同步导学案系列丛书高中化学选修四学案设计第四章.docx
《同步导学案系列丛书高中化学选修四学案设计第四章.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《同步导学案系列丛书高中化学选修四学案设计第四章.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
同步导学案系列丛书高中化学选修四学案设计第四章
一、原电池的工作原理及应用
【归纳总结】
1.原电池正、负极的判断：
判断一个原电池中的正、负极，最根本的方法是失电子（发生氧化反应）的一极是负极，得电子（发生还原反应）的一极是正极。
如果给出一个化学方程式判断正、负极，可以直接根据化合价的升降来判断，化合价升高发生氧化反应的一极为负极，化合价降低发生还原反应的一极为正极。
常见电池
负极反应特点
负极反应式书写方法
锌锰干电池（ZnCNH4Cl）
负极（Zn）本身失去电子生成阳离子（Zn2＋）；生成的阳离子不与电解质溶液成分反应
Zn－2e－===Zn2＋
铅蓄电池
（PbPbO2H2SO4）
负极（Pb）本身失去电子生成阳离子（Pb2＋）；生成的阳离子（Pb2＋）与电解质溶液成分（SO
）反应
Pb－2e－＋SO
=PbSO4↓
甲烷燃料电池
（PtPtKOH）
负极本身不反应，燃料失去电子被氧化；燃料反应产物与电解质溶液成分有些能反应
CH4－8e－＋10OH－=CO
＋7H2O
2.可充电电池的充、放电原理：
放电时相当于原电池，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；充电时相当于电解池，放电时的正极变为电解池的阳极，与外电源的正极相连，负极变为电解池的阴极，与外电源负极相连。
书写电极反应式时，一是要注意电解质溶液是否参与反应；二是根据得失电子守恒将正、负极反应式相加得出总反应方程式；三是结合总反应方程式分析pH变化。
3.易错问题小结
（1）原电池工作时，阳离子移向正极，阴离子移向负极。
（2）燃料电池中的负极为惰性电极，该电极就不与电解质反应。
（3）原电池中的活泼金属不一定都作负极，如MgNaOH溶液Al构成的原电池中，Al能自发的与NaOH溶液发生氧化反应，作负极。
（4）在闭合的电路中电子只走导线或电极，离子只走电解质溶液。
【题型过关】
例题1查处酒后驾驶采用的“便携式乙醇测量仪”以燃料电池为工作原理，在酸性环境中，理论上乙醇可以被完全氧化为CO2，但实际乙醇被氧化为X，其中一个电极的反应式为CH3CH2OH－2e－===X＋2H＋。
下列说法中正确的是（ ）
A．电池内部H＋由正极向负极移动
B．另一极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－
C．乙醇在正极发生反应，电子经过外电路流向负极
D．电池总反应式为2CH3CH2OH＋O2===2CH3CHO＋2H2O
答案
解析
D
根据原电池工作原理、反应规律及质量守恒等，可以确定乙醇作原电池的负极，正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，物质X的分子式为C2H4O，是乙醇被氧化的产物，为CH3CHO，则电池的总反应式为2CH3CH2OH＋O2===2CH3CHO＋2H2O；工作过程中负极产生H＋，正极消耗H＋，所以，H＋应由负极向正极移动；外电路中的电子应由负极流出，正极流入
例题2已知：
锂离子电池的总反应为：
LixC＋Li1－xCoO2
C＋LiCoO2，锂硫电池的总反应为：
2Li＋S
Li2S，有关上述两种电池说法正确的是（ ）
A．锂离子电池放电时，Li＋向负极迁移B．锂硫电池充电时，锂电极发生还原反应
C．理论上两种电池的比能量相同D．下图表示用锂离子电池给锂硫电池充电
答案
解析
D
锂离子电池放电时，为原电池，阳离子Li＋向正极移动，A错误。
锂硫电池充电时，为电解池，锂电极发生还原反应生成Li，B正确。
电池的比能量是指参与电极反应的单位质量的电极材抖放出电能的多少，两种电池材料不同，显然其比能量不同，C错误。
由图可知，锂离子电池的电极材料为C和LiCoO2，应为该电池放电完全所得产物，而锂硫电池的电极材料为Li和S，应为充电完全所得产物，故此时应为锂硫电池给锂离子电池充电的过程，D错误
例题3热激活电池可用作火箭、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LiClKCl混合物受热熔融后，电池即可瞬间输出电能。
该电池总反应为：
PbSO4＋2LiCl＋Ca===CaCl2＋Li2SO4＋Pb。
下列有关说法正确的是（ ）
A．正极反应式：
Ca＋2Cl－－2e－===CaCl2
B．放电过程中，Li＋向负极移动
C．每转移0.1mol电子，理论上生成20.7gPb
D．常温时，在正负极间接上电流表或检流计，指针不偏转
答案
解析
D
A．分析电池总反应，Ca在反应中失电子，所以Ca应做负极；PbSO4中的Pb2＋得电子生成单质铅，所以正极反应物应是PbSO4，所以A项错误。
B.放电过程中，负极失电子，电子通过导线流向正极，所以正极表面聚集大量电子，能够吸引电解质中的阳离子向正极移动，所以B项错误。
C.根据方程式知，每转移0.1mol电子，生成0.05mol铅，其质量为10.35g，所以C项错误。
D.根据题给信息，该电池为热激活电池，常温下，无水LiClKCl为固态，没有自由移动的离子，该装置不能形成闭合回路，处于非工作状态，所以没有电流产生，即电流表或检流计的指针不会发生偏转
二、电解原理及其应用
【归纳总结】
1．原电池和电解池的比较：
原电池、电解池都有两个电极。
原电池两个电极的名称是正极和负极，为活动性不同的金属或金属与能导电的非金属，此时负极与电解质溶液发生氧化还原反应，燃料电池中为惰性电极，两极反应的物质为可燃性气体和氧气；电解池两个电极的名称是阴极和阳极，可以是惰性电极也可以是活泼性电极，电极本身和电解质溶液没有反应关系。
装置类别
原电池
电解池
原理
使氧化还原反应中电子的转移做定向移动，从而形成电流
使电流通过电解质溶液或熔融电解质而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程
装置特点
将化学能转变成电能
将电能转变成化学能
实例
电极名称
负极
正极
阴极
阳极
反应类型
氧化反应
还原反应
还原反应
氧化反应
反应特征
自发的氧化还原反应（主动）
借助电流（被动）
电极判断
由电极本身决定，正极流入电子，负极流出电子
由外电源决定，阳极连电源正极，阴极连电源负极
电子流向
负极→外电路→正极
电解池阳极→电源正极→电源负极→电解池阴极
离子移动
阳离子向正极移动，阴离子向负极移动
阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动
2.原电池和电解池的判断：
（1）先分析有无外接电源，无外接电源的可能为原电池，然后用原电池的构成条件判断确定。
（2）有外接电源的为电解池。
其中，当阳极金属与电解质溶液中的金属阳离子相同时，则为电镀池；其余情况为电解池。
3.电解池中电极反应式的书写规律：
电解池中电极反应式的书写关键是掌握离子的放电顺序。
（1）阴极与电源负极相连，得电子发生还原反应。
其规律有两个：
一是电极本身不参加反应；二是电解质溶液中氧化性强的阳离子先得电子,如Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋>Pb2＋>Sn2＋>Fe2＋>Zn2＋，要注意金属活动性顺序表中Al及Al前面的金属离子在溶液中不放电。
（2）阳极与电源正极相连，失去电子发生氧化反应。
其规律有两个：
一是若阳极为非惰性电极（除Pt、Au之外的金属作电极），电极本身失去电子被氧化，电解质溶液中的阴离子不参与电极反应；二是若阳极为惰性电极（Pt、Au或非金属作电极），电解质溶液中还原性强的阴离子失去电子被氧化，如S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根。
（3）特别注意：
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。
如用惰性电极电解NaOH溶液，阳极发生氧化反应，电极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，阴极发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，总反应式表示为2H2O
2H2↑＋O2↑。
【题型过关】
例题4下面有关电化学的图示，完全正确的是（ ）
答案
解析
D
Cu－Zn原电池中铜为正极，锌为负极，A错；粗铜的精炼中，粗铜作阳极，精铜作阴极，B错；电镀时镀层金属作阳极，待镀金属作阴极，C错；D对
例题5
（1）MnO2可作超级电容器材料。
用惰性电极电解MnSO4溶液可制得MnO2，其阳极的电极反应式是__________________________。
（2）MnO2是碱性锌锰电池的正极材料。
碱性锌锰电池放电时，正极的电极反应式是_____。
（3）离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系。
由有机阳离子、Al2Cl
和AlCl
组成的离子液体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。
钢制品应接电源的________极，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，阴极电极反应式为________。
若改用AlCl3水溶液作电解液，则阴极产物为________。
答案
解析
（1）Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋
（2）MnO2＋H2O＋e－===MnO（OH）＋OH－
（3）负 4Al2Cl
＋3e－===Al＋7AlCl
H2
（1）用惰性电极电解MnSO4溶液制取MnO2时，在阳极上Mn2＋失电子后生成MnO2，根据电荷守恒和原子守恒可得电极反应式Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋。
（2）碱性锌锰干电池在放电时，正极上MnO2得电子生成碱式氧化锰MnO（OH），根据电荷守恒和原子守恒可得电极反应式MnO2＋H2O＋e－===MnO（OH）＋OH－。
（3）在钢制品上电镀铝，故钢制品应作阴极，与电源的负极相连；因为电镀过程中“不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应”，Al元素在熔融盐中以Al2Cl
和AlCl
形成存在，则电镀过程中阴极上得到电子的反应是4Al2Cl
＋3e－===Al＋7AlCl
；在水溶液中，得电子能力：
H＋＞Al3＋，故阴极上发生的反应是2H＋＋2e－===H2↑
例题6下图是一个用铂丝作电极，电解稀MgSO4溶液的装置，电解液中加有中性红色指示剂，此时溶液呈红色。
（指示剂的pH变色范围：
6.8～8.0，酸性—红色，碱性—黄色）回答下列问题：
（1）下列关于电解过程中电极附近溶液颜色变化的叙述正确的是________（填编号）。
①A管溶液由红变黄 ②B管溶液由红变黄 ③A管溶液不变色 ④B管溶液不变色
（2）写出A管中发生反应的反应式：
____________________________________________。
（3）写出B管中发生反应的反应式：
___________________________________________。
（4）电解一段时间后，切断电源，将电解液倒入烧杯内观察到的现象是________________。
答案
解析
（1）①④
（2）2H＋＋2e－===H2↑（或2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑）、Mg2＋＋2OH－===Mg（OH）2↓
（3）4OH－－4e－===2H2O＋O2↑（或2H2O－4e－===4H＋＋O2↑）
（4）溶液呈红色，白色沉淀溶解（或大部分溶解）
电解MgSO4溶液，阴极（A极）上H＋放电生成H2，同时c（OH－）增大，生成Mg（OH）2，溶液变黄色；阳极（B极）上OH－放电生成O2，同时c（H＋）增大，生成H2SO4，溶液仍保持红色；将电解液倒入烧杯内，则Mg（OH）2与H2SO4混合而导致沉淀溶解，且溶液恢复红色
三、电化学的有关计算方法
【归纳总结】
1.原电池和电解池的计算常涉及的问题：
（1）两极产物的定量计算；
（2）溶液pH的计算{pH＝－lg（H＋）}；
（3）相对原子质量的计算和阿伏加德罗常数的值的测定；
（4）根据转移电子的量求产物的量或根据产物的量求转移电子的量。
2．常用的三种方法：
（1）根据电子守恒法计算：
用于串联电路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电荷量等类型的计算，其依据是电路上转移的电子数相等；
（2）根据总反应式计算：
先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列比例式计算；
（3）根据关系式计算：
由得失电子守恒关系找到已知量与未知量之间的桥梁，得出计算所需的关系式。
3.计算步骤：
（1）根据现象或其他条件（如果是电解池，可以根据与电源正负极的连接情况），准确判定电极上发生氧化还原反应的类型和电极名称；
（2）准确写出电极反应式；
（3）根据题目所给条件和所要求解的问题，使用上述合适的方法建立等量关系求解。
【题型过关】
例题7如图所示为相互串联的甲、乙两电解池。
试回答：
（1）若甲池利用电解原理在铁上镀银，则A是________、________（填电极材料和电极名称，下同），电极反应式是________________；B是________、________，电极反应式是_____________________，应选用的电解质溶液是________。
（2）乙池中若滴入少量酚酞试液，开始电解一段时间，铁极附近呈________色。
（3）若甲槽阴极增重43.2g，则乙槽中阳极上放出的气体在标准状况下的体积是___mL。
答案
解析
（1）铁 阴极 Ag＋＋e－==Ag银 阳极 Ag－e－==Ag＋AgNO3溶液
（2）红
（3）4480
（1）电解池中，与电源正极相连的是阳极，与电源负极相连的是阴极，所以A是阴极，B是阳极。
电解时，通常用待镀件制品作阴极，用镀层金属作阳极。
用含有镀层金属离子的溶液作电镀液。
因此A是铁，B是银，电极反应分别是Ag＋＋e－===Ag，Ag－e－===Ag＋。
电解质溶液为AgNO3溶液。
（2）铁极附近H＋放电，OH－聚集，显碱性，使酚酞呈红色。
（3）甲槽阴极析出银：
n（Ag）＝
＝0.4mol，乙槽中阳极上放出的气体是氯气：
n（Cl2）＝0.2mol，标准状况下：
V（Cl2）＝0.2mol×22400mL·mol－1＝4480mL
例题8下图所示装置中，甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100g5.00%的NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和100g10.00%的K2SO4溶液，电极均为石墨电极。
接通电源，经过一段时间后，测得丙中K2SO4的质量分数为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。
答案
解析
（1）正
（2）4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
（3）水减少的质量：
100g×
＝4.5g 生成O2的体积：
×
×22.4L·mol－1＝2.8L
（4）16
由题中信息c的电极质量增加知：
c极上析出铜，故c为阴极，d为阳极，e为阴极，f为阳极。
（1）N为正极，M为负极，a为阴极，b为阳极。
（2）甲烧杯中b极上发生反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑。
（3）电解K2SO4溶液实际上是电解水，设电解水的质量为m，则100g×10.00%＝（100g－m）×10.47%，解得m＝4.5g，即0.25molH2O，每电解2molH2O转移4mol电子，故整个装置转移0.5mol电子，产生O2的体积为V＝n·Vm＝
×22.4L·mol－1＝2.8L。
（4）c极上析出铜的质量为
×64g·mol－1＝16g
例题9500mLKNO3和Cu（NO3）2的混合溶液中c（N）=6.0mol·L-1,用石墨作电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到22.4L气体（标准状况）,假定电解后溶液体积仍为500mL,下列说法正确的是（ ）
A.原混合溶液中c（K+）为2mol·L-1B.上述电解过程中共转移2mol电子
C.电解得到的Cu的物质的量为0.5molD.电解后溶液中c（H+）为2mol·L-1
答案
解析
A
两极都收集到22.4L气体,说明阴极上发生的反应依次为:
①Cu2++2e-=Cu;②2H++2e-=H2↑,阳极只生成O2:
4OH--4e-=O2↑+2H2O,n（H2）=n（O2）=1mol⇒n（e-）=4mol,B不正确。
根据电子转移守恒得:
n（Cu2+）=1mol,根据电荷守恒有n（K+）+n（Cu2+）×2=n（N）,所以n（K+）=1mol⇒c（K+）=2mol·L-1。
A正确。
根据Cu析出后,溶液中只有KNO3和HNO3,由电荷守恒可推出c（H+）=4mol·L-1
【单元过关演练】
一、选择题（本小题共7小题，每题只有一个正确选项，每题6分，共42分）
1.下列叙述中,正确的是（ ）
①电解池是将化学能转变为电能的装置②原电池是将电能转变成化学能的装置 ③金属和石墨导电均为物理变化,电解质溶液导电是化学变化 ④不能自发进行的氧化还原反应,通过电解的原理有可能实现 ⑤电镀过程相当于金属的“迁移”,可视为物理变化
A.①②③④B.③④C.③④⑤D.④
2.镍氢电池放电时的总反应原理为：
MH＋NiOOH―→M＋Ni（OH）2（M为氢化物电极的储氢金属，也可看做H2直接参加反应）。
下列说法正确的是（ ）
A．充电时阴极区电解质溶液pH降低
B．在使用过程中此电池要不断补充水
C．放电时NiOOH在电极上发生氧化反应
D．充电时阳极反应为：
Ni（OH）2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O
3．铅蓄电池的工作原理为：
Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。
研读下图，下列判断不正确的是（ ）
A．K闭合时，d电极反应式：
PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO
B．当电路中转移0.2mol电子时，Ⅰ中消耗的H2SO4为0.2mol
C．K闭合时，Ⅱ中SO
向c电极迁移
D．K闭合一段时间后，Ⅱ可单独作为原电池，d电极为正极
4.如图所示，将铁棒和石墨棒插入1L1mol·L－1食盐水中。
下列说法正确的是（ ）
A．若电键K与N连接，铁被保护不会腐蚀
B．若电键K与N连接，正极反应式是4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．若电键K与M连接，将石墨棒换成铜棒，可实现铁棒上镀铜
D．若电键K与M连接，当两极共产生28L（标准状况）气体时，生成了1molNaOH
5.下列叙述正确的是（ ）
A．电镀时，通常把待镀的金属制品作阳极
B．氯碱工业上电解的是熔融的NaCl
C．氢氧燃料电池（酸性电解质）中O2通入正极，电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
D．下图中电子由Zn极移向Cu极，盐桥中的Cl－移向CuSO4溶液
6.用酸性氢氧燃料电池为电源进行电解的实验装置如图所示。
下列说法中正确的是（ ）
A．燃料电池工作时，正极反应：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B．a极是铁，b极是铜时，b极逐渐溶解，a极上有铜析出
C．a极是粗铜，b极是纯铜时，a极逐渐溶解，b极上有铜析出
D．a、b两极均是石墨时，在相同条件下a极产生的气体与电池中消耗的H2体积相等
7.生物燃料电池是以有机物为燃料，直接或间接利用酶作为催化剂的一类特殊的燃料电池，其能量转化率高，是一种真正意义上的绿色电池，其工作原理如图所示。
已知C1极的电极反应为C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋。
下列说法中不正确的是（ ）
A．C1极为电池负极，C2极为电池正极
B．C2极的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C．该生物燃料电池的总反应方程式为C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O
D．电子由C2极经外电路流向C1极
二、非选择题（本小题共4小题，共58分）
8.有甲、乙两位同学均想利用原电池反应检测金属的活动性顺序,两人均使用镁片与铝片作电极,但甲同学将电极放入6mol·L-1H2SO4溶液中,乙同学将电极放入6mol·L-1的NaOH溶液中,如图所示。
请回答:
（1）写出甲池中正极的电极反应式:
。
（2）写出乙池中负极的电极反应式和总反应的离子方程式:
负极 ,总反应的离子方程式为 。
（3）如果甲、乙同学均认为“构成原电池的电极材料如果都是金属,则构成负极材料的金属应比构成正极材料的金属活泼”,则甲会判断出 活动性更强,而乙会判断出 活动性更强（填写元素符号）。
（4）由此实验,可得到如下哪些正确结论?
（填写字母序号）。
a.利用原电池反应判断金属活动性顺序时应注意选择合适的介质
b.镁的金属性不一定比铝的金属性强
c.该实验说明金属活动性顺序已过时,已没有实用价值
d.该实验说明化学研究对象复杂,反应受条件影响较大,因此应具体问题具体分析
（5）上述实验也反过来证明了“直接利用金属活动性顺序判断原电池中的正负极”,这种做法 （填“可靠”或“不可靠”）。
9.铅蓄电池是典型的可充电型电池，电池总反应式为Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO
2PbSO4＋2H2O,请回答下列问题（不考虑氢、氧的氧化还原）：
（1）放电时：
正极的电极反应式是__________________________________；电解液中H2SO4的浓度将变______；当外电路通过1mol电子时，理论上负极板的质量增加____g。
（2）在完全放电耗尽PbO2和Pb时，若按右图连接，电解一段时间后，则在A电极上生成______，电极反应：
___________，B电极上生成____，电极反应：
__________________，此时铅蓄电池的正、负极的极性将________。
10.重铬酸钾又名红矾钾，是化学实验室中的一种重要分析试剂。
工业上以铬酸钾（K2CrO4）为原料，采用电化学法制备重铬酸钾（K2Cr2O7）。
制备装置如图所示（阳离子交换膜只允许阳离子透过）,制备原理：
2CrO
（黄色）＋2H＋=Cr2O
（橙色）＋H2O。
（1）通电后阳极室产生的现象为_______________________________________________；
其电极反应式是_________________________。
（2）该制备过程总反应的离子方程式可表示为4CrO
＋4H2O通电,2Cr2O
＋4OH－＋2H2↑＋O2↑，若实验开始时在右室中加入38.8gK2CrO4，t分钟后测得右室中K与Cr的物质的量之比为3∶2，则溶液中K2CrO4和K2Cr2O7的物质的量之比为________；此时电路中转移电子的物质的量为________。
11.某课外活动小组用如图所示装置进行实验，请回答下列问题：
（1）若开始实验时开关K与a连接，则B极的电极反应式为_________________________。
（2）若开始实验时开关K与b连接，则下列说法正确的是________（填序号）。
①溶液中Na＋向A极移动
②从A极逸出的气体能使湿润的淀粉KI试纸变蓝
③反应一段时间后向电解液中加适量盐酸可使其恢复到电解前的浓度
（3）该小组运用工业上离子交换膜法制烧碱的原理，用如下图所示装置电解K2SO4溶液。
①该电解槽的阳极反应式为__
升级会员 