专题8电化学及其应用.docx

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专题8电化学及其应用

专题八电化学及其应用

【考纲要求】

1.了解原电池和电解池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。

2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。

3.理解金属发生电化学腐蚀的原因。

了解金属腐蚀的危害和防止金属腐蚀的措施。

【考情分析】

电化学是氧化还原反应知识的应用和延伸，是历年高考的热点内容。

考查的主要知识点：

原电池和电解池的工作原理、电极反应式的书写和判断、电解产物的判断、金属的腐蚀和防护。

对本部分知识的考查仍以选择题为主，在非选择题中电化学知识可能与工业生产、环境保护、新科技、新能源知识相结合进行命题。

复习时，应注意：

1．对基础知识扎实掌握，如电极反应式的书写、燃料电池的分析等。

2.电化学问题的探究设计、实物图分析及新型电池的分析是近年来高考中的热点，通过在练习中总结和反思，提高在新情境下运用电化学原理分析解决实际问题的能力。

【知识网络】

一、原电池电极的判断以及电极方程式的书写

1.原电池正、负极的判断方法：

（1）由组成原电池的两极材料判断。

一般是活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。

（2）根据电流方向或电子流动方向判断。

电流由正极流向负极；电子由负极流向正极。

（3）根据原电池里电解质溶液内离子的流动方向判断。

在原电池的电解质溶液内，阳离子移向正极，阴离子移向负极。

（4）根据原电池两极发生的变化来判断。

原电池的负极失电子发生氧化反应，其正极得电子发生还原反应。

（5）电极增重或减轻。

工作后，电极质量增加，说明溶液中的阳离子在电极（正极）放电，电极活动性弱；反之，电极质量减小，说明电极金属溶解，电极为负极，活动性强。

（6）有气泡冒出。

电极上有气泡冒出，是因为发生了析出H2的电极反应，说明电极为正极，活动性弱。

2．原电池电极反应式和总反应式的书写

（1）题目给定原电池的装置图，未给总反应式：

①首先找出原电池的正、负极，即分别找出氧化剂和还原剂。

②结合介质判断出还原产物和氧化产物。

③写出电极反应式（注意两极得失电子数相等），将两电极反应式相加可得总反应式。

（2）题目中给出原电池的总反应式：

①分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况，找出氧化剂及其对应的还原产物，氧化剂发生的反应即为正极反应；找出还原剂及其对应的氧化产物，还原剂参加的反应即为负极反应。

②当氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物由多种元素组成时，还应注意介质的反应。

③若有一电极反应较难写出，可先写出较易写出的电极反应，然后再利用总反应式减去该电极反应即得到另一电极反应。

说明：

在书写电极反应式时要注意哪些方面？

1．两极得失电子数目相等；

2．电极反应式常用“＝”不用“→”表示；

3．电极反应式中若有气体生成，需加“↑”；而弱电解质或难溶物均以分子式表示，其余以离子符号表示；

4．写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒，可在电极反应式一端根据需要添加H＋或OH－或H2O；

5．两电极反应、电池总反应的三个方程式，若已知其中两个，可由方程式的加减得到第三个。

二原电池工作原理的应用

1．依据原电池原理比较金属活动性强弱

（1）电子由负极流向正极，由活泼金属流向不活泼金属，而电流方向是由正极流向负极，二者是相反的。

（2）在原电池中，活泼金属作负极，发生氧化反应；不活泼金属作正极，发生还原反应。

（3）原电池的正极通常具备特定的现象：

有气体生成，或电极质量增加或不变等；负极通常不断溶解，质量减少。

2．根据原电池原理，把各种氧化还原反应设计成电池

从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。

关键是选择合适的电解质溶液和两个电极。

（1）电解质溶液的选择

电解质是使负极放电的物质。

因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应。

或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如空气中的氧气）。

但如果两个半反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），则左右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。

如，在铜—锌—硫酸构成的原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2＋的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2＋的溶液中。

（2）电极材料的选择

电池的电极必须导电。

电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料。

正极和负极之间只有产生电势差，电子才能定向移动，所以正极和负极不用同一种材料。

一般情况下，两个电极的构成分为4种情况：

①活泼性不同的两种金属。

例如，锌铜原电池中，锌作电池的负极，铜作电池的正极。

②金属和非金属。

例如，锌锰干电池中，锌片作电池的负极，石墨棒作电池的正极。

③金属和化合物。

例如，铅蓄电池中，铅板作电池的负极，二氧化铅作电池的正极。

④惰性电极。

例如，氢氧燃料电池中，两根电极均可用Pt。

三、原电池正负极判断的方法

1．由组成原电池的两极材料判断

较活泼的金属为负极，较不活泼的金属或能导电的非金属为正极。

2．根据电流方向或电子流向判断

外电路中，电流由正极流向负极，电子由负极流向正极。

3．根据原电池电解质溶液中离子的移动方向判断

在原电池电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极。

4．根据原电池中两极发生的反应判断

原电池中，负极总是发生氧化反应，正极总是发生还原反应。

若给出一个总方程式，则可根据化合价升降来判断。

5．根据电极质量的变化判断

原电池工作后，某一电极质量增加，说明溶液中的阳离子在该电极上放电，该极为正极，活泼性较弱；反之，如果某一电极质量减轻，则该电极溶解，为负极，活泼性较强。

6．根据电极上有气泡产生判断

原电池工作后，如果某一电极上有气体产生，通常是因为该电极发生了析出H2的反应，说明该电极为正极，活泼性较弱。

7．根据某电极（X）附近pH的变化判断

析氢或吸氧的电极反应发生后，均能使该电极附近电解质溶液的pH增大，因而原电池工作后，X极附近的pH增大了，说明X极为正极，金属活动性较强。

四电池电极反应式的书写方法

书写电极反应式前，我们应首先明确电池的正负极、电极材料和电解质溶液的性质，对于二次电池还要注意放电或充电的方向。

（1）电极的判断

对于普通电池，我们通常比较两个电极的金属活动性，通常金属活动性强的电极为电池的负极，金属活动性弱的电极或非金属（通常为石墨）为电池的正极。

对于燃料电池，两个电极的材料通常相同，所以从电极材料上很难判断电池的正负极。

判断电池正负极的方法，通常是利用电池总反应式，含化合价升高元素的反应物为电池的负极反应物，此电极为负极；含化合价降低元素的反应物通常为电池的正极反应物，此电极为电池的正极。

（2）电极反应书写步骤

例如，铅蓄电池其总反应式为：

PbO2（s）＋Pb（s）＋2H2SO4（aq）

2PbSO4（s）＋2H2O（l）

其电极反应式的书写步骤为：

放电时，为原电池原理，总反应式中已指明放电方向从左向右的过程，即可逆符号左边为反应物，右边为生成物。

①由化合价的升降判断负、正极的反应物

负极：

Pb　正极：

PbO2

②主产物　负极：

PbSO4　正极：

PbSO4

③由化合价升降确定电子得失的数目　负极：

－2e－　正极：

＋2e－

④电极反应关系式　负极：

Pb－2e－⇒PbSO4　正极：

PbO2＋2e－⇒PbSO4

⑤考虑电解质溶液，再利用电荷守恒、质量守恒调整反应式

负极：

Pb－2e－＋SO42-＝PbSO4　

正极：

PbO2＋2e－＋4H＋＋SO42-＝PbSO4＋2H2O

充电时，是总反应式的逆向过程，氧化剂、还原剂都为PbSO4

分析反应过程

阴极（发生还原反应或与外电源负极相连）反应过程：

PbSO4

阳极（发生氧化反应或与外电源正极相连）反应过程：

PbSO4

充电时电极反应

阴极：

PbSO4＋2e－＝Pb＋SO42-

阳极：

PbSO4＋2H2O－2e－＝PbO2＋4H＋＋SO42-

（3）燃料电池电极反应式的书写是中学化学教学的难点，也是高考化学的常考考点之一，在书写时学生往往易错。

针对燃料电池电极反应式书写总结如下：

1、首先分清原电池的正、负极均为惰性电极，电极均不参与反应。

2、正极发生还原反应，通入的气体一般是氧气，氧气得到电子首先变为氧离子，根据电解质的不同，其正极电极反应式书写分以下几种情况：

（1）在酸性溶液中生成的氧离子与氢离子结合生成水，其电极反应式为：

O2+4e-+H+==4H2O

（2）在碱性溶液中,氧离子与氢氧根离子不能结合,只能与水结合生成氢氧根离子,其电极反应式为：

O2+4e-+2H2O==4OH-

（3）在熔融碳酸盐中,氧离子与碳酸根离子不能结合，只能与二氧化碳结合生成碳酸根离子，其电极反应式为：

O2+2CO2+4e-==2CO32-

（4）在熔融氧化物介质中，氧气得到电子转化为氧离子,其电极反应式为：

O2+4e-==2O2-

3、负极发生氧化反应,负极生成的离子一般与正极产场结合，有以下几种情况：

（1）若负极通入的气体是氢气,则

①酸性液中H2-2e-==2H+

②碱性溶液中H2-2e-+2OH-==2H2O

③熔融氧化物中H2-2e-+O2-==H2O

（2）若负极通入的气体为含碳的化合物CO、CH4、CH3OH等,碳元素均转化为正四价碳的化合物、在酸性溶液中生成二氧化物气体、在碱性溶液中生成碳酸根离子,熔融碳酸盐中生成二氧化碳，熔融氧化物中生成碳酸根离子。

含有氢元素的化合物最终都有水生成。

如CH3OH燃料电池：

酸性溶液中负极反应式为:

：

CH3OH-6e-+H2O==CO2↑+6H+

碱性溶浚中负极反应式为：

CH3OH-8e-+10OH-==CO32-+7H2O

氢氧燃料电池

氢氧燃料电池一般是以惰性金属铂（Pt）或石墨做电极材料，负极通入H2，正极通入O2，

总反应为：

2H2+O2===2H2O

电极反应特别要注意电解质，有下列三种情况：

1．电解质是KOH溶液（碱性电解质）

负极发生的反应为：

H2–2e-===2H+,2H++2OH-===2H2O,所以：

负极的电极反应式为：

H2–2e-+2OH-===2H2O；

正极是O2得到电子，即：

O2+4e-===2O2-，O2-在碱性条件下不能单独存在，只能结合H2O生成OH-即：

2O2-+2H2O===4OH-，因此，正极的电极反应式为：

O2+2H2O+4e-===4OH-

2．电解质是H2SO4溶液（酸性电解质）

负极的电极反应式为：

H2–2e-===2H+

正极是O2得到电子，即：

O2+4e-===2O2-，O2-在酸性条件下不能单独存在，只能结合H+生成H2O即：

O2-+2H+===H2O，因此正极的电极反应式为：

O2+4H++4e-===2H2O

3.电解质是NaCl溶液（中性电解质）

负极的电极反应式为：

H2–2e-===2H+

正极的电极反应式为：

O2+2H2O+4e-===4OH-

说明：

1.碱性溶液反应物、生成物中均无H+

2.酸性溶液反应物、生成物中均无OH-

3.中性溶液反应物中无H+和OH-

4.水溶液中不能出现O2-

甲醇燃料电池

甲醇燃料电池以铂为两极,用碱或酸作为电解质：

1.碱性电解质（KOH溶液为例）

总反应式：

2CH4O+3O2+4KOH===2K2CO3+6H2O

正极的电极反应式为：

3O2+12e-+6H20===12OH-

负极的电极反应式为：

CH4O-6e-+8OH-===CO32-+6H2O

2.酸性电解质（H2SO4溶液为例）

总反应:

2CH4O+3O2===2CO2+4H2O

正极的电极反应式为：

3O2+12e-+12H+===6H2O

负极的电极反应式为：

2CH4O-12e-+2H2O===12H++2CO2

说明：

乙醇燃料电池与甲醇燃料电池原理基本相同

甲烷燃料电池

甲醇燃料电池以铂为两极,用碱或酸作为电解质：

总反应为：

CH4+2KOH+2O2===K2CO3+3H2O

1.碱性电解质（KOH溶液为例）

正极的电极反应式为：

2O2+8e-+6H20===8OH-

负极的电极反应式为：

CH4-8e-+10OH-===CO32-+7H2O

2.酸性电解质（H2SO4溶液为例）

总反应:

CH4+2O2===CO2+2H2O

正极的电极反应式为：

2O2+8e-+8H+===4H2O

负极的电极反应式为：

CH4-8e-+2H2O===8H++CO2

五电解质溶液的电解规律（惰性电极）

1.以惰性电极电解电解质溶液，分析电解反应的一般方法和步骤

（1）分析电解质溶液的组成，找出离子，并分为阴、阳两组。

（2）分别对阴、阳离子排出放电顺序，写出两极上的电极反应式。

（3）合并两个电极反应式，得出电解反应的总化学方程式或离子方程式。

2．反应类型

（1）电解水型：

含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐（如NaOH、H2SO4、K2SO4等）溶液的电解。

如：

阴极：

4H＋＋4e－＝2H2↑，

阳极：

4OH－－4e－＝2H2O＋O2↑，

总反应：

（2）自身分解型：

无氧酸（除HF外）、不活泼金属的无氧酸盐（除氟化物外，如HCl、CuCl2等）溶液的电解。

如：

阴极：

Cu2＋＋2e－＝Cu，

阳极：

2Cl－－2e－＝Cl2↑，

（3）放氢生碱型：

活泼金属的无氧酸盐（氟化物除外，如NaCl、MgCl2等）溶液的电解。

如：

阴极：

2H＋＋2e－＝H2↑，

阳极：

2Cl－－2e－＝Cl2↑，

（4）放氧生酸型：

不活泼金属的含氧酸盐（如CuSO4、AgNO3等）溶液的电解。

如：

阴极：

2Cu2＋＋4e－＝2Cu，

阳极：

2H2O－4e－＝O2↑＋4H＋，

六原电池、电解池和电镀池的比较

原电池

电解池

电镀池

定义

将化学能转化成电能的装置

将电能转变成化学能的装置

应用电解原理，在某些金属表面镀上一层其他金属的装置

装置举例

形成条件

①活动性不同的两个电极（连接）；②电解质溶液（电极插入其中并与电极自发反应）；③形成闭合回路直流电源；

①两个电极接②两个电极插入电解质溶液；③形成闭合回路电源正极；

①镀层金属接

②电镀液必须含有镀层金属的离子

电极名称

负极：

较活泼金属；

正极：

较不活泼金属（或能导电的非金属）

阳极：

与电源正极相连的极；

阴极：

与电源负极相连的极（由外加电源决定）

阳极：

镀层金属；阴极：

镀件（同电解池）

电极反应

负极：

氧化反应，金属失电子；

正极：

还原反应，溶液中的阳离子得电子

阳极：

氧化反应，溶液中的阴离子失电子，或电极金属失电子；

阴极：

还原反应，溶液中的阳离子得电子

阳极：

金属电极失电子；

阴极：

电镀液中阳离子得电子

电子流向

负极正极

电源负极阴极

电源正极阳极

电源负极阴极电源正极阳极

反应原理举例

负极：

Zn－2e－＝Zn2＋

正极：

2H＋＋2e－＝H2↑

总反应：

Zn＋2H＋

Zn2＋＋H2↑

阳极：

2Cl－－2e－＝Cl2↑

阴极：

Cu2＋＋2e－＝Cu

总反应：

Cu2＋＋2Cl－

Cu＋Cl2↑

阳极：

Zn－2e－＝Zn2＋

阴极：

Zn2＋＋2e－＝Zn

溶液中

Zn2＋浓度不变

主要应用

金属的电化学腐蚀分析；

牺牲阳极的阴极保护法；

制造多种新的化学电源

电解食盐水（氯碱工业）；电冶金（冶炼Na、Mg、Al）；精炼铜

镀层金属为铬、锌、镍、银等，使被保护的金属抗腐蚀能力增强，增加美观和表面硬度

实质

使氧化还原反应中的电子通过导线定向转移，形成电流

使电流通过电解质溶液，而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程

联系

（1）同一原电池的正、负极发生的电极反应得、失电子数相等。

（2）同一电解池的阴极、阳极发生的电极反应中得、失电子数相等。

（3）串联电路中的各个电极反应得、失电子数相等。

上述三种情况下，在写电极反应式时，得、失电子数要相等，在计算电解产物的量时，应按得、失电子数相等计算

【考点精析】

考点一原电池的工作原理及其应用

1．原电池正负极的判断

2．原电池电极反应式的书写

如果题目给定的是图示装置，先要分析正、负极，再根据反应规律去写电极反应式；如果题目给定的是总反应式，可先分析此反应中的氧化反应或还原反应（即分析有关元素的化合价变化情况），再选择一个简单变化情况去写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作是数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果。

【特别提醒】

（1）对于可充电电池的反应，需要看清楚“充电、放电”的方向，放电过程应用原电池原理，充电过程应用电解池原理。

（2）对于电解质溶液中有离子参与的反应，要特别注意将参与反应的离子写入电极反应式中。

例1（2013江苏卷）Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。

该电池以海水为电解质溶液，示意图如下。

该电池工作时，下列说法正确的是

A.Mg电极是该电池的正极

B.H2O2在石墨电极上发生氧化反应

C.石墨电极附近溶液的pH增大

D.溶液中Cl－向正极移动

【答案】C

【解析】本题是电化学基础的一条简单综合题，着力考查学生对原电池基础知识的理解能力。

A.组成的原电池的负极被氧化，镁为负极，而非正极。

B、C.双氧水作为氧化剂，在石墨上被还原变为水生成OH-，溶液PH值增大。

D.溶液中Cl－移动方向同外电路电子移动方向一致，应向负极方向移动。

例2（2013海南卷）4．Mg-AgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池反应方程式为：

2AgCl+Mg=Mg2++2Ag+2Cl-。

有关该电池的说法正确的是

A．Mg为电池的正极

B．负极反应为AgCl+e-=Ag+Cl-

C．不能被KCl溶液激活

D．可用于海上应急照明供电

[答案]D

[解析]：

根据氧化还原判断，Mg为还原剂是负极、失电子，所以A、B都错，C电解质溶液可用KCl溶液代替。

例3（2013北京卷）7.下列金属防腐的措施中，使用外加电流的阴极保护法的是

A.水中的钢闸门连接电源的负极B.金属护拦表面涂漆

C.汽水底盘喷涂高分子膜D.地下钢管连接镁块

【答案】A

【解析】

A、钢闸门连接电源的负极，为电解池的阴极，被保护，属于外加电流的阴极保护法，故正确；

BC、是金属表面覆盖保护层，隔绝空气，故错误

D、镁比铁活泼，构成原电池，铁为正极，被保护，是牺牲阳极的阴极保护法，故错误。

[答案]D

变式题1将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面

上，一段时间后发现液滴覆盖的圆周中心区（a）已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环（b），如图所示。

导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘少。

下列说法正确的是

A．液滴中的Cl-由a区向b区迁移

B．液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：

O2＋2H2O＋4e-

4OH－

C．液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2＋由a区向b区迁移，与b区的OH―形成Fe（OH）2，进一步氧化、脱水形成铁锈

D．若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应为

Cu－2e-=Cu2＋

【答案】B

【解析】NaCl溶液滴到一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后在液滴覆盖的圆周中心区（a）被腐蚀变暗，实际上是发生了吸氧腐蚀，这时，

负极电极反应为：

Fe-2e-=Fe2＋（发生氧化反应）

正极电极反应为：

O2+2H2O+4e-=4OH―（发生还原反应）

在液滴外沿，由于Fe2＋+2OH―=Fe（OH）2，

4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3形成了棕色铁锈环（b）.

若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，由于Fe的金属活动性比铜强，Fe仍为负极，负极发生的电极反应为：

Fe－2e-=Fe2＋。

又根据在原电池中，阳离子移向正极，阴离子移向负极的规律，Cl－应由b区向a区迁移。

所以A、C、D选项均错误，B选项正确。

变式题2设计新型燃料电池是本世纪最富有挑战性的课题之一。

（1）有人制造了一种燃料电池，一个电极通入O2（含有少量CO2），另一个电极通入CH4，电池的电解质是熔融的K2CO3。

该电池的负极反应式为____________________________，电池工作时，电解质里的CO32-（向________极移动（填“正”或“负”）。

（2）某科研小组依据甲醇燃烧的反应原理，设计如图10－3所示的原电池装置。

该电池的负极反应式为________________________________________________，用该电池电解CuCl2溶液，当产生33.6LCl2（标准状况下）时，消耗甲醇的质量为________g。

考点二电解原理及其应用

1．电解池中阴、阳极的确定及电极反应式的书写

分析问题的一般程序为：

找电源判断电解池阳极阴极。

连接电源正极的一极为阳极，阳极发生氧化反应；连接电源负极的一极为阴极，阴极发生还原反应。

【特别注意】书写电解池电极反应式时，要以实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，要找出实际放电离子的来源，如果为弱电解质（如水）要写出分子式。

2．电解时电极产物的判断

（1）阳极产物的判断

①如果是活泼电极（金属活动性顺序表Ag以前包括Ag），则电极材料失电子，电极被溶解，溶液中的阴离子不能失电子；

②如果是惰性电极（Pt、Au、石墨），则要再看溶液中阴离子的失电子能力，此时根据阴离子放电顺序进行判断，常见阴离子放电顺序：

S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根。

（2）阴极产物的判断

直接根据阳离子放电顺序进行判断，阳离子放电顺序与金属活动性顺序相反，其中Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋。

3．电化学计算的基本方法

（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、相同电量等类型的计算，其依据是电路中通过的电子数相等。

（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出比例式计算。

（3）根据关系式计算：

借助得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁，建立计算所需的关系式。

【特别注意】混合溶液的电解要分清阶段，理清两极电解过程中的电子守恒。

如电解CuSO4溶液，在电解的条件下开始发生反应2CuSO4＋2H2O==2Cu＋2H2SO4＋O2↑，后来发生反应2H2O==2H2↑＋O2↑。

例4（2013山东卷）28．金属冶炼和处理常涉及氧化还原反应。

（1）由下列物质冶炼相应金属时采用电解法的是。

a．Fe2O3b．NaClc．Cu2Sd．Al2O3

（2）辉铜矿（Cu2S）可发生反应2Cu2S+2H2SO4+5O2＝4CuSO4+2H2O，该反应的还原剂是，当1molO2发生反应时，还原剂所失电子的物质的量为_向CuSO4溶液中加入镁条时有气体生成，该气体是。

（3）右图为电解精炼银的示意图，（填a或b）极为含有杂质的粗银，若b极有少量红棕色气体生成，则生成该气体的电极反应式为

。

（4）为处理银器表面的黑斑（Ag2S），将银器置于铝制容器