2022年高三化学考前冲刺——新型电池与电化学原理应用（35张ppt）

(共35张PPT)
新型电池与电化学原理应用
1、电极反应的书写（几乎每年都考）
(1)电极反应的书写实际上就是氧化还原离子方程式的配平
考虑三个守恒：得失电子守恒、电荷守恒、质量守恒
（2）书写步骤
(3)不同介质在电极反应式中的“去留”
具体情境中还可能出现：质交换膜（只允许H+通过）、熔融盐碳酸盐燃料电池（只允许碳酸跟离子定向移动）、固体氧化物燃料电池（只允许O2—定向迁移）、锂离子电池（只允许LI+定向迁移等）、有机物电解质等。
例5：高铁酸钾（K2FeO4）是重要的化工产品，在生产和生活中有广泛的应用。
（1）工业上可以用电解法制备高铁酸钾。
原理如图所示。阳极的电极反应是 。
（2）用高铁酸钾和锌制成的高铁碱性电池，能储存比普通碱性电池多50％的电能，已知该电池的总反应是： ，则负极的电极反应是 。
Fe = FeO42—
3Zn = 2ZnO22—+ZnO
3Zn—6e— = 2ZnO22—+ZnO
3Zn—6e— +10OH—　= 2ZnO22—+ZnO
Fe—6e— = FeO42—
Fe—6e—+8OH— = FeO42—
Fe—6e—+8OH— = FeO42—+4H2O
3Zn—6e— +10OH—　= 2ZnO22—+ZnO＋５H２O
例6.一种可充电的锂离子电池充、放电的工作示意图。该电池的反应式为:
分别写出K接到N、K接到M的电极反应。
K接到N，是放电的过程(原电池）
负极：
正极：
—x 0
K接到M ，是充电的过程（电解池）
阴极： C6 +xLi++-xe-=LixC6
阳极：LiCoO2—xe-=Li1－xCoO2+xLi+
总结：可充电池充电时，负极接外加电源的负极；正极接外加电源的正极。负接负；正接正。
LixC6 = C6
LixC6 -xe- = C6
LixC6 -xe- = C6 +xLi+
Li1－xCoO2 -= LiCoO2
Li1－xCoO2+xe- =LiCoO2
Li1－xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2
功能：使离子选择性定向迁移（目的是平衡溶液的离子浓度或电荷）。
2、电化学中的离子交换模问题（热点问题）
（1）常见的离子交换膜
种类 允许通过的离子及移动方向 说明
阳离子交换膜 阳离子→移向电解池的阴极或原电池的正极 只允许阳离子通过
阴离子交换膜 阴离子→移向电解池的阳极或原电池的负极 只允许阴离子通过
质子交换膜 质子→移向电解池的阴极或原电池的正极 只允许H＋通过
双极膜 将水离解成H+和OH— H+和OH—分别平衡膜两侧的电荷
（2）离子交换膜的作用
总结：无论是什么膜，离子运动的动力源泉都是异性相吸，阳离子向阴极（电解池）或正极（原电池）运动；阴离子向阳极（电解池）或负极（原电池）移动，主要看清膜的种类就可以。
教材原型：氯碱工业(二轮复习注意教材回归）
原电池装置的三个进阶
双极膜
电渗析法处理厨房垃圾发酵液
电解硫酸锰溶液制备锰
例7（2016年原创）某含锰矿物的主要成分有MnCO3、MnO2、FeCO3、SiO2、Al2O3等。已知FeCO3、MnCO3难溶于水。一种运用阴离子膜电解法的新技术可用于从碳酸锰矿中提取金属锰，主要物质转化关系如下：
（5）设备3中用阴离子膜法提取金属锰的电解装置图如右上图：
① 电解装置中箭头表示溶液中阴离子移动的方向，则A电极是直流电源的 极。实际生产中，阳极以稀硫酸为电解液，阳极的电极反应式为 。
② 该工艺之所以采用阴离子交换膜，是为了防止Mn2+进入阳极区发生副反应生成MnO2造成资源浪费，写出该副反应的电极反应式 。
A 负极 2H2O—2e—＝O２＋4H＋
Mn2+—2e—＋２H2O＝MnO2＋4H＋　
膜的功能：提高电解效率，调控反应的作用。
3、新型化学电源
（1）可充电池（二次电池）
可充电电池的解题、审题思路
教材中的原型
(二轮复习注意教材回归）
例8.我国科技工作者首次提出一种新型的Li＋电池，该电池正极为含有I－、Li＋的水溶液，负极为固态有机聚合物，电解质溶液为LiNO3溶液，聚合物离子交换膜作为隔膜将液态正极和固态负极隔开，其工作原理如图所示。下列有关判断正确的是(　　)
D
正极：I3— ＋2e－=3I—
负极
正极
阳极
阴极
（2）微生物燃料电池
例9(2020·山东)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含CH3COO—的溶液为例)。下列说法错误的是(　　)
A.负极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－=2CO2↑＋7H＋
B.隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜
C.当电路中转移1 mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5 g
D.电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
B
负极(a极) CH3COO－＋2H2O－8e－=2CO2↑＋7H＋
正极(b极) 2H+ +2e－=H2↑
规律：电极转移电子的量和离子运动产生的电量守恒。
负极
正极
例10(2021·辽宁铁岭高三二模改)微生物燃料电池(MFC)是一种现代化氨氮去除技术。下图为MFC碳氮联合同时去除的转化系统原理示意图。下列说法不正确的是(　　)
A．A极为电池的负极，电子从A电极流出
B．B极的电极反应式为2NO3— +12H++10e—=N2+6H2O
C．好氧微生物反应器中反应为：NH4++2O2=NO3—+2H+ +3H2O
D．当生成22.4 L CO2(标准状况)时，电路中共转移NA个电子
信息解读：根据 移动方向，说明电极A为负极、电极B为正极，电解质为酸性介质。根据CH3COO—变成CO2可以写出电极反应
D
负极：CH3COO— —8e— +2H 2O =2CO2+7H+
负极
正极
正极：2NO3— +12H++10e—=N2+6H2O
（3）浓差电池
构成原电池吗？
电动势差生的原因是因为硝酸银浓度不一样产生的，NO3— 移向a极,a极失去电子，电子经导线运动到右侧，右侧Ag+ 得到电子生成Ag，形成闭合回路，产生电流。
负极：
正极：
Ag— e— =Ag+
Ag++ e— =Ag
例11：（2021年北京海淀二模）下图是“海水河水”浓差电池装置示意图(不考虑溶解氧的影响)，其中a、b均为复合电极，b的电极反应式为AgCl+e— =Ag+Cl— 。下列说法正确的是( )
A. a的电极反应式为Ag-e—=Ag+
B. 内电路中，Na+由b极区向a极区迁移
C. 工作一段时间后，两极NaCl溶液的浓度差减小
D. 电路中转移时1mol电子，理论上a极区模拟海水的质量减少23g
负极：Ag—e— +Cl— =AgCl；正极：AgCl+e—=Ag+Cl—
。Na+ 通过阳离子交换膜进入河水中，电路中每转移1mol电子，负极区域损失的NaCl为1mol,理论上减少的质量为58.5克。D不正确。
C
4、 竞争放电问题——电解效率问题
例12（2020年北京3月考试院试测题）地球上氮元素对动植物有重要作用，其中氨的合成与应用是当前的研究热点。
（2）常温常压下电解合成氨的原理如下图所示：
①阴极合成氨的电极反应式为：　　　　　　　　　　　　。
②阳极氧化产物只有O２，电解时实际生成NH３的总产量远远小于由O２理论计算的NH３的量，结合电极反应解释原因： 　　　　　　　　　　。
　　　　　　　　　
阴极：N２＋６ｅ—＋６Ｈ＋＝２NH３　
电解中竞争放电问题：只要有氧化性的物质都可能在阴极放电；有还原性的物质都可能在阳极放电，因为副反应导致电解效率降低。
因为阴极，H＋也有氧化性，２H＋＋２ｅ—＝Ｈ２可能直接放电产生H２，导致氨气的量比理论量少。
例13（2021北京15）环氧乙烷(，简称EO)是一种重要的工业原料和消毒剂。由乙烯经电解制备EO的原理示意图如下。
（1）①阳极室产生Cl2后发生的反应有：___、CH2=CH2+HClO→HOCH2CH2Cl。
②结合电极反应式说明生成溶液a的原理____。
（2）一定条件下，反应物按一定流速通过
该装置。电解效率η和选择性S的定义：
①若η(EO)=100%，则溶液b的溶质为___。
2Cl— —2e— =Cl2
阴极反应： 2H2O+2e-=H2↑ + 2OH-生成OH-，K+ 通过阳离子交换膜从阳极迁移到阴极，形成KOH和KCl的混合溶液
KCl
Cl2+H2O=HCl+HClO
②当乙烯完全消耗时，测得η(EO)≈70%，S(EO)≈97%，推测η(EO)≈70%的原因：
I.阳极有H2O放电
II.阳极有乙烯放电
III阳极室流出液中含有Cl2和HClO
……
i.检验电解产物，推测I不成立。需要检验的物质是___。
ii.假设没有生成EO的乙烯全部在阳极放电生成CO2，
η(CO2)≈_______%。经检验阳极放电产物没有CO2。
iii.实验证实推测III成立，所用试剂及现象是_____。
可选试剂：AgNO3溶液、KI溶液、
淀粉溶液、品红溶液。
KI 溶液和淀粉溶液，溶液变蓝。
电解：只要有还原性的物质都可能在阳极放电，因为副反应导致电解效率降低。
70%=
a×97%×2
x
b%=
a×3%×12
x
b%=13%
设消耗的乙烯为amol,转移的电子数为xmol.设CO２的选择性为b%
5、 电化学原理的综合应用（与实验、工业流程、物质的制备融合）
电化学原理包含原电池原理和电解原理，本质上都是氧化还原反应，原电池是自发发生的氧化还原反应。
原电池的应用主要是：获取能量、调控反应（例如：钢铁防腐牺牲阳极的阴极保护外加电流的阴极保护）、提高生产效率（微电池效应提高时间效率，例如用铜粉、空气和硫酸生产硫酸铜，加碳粉可加快铜的溶解）、实验探究手段。（比如理论上分析AgNO3溶液可以和KI溶液发生氧还原反应，但是如果直接混合，确没有发生氧化还原反应，可以设计成双液体原电池，避免因为发生复分解反应而干扰氧化反应的发生。
是否电流表指针发生偏转，就证明发生了氧化还原反应呢？
分别取电池工作前与工作一段时间后左侧烧杯中溶液，同时滴加淀粉溶液，后者蓝色加深，证明AgNO3溶液可以和KI溶液发生氧还原反应；
电解是最强的氧化还原手段，电解可以制备有价值的物质,电解具有反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等优点，电解原理能使许多不能自发的反应得以实现（如乙酸被还原为乙醇）。工业上常用多室电解池制备物质，多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为两室、三室、多室等，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。如电渗析法处理厨房垃圾发酵液。
工作原理：阴极2H2O+2e— =H2+2OH—
阴离子增多，A—通过阴离子交换膜进入浓缩室；阳极4H2O—4e— =O2+4H+；正电荷增加，H+通过阳离子交换膜进入到浓缩室。浓缩室发生H++A—=HA。
（1）与物质制备融合
例14.（2021年北京顺义）二氧化锰和高锰酸钾是重要的化学用品
文献资料：K2MnO4为暗绿色固体，在强碱性溶液中稳定.
II.工业上常用软锰矿（主要成分MnO2）为原料制备高锰酸钾。其方法为：将软锰矿（充分粉碎后与KOH固体混合，通入空气充分焙烧，生成暗绿色熔融态物质。冷却，将固体研细，用稀KOH溶液浸取，过滤，得暗绿色溶液。再将K2MnO4溶液采用惰性电极隔膜法电解，制得KMnO4。
用惰性电极隔膜法电解K2MnO4溶液的装置为右图：
①溶液A最好为： 溶液。
②a极的电极反应为 。
③研究发现，用无膜法电解时，锰元素利用较低，其原因是_____。
答案：① 稀KOH溶液
② MnO42— －e—=MnO4—
③用无膜电解时， MnO42—和MnO4—会在阴极放电。
阴极
阳极
K2MnO4溶液
例15（2021北京顺义）传统的氯碱工业具有能耗高的缺点，科学家正在开发一种叫“氧阴极技术”的新工艺，新工艺与传统工艺相比在于阴极结构不同，通过向阴极区供应纯氧从而避免H+直接得电子生成H2，这样可以降低电压，从而减少能耗。下图是采用“氧阴极技术”的氯碱工业的装置图：
下列说法中不正确的是（ ）
A.阴极的电极反应为：O2+2H2O+4e－=4OH—
B.将阳极区用盐酸将溶液pH调节到2~3，是为了利于氯气溢出
C.该离子交换膜只能让阳离子通过，不能让阴离子通过
D.装置中发生反应的离子方程式为：
2Cl——2e— =Cl2
Cl2+H2O H++Cl—+HClO
D
补充：分解电压的理论
　　以电解0.100mol/L的Na2SO4溶液为例，阴极上有H2产生，阳极上有O２产生，H２和O２被吸附到电极上，组成氢氧燃料电池，该原电池的电动势与外加直流电源的电动势相反。只有当外加直流电源的电压大于该原电池的电动势时，才能使电解顺利进行。
　　分解电压：就是电解产物在电极上形成的某种原电池，产生的反向电动势。
　　理论分解电压：就是氢氧燃料电池形成原电池的电动势，0.100mol/L的Na2SO4溶液PH＝７，理论值为1.23V 。实际上通过实验测得分解电压为１.７V，实际值比理论值高。高出的部分就叫超电势，这是由于电极极化产生的。
例16（2021海淀一模）MnSO4是一种重要的化工产品。以菱锰矿(主要成分为MnCO3，还含有、FeO、CoO等)为原料制备MnSO4的工艺流程如下图。
（2）与工业流程融合(涉及分析解释类问题）
分析解释类问题解答模型
题目已
知条件
结论
？
分析题目确
定思考角度
利用图表、已知
信息等建立已知
和结论的关联
结合相关要素形成严谨逻辑推理路径，规范表达
(6)废渣长期露置于空气；其中的锰元素逐渐转化为MnO2。研究者用如图装置提取MnO2中的锰元素。图中“H·”代表氢自由基。实验测得电解时间相同时，随外加电流的增大，溶液中的C(Mn2+)先增大后减小，减小的原因可能是___________(写出两条)。
H·的来源：H++e-= H·
H+在阴极直接放电生成H2，使c(H·)减小；
或者2H· = H2，使c(H·)减小
已知：
电解时间相同，
外加电流逐渐增大
结论：
溶液中的c(Mn2+)先增大后减小
？
2H·+MnO2 +2H+= Mn2+2H2O
Mn2+在阴极被还原为Mn
Mn2+被阳极产生的O2氧化为MnO2
Mn2+被过量的H·进一步还原为Mn
H+被快速消耗，c(H+)减小，反应速率减慢
Mn2+发生其他副反应
反应速率
H·浓度下降
H+浓度下降的角度
思考角度
例17：[2017·北京改]可利用原电池装置证明反应Ag＋＋Fe2＋=Ag＋Fe3＋能发生。
已知：pH=2的硝酸不能氧化Fe2+
其中甲溶液是 ，操作及现象是 。
FeSO4溶液　
分别取电池工作前与工作一段时间后左侧烧杯中溶液，同时滴加KSCN溶液，后者红色加深；
这种带盐桥的双液原电池是证明两种物质能发生氧化还原反应的的模型：
1.NH3和浓硝酸
2.NH3和酸性高锰酸钾溶液
3.氯化铁溶液和硫化钠溶液。
4.AgNO3溶液Na2SO3溶液
（3）与实验、平衡融合
思考：是不是指针偏转就证明Ag＋和Fe2＋一定发生氧化还原反应呢？
例18（2018年北京高考）验证牺牲阳极的阴极保护法，实验如下（烧杯内均为经过酸化的3%NaCl溶液）。
下列说法不正确的是（ ）
A. 对比②③，可以判定Zn保护了Fe　　　
B. 对比①②，K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化
C. 验证Zn保护Fe时不能用①的方法　　　
D. 将Zn换成Cu，用①的方法可判断Fe比Cu活泼
① ② ③
在Fe表面生成蓝色沉淀 试管内无明显变化 试管内生成蓝色沉淀
D
对比、排除干扰、控制变量、空白对照
[Fe(CN)6]3— Fe3+ +6CN—
Fe 干扰了Fe2+
例19（2021年北京16）
某小组实验验证“Ag++Fe2+ Fe3++Ag↓”为可逆反应并测定其平衡常数。
（1）实验验证
实验I：将0.0100 mol/L Ag2SO4溶液与0.0400 mo/L FeSO4溶液(pH=1)等体积混合，产生灰黑色沉淀，溶液呈黄色。
实验II：向少量Ag粉中加入0.0100 mol/L Fe2(SO4)3溶液(pH=1)，固体完全溶解。
①取I中沉淀，加入浓硝酸，证实沉淀为Ag。现象是_______。
②II中溶液选用Fe2(SO4)3，不选用Fe(NO3)3的原因是_______。
综合上述实验，证实“Ag++Fe2+ Fe3++Ag↓”为可逆反应。
电化学与平衡融合、实验融合
③小组同学采用电化学装置从平衡移动角度进行验证。
补全电化学装置示意图,写出操作及现象_______。
综合上述实验，证实“Ag++Fe2+ Fe3++Ag↓”为可逆反应。
1.建立平衡
2.改变条件平衡会移动
a：铂/石墨电极，
b：FeSO4 或Fe2(SO4)3或二者混合溶液，
c：AgNO3 溶液；
闭合开关 K，Ag电极上固体逐渐溶解，指针向左偏转，一段时间后指针归零。再向左侧烧杯中加入滴加较浓的Fe2(SO4)3溶液，指针再次向左偏转；
或者闭合开关 K，Ag电极上有灰黑色固体析出，指针向右偏转，一段时间后指针归零，再向左侧烧杯中加入滴加较浓的Fe2(SO4)3溶液，Ag电极上固体逐渐减少，指针向左偏转 。
例20（2021北京）某小组探究卤素参与的氧化还原反应，从电极反应角度分析物质氧化性和还原性的变化规律。
（1）浓盐酸与MnO2混合加热生成氯气。氯气不再逸出时，固液混合物A中仍存在盐酸和MnO2。
②电极反应式：
i.还原反应：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O
ii.氧化反应：_____。
③根据电极反应式，分析A中仍存在盐酸和MnO2的原因。
i.随c(H+)降低或c(Mn2+)浓度升高，MnO2氧化性减弱。
ii.随c(Cl-)降低，_______。
2Cl— —2e-=Cl2↑
模型建构
还原反应中：增大还原产物的浓度或减小反应物的浓度，氧化剂的氧化性减弱。
氧化反应中：降低反应物的浓度或增大生成物的浓度，还原剂的还原性减弱。
④补充实验证实了③中的分析。
NaCl固体
MnSO4
实验验证
（2）利用c(H+)浓度对MnO2氧化性的影响，探究卤素离子的还原性。相同浓度的KCl、KBr和KI溶液，能与MnO2反应所需的最低c(H+)由大到小的顺序是_______，从原子结构角度说明理由______。
（3）根据(1)中结论推测：酸性条件下，加入某种化合物可以提高溴的氧化性，将Mn2+氧化为MnO2。经实验证实了推测，该化合物是_______。
（4）Ag分别与1mol/L的盐酸、氢溴酸和氢碘酸混合，Ag只与氢碘酸发生置换反应，试解释原因：_______。
Br2+Mn2++4H+ = MnO2+ 2Br—+2H2O
2Ag+2H+=2Ag++ H2↑, AgX的溶解度，AgI 溶解度最小，Ag++I-= AgI↓使得Ag还原性增强的最多，反应能够发生。
模型应用
电极电位可以比较水溶液中氧化剂或还原剂的强弱。在298K的标准态下，即气体的压强为1个标准大气压，水溶液中溶质的活度(近似于浓度)为1mol/L时，可用标准电极电位 Eθ 来衡量氧化剂氧化性或还原剂还原性的强弱。
标准电极电势对应的电极反应常写着：氧化型+ne— 还原型，
Eθ值越大，电对的氧化型氧化性越强，还原型还原性越弱。
非标准状态，用下列公式进行计算：
（Z为电对中得失电子的数目）
6.能斯特方程的介绍（层次比较高的学生）
例20（2021北京）某小组探究卤素参与的氧化还原反应，从电极反应角度分析物质氧化性和还原性的变化规律。
（1）浓盐酸与MnO2混合加热生成氯气。氯气不再逸出时，固液混合物A中仍存在盐酸和MnO2。
①反应的离子方程式是_______。
②电极反应式：
i.还原反应：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O
ii.氧化反应：_______。
③根据电极反应式，分析A中仍存在盐酸和MnO2的原因。
i.随c(H+)降低或c(Mn2+)浓度升高，MnO2氧化性减弱。
ii.随c(Cl-)降低，_______。
2Cl-—2e- = Cl2↑
Cl2+2e— =2Cl—
④补充实验证实了③中的分析。
NaCl固体
MnSO4
（2）利用c(H+)浓度对MnO2氧化性的影响，探究卤素离子的还原性。相同浓度的KCl、KBr和KI溶液，能与MnO2反应所需的最低c(H+)由大到小的顺序是_______，从原子结构角度说明理由______。
（3）根据(1)中结论推测：酸性条件下，加入某种化合物可以提高溴的氧化性，将Mn2+氧化为MnO2。经实验证实了推测，该化合物是_______。
（4）Ag分别与1mol/L的盐酸、氢溴酸和氢碘酸混合，Ag只与氢碘酸发生置换反应，试解释原因：_______。
Br2+Mn2++4H+ = MnO2+ 2Br—+2H2O
降低溴离子浓度就可以，可以加入AgNO3 溶液
比较AgX的溶解度，AgI 溶解度最小，Ag++I-= AgI↓使得Ag还原性增强的最多，使得2Ag+2H+=2Ag++ H2↑反应得以发生