第四章　化学反应与电能　体系构建　高考体验 学案 （含答案）—2023-2024学年（人教版2019）高中化学选择性必修1

第四章　化学反应与电能 体系构建　高考体验
考向一　新型燃料电池
例1　(2021·山东，10)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH O2、N2H4 O2、(CH3)2NNH2 O2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)2NNH2 O2燃料电池的理论放电量最大
D．消耗1 mol O2时，理论上N2H4 O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2 L
考向二　新型化学电源(二次电池)
例2　(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1 mol Cl2，电极a质量理论上增加23 g
例3　(2020·全国卷Ⅰ，12)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)
B．放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol
C．充电时，电池总反应为2Zn(OH)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D．充电时，正极溶液中OH－浓度升高
考向三　金属的腐蚀与防护
例4　(2022·广东，11)为检验牺牲阳极法对钢铁防腐的效果，将镀层有破损的镀锌铁片放入酸化的3%NaCl溶液中。一段时间后，取溶液分别实验，能说明铁片没有被腐蚀的是(　　)
A．加入AgNO3溶液产生沉淀
B．加入淀粉碘化钾溶液无蓝色出现
C．加入KSCN溶液无红色出现
D．加入K3[Fe(CN)6]溶液无蓝色沉淀生成
例5　(2020·江苏，11)将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在题图所示的情境中，下列有关说法正确的是(　　)
A．阴极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
B．金属M的活动性比Fe的活动性弱
C．钢铁设施表面因积累大量电子而被保护
D．钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快
考向四　电化学实验
例6　(2020·全国卷Ⅰ，27)为验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验。
回答下列问题：
(1)由FeSO4·7H2O固体配制0.10 mol·L－1 FeSO4溶液，需要的仪器有药匙、玻璃棒、________________(从下列图中选择，写出名称)。
(2)电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择_______作为电解质。
阳离子 u∞×108/(m2·s－1·V－1) 阴离子 u∞×108/(m2·s－1·V－1)
Li＋ 4.07 HCO 4.61
Na＋ 5.19 NO 7.40
Ca2＋ 6.59 Cl－ 7.91
K＋ 7.62 SO 8.27
(3)检流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知，盐桥中的阳离子进入________电极溶液中。
(4)电池反应一段时间后，测得铁电极溶液中c(Fe2＋)增加了0.02 mol·L－1。石墨电极上未见Fe析出。可知，石墨电极溶液中c(Fe2＋)＝____________。
(5)根据(3)、(4)实验结果，可知石墨电极的电极反应式为_______________________________，
铁电极的电极反应式为__________________。因此，验证了Fe2＋氧化性小于________，还原性小于________________。
(6)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液，将铁电极浸泡一段时间，铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是____________________________________________________________________。
体系构建　高考体验
考向一　新型燃料电池
例1　(2021·山东，10)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH-O2、N2H4-O2、(CH3)2NNH2-O2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)2NNH2-O2燃料电池的理论放电量最大
D．消耗1 mol O2时，理论上N2H4-O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2 L
答案　C
解析　放电过程为原电池工作原理，所以钾离子均向正极移动，A错误；碱性环境下，N2H4-O2清洁燃料电池总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O，其总反应中未消耗KOH，所以KOH的物质的量不变，其他两种燃料电池根据总反应可知，KOH的物质的量均减小，B错误；理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为m g，则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是×6、×4、×16，通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大，C正确；根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗1 mol O2生成的氮气的物质的量为1 mol，在标准状况下体积为22.4 L，D错误。
考向二　新型化学电源(二次电池)
例2　(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1 mol Cl2，电极a质量理论上增加23 g
答案　C
解析　由充电时电极a的反应可知，充电时电极a发生还原反应，所以电极a是阴极，则电极b是阳极，故A错误；放电时负极反应为Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋，正极反应为Cl2＋2e－===2Cl－，反应后Na＋和Cl－浓度都增大，则放电时NaCl溶液的浓度增大，pH不变，故B错误、C正确；充电时阳极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极反应为NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－===Na3Ti2(PO4)3，由得失电子守恒可知，每生成1 mol Cl2，电极a质量理论上增加23 g·mol－1×2 mol＝46 g，故D错误。
例3　(2020·全国卷Ⅰ，12)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)
B．放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol
C．充电时，电池总反应为2Zn(OH)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D．充电时，正极溶液中OH－浓度升高
答案　D
解析　由装置示意图可知，放电时负极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)，A项正确；放电时CO2转化为HCOOH，C元素化合价降低2，则1 mol CO2转化为HCOOH时，转移电子数为2 mol，B项正确；由装置示意图可知充电时正极(阳极)产生O2，负极(阴极)产生Zn，C项正确；充电时正极(阳极)上发生反应2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，OH－浓度降低，D项错误。
考向三　金属的腐蚀与防护
例4　(2022·广东，11)为检验牺牲阳极法对钢铁防腐的效果，将镀层有破损的镀锌铁片放入酸化的3%NaCl溶液中。一段时间后，取溶液分别实验，能说明铁片没有被腐蚀的是(　　)
A．加入AgNO3溶液产生沉淀
B．加入淀粉碘化钾溶液无蓝色出现
C．加入KSCN溶液无红色出现
D．加入K3[Fe(CN)6]溶液无蓝色沉淀生成
答案　D
解析　将镀层有破损的镀锌铁片放入酸化的3%NaCl溶液中，会构成原电池，由于锌比铁活泼，锌作原电池的负极，铁片作正极，溶液中破损的位置会变大，铁也会继续和酸化的氯化钠溶液反应产生氢气，溶液中会有亚铁离子生成。氯化钠溶液中始终存在氯离子，所以加入硝酸银溶液后，不管铁片是否被腐蚀，均会出现白色沉淀，故A不符合题意；淀粉碘化钾溶液可检测氧化性物质，但不论铁片是否被腐蚀，均无氧化性物质生成，故B不符合题意；KSCN溶液可检测铁离子的存在，上述过程中不会出现铁离子，所以无论铁片是否被腐蚀，加入KSCN溶液后，均无红色出现，故C不符合题意；K3[Fe(CN)6]溶液是用于检测Fe2＋的试剂，若铁片没有被腐蚀，则溶液中不会生成亚铁离子，则加入K3[Fe(CN)6]溶液就不会出现蓝色沉淀，故D符合题意。
例5　(2020·江苏，11)将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在题图所示的情境中，下列有关说法正确的是(　　)
A．阴极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
B．金属M的活动性比Fe的活动性弱
C．钢铁设施表面因积累大量电子而被保护
D．钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快
答案　C
解析　阴极得电子，A错误；金属M失电子，其活动性应比铁强，B错误；M失去的电子流入钢铁设施表面，钢铁设施不易失去电子而被保护，C正确；海水所含电解质的浓度远大于河水，因此钢铁设施在海水中被腐蚀的速率快，D错误。
考向四　电化学实验
例6　(2020·全国卷Ⅰ，27)为验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验。
回答下列问题：
(1)由FeSO4·7H2O固体配制0.10 mol·L－1 FeSO4溶液，需要的仪器有药匙、玻璃棒、________________(从下列图中选择，写出名称)。
(2)电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择_______作为电解质。
阳离子 u∞×108/(m2·s－1·V－1) 阴离子 u∞×108/(m2·s－1·V－1)
Li＋ 4.07 HCO 4.61
Na＋ 5.19 NO 7.40
Ca2＋ 6.59 Cl－ 7.91
K＋ 7.62 SO 8.27
(3)检流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知，盐桥中的阳离子进入________电极溶液中。
(4)电池反应一段时间后，测得铁电极溶液中c(Fe2＋)增加了0.02 mol·L－1。石墨电极上未见Fe析出。可知，石墨电极溶液中c(Fe2＋)＝________。
(5)根据(3)、(4)实验结果，可知石墨电极的电极反应式为_______________________，铁电极的电极反应式为________________。因此，验证了Fe2＋氧化性小于________，还原性小于________________________________________________________________________。
(6)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液，将铁电极浸泡一段时间，铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是_________________________
_____________________________________________________________________________。
答案　(1)烧杯、量筒、托盘天平　(2)KCl　(3)石墨
(4)0.09 mol·L－1　(5)Fe3＋＋e－===Fe2＋　Fe－2e－===Fe2＋　Fe3＋　Fe　
(6)取活化后溶液少许于试管中，加入KSCN溶液，溶液不出现红色
解析　(1)根据用固体物质配制一定物质的量浓度溶液的方法可知，题图给出的仪器中还需要烧杯、量筒和托盘天平。(2)盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生反应，两烧杯溶液中含有Fe2＋、Fe3＋和SO，Ca2＋与SO生成微溶于水的CaSO4，Fe2＋、Fe3＋均与HCO反应，酸性条件下NO与Fe2＋发生反应，故盐桥中不能含有Ca2＋、HCO和NO。盐桥中阴、阳离子的电迁移率u∞尽可能相近，分析表中阳离子和阴离子的u∞数据，K＋和Cl－的u∞相差较小，故盐桥中应选择KCl作为电解质。
(3)检流表显示电子由铁电极流向石墨电极，则铁电极是负极，石墨电极是正极，盐桥中阳离子向正极移动，故阳离子进入石墨电极溶液中。
(4)假设两个烧杯中溶液体积均为V L，铁电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，一段时间后，铁电极溶液中c(Fe2＋)增加0.02 mol·L－1，则电路中通过电子的物质的量为0.02 mol·L－1×V L×2＝0.04V mol。石墨电极上未见Fe析出，则石墨电极反应式为Fe3＋＋e－===Fe2＋，据得失电子守恒可知，石墨电极生成Fe2＋的物质的量为0.04V mol，故石墨电极溶液中c(Fe2＋)＝＝0.09 mol·L－1。
(5)由(4)分析可知，石墨电极反应式为Fe3＋＋e－===Fe2＋，据此得出Fe2＋的氧化性小于Fe3＋；铁电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，据此得出Fe2＋的还原性小于Fe。
(6)铁电极表面被刻蚀活化，Fe与Fe2(SO4)3溶液发生反应：Fe＋Fe2(SO4)3===3FeSO4，活化反应完成后，溶液中不含Fe3＋，可向FeSO4溶液中滴加KSCN溶液，若溶液不变红色，证明活化反应完成。