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專題2.9 電化學(xué)基礎(chǔ) 考綱解讀 1、理解原電池和電解池的構(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。了解常見化學(xué)電源的種類及其工作原理。 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。 考點探究 電化學(xué)原理的分析和應(yīng)用是高考的熱點。和2016年大綱相比，主要變化有：“理解原電池和電解池的構(gòu)成”，要求由“了解”提高為“理解”；“理解金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因，金屬腐蝕的危害，防止金屬腐蝕的措施”降低為“了解”。因此預(yù)測2019年關(guān)于新型電源的工作原理分析、電極反應(yīng)式的書寫仍會在高考中出現(xiàn)，必須高度關(guān)注。同樣電解原理及其應(yīng)用也是高考的高頻考點，因其與氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)，電解質(zhì)溶液、元素化合物性質(zhì)等知識聯(lián)系密切而成為高考的重點和熱點。由于電解原理在工業(yè)上的應(yīng)用更加廣泛，預(yù)測2019年高考，仍會聯(lián)系化學(xué)工藝過程對電解原理的應(yīng)用進(jìn)行考查，以原電池和電解池的工作原理為基點，考察新情境下化學(xué)電源的工作原理和電解原理的應(yīng)用，應(yīng)給予高度關(guān)注。 知識梳理 一、原電池 1、裝置特點：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。 2、原電池的電極： （1）原電池的負(fù)極—活潑金屬—發(fā)生氧化反應(yīng)—向外電路提供電子。 （2）原電池的正極—不活潑金屬(或惰性電極如石墨)—發(fā)生還原反應(yīng)—接受外電路提供的電子。 注意： 原電池中陰離子移向負(fù)極、陽離子移向正極，這是因為負(fù)極失電子，生成大量陽離子聚集在負(fù)極附近，致使該極附近有大量正電荷，所以溶液中的陰離子要移向負(fù)極；正極得電子，該極附近的陽離子因得電子生成電中性物質(zhì)而使該極附近帶負(fù)電荷，所以溶液中陽離子要移向正極。 ③電極反應(yīng)：一般燃料電池發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃燒產(chǎn)物相同，可根據(jù)燃燒反應(yīng)寫出總的電池反應(yīng)，但不注明反應(yīng)的條件。負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，不過要注意一般電解質(zhì)溶液要參與電極反應(yīng)。以氫氧燃料電池為例，鉑為正、負(fù)極，介質(zhì)分為酸性、堿性和中性。當(dāng)電解質(zhì)溶液呈酸性時：負(fù)極：2H2－4e- ＝4H+，正極：Ｏ2＋4e- ＋4H+ ＝2H2O；當(dāng)電解質(zhì)溶液呈堿性時：負(fù)極：2H2＋4OH-－4e-＝4H2O，正極：O2＋2H2O＋4 e-＝4OH-；另一種燃料電池是用金屬鉑片插入KOH溶液作電極，又在兩極上分別通甲烷（燃料）和氧氣（氧化劑）。電極反應(yīng)式為：負(fù)極：CH4＋10OH－－8e-＝CO32-＋7H2O，正極：4H2O＋2O2＋8e- ＝8OH，電池總反應(yīng)式為：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O。 4、常見化學(xué)電源 電池 負(fù)極反應(yīng) 正極反應(yīng) 總反應(yīng)式 堿性鋅 錳電池 Zn＋2OH－－2e－＝n(OH)2 2MnO2＋2H2O＋2e－＝ 2MnOOH＋2OH－ Zn＋2MnO2＋2H2O＝2MnOOH＋Zn(OH)2 鉛蓄電池 Pb(s)－2e－+SO42－(aq)＝PbSO4(s) PbO2(s)+2e－+4H＋(aq)+ SO42－aq)＝PbSO4(s)+H2O(l) Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)＝2PbSO4(s)+2H2O(l) 氫氧燃料電池 酸性 2H2－4e―＝4H＋ O2＋4e－＋4H＋＝2H2O 2H2＋O2＝2H2O 堿性 2H2－4e－＋4OH－＝4H2O O2＋4e－＋2H2O＝4OH－ 固體 2H2－4e－＝4H＋ O2＋4e－＝2O2－ 5、廢棄電池的處理：回收利用 三、電解原理 1、電解：讓電流通過電解質(zhì)溶液或熔融的電解質(zhì)，在兩個電極上分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的過程。 2、能量轉(zhuǎn)化形式電能轉(zhuǎn)化為化 （2）電解質(zhì)溶液導(dǎo)電時，一定有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，因為在電解池的兩極有電子轉(zhuǎn)移，發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，生成了新物質(zhì)，所以一定有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。 （3）電解法是最強(qiáng)有力的氧化還原反應(yīng)手段。 四、電解原理的應(yīng)用 1、氯堿工業(yè)： （1）概念：用電解飽和NaCl溶液的方法來制取NaOH、H2和Cl2，并以它們?yōu)樵仙a(chǎn)一系列化工產(chǎn)品的工業(yè)，稱為氯堿工業(yè)。 （2）原理： 陽極：2Cl－－2e－＝Cl2↑（氧化反應(yīng)） 陰極：2H＋＋2e－=H2↑（還原反應(yīng)） 總反應(yīng)：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。 2、銅的電解精煉：如粗銅(含Zn、Fe、Ag等)的提純。 （1）原理： ①電解質(zhì)溶液：含Cu2＋的鹽溶液(如CuSO4溶液) 。 ②陽極(粗銅)：Zn－2e－＝Zn2＋、Fe－2e－＝Fe2＋、Ni－2e－＝Ni2＋、Cu－2e－＝Cu2＋。 ③陰極(純銅)：Cu2＋＋2e－＝Cu。 3、電鍍： 陽極：鍍層金屬； 陰極：鍍件； 電鍍液：一般用含有鍍層金屬陽離子的電解質(zhì)溶液作電鍍液； 電鍍液濃度：保持不變，例如如鐵件鍍鋅：電鍍液：含Zn2＋的鹽溶液(如ZnCl2溶液) 陽極(Zn)：Zn－2e－＝Zn2＋；陰極(鐵件)：Zn2＋＋2e－＝Zn。 4、電冶金：利用電解熔融鹽或氧化物的方法來冶煉活潑金屬Na、Ca、Mg、Al等。 （1）冶煉鈉：2NaCl(熔融) 2Na＋Cl2↑ （2）冶煉鋁：2Al2O3(熔融) 4Al＋3O2↑ （3）冶煉鎂：MgCl2(熔融) Mg＋Cl2↑ 小結(jié)： 1、“三池”的判斷技巧：原電池、電解池、電鍍池判定規(guī)律：若無外接電源，可能是原電池，然后依據(jù)原電池的形成條件分析判定，若有外接電源，兩極插入電解質(zhì)溶液中，則可能是電解池或電鍍池。當(dāng)陽極金屬與電解質(zhì)溶液中的金屬陽離子相同則為電鍍池，其他情況為電解池。 2、用惰性電極電解電解質(zhì)溶液時，若使電解后的溶液恢復(fù)原狀態(tài)，應(yīng)遵循“缺什么加什么，缺多少加多少”的原則。一般加入陰極產(chǎn)物與陽極產(chǎn)物的化合物。 3、三個相等：①同一原電池的正、負(fù)極的電極反應(yīng)得、失電子數(shù)相等。②同一電解池的陰極、陽極電極反應(yīng)中得、失電子數(shù)相等。③串聯(lián)電路中的各個電極反應(yīng)得、失電子數(shù)相等。上述三種情況下，在寫電極反應(yīng)式時，得、失電子數(shù)要相等，在計算電解產(chǎn)物的量時，應(yīng)按得、失電子數(shù)相等計算。 4、四個對應(yīng)：①正極和負(fù)極對應(yīng)。②陽極和陰極對應(yīng)。③失電子和得電子對應(yīng)。④氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)對應(yīng)。 五、金屬的腐蝕和防護(hù) 1、金屬腐蝕的本質(zhì)：金屬原子失去電子變?yōu)榻饘訇栯x子，金屬發(fā)生氧化反應(yīng)。 2、金屬腐蝕的類型： （1）化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕： 化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕 條件 金屬跟非金屬單質(zhì)直接接觸 不純金屬或合金跟電解質(zhì)溶液接觸 現(xiàn)象 無電流產(chǎn)生 有電流產(chǎn)生 本質(zhì) 金屬被氧化 較活潑金屬被氧化 聯(lián)系 兩者往往同時發(fā)生，電化學(xué)腐蝕更普遍 （2）析氫腐蝕與吸氧腐蝕：以鋼鐵的腐蝕為例進(jìn)行分析： 析氫腐蝕 吸氧腐蝕 條件 水膜酸性較強(qiáng)(pH≤4.3) 水膜酸性很弱或呈中性 電極反應(yīng) 負(fù)極 Fe－2e－＝Fe2＋ 正極 2H＋＋2e－＝H2↑ O2＋2H2O＋4e－＝4OH－ 總反應(yīng)式 Fe＋2H＋＝Fe2＋＋H2↑ 2Fe＋O2＋2H2O＝2Fe(OH)2 聯(lián)系 吸氧腐蝕更普遍 （3）鐵銹的形成：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O＝4Fe(OH)3，2Fe(OH)3＝Fe2O3xH2O(鐵銹)＋(3－x)H2O。 3、金屬的防護(hù)： （1）電化學(xué)防護(hù)：①犧牲陽極保護(hù)法—原電池原理：a、負(fù)極：比被保護(hù)金屬活潑的金屬；b、正極：被保護(hù)的金屬設(shè)備。例如在被保護(hù)的鋼鐵設(shè)備(如海水中的閘門、地下的天然氣管道等)上連接或直接安裝若干鋅塊，使鋅、鐵形成原電池，鋅作陽極，從而保護(hù)了鋼鐵免受腐蝕。 ②外加電流的陰極保護(hù)法—電解原理：外加電流的陰極保護(hù)法是使被保護(hù)的鋼鐵設(shè)備作為陰極(接電源負(fù)極)，用惰性電極作為陽極(接電源正極)，在兩者之間連接直流電源。通電后，電子被強(qiáng)制流向被保護(hù)的鋼鐵設(shè)備，從而使鋼鐵表面產(chǎn)生電子積累，抑制鋼鐵設(shè)備失去電子，起到保護(hù)的作用。 考點4 電解的類型、規(guī)律及有關(guān)計算 【例4】用石墨作電極電解1 000 mL 0.1 molL－1 CuSO4溶液，通電一段時間后關(guān)閉電源，測得溶液的質(zhì)量減少了9.8 g。下列有關(guān)敘述正確的是(NA代表阿伏加德羅常數(shù)) A．電解過程中流經(jīng)外電路的電子個數(shù)為0.2NA B．在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，兩極共產(chǎn)生4.48 L氣體 C．電解后溶液的pH為1(溶液體積不變) D．加入11.1 g Cu2(OH)2 CO3可將溶液徹底復(fù)原 【答案】B 【解析】 【詳解】 B.陽極放電的電極反應(yīng)為: 4OH--4e﹣=O2↑+2H2O,,當(dāng)轉(zhuǎn)移0.4mol電子時,產(chǎn)生的氧氣物質(zhì)的量為0.1mol,即2.24L,陰極上產(chǎn)生氫氣, 2H++2e-=H2↑,當(dāng)轉(zhuǎn)移0.2mol電子時,產(chǎn)生的氫氣物質(zhì)的量為0.1mol,即2.24L,所以在標(biāo)準(zhǔn)狀況下,兩極共產(chǎn)生4.48L氣體,故B正確； C.針對電解硫酸銅溶液的過程，電解過程中溶液中的氫離子減少了0.2mol，而氫氧根總共減少了0.4mol，所以最后溶液中c(H+)=0.2mol1L=0.2mol/L,其pH<1,故C錯誤； D.針對電解硫酸銅溶液，溶液中相當(dāng)于減少了氧化銅和水,需加入的氧化銅的物質(zhì)的量為0.1mol ,質(zhì)量8g，還需加入1.8g的水才能復(fù)原，故D錯誤； 綜上所述，本題選B。 【詳解】 基礎(chǔ)特訓(xùn) 1．家用暖氣片大多用低碳鋼材料制成，一旦生銹不僅影響美觀，也會造成安全隱患。下列防止生銹的方法中，存在安全隱患的是 A．在暖氣片表面鍍錫 B．在暖氣片表面涂漆 C．在暖氣片表面涂鋁粉 D．非供暖期在暖氣內(nèi)充滿弱堿性的無氧水 【答案】A 【解析】 【詳解】 A、根據(jù)金屬活動順序表，鐵比錫活潑，破損后構(gòu)成原電池，鐵作負(fù)極，加速鐵的腐蝕，存在安全隱患，故A符合題意； B、表面涂漆，避免鐵與空氣接觸，可以防止鐵生銹，不存在安全隱患，故B不符合題意； C、鋁比鐵活潑，保護(hù)鐵不生銹，對鐵起保護(hù)作用，不存在安全隱患，故C不符合題意； D、充滿弱堿性的無氧水，避免構(gòu)成原電池，保護(hù)鐵不生銹，不存在安全隱患，故D不符合題意。 2．鋅錳堿性干電池是依據(jù)原電池原理制成的化學(xué)電源。電池中負(fù)極與電解質(zhì)溶液接觸直接反應(yīng)會降低電池的能量轉(zhuǎn)化效率，稱為自放電現(xiàn)象。 下列關(guān)于原電池和干電池的說法不正確的是 A．兩者正極材料不同 B．MnO2的放電產(chǎn)物可能是KMnO4 C．兩者負(fù)極反應(yīng)式均為Zn失電子 D．原電池中Zn與稀H2SO4存在自放電現(xiàn)象 【答案】B 【解析】 【詳解】 3．某?；顒有〗M為探究金屬腐蝕的相關(guān)原理，設(shè)計了如下圖a所示裝置，圖a的鐵棒末段分別連上一塊Zn片和Cu片，并靜置于含有K3[Fe(CN)6]及酚酞的混合凝膠上。一段時間后發(fā)現(xiàn)凝膠的某些區(qū)域(如下圖b所示)發(fā)生了變化。已知：3Fe2++2[Fe(CN)6]3－＝Fe3[Fe(CN)6]2↓(藍(lán)色)。則下列說法錯誤的是 A．甲區(qū)發(fā)生的電極反應(yīng)式：Fe-2e-＝Fe2+ B．乙區(qū)產(chǎn)生Zn2+ C．丙區(qū)呈現(xiàn)紅色 D．丁區(qū)呈現(xiàn)藍(lán)色 【答案】A 【解析】 【詳解】 4．以稀硫酸為電解質(zhì)溶液，利用太陽能將CO2轉(zhuǎn)化為低碳烯烴，工作原理如圖。下列說法正確的是( ) A．a(chǎn)電極為太陽能電池的正極 B．太陽能電池的原理與原電池的原理相同 C．產(chǎn)生丙烯的電極反應(yīng)式為：3CO2+18H++18e—===6H2O+CH3CH=CH2 D．裝置中每轉(zhuǎn)移2mole—，理論上有2molH+通過質(zhì)子交換膜從左向右擴(kuò)散 【答案】C 【解析】 【詳解】 A.根據(jù)圖可知，CO2中碳元素化合價降低得電子產(chǎn)生乙烯、丙烯等所在電極是陰極，則連接陰極的電源電極為負(fù)極，故A錯誤； B.太陽能電池應(yīng)用的是光電效應(yīng)，與原電池的原理不相同，故B錯誤； C.陰極上二氧化碳得到電子與氫離子反應(yīng)生成丙烯和水，電極反應(yīng)為3CO2+18H++18e—===6H2O+CH3CH=CH2，故C正確； D.電解池中陽離子向陰極定向移動，H+是陽離子應(yīng)該通過質(zhì)子交換膜從右向左擴(kuò)散，故D錯誤； 故選C。 【點睛】 原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，原電池中，陽離子向正極定向移動，陰離子向負(fù)極定向移動，負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)。 電解池是把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置，在電解池中，陽離子向陰極定向移動，陰離子向陽極定向移動，陰極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，陽極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)。 5．港珠澳大橋設(shè)計壽命120年，對橋體鋼構(gòu)件采用了多種防腐方法。下列分析錯誤的是 A．防腐原理主要是避免發(fā)生反應(yīng)：2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2 B．鋼構(gòu)件表面噴涂環(huán)氧樹脂涂層，是為了隔絕空氣、水等防止形成原電池 C．采用外加電流的陰極保護(hù)時需外接鎂、鋅等作輔助陽極 D．鋼構(gòu)件可采用不銹鋼材料以減緩電化學(xué)腐蝕 【答案】C 【解析】 【詳解】 6．食品保鮮所用的“雙吸劑”，是由還原鐵粉、生石灰、氯化鈉、炭粉等按照一定比例組成的混合物，可同時吸收氧氣和水，起到抗氧化和干燥的作用。下列說法不正確的是 A．“雙吸劑”中的生石灰有吸水作用 B．“雙吸劑”吸收氧氣時，發(fā)生了原電池反應(yīng) C．氯化鈉的作用是作為電解質(zhì)，傳導(dǎo)離子構(gòu)成回路 D．炭粉上發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為：O2＋4H+＋4e－=== 2H2O 【答案】D 【解析】 【詳解】 7．下列過程中需要通電才可以進(jìn)行的是( ) ①電離 ②電解 ③電鍍 ④電化學(xué)腐蝕 A．①②③ B．②③④ C．全部 D．②③ 【答案】D 【解析】 【詳解】 ①電離是電解質(zhì)在水溶液中離解出自由移動離子的過程，不需要通電，①錯誤； ②電解池是非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，必須加外加電源，②正確； （3）Fe2O3作陽極制得的高鐵酸鉀，電極反應(yīng)為：Fe2O3+10OH--6e-=2FeO42-+5H2O； 根據(jù)電子得失知氫氧化鐵與氧氣物質(zhì)的量之比為4：3，書寫離子方程式。 【詳解】 （2）因為總反應(yīng)為3H2O+3O2O3+3H2O2，又陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為3H2O-6e-=O3+6H+，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O2+2e-+2H+=H2O2（或3O2+6e-+6H+=3H2O2），故答案為：3H2O-6e-=O3+6H+，O2+2e-+2H+=H2O2（或3O2+6e-+6H+=3H2O2）。