【教材实验热点】09-化学能与电能-(学生版)

【教材实验热点】09化学能与电能专题09化学能与电能【教材实验梳理】1.原电池(1)双液锌铜原电池(2)原电池工作原理图解在原电池内部，两电极浸入电解质溶液中，并通过阴、阳离子的定向移动形成内电路。放电时，负极上的电子通过导线流向正极，再通过溶液中的离子形成的内电路构成闭合回路。具体原理示意图如下：(2)对原电池装置的认识①从反应角度认识原电池原电池中有电流通过，因此其中一定存在电子的得失，其总反应一定是氧化还原反应。当原电池工作时，负极失电子被氧化，发生氧化反应；正极得电子被还原，发生还原反应。因此，只有氧化还原反应才能被设计成原电池，但是要注意，原电池中存在的氧化反应与还原反应是分开进行的。②从能量角度认识原电池氧化还原反应有放热反应和吸热反应，一般放热反应才能将化学能转变为电能，产生电流。③从组成角度认识原电池a.要有两个电极。这两个电极的活泼性一般是不同的，一般情况下，负极是活泼性较强的金属，正极是活泼性较弱的金属或能导电的材料(包括非金属或某些氧化物，如石墨、氧化铅等)，但只要求负极能与电解质溶液自发发生氧化还原反应，与正极能否发生反应无关。b.两电极必须插入电解质溶液中。非电解质由于不导电，不能参与形成原电池。c.必须形成闭合回路。闭合回路的形式是多种多样的，最常见的是通过导电将正、负极相连，也可以将两种金属材料相接触再插入电解质溶液中，日常生活中的合金则是两种材料相互熔合在一起形成正、负极。因此在判断是否形成闭合回路时，不能只看是否有导线。如闭合回路可以有如下形式：d.能自发地发生氧化还原反应，若不能自发发生反应，则不能形成原电池。而自发发生的氧化还原反应不一定是电极与电解质溶液反应，也可能是电极与电解质溶液中溶解的氧气反应，如将铁与碳棒插入硫酸铜溶液中与食盐水中的反应不一样。④从转移角度认识原电池原电池工作时，能够发生电子、离子的定向移动，能够形成外电路与内电路。在原电池中，外电路通过电子的定向移动形成电流，电子从负极流出，从正极流入，电流的方向与电子移动的方向相反；在原电池内部则由电解质溶液与电极构成内电路，内电路中的电流通过离子的定向移动来形成(阳离子移向正极，阴离子移向负极)。因此，电子的流向仅限在外电路，而电解质溶液中没有电子流过，但电流在内、外电路同时形成。(5)原电池原理的应用①比较不同金属的活泼性比较方法：a.一般作负极的金属比作正极的金属活泼。b.一般电极质量减少，作负极，较活泼。c.一般有气体生成、电极质量不断增加，作正极，较不活泼。②加快反应速率构成原电池往往能加快反应速率。如实验室制H2时，粗锌比纯锌反应快；或向溶液中滴入几滴硫酸铜溶液，反应速率加快。③用于金属的防护如要保护铁制闸门，可用导线将其与锌块相连，使锌作负极，铁制闸门作正极，从而使铁制闸门受到保护。④设计化学电源设计原电池时要紧扣构成原电池的条件，首先将已知氧化还原反应拆分为两个半反应，然后根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料(负极是失电子的物质，正极用比负极活动性差的金属或导电的非金属如石墨)及电解质溶液。2.电解池(1)电解氯化铜溶液(2)电解池工作原理图解(3)电解池阴、阳极的判断①由电源的正、负极判断：与电源负极相连的是电解池的阴极；与电源正极相连的是电解池的阳极。②由电极现象确定：通常情况下，在电解池中某一电极若不断溶解或质量不断减少，则该电极发生氧化反应，为阳极；某一电极质量不断增加或电极质量不变，则该电极发生还原反应，为阴极。③由反应类型判断：失去电子发生氧化反应的是阳极；得到电子发生还原反应的是阴极。(4)电解产物的判断①阳极产物的判断a.若阳极由活性材料(除Pt、Au外的其他金属)做成，则阳极反应是阳极金属失去电子而被氧化成阳离子的反应；b.若阳极由C、Pt、Au等惰性材料做成，则阳极反应是电解液中的阴离子在阳极失去电子被氧化的反应。阴离子失去电子能力的大小顺序为S2−>I−>Br−>Cl−>OH−>含氧酸根离子。②阴极产物的判断阴极反应一般是溶液中的阳离子得到电子的还原反应，阳离子得到电子能力的大小顺序为Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。(4)电解原理的应用①电解饱和食盐水——制取烧碱、氯气和氢气阳极(石墨)：2Cl−−2e−=Cl2↑(氧化反应)阴极(铁或石墨)：2H＋＋2e−=H2↑(还原反应)总反应：2NaCl+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑②电镀应用电解原理，在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。实例——电镀铜阳极(铜片)：Cu−2e−=Cu2+阴极(待镀铁件)：Cu2++2e−=Cu③铜的精炼阳极(粗铜)：Cu−2e−=Cu2+(杂质金属的溶解：Fe−2e−=Fe2+，Zn−2e−=Zn2+，Ni−2e−=Ni2+等)阴极(纯铜)：Cu2++2e−=Cu④电冶金a.电解熔融NaCl制取金属钠NaCl在高温下熔融，并发生电离：NaCl=Na++Cl−。通直流电后，阴极：2Na++2e−=2Na，阳极：2Cl−−2e−=Cl2↑，总反应：2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑。b.电解熔融MgCl2制取金属镁阴极：Mg2++2e−=Mg，阳极：2Cl−−2e−=Cl2↑，总反应：MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑c.电解熔融Al2O3制取金属铝阴极：4Al3++12e−=4Al，阳极：6O2−−12e−=3O2↑，总反应：2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑【例题讲解】1．电化学方法是化工生产及生活中常用的一种方法。回答下列问题：(1)二氧化氯(ClO2)为一种黄绿色气体，是国际上公认的高效、广谱、快速、安全的杀菌消毒剂。目前已开发出用电解法制取ClO2的新工艺如图所示。①图中用石墨作电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取ClO2。产生ClO2的电极应连接电源的________(填“正极”或“负极”)，对应的电极反应式为_______。②a极区pH______(填“增大”“减小”或“不变”)。③图中应使用______(填“阴”或“阳”)离子交换膜。(2)电解K2MnO4溶液制备KMnO4。工业上，通常以软锰矿(主要成分是MnO2)与KOH的混合物在铁坩埚(熔融池)中混合均匀，小火加热至熔融，即可得到绿色的K2MnO4，化学方程式为_______。用镍片作阳极(镍不参与反应)，铁板为阴极，电解K2MnO4溶液可制备KMnO4。上述过程用流程图表示如下：则D的化学式为_______；阳极的电极反应式为_______。【巩固练习】2．NaCl是我们生活中必不可少的物质。将NaCl固体溶于水，溶解过程如图1所示，下列说法不正确的是A．图1中水合钠离子的图示不科学B．NaCl溶液导电的原因是溶液中有自由移动的Na＋和Cl－C．NaCl溶液通电后才发生电离D．熔融NaCl通电后离子移动方向如图23．以石墨作电极，电解AgNO3溶液，可在两极分别得到Ag和O2，下列说法正确的是A．氧化性：Ag+>H+，还原性：NO>OH－B．Ag附着在阳极：Ag++e－=AgC．电解过程中溶液的酸性将逐渐减弱D．电路中每转移1mol电子，可生成1molAg和0.25molO24．热激活电池(又称热电池)可用作火箭、导弹的工作电源。一种热激活电池的基本结构如图所示，其中作为电解质的无水LiCl−KCl混合物一旦受热熔融，电池瞬间即可输出电能。该电池总反应为：PbSO4+2LiCl+Ca＝CaCl2+Li2SO4+Pb。关于该电池的下列说法中，不正确的是A．负极的电极反应：Ca−2e－＝Ca2+B．放电时，K+向硫酸铅电极移动C．硫酸铅作正极材料，LiCl为正极反应物D．常温时，在正负极之间连上检流计，指针不偏转5．铅蓄电池的结构示意图如图所示，其充、放电时的电池反应为：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。下列说法正确的是A．放电时Pb为负极，发生反应：Pb-2e-=Pb2+B．放电时H+向正极移动，正极区域酸性增强C．充电时PbO2与外电源的负极相连D．充电时阳极发生反应：PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+SO+4H＋6．银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源，其电极分别为Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式为Ag2O+Zn+H2O=2Ag+Zn(OH)2，下列说法中不正确的是（

）A．原电池放电时，负极上发生反应的物质是ZnB．正极发生的反应是Ag2O+2e−+H2O=2Ag+2OH-C．工作时，负极区溶液c(OH-)减小D．溶液中OH-向正极移动，K+、H+向负极移动7．控制合适的条件，将反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成如图所示原电池，下列判断不正确的是A．反应开始时，电流方向是从甲池石墨棒流向乙池石墨棒B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3+被还原C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中石墨电极为负极8．将如图所示实验装置的K闭合(已知：盐桥中装有琼脂凝胶，内含KCl)，下列判断正确的是A．Cu电极上发生氧化反应B．电子沿Zn→a→b→Cu路径移动C．片刻后甲池中c(Cl-)增大D．片刻后可观察到滤纸b处变红色9．科学家近年发明了一种新型Zn−CO2水介质电池。电池示意图如图，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D．充电时，正极溶液中OH−浓度升高10．一定条件下，碳钢腐蚀与溶液pH的关系如下：pH2466.5813.514腐蚀快慢较快慢较快主要产物Fe2+Fe3O4Fe2O3下列说法不正确的是A．在pH＜4的溶液中，碳钢主要发生析氢腐蚀B．在pH＞6的溶液中，碳钢主要发生吸氧腐蚀C．在pH＞14的溶液中，碳钢腐蚀的反应为O2+4OH-+4e-===2H2OD．在煮沸除氧气后的碱性溶液中，碳钢腐蚀速率会减慢11．执法交警最常用的一种酒精检测仪的工作原理示意图如图所示，其反应原理为CH3CH2OH+O2=CH3COOH+H2O，被测者呼出气体中所含的酒精被输送到电池中反应产生微小电流，该电流经电子放大器放大后在液晶显示屏上显示其酒精含量。下列说法不正确的是（

）A．电解质溶液中的移向a电极B．b为正极，电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-C．呼出气体中酒精含量越高，微处理器中通过的电流越大D．a极上的电极反应式为CH3CH2OH+H2O-4e-=CH3COOH+4H+12．如图装置(Ⅰ)为一种可充电电池的示意图，其中的离子交换膜只允许K+通过，该电池放电、充电时的电池反应为。装置(Ⅱ)为电解池的示意图当闭合开关K时，电极X附近溶液先变红。则闭合K时，下列说法正确的是A．K+从右到左通过离子交换膜B．电极A上发生的反应为I+2e-=3I-，C．电极Y上发生的反应为2Cl--2e-=Cl2↑，D．当有0.1molK+通过离子交换膜时，X电极上产生1.12L气体13．天津理工大学刘喜正等人利用Na2S2O4的生成和分解，研制出Na-SO2可充电电池，电解质溶液为乙二胺的乙醚溶液。该电池放电时的工作原理如图所示。下列关于放电时的说法正确的是（

）A．该装置是将电能转化为化学能B．电子从Na极经电解质流向石墨极C．石墨电极反应式为2Na++2SO2+2e-=Na2S2O4D．若转移3mol电子，则消耗33.6L（标准状况下）SO214．电镀行业产生的酸性含铬废水对环境有污染，其中所含的+6价铬(以Cr2O形式存在)是主要污染物，可采用电解法将其除去。向酸性含铬废水中加入适量NaCl固体，以Fe为阴、阳电极进行电解。经过一段时间，有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀生成，从而使废水中铬含量低于排放标准。装置如图所示。已知：pH=3.2时Fe3+完全转化为Fe(OH)3；pH=5.6时Cr3+完全转化为Cr(OH)3(1)向酸性含铬废水中加入适量NaCl固体的作用是___________。(2)B极上有大量氢气产生，电极反应为___________。(3)结合化学用语分析酸性废水中Cr2O转化为Cr(OH)3的主要原因___________。15．某小组同学利用原电池装置探究物质的性质。资料显示：原电池装置中，负极反应物的还原性越强，或正极反应物的氧化性越强，原电池的电压越大。（1）同学们利用下表中装置进行实验并记录。装置编号电极A溶液B操作及现象ⅠFepH=2的H2SO4连接装置后，石墨表面产生无色气泡；电压表指针偏转ⅡCupH=2的H2SO4连接装置后，石墨表面无明显现象；电压表指针偏转，记录读数为a①同学们认为实验Ⅰ中铁主要发生了析氢腐蚀，其正极反应式是_____________。②针对实验Ⅱ现象：甲同学认为不可能发生析氢腐蚀，其判断依据是_______；乙同学认为实验Ⅱ中应发生吸氧腐蚀，其正极的电极反应式是___________。（2）同学们仍用上述装置并用Cu和石墨为电极继续实验，探究实验Ⅱ指针偏转原因及影响O2氧化性因素。编号溶液B操作及现象Ⅲ经煮沸的pH=2的H2SO4溶液表面用煤油覆盖，连接装置后，电压表指针微微偏转，记录读数为bⅣpH=2的H2SO4在石墨一侧缓慢通入O2并连接装置，电压表指针偏转，记录读数为c；取出电极，向溶液中加入数滴浓Na2SO4溶液混合后，插入电极，保持O2通入，电压表读数仍为cⅤpH=12的NaOH在石墨一侧缓慢通入O2并连接装置，电压表指针偏转，记录读数为d①丙同学比较实验Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的电压表读数为：c＞a＞b，请解释原因是_____________。②丁同学对Ⅳ、Ⅴ进行比较，其目的是探究_____________________对O2氧化性的影响；实验Ⅳ中加入Na2SO4溶液的目的是_____________。16．Ⅰ．利用下列给出的试剂与材料，将氧化还原反应设计成一个带有盐桥的原电池。试剂：溶液、溶液、溶液、溶液、蒸馏水等。材料：锌棒、铁棒、铜棒、石墨棒、500mL烧杯2个、盐桥(装有含琼胶的KCl饱和溶液)等。回答下列问题：(1)选用________作正极，此电极的电极反应式是

____________________________________________________________。(2)在答题卡方框中画出一个符合上述要求的原电池的装置图(标出电解质溶液及外电路中电子流动方向)__________________。Ⅱ．如图所示，E为浸过含酚酞的Na2SO4溶液的滤纸。A、B分别为铂片，压在滤纸两端，R、S为电池的电极。M、N是用多微孔的Ni制成的电极，在碱溶液中可视为惰性电极。G为电流计，K为开关。C、D和电解池中都充满浓KOH溶液。若在滤纸中央滴一滴紫色的KMnO4溶液，将开关K打开，接通电源一段时间后，C、D中有气体产生，气体的体积见图。请回答下列问题：(1)R为________(填“正”或“负”)极。(2)A附近溶液的现象是_________________________________________，B附近发生的电极反应式为_____________________________________。(3)滤纸上的紫色点向________(填“A”或“B”)方向移动。(4)当C、D中的气体产生到一定量时，切断外电源并接通开关K，经过一段时间后，C、D中的气体逐渐减少，C中的电极为________(填“正”或“负”)极，电极反应式为__________________。Ⅲ．若一开始Ⅱ中的电源选用了Ⅰ中自己设计的原电池，连接起来工作一段时间后，测得Ⅱ中C和D试管气体总体积为336mL（已折算成标准状况），则你设计的原电池Ⅰ的负极质量至少要减轻_________________克？（结果保留两位小数）17．某小组同学利用下图所示装置进行铁的电化学腐蚀原理的探究实验：装置分别进行的操作现象i.连好装置一段时间后，向烧杯中滴加酚酞ii.连好装置一段时间后，向烧杯中滴加K3[Fe(CN)6]溶液铁片表面产生蓝色沉淀(1)小组同学认为以上两种检验方法，均能证明铁发生了吸氧腐蚀。①实验i中的现象是_____。②用化学用语解释实验i中的现象：_____。(2)查阅资料：K3[Fe(CN)6]具有氧化性。①据此有同学认为仅通过ii中现象不能证明铁发生了电化学腐蚀，理由是_____。②进行下列实验，在实验几分钟后的记录如下：实验滴管试管现象0.5mol·L-1K3[Fe(CN)6]溶液iii.蒸馏水无明显变化iv.1.0mol·L-1NaCl溶液铁片表面产生大量蓝色沉淀v.0.5mol·L-1Na2SO4溶液无明显变化a．以上实验表明：在_____条件下，K3[Fe(CN)6]溶液可以与铁片发生反应。b．为探究Cl-的存在对反应的影响，小组同学将铁片酸洗(用稀硫酸浸泡后洗净)后再进行实验iii，发现铁片表面产生蓝色沉淀。此补充实验表明Cl-的作用是_____。(3)有同学认为上述实验仍不严谨。为进一步探究K3[Fe(CN)6]的氧化性对实验ii结果的影响，又利用(2)中装置继续实验。其中能证实以上影响确实存在的是_____(填字母序号)。实验试剂现象A酸洗后的铁片、K3[Fe(CN)6]溶液(已除O2)产生蓝色沉淀B酸洗后的铁片、K3[Fe(CN)6]和NaCl混合溶液(未除O2)产生蓝色沉淀C铁片、K3[Fe(CN)6]和NaCl混合溶液(已除O2)产生蓝色沉淀D铁片、K3[Fe(CN)6]和盐酸混合溶液(已除O2)产生蓝色沉淀18．实验室有如下材料：铜片、铁片、石墨棒、CuCl2溶液、FeCl3溶液、导线、电流表、盐桥(装有琼脂-KCl的U形管)、烧杯等。甲同学