D．如果用阳离子交换膜代替阴离子交换膜，电解槽内发生的总化学反应不变 ‎【答案】D 例7．如下图所示，x、y分别是直流电源的两极，通电后发现a极极板质量增加，b极极板处有无色无味的气体放出，符合这一情况的是(　　)‎ a极板 b极板 x电极 z溶液 A 锌 石墨 负极 CuSO4‎ B 石墨 石墨 负极 NaOH C 银 铁 正极 AgNO3‎ D 铜 石墨 负极 CuCl2‎ ‎【答案】A 二 、 电解原理的应用 ‎1．电解饱和食盐水 ‎(1)电极反应：阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应)‎ 阴极：2H＋＋2e－===H2↑(还原反应)‎ ‎(2)总反应方程式：‎ ‎2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑‎ 离子方程式：2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑‎ ‎(3)应用：氯碱工业制烧碱、氯气和氢气。‎ ‎2．电镀和电解精炼铜 电镀(Fe上镀Cu)‎ 电解精炼铜 阳极 电极材料 镀层金属铜 粗铜(含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等杂质)‎ 电极反应 Cu－2e－‎ ‎===Cu2＋‎ Cu－2e－===Cu2＋‎ Zn－2e－===Zn2＋‎ Fe－2e－===Fe2＋‎ Ni－2e－===Ni2＋‎ 阴极 电极材料 待镀金属Fe 纯铜 电极反应 Cu2＋＋2e－===Cu 电解质溶液 含Cu2＋的盐溶液 电解精炼铜时，粗铜中的Ag、Au等不反应，沉积在电解池底部形成阳极泥 ‎3．电冶金 利用电解熔融盐的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。‎ 总方程式 阳极、阴极反应式 冶炼钠 ‎2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑‎ ‎2Cl－－2e－===Cl2↑‎ ‎2Na＋＋2e－===2Na 冶炼镁 MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑‎ ‎2Cl－－2e－===Cl2↑‎ Mg2＋＋2e－===Mg 冶炼铝 ‎2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑‎ ‎6O2－－12e－===3O2↑‎ ‎4Al3＋＋12e－===4Al 命题点1　电解原理在工业中的应用 例8．利用如图所示装置，当X、Y选用不同材料时，可将电解原理广泛应用于工业生产。下列说法中正确的是(　　)‎ A．氯碱工业中，X、Y均为石墨，X附近能得到氢氧化钠 B．铜的精炼中，X是纯铜，Y是粗铜，Z是CuSO4‎ C．电镀工业中，X是待镀金属，Y是镀层金属 D．外加电流的阴极保护法中，Y是待保护金属 ‎【答案】D 例9．电化学原理广泛用于工业生产中，如有一种电化学净水法的原理是：在电解过程中将低价金属离子(如Co2＋)氧化成高价态的离子(Co3＋)，然后以此高价态的金属离子作氧化剂把废水中的有机物氧化成CO2而净化。实验室用如图装置模拟上述过程，下列说法正确的是(　　)‎ A．电极a可以是石墨，电极b可以是铜 B．电解后阴极附近H＋浓度不变 C．Co3＋氧化甲醇的离子方程式为：6Co3＋＋CH3OH＋H2O===CO2↑＋6Co2＋＋6H＋‎ D．当1 mol 甲醇被完全氧化时，阳极应该失去4 mol 电子 ‎【答案】C 命题点2　电解原理在计算中的应用 根据电解原理进行的相关计算主要包括以下几个方面，根据直流电源提供的电量求产物的量(析出固体的质量、产生气体的体积等)、溶液的pH、相对原子质量或某元素的化合价、化学式等。具体解题方法主要有以下三种：‎ 例10．将两个铂电极插入500 mL CuSO4溶液中进行电解，通电一定时间后，某一电极增重‎0.064 g(设电解时该电极无氢气析出，且不考虑水解和溶液体积变化)，此时溶液中氢离子浓度约为(　　)‎ A．4×10－3 mol/L　　　　　　 B．2×10－3 mol/L C．1×10－3 mol/L D．1×10－7 mol/L ‎【答案】A ‎【解析】阴极反应：Cu2＋＋2e－===Cu，增重‎0.064 g应是Cu的质量，设生成H＋的物质的量为x，根据总反应方程式： ‎ ‎2Cu2＋＋2H2O 2Cu＋O2↑＋4H＋‎ ‎　　　　　　2×‎64 g　　　 4 mol ‎　　　　　　‎0.064 g　　　 x x＝0.002 mol c(H＋)＝＝4×10－3 mol/L。‎ 例11.用惰性电极电解400 mL一定浓度的硫酸铜溶液(不考虑电解过程中溶液体积的变化)，通电一段时间后进行如下操作。‎ ‎(1)如果向所得的溶液中加入0.1 mol CuO后，使溶液恰好恢复到电解前的浓度和pH，电解过程中转移的电子为________mol。‎ ‎(2)如果向所得的溶液中加入0.1 mol Cu(OH)2后，使溶液恰好恢复到电解前的浓度和pH，电解过程中转移的电子为________mol。‎ ‎【答案】(1)0.2　(2)0.4‎ 三、 原电池原理 ‎1．概念 把化学能转化为电能的装置。‎ ‎2．构成条件 ‎(1)有两个活泼性不同的电极(常见为金属或石墨)。‎ ‎(2)将电极插入电解质溶液中。‎ ‎(3)两电极间构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。‎ ‎(4)能自发发生氧化还原反应。‎ ‎3．工作原理 如图是CuZn原电池，请填空：‎ ‎(1)反应原理：‎ 电极名称 负极 正极 电极材料 锌片 铜片 电极反应 Zn－2e－===Zn2＋‎ Cu2＋＋2e－===Cu 反应类型 氧化反应 还原反应 ‎(2)原电池中的三个方向：‎ ‎①电子方向：从负极流出沿导线流入正极；‎ ‎②电流方向：从正极沿导线流向负极；‎ ‎③离子的迁移方向：电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。‎ ‎(3)两种装置的比较：‎ 装置Ⅰ中还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，易造成能量损耗；装置Ⅱ能避免能量损耗；装置Ⅱ中盐桥的作用是提供离子迁移通路，导电。‎ 命题点1　与原电池原理有关的辨析 理解原电池的工作原理要注意的四点 ‎(1)只有放热的氧化还原反应才能通过设计成原电池将化学能转化为电能。‎ ‎(2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动，与导线中电子的定向移动共同形成了一个完整的闭合回路。‎ ‎(3)不论在原电池还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。‎ ‎(4)原电池负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。‎ 例12．在如图所示的8个装置中，属于原电池的是(　　)‎ A．①④　　　　　　　　 B．③④⑤‎ C．④⑧ D．②④⑥⑦‎ 解析：选D　根据原电池的构成条件可知：①中只有一个电极，③中两电极材料相同，⑤中酒精不是电解质，⑧中两电极材料相同且无闭合回路，故①③⑤⑧不能构成原电池。‎ 例13.如图，在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示，关于该装置的下列说法正确的是(　　)‎ A．外电路的电流方向为：X→外电路→Y B．若两电极分别为铁和碳棒，则X为碳棒，Y为铁 C．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应 D．若两电极都是金属，则它们的活动性强弱为X＞Y ‎【答案】D 命题点2　原电池正、负极的判断及电极反应式的书写 ‎1．原电池正、负极的判断方法 ‎2. “三”步完胜电极反应式的书写 例14.如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述中正确的是(　　)‎ A．电极Ⅰ上发生还原反应，作原电池的负极 B．电极Ⅱ的电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu C．该原电池的总反应为2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋‎ D．盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递电子 ‎【答案】C 例15.一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为：CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。下列有关说法正确的是(　　)‎ A．检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动 B．若有0.4 mol电子转移，则在标准状况下消耗‎4.48 L氧气 C．电池反应的化学方程式为CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O D．正极上发生的反应是O2＋4e－＋2H2O===4OH－‎ ‎【答案】C ‎【解析】电解质溶液中阳离子应向正极移动，A项错误；酸性溶液中，正极电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，D项错误；结合正极反应式，转移0.4 mol电子时，消耗O2 0.1 mol，其在标准状况下的体积为‎2.24 L，B项错误；C项符合题目要求，正确。 ‎ 命题点3　金属的防护 例22．为了避免青铜器生成铜绿，以下方法正确的是(　　)‎ A．将青铜器放在银质托盘上 B．将青铜器与直流电源的正极相连 C．将青铜器保存在潮湿的空气中 D．在青铜器的表面覆盖一层防渗的高分子膜 ‎【答案】D 例23.下列叙述错误的是(　　)‎ A．生铁中含有碳，抗腐蚀能力比纯铁弱 B．用锡焊接的铁质器件，焊接处易生锈 C．在铁制品上镀铜时，镀件为阳极，铜盐为电镀液 D．铁管上镶嵌锌块，铁管不易被腐蚀 ‎【答案】C ‎【解析】A、B选项，都是原电池原理，铁做负极，使铁更易腐蚀；D是牺牲阳极的阴极保护法。‎ 六、 原电池原理的四大应用 命题点1　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)作正极。‎ 如有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，则可以判断金属活动性A＞B。‎ 例24.有A、B、C、D、E五块金属片，进行如下实验：①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，A极为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，电流由D→导线→C；③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4中，C极产生大量气泡；④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4中，D极发生氧化反应；⑤用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液，E先析出。据此，判断五种金属的活动性顺序是(　　)‎ A．A＞B＞C＞D＞E　　　　　 B．A＞C＞D＞B＞E C．C＞A＞B＞D＞E D．B＞D＞C＞A＞E ‎【答案】B ‎【解析】金属与稀H2SO4组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极，H＋在正极电极表面得到电子生成H2，电子流动方向由负极→正极，电流方向则由正极→负极。在题述原电池中，A—B原电池，A为负极；C—D原电池，C为负极；A—C原电池，A为负极；B—D原电池，D为负极；E先析出，E不活泼。综上可知，金属活动性：A＞C＞D＞B＞E。‎ 命题点2　加快化学反应速率 由于形成了原电池，导致反应速率加快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时，可向溶液中滴加少量CuSO4溶液，形成Cu－Zn原电池，加快反应进行。‎ 例25.将两份过量的锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系正确的是(　　)‎ ‎【答案】B ‎【解析】加入CuSO4溶液，Zn置换出Cu，形成原电池，加快反应速率，由于H2SO4定量，产生H2的体积一样多。 ‎ 例31．下图所示装置中，甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放‎100 g 5.00%的NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和‎100 g 10.00%的K2SO4溶液，电极均为石墨电极。‎ ‎(1)接通电源，经过一段时间后，测得丙中K2SO4浓度为10.47%，乙中c电极质量增加。据此回答问题：‎ ‎①电源的N端为________极；‎ ‎②电极b上发生的电极反应为______________________________________________；‎ ‎③列式计算电极b上生成的气体在标准状况下的体积 ‎________________________________________________________________________；‎ ‎④电极c的质量变化是________g；‎ ‎⑤电解前后各溶液的酸、碱性强弱是否发生变化，简述其原因：‎ 甲溶液_____________________________________________________________；‎ 乙溶液_____________________________________________________________；‎ 丙溶液_____________________________________________________________。‎ ‎(2)如果电解过程中铜全部析出，此时电解能否继续进行，为什么？________________ _____________________________________________________________________________‎ ‎【答案】(1)①正　②4OH－－4e－===2H2O＋O2↑‎ ‎③丙中水减少的质量：‎100 g×＝‎4.5 g，转移电子的物质的量：×2＝0.5 mol，生成O2的体积：×‎22.4 L/mol＝‎2.8 L　④16‎ ‎⑤碱性增强，因为电解后，水量减少，溶液中NaOH浓度增大　酸性增强，因为电解后生成H2SO4，溶液中H＋浓度增大　酸碱性大小没有变化，因为K2SO4是强酸强碱盐，浓度增大不影响溶液的酸碱性 ‎(2)能继续进行，因为CuSO4溶液已转变为H2SO4溶液，反应也就变为水的电解反应