PAGEPAGE9電化學原理及其應(yīng)用【2024年高考考綱解讀】1．了解原電池和電解池的工作原理，能寫出電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式。了解常見化學電源的種類及其工作原理。2．理解金屬發(fā)生電化學腐蝕的緣由，金屬腐蝕的危害，防止金屬腐蝕的措施。【重點、難點剖析】一、原電池原理及電極反應(yīng)式1．一般電極反應(yīng)式的書寫eq\x(\a\al(列物質(zhì),標得失))—依據(jù)負極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，推斷出電極反應(yīng)產(chǎn)物，找出得失電子的數(shù)量。eq\x(\a\al(看環(huán)境,配守恒))—電極產(chǎn)物在電解質(zhì)溶液的環(huán)境中，應(yīng)能穩(wěn)定存在，如堿性介質(zhì)中生成的H＋應(yīng)讓其結(jié)合OH－生成水。電極反應(yīng)式應(yīng)依據(jù)電荷守恒和質(zhì)量守恒、得失電子守恒等加以配平。eq\x(\a\al(兩式加,驗總式))—eq\a\vs4\al(兩電極反應(yīng)式相加，與總反應(yīng)的離子方程式比照驗證。)2．困難電極反應(yīng)式的書寫eq\x(困難電極反應(yīng)式)＝eq\x(總反應(yīng)式)－eq\x(較簡潔一極的電極反應(yīng)式)如CH4酸性燃料電池中CH4＋2O2===CO2＋2H2O……總反應(yīng)式2O2＋8H＋＋8e－===4H2O……正極反應(yīng)式CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋……負極反應(yīng)式二、電解原理及其規(guī)律1．電解產(chǎn)物的推斷(1)陽極產(chǎn)物的推斷首先看電極，假如是活性電極(金屬活動性依次表Ag以前的金屬，包括Ag)作陽極，則電極材料本身失電子，電極溶解。假如是惰性電極，則看溶液中的陰離子的失電子實力，陰離子的放電依次為S2－>I－>Br－>Cl－>OH－，其氧化產(chǎn)物依次對應(yīng)為S、I2、Br2、Cl2和O2。(2)陰極產(chǎn)物的推斷干脆依據(jù)陽離子放電依次(如下)進行推斷：Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋>Pb2＋>Sn2＋>Fe2＋>Zn2＋，其還原產(chǎn)物依次對應(yīng)為Ag、Fe2＋、Cu、H2、Pb、Sn、Fe、Zn。2．電化學定量計算的方法(1)依據(jù)總反應(yīng)式計算。先寫出電極反應(yīng)式，再寫出總反應(yīng)式，然后依據(jù)總反應(yīng)式列比例式計算。(2)守恒法計算。用于串聯(lián)電路，中電極反應(yīng)物、產(chǎn)物及電子轉(zhuǎn)移的有關(guān)計算，其依據(jù)是電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)守恒。三、金屬的腐蝕與防護1.吸氧腐蝕與析氫腐蝕(以鋼鐵為例)類型吸氧腐蝕析氫腐蝕條件水膜呈弱酸性或中性水膜呈酸性正極反應(yīng)(C)O2＋2H2O＋4e－===4OH－2H＋＋2e－===H2↑負極反應(yīng)(Fe)Fe－2e－===Fe2＋其他反應(yīng)Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3Fe(OH)3失去部分水轉(zhuǎn)化為鐵銹2.推斷金屬腐蝕快慢的規(guī)律(1)電解池原理引起的腐蝕>原電池原理引起的腐蝕>化學腐蝕>有防腐蝕措施的腐蝕(電解原理的防護>原電池原理的防護)。(2)對同一種金屬來說，腐蝕的快慢：強電解質(zhì)溶液>弱電解質(zhì)溶液>非電解質(zhì)溶液。(3)活動性不同的兩金屬，活動性越大，腐蝕越快。(4)對同一種電解質(zhì)溶液來說，電解質(zhì)溶液濃度越大，腐蝕越快?！绢}型示例】題型一原電池、化學電源例1．(2024·全國卷Ⅲ)一種可充電鋰—空氣電池如圖所示。當電池放電時，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＋eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1－\f(x,2)))O2【答案】D【變式探究】(2024·全國卷Ⅱ)我國科學家研發(fā)了一種室溫下“可呼吸”的Na-CO2二次電池。將NaClO4溶于有機溶劑作為電解液，鈉和負載碳鈉米管的鎳網(wǎng)分別作為電極材料，電池的總反應(yīng)為3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。下列說法錯誤的是()A．放電時，ClOeq\o\al(－,4)向負極移動B．充電時釋放CO2，放電時汲取CO2C．放電時，正極反應(yīng)為3CO2＋4e－===2COeq\o\al(2－,3)＋CD．充電時，正極反應(yīng)為Na＋＋e－===Na【答案】D【解析】電池放電時，ClOeq\o\al(－,4)向負極移動，A項正確；結(jié)合總反應(yīng)可知放電時需汲取CO2，而充電時釋放出CO2，B項正確；放電時，正極CO2得電子被還原生成單質(zhì)C，即電極反應(yīng)式為3CO2＋4e－===2COeq\o\al(2－,3)＋C，C項正確；充電時陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，即C被氧化生成CO2，D項錯誤。答案B【舉一反三】(2024·課標全國Ⅲ，11)鋅—空氣燃料電池可用作電動車動力電源，電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，反應(yīng)為2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn(OH)eq\o\al(2－,4)。下列說法正確的是()A．充電時，電解質(zhì)溶液中K＋向陽極移動B．充電時，電解質(zhì)溶液中c(OH－)漸漸減小C．放電時，負極反應(yīng)為：Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH)eq\o\al(2－,4)D．放電時，電路中通過2mol電子，消耗氧氣22.4L(標準狀況)答案C【變式探究】(2015·天津理綜，4，6分)鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，下列有關(guān)敘述正確的是()A．銅電極上發(fā)生氧化反應(yīng)B．電池工作一段時間后，甲池的c(SOeq\o\al(2－,4))減小C．電池工作一段時間后，乙池溶液的總質(zhì)量增加D．陰陽離子分別通過交換膜向負極和正極移動，保持溶液中電荷平衡解析A項，由鋅的活潑性大于銅，可知銅電極為正極，在正極上Cu2＋得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成Cu，錯誤；B項，由于陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，故甲池的c(SOeq\o\al(2－,4))不變，錯誤；C項，在乙池中Cu2＋＋2e－===Cu，同時甲池中的Zn2＋通過陽離子交換膜進入乙池中，則有Cu2＋→Zn2＋，由于M(Zn2＋)>M(Cu2＋)，故乙池溶液的總質(zhì)量增加，正確；D項，陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，電解過程中Zn2＋通過交換膜移向正極保持溶液中電荷平衡，陰離子是不能通過交換膜的，錯誤。答案D【方法技巧】四步解決新型化學電源問題1.推斷電池類型→確認電池原理→核實電子、離子移動方向。2.確定電池兩極→推斷電子、離子移動方向→書寫電極反應(yīng)和電池反應(yīng)。3.充電電池→放電時為原電池→失去電子的為負極反應(yīng)。4.電極反應(yīng)→總反應(yīng)離子方程式減去較簡潔一極的電極反應(yīng)式→另一電極反應(yīng)式。題型二電解原理及其應(yīng)用例2．(2024·全國卷Ⅰ)最近我國科學家設(shè)計了一種CO2＋H2S協(xié)同轉(zhuǎn)扮裝置，實現(xiàn)對自然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如圖所示，其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包袱的ZnO)和石墨烯，石墨烯電極區(qū)發(fā)生反應(yīng)為：①EDTA-Fe2＋－e－===EDTA-Fe3＋②2EDTA-Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋該裝置工作時，下列敘述錯誤的是()A．陰極的電極反應(yīng)：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2OB．協(xié)同轉(zhuǎn)化總反應(yīng)：CO2＋H2S===CO＋H2O＋SC．石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯上的低D．若采納Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需為酸性【答案】C【解析】陰極發(fā)生還原反應(yīng)，氫離子由交換膜右側(cè)向左側(cè)遷移，陰極的電極反應(yīng)式為CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，A項正確；結(jié)合陽極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)，可知協(xié)同轉(zhuǎn)化總反應(yīng)式為CO2＋H2S===S＋CO＋H2O，B項正確；石墨烯作陽極，其電勢高于ZnO@石墨烯的，C項錯誤；Fe3＋、Fe2＋在堿性或中性介質(zhì)中會生成沉淀，它們只穩(wěn)定存在于酸性較強的介質(zhì)中，D項正確。作為陰極C．陰極的電極反應(yīng)式為：D．硫酸根離子在電解過程中向陽極移動【答案】C【舉一反三】(2024·課標全國Ⅰ，11)三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如圖所示，采納惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場的作用下，兩膜中間的Na＋和SOeq\o\al(2－,4)可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進入中間隔室。下列敘述正確的是()A．通電后中間隔室的SOeq\o\al(2－,4)離子向正極遷移，正極區(qū)溶液pH增大B．該法在處理含Na2SO4廢水時可以得到NaOH和H2SO4產(chǎn)品C．負極反應(yīng)為2H2O－4e－===O2＋4H＋，負極區(qū)溶液pH降低D．當電路中通過1mol電子的電量時，會有0.5mol的O2生成答案B【舉一反三】(2024·北京理綜，12)用石墨電極完成下列電解試驗。試驗一試驗二裝置現(xiàn)象a、d處試紙變藍；b處變紅，局部褪色；c處無明顯改變兩個石墨電極旁邊有氣泡產(chǎn)生；n處有氣泡產(chǎn)生；……下列對試驗現(xiàn)象的說明或推想不合理的是()A．a(chǎn)、d處：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－B．b處：2Cl－－2e－===Cl2↑C．c處發(fā)生了反應(yīng)：Fe－2e－===Fe2＋D．依據(jù)試驗一的原理，試驗二中m處能析出銅答案B【變式探究】(2015·福建理綜，11，6分)某模擬“人工樹葉”電化學試驗裝置如圖所示，該裝置能將H2O和CO2轉(zhuǎn)化為O2和燃料(C3H8O)。下列說法正確的是()A．該裝置將化學能轉(zhuǎn)化為光能和電能B．該裝置工作時，H＋從b極區(qū)向a極區(qū)遷移C．每生成1molO2，有44gCO2被還原D．a(chǎn)電極的反應(yīng)為：3CO2＋18H＋－18e－===C3H8O＋5H2O解析A項，該裝置是電解池，在電解和光的作用下H2O在光催化劑的表面轉(zhuǎn)化為O2和H＋，故該裝置是將電能和光能轉(zhuǎn)化為化學能，錯誤；B項，依據(jù)同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引的原則，該裝置工作時，H＋從陽極b極區(qū)向陰極a極區(qū)遷移，正確；C項，該電解池的總反應(yīng)式為：6CO2＋8H2Oeq\o(=====,\s\up7(電解))2C3H8O＋9O2。依據(jù)總反應(yīng)方程式可知，每生成1molO2，有eq\f(2,3)molCO2被還原，其質(zhì)量為eq\f(88,3)g，錯誤；D項，a電極為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：3CO2＋18H＋＋18e－===C3H8O＋5H2O，錯誤。答案B【變式探究】下列金屬防腐的措施中，運用外加電流的陰極愛護法的是()A．水中的鋼閘門連接電源的負極B．金屬護欄表面涂漆C．汽車底盤噴涂高分子D．地下鋼管連接鎂塊解析B、C為加愛護層愛護法；D為原電池原理的犧牲陽極的陰極愛護法。答案A【變式探究】(2015·重慶理綜，11，14分)我國古代青銅器工藝精湛，有很高的藝術(shù)價值和歷史價值。但出土的青銅器大多受到環(huán)境腐蝕，故對其進行修復(fù)和防護具有重要意義。(1)原子序數(shù)為29的銅元素位于元素周期表中第________周期。(2)某青銅器中Sn、Pb的質(zhì)量分別為119g、20.7g，則該青銅器中Sn和Pb原子的數(shù)目之比為________。(3)探討發(fā)覺，腐蝕嚴峻的青銅器表面大都存在CuCl。關(guān)于CuCl在青銅器腐蝕過程中的催化作用，下列敘述正確的是________。A．降低了反應(yīng)的活化能B．增大了反應(yīng)的速率C．降低了反應(yīng)的焓變D．增大了反應(yīng)的平衡常數(shù)(4)采納“局部封閉法”可以防止青銅器進一步被腐蝕。如將糊狀A(yù)g2O涂在被腐蝕部位，Ag2O與有害組分CuCl發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，該化學方程式為_________________________________________________。(5)如圖為青銅器在潮濕環(huán)境中發(fā)生電化學腐蝕的原理示意圖。①腐蝕過程中，負極是________(填圖中字母“a”或“b”或“c”)；②環(huán)境中的Cl－擴散到孔口，并與正極反應(yīng)產(chǎn)物和負極反應(yīng)產(chǎn)物作用生成多孔粉狀銹Cu2(OH)3Cl，其離子方程式為__________________________________；③若生成4.29gCu2(OH)3Cl，則理論上耗氧體積為________L(標準狀況)。答