新高考化学二轮复习讲义 专题12　新型电池和电解原理的应用

[复习目标]1.理解原电池和电解池的构成、工作原理及应用，能正确书写电极反应式和总反应方程式。2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。3.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害及防止金属腐蚀的措施。考点一新型电池的分析应用1．识别“交换膜”提取信息，书写电极反应式(1)如将燃煤产生的二氧化碳回收利用，可达到低碳排放的目的。如图是通过人工光合作用，以CO2和H2O为原料制备HCOOH和O2的原理示意图。负极：________________________________。正极：________________________________。(2)液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小等优点。一种以液态肼(N2H4)为燃料的电池装置如图所示。负极：________________________________。正极：________________________________。2．辨析燃料电池不同“介质”，书写电极反应式(1)按要求书写不同“介质”下甲醇燃料电池的电极反应式。①酸性介质，如H2SO4溶液：负极：________________________________。正极：________________________________。②碱性介质，如KOH溶液：负极：________________________________。正极：________________________________。③熔融盐介质，如K2CO3：负极：________________________________。正极：________________________________。④掺杂Y2O3的ZrO3固体作电解质，在高温下能传导O2－：负极：________________________________。正极：________________________________。碱性介质C→COeq\o\al(2－,3)其余介质C→CO2酸性介质H→H＋其余介质H→H2O(2)明确“充放电”书写电极反应式①镍镉(NiCd)可充电电池在现代生活中有广泛的应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2Oeq\o(,\s\up7(放电),\s\do5(充电))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。负极：________________________________。阳极：________________________________。②某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池总反应为Li1－xCoO2＋LixC6eq\o(,\s\up7(放电),\s\do5(充电))LiCoO2＋C6(x＜1)。则：负极：________________________________。正极：________________________________。锂离子电池充放电分析常见的锂离子电极材料正极材料：LiMO2(M：Co、Ni、Mn等)LiM2O4(M：Co、Ni、Mn等)LiMPO4(M：Fe等)负极材料：石墨(能吸附锂原子)负极反应：LixCn－xe－=xLi＋＋nC正极反应：Li1－xMO2＋xLi＋＋xe－=LiMO2总反应：Li1－xMO2＋LixCneq\o(,\s\up7(放电),\s\do5(充电))nC＋LiMO2。1．图解原电池工作原理2．原电池装置图的升级考查说明(1)无论是装置①还是装置②，电子均不能通过电解质溶液。(2)在装置①中，由于不可避免会直接发生Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu而使化学能转化为热能，所以装置②的能量转化率高。(3)盐桥的作用：原电池装置由装置①到装置②的变化是由盐桥连接两个“半电池装置”，其中盐桥的作用有三种：a.隔绝正、负极反应物，避免直接接触，导致电流不稳定；b.通过离子的定向移动，构成闭合回路；c.平衡电极区的电荷。(4)离子交换膜作用：由装置②到装置③的变化是“盐桥”变成“质子交换膜”。离子交换膜是一种选择性透过膜，允许相应离子通过，离子迁移方向遵循电池中离子迁移方向。3．陌生原电池装置的知识迁移(1)燃料电池(2)二次电池1．(2022·广东，16)科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－=Na3Ti2(PO4)3。下列说法正确的是()A．充电时电极b是阴极B．放电时NaCl溶液的pH减小C．放电时NaCl溶液的浓度增大D．每生成1molCl2，电极a质量理论上增加23g2．(2022·全国乙卷，12)LiO2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电LiO2电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子(e－)和空穴(h＋)，驱动阴极反应(Li＋＋e－=Li)和阳极反应(Li2O2＋2h＋=2Li＋＋O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是()A．充电时，电池的总反应为Li2O2=2Li＋O2B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关C．放电时，Li＋从正极穿过离子交换膜向负极迁移D．放电时，正极发生反应：O2＋2Li＋＋2e－=Li2O23．(2022·湖南，8)海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是()A．海水起电解质溶液作用B．N极仅发生的电极反应：2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑C．玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能D．该锂海水电池属于一次电池4．(2022·山东，13改编)设计如图装置回收金属钴。保持细菌所在环境pH稳定，借助其降解乙酸盐生成CO2，将废旧锂离子电池的正极材料LiCoO2(s)转化为Co2＋，工作时保持厌氧环境，并定时将乙室溶液转移至甲室。已知电极材料均为石墨材质，右侧装置为原电池。下列说法正确的是()A．装置工作时，甲室溶液pH逐渐增大B．装置工作一段时间后，乙室应补充水C．乙室电极反应式为LiCoO2＋2H2O＋e－=Li＋＋Co2＋＋4OH－D．若甲室Co2＋减少200mg，乙室Co2＋增加300mg，则此时已进行过溶液转移5．(2020·全国卷Ⅰ，12)科学家近年发明了一种新型ZnCO2水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。下列说法错误的是()A．放电时，负极反应为Zn－2e－＋4OH－=Zn(OH)eq\o\al(2－,4)B．放电时，1molCO2转化为HCOOH，转移的电子数为2molC．充电时，电池总反应为2Zn(OH)eq\o\al(2－,4)=2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2OD．充电时，正极溶液中OH－浓度升高6．(2021·山东，10)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OHO2、N2H4O2、(CH3)2NNH2O2清洁燃料电池，下列说法正确的是()A．放电过程中，K＋均向负极移动B．放电过程中，KOH物质的量均减小C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2O2燃料电池的理论放电量最大D．消耗1molO2时，理论上N2H4O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为L7．(2021·湖南，10)锌/溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池，广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等。三单体串联锌/溴液流电池工作原理如图所示：下列说法错误的是()A．放电时，N极为正极B．放电时，左侧贮液器中ZnBr2的浓度不断减小C．充电时，M极的电极反应式为Zn2＋＋2e－=ZnD．隔膜允许阳离子通过，也允许阴离子通过1．(2022·湘豫名校联考高三下学期模拟)锌空气燃料电池的能量密度较高，广泛应用于需要长时间在低电流下进行的设备，如助听器等，其装置示意图如图所示。下列说法正确的是()A．放电时，A极为正极，电极反应式为O2＋4e－=2O2－B．放电时，电子由B极流出经外电路到达A极，再进入电解质溶液回到B极构成闭合回路C．充电时，B极电极反应式为ZnO＋H2O＋2e－=Zn＋2OH－D．电池工作一段时间后，电解质溶液pH降低2．(2022·河南省十所名校高中理综)研究发现，在肼(N2H4)酸性燃料电池中添加少量Fe2(SO4)3能持续大电流放电，工作原理如图所示。下列说法错误的是()A．交换膜M为质子交换膜B．Fe3＋能够降低正极区反应的活化能C．放电时正极区溶液的pH下降D．负极反应式为N2H4－4e－=N2↑＋4H＋3．(2022·成都市高三第二次诊断)钠离子电池易获取，正负极材料均采用铝箔(可减少铜箔用量)，因此钠离子电池理论成本低于锂离子电池。现有一种正极材料为KFe2(CN)6，固体电解质为Na3PS4，负极材料为Na2Ti3O7的钠离子电池。下列有关叙述错误的是()A．正极KFe2(CN)6中Fe的化合价为＋2、＋3B．放电时，正极可能发生Fe2(CN)eq\o\al(－,6)＋e－=Fe2(CN)eq\o\al(2－,6)C．放电时，电子从负极流经固体电解质到达正极D．充电时，阴极发生还原反应，并且Na＋增多4．(2022·山西省高三下学期高考考前适应性测试)利用微生物电池处理有机废水同时也可实现－的溶液)。下列说法错误的是()A．电极电势a极低于b极B．当b极上产生L(标准状况)气体时，会有1molCl－通过隔膜1C．a极反应为CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋D．当电路中通过4mol电子时，负极区溶液的质量理论上减少44g考点二电解原理的分析应用1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”(1)电解质溶液导电发生化学变化()(2)电解精炼铜和电镀铜，电解液的浓度均会发生很大的变化()(3)电解饱和食盐水，在阳极区得到NaOH溶液()(4)工业上可用电解MgCl2溶液、AlCl3溶液的方法制备Mg和Al()(5)电解精炼铜时，阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料()(6)用惰性电极电解CuSO4溶液，若加入molCu(OH)2固体可使电解质溶液复原，则整个电路中转移电子数为NA()2．按要求书写电极反应式(1)用惰性电极电解NaCl溶液：阳极：________________________________。阴极：________________________________。(2)用惰性电极电解CuSO4溶液：阳极：________________________________。阴极：________________________________。(3)铁作阳极，石墨作阴极电解NaOH溶液：阳极：________________________________。阴极：________________________________。(4)用惰性电极电解熔融MgCl2：阳极：________________________________。阴极：________________________________。3．复杂电极反应式的书写(1)按要求书写电极反应式①以铝材为阳极，在H2SO4溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极反应式为________________________________。②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：________________________________。③离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系。由有机阳离子、Al2Cleq\o\al(－,7)和AlCleq\o\al(－,4)组成的离子液体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，则电极反应式为阳极：________________________________。阴极：________________________________。④用惰性电极电解K2MnO4溶液能得到化合物KMnO4，则电极反应式为阳极：________________________________。阴极：________________________________。⑤将一定浓度的磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、氯化锂混合液作为电解液，以铁棒作阳极，石墨为阴极，电解析出LiFePO4沉淀，则阳极反应式为________________________________。(2)按要求书写电极反应式①电解装置如图，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－=IOeq\o\al(－,3)＋5I－＋3H2O阳极：________________________________。阴极：________________________________。②可用氨水作为吸收液吸收工业废气中的SO2，当吸收液失去吸收能力时，可通过电解法使吸收液再生而循环利用(电极均为石墨电极)，并生成化工原料硫酸。其工作示意如图：阳极：________________________________。阴极：________________________________。1．图解电解池工作原理(阳极为惰性电极)2．正确判断电极产物(1)阳极产物的判断首先看电极，如果是活性电极作阳极，则电极材料失电子，电极溶解(注意：铁作阳极溶解生成Fe2＋，而不是Fe3＋)；如果是惰性电极，则需看溶液中阴离子的失电子能力，阴离子放电顺序为S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－(水)＞含氧酸根离子。(2)阴极产物的判断直接根据阳离子的放电顺序进行判断：Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)。3．对比掌握电解规律(阳极为惰性电极)电解类型电解质实例溶液复原物质电解水NaOH、H2SO4或Na2SO4水电解电解质HCl或CuCl2原电解质放氢生碱型NaClHCl气体放氧生酸型CuSO4或AgNO3CuO或Ag2O注意电解后有关电解质溶液恢复原态的问题应该用质量守恒法分析。一般是加入阳极产物和阴极产物的化合物，但也有特殊情况，如用惰性电极电解CuSO4溶液，Cu2＋完全放电之前，可加入CuO或CuCO3复原，而Cu2＋完全放电之后，溶液中H＋继续放电，应加入Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3复原。4．金属的腐蚀与电化学防护5．陌生电解池装置图的知识迁移(1)电解池(2)金属腐蚀1．(2022·湖北，14)含磷有机物应用广泛。电解法可实现由白磷直接制备Li[P(CN)2]，过程如图所示(Me为甲基)。下列说法正确的是()A．生成1molLi[P(CN)2]，理论上外电路需要转移2mol电子B．阴极上的电极反应为：P4＋8CN－－4e－=4[P(CN)2]－C．在电解过程中CN－向铂电极移动D．电解产生的H2中的氢元素来自于LiOH2．(2022·广东，10)以熔融盐为电解液，以含Cu、Mg和Si等的铝合金废料为阳极进行电解，实现Al的再生。该过程中()A．阴极发生的反应为Mg－2e－=Mg2＋B．阴极上Al被氧化C．在电解槽底部产生含Cu的阳极泥D．阳极和阴极的质量变化相等3．(2021·广东，16)钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是()A．工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B．生成1molCo，Ⅰ室溶液质量理论上减少16gC．移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变D．电解总反应：2Co2＋＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2Co＋O2↑＋4H＋4．(2022·浙江6月选考，21)通过电解废旧锂电池中的LiMn2O4可获得难溶性的Li2CO3和MnO2，电解示意图如下(其中滤布的作用是阻挡固体颗粒，但离子可自由通过。电解过程中溶液的体积变化忽略不计)。下列说法不正确的是()A．电极A为阴极，发生还原反应B．电极B的电极反应：2H2O＋Mn2＋－2e－=MnO2＋4H＋C．电解一段时间后溶液中Mn2＋浓度保持不变D．电解结束，可通过调节pH除去Mn2＋，再加入Na2CO3溶液以获得Li2CO35．(2022·海南，9)一种采用H2O(g)和N2(g)为原料制备NH3(g)的装置示意图如下。下列有关说法正确的是()A．在b电极上，N2被还原B．金属Ag可作为a电极的材料C．改变工作电源电压，反应速率不变D．电解过程中，固体氧化物电解质中O2－不断减少6．(2021·全国甲卷，13)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是()A．KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用B．阳极上的反应式为：＋2H＋＋2e－→＋H2OC．制得2mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1mol电子D．双极膜中间层中的H＋在外电场作用下向铅电极方向迁移7．[2021·湖南，16Ⅱ(4)(5)]氨气中氢含量高，是一种优良的小分子储氢载体，且安全、易储运，可通过下面两种方法由氨气得到氢气。方法Ⅱ.氨电解法制氢气利用电解原理，将氨转化为高纯氢气，其装置如图所示。(4)电解过程中OH－的移动方向为____________(填“从左往右”或“从右往左”)。(5)阳极的电极反应式为_____________________________________________________。8．[2021·山东，17(4)]利用膜电解技术(装置如图所示)，以Na2CrO4为主要原料制备Na2Cr2O7的总反应方程式为：4Na2CrO4＋4H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2Na2Cr2O7＋4NaOH＋2H2↑＋O2↑。则Na2Cr2O7在____(填“阴”或“阳”)极室制得，电解时通过膜的离子主要为________________________________________________________________________。1．(2022·太原市高三下学期模拟)我国科学家开发出一种双极制氢系统，在低电池电压下的KOH介质中，可将醛类物质电催化转化为相应的羧酸