第1章 化学反应与能量转化 导学课件（10份）鲁科版（2019）高中化学选择性必修1

(共46张PPT)
第1章　化学反应与能量转化
第2节　第1课时　原电池的工作原理
素 养 目 标
1.了解原电池的工作原理,从而形成证据推理与模型认知的学科核心素养。
2.能设计简单的原电池,体现科学探究与创新意识的学科核心素养。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
必备知识
一、铜锌原电池
1.装置
2.实验现象及分析
电极 Zn极 Cu极
实验现象 ① 检流计指针发生偏转 ② 锌片质量减小 铜片质量增加
电子流向 由Zn极流向Cu极(填“Zn”或“Cu”) 电子得失 Zn失电子 Cu2+得电子
电极名称 负极 正极
电极反应 Zn-2e-==Zn2+ Cu2++2e-==Cu
能量转化 化学能转化为电能
二、原电池的工作原理
1.原电池的定义:把化学能转化为电能的装置。
2.原电池的构成条件
反应 能自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
电极 一般是活泼性不同的两个电极(金属或石墨等)
闭合回路 ①电解质溶液　②两电极直接或间接接触
③两电极插入电解质溶液中
3.原电池的工作原理
(1)电极。
①负极:失去电子,发生氧化反应;
②正极:得到电子,发生还原反应。
(2)电子定向移动方向和电流方向。
①电子从负极流出经外电路流入正极;
②电流从正极流出经外电路流入负极;故电子定向移动方向与电流方向正好相反。
(3)离子移动方向。
电解质溶液中阴离子向负极移动,阳离子向正极移动。
电解质溶液内部只有离子的定向移动,“电子不会游泳”
外电路中由电子的定向移动产生电流,“电子只走旱路,不走水路” ？
【微思考】有盐桥的原电池中盐桥有什么作用
提示 盐桥可使整个装置构成通路,可避免两电解质溶液直接接触;平衡电荷;提高电池效率。
自我检测
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)理论上说,所有的氧化还原反应都可设计成原电池。(　　)
(2)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极。(　　)
(3)用Mg、Al分别作为电极,用NaOH溶液作为电解质溶液构成的原电池,Mg为正极。(　　)
(4)原电池工作时,溶液中的阳离子向负极移动,盐桥中的阳离子向正极移动。(　　)
(5)一般来说,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高。(　　)
(6)原电池放电时,外电路中电流由负极流向正极。(　　)
(7)由于反应CaO+H2O==Ca(OH)2可以自发进行,且放出大量的热,故可以设计成原电池。(　　)
√
×
√
×
√
×
×
重难探究 能力素养全提升
探究一　原电池的工作原理及电极反应
问题探究
用葡萄发电让闹钟正常工作的实验中,工作原理是什么呢 你能用日常生活中的东西设计原电池吗
提示 葡萄发电类似意大利科学家伏特发明的伏特电池,能产生电流让闹钟正常工作。生活中的苹果、西红柿等都可以设计原电池。
1.原电池正、负极的判断
归纳拓展
【微点拨1】原电池的正极和负极既与电极材料的性质有关,又与电解质溶液有关,不要认为活泼性强的金属一定是作为负极。
2.原电池的工作原理
【微点拨2】原电池中微粒移动方向
(1)电子移动方向:从负极流出沿导线流入正极,电子不能通过电解质溶液。
(2)若有盐桥,盐桥中的阴离子移向负极区,阳离子移向正极区。
(3)若有交换膜,离子可选择性通过交换膜,如阳离子交换膜,阳离子可通过阳离子交换膜移向正极。
应用体验
视角1 含盐桥原电池的工作原理
1.某兴趣小组同学利用氧化还原反应: 2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4═2MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+8H2O,设计如图原电池,盐桥中装有饱和K2SO4溶液。下列说法正确的是(　　)
A.b电极上发生还原反应
B.外电路电子的流向是从a到b
D
视角2 原电池正、负极判断和电极反应的书写
2.(根据电子流向或电流方向判断)如下图所示的原电池装置,X、Y为两电极,电解质溶液为稀硫酸,外电路中的电子流向如图所示,对此装置的下列说法正确的是(　　)
A.外电路的电流方向:X→外电路→Y
B.若两电极分别为Zn和石墨,则X为石墨,Y为Zn
C.若两电极都是金属,则它们的活动性为X>Y
D.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应
C
解析 由题图可知电子的流动方向是X→外电路→Y,则电流的方向就为Y→外电路→X,A错误;X为原电池的负极,Y为正极,则X为Zn,Y为石墨,B错误;若X、Y均为金属,则X的活动性比Y强,C正确;X极应发生氧化反应,Y极应发生还原反应,D错误。
解题技巧　原电池电极反应式在书写时应注意的问题
(1)电极反应常用“═”而不用“ ”连接。
(2)电极反应中若有气体生成,需加“↑”,弱电解质或难溶物均以化学式表示,其余以离子符号表示。
(3)必须遵循质量守恒、电荷守恒及正、负两极得失电子数相等的规律,为此在电极反应中可根据需要和溶液的酸碱性添加H+、OH-或H2O。
(4)原电池正、负两极的电极反应在得失电子数相等的情况下加和即得总反应(合二为一);反之,总反应减去其中的一极反应可得另一极反应(一分为二)。
3.(根据离子移动方向判断)固体氧化物燃料电池以固体氧化锆—氧化钇为电解质,这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过。该电池的工作原理如图所示,其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是(　　)
A.气体X为O2,发生氧化反应
B.多孔电极b为电池的正极
C.电极b对应的电极反应为2H2-4e-+2O2-═2H2O
D.外电路电子的流向为:电极a→负载→电极b
C
解析 在原电池中,O2-带有负电荷,向电极b移动,因此电极b为负极,电极a为正极,B错误;在原电池反应中,负极H2失去电子,O2在正极得到电子被还原为O2-,因此气体X为O2,气体Y为H2,O2在电极a上发生还原反应:O2+4e-═2O2-,H2在电极b上发生氧化反应,电极反应为2H2-4e-+2O2-═2H2O,A错误,C正确;外电路电子的流向为:负极(电极b)→负载→正极(电极a),D错误。
4.(根据反应现象推断)如图所示装置中,观察到电流计指针偏转,M棒变粗,N棒变细。由此判断下列M、N、P物质可以成立的是(　　)
A.M为Mg,N为Al,P为NaOH溶液
B.M为Cu,N为Fe,P为稀盐酸
C.M为Zn,N为C(石墨),P为CuSO4溶液
D.M为Ag,N为Zn,P为AgNO3溶液
D
解析 该装置是原电池;M棒变粗,N棒变细,说明N极失电子作负极,M极得电子作正极;M棒变粗,所以溶液中的金属阳离子析出生成金属单质,电解质溶液中的阳离子为金属阳离子且活泼性小于N。A中N极铝是负极,M极H+放电生成H2,所以M极质量不变,A错误;B中N极铁是负极,M极H+放电生成H2,所以M极质量不变,B错误;C中M极(Zn)易失电子作负极,变细,N极(石墨)上析出Cu而变粗,C错误;D中N极材料Zn比M极Ag活泼,且M极Ag上有银析出,所以质量增加,D正确。
5.(根据某一极物质的转化判断)(2023山东东营高二期末统考)化学家正在研究尿素燃料电池,尿素燃料电池结构如图所示,用这种电池直接去除城市废水中的尿素,下列有关描述正确的是(　　)
A.甲电极为电池的正极
B.乙电极的电极反应为O2+4e-+4H+═2H2O
C.电池工作时氢离子向甲电极移动
D.电池工作时,理论上净化1 mol CO(NH2)2消耗标准状况下336 L O2
B
解析 由尿素燃料电池结构图所示,甲电极中氮元素由-3价上升为0价,失电子发生氧化反应作负极,电极反应为CO(NH2)2-6e-+H2O═CO2↑+N2↑+6H+,乙电极得电子价态降低,作正极发生还原反应,电极反应为O2+4e-+4H+ ═2H2O,电池总反应为2CO(NH2)2+3O2═2CO2+2N2+4H2O,负极产生氢离子,透过质子交换膜移向正极,两极转移电子数目相等。由分析可知,甲电极为负极,A错误;溶液为酸性环境,故电极反应为O2+4e-+4H+═2H2O,B正确;电池工作时阳离子移向正极,故氢离子应向乙电极移动,C错误;由分析可知,2CO(NH2)2+3O2═2CO2+2N2+4H2O,理论上净化1 mol CO(NH2)2,消耗氧气1.5 mol,标准状况下体积为1.5 mol×22.4 L·mol-1=33.6 L,D错误。
6.(根据总反应判断)我国研究的新型Li NO2电池,为NO2的治理和再利用提供了新的研究思路,其工作原理如图所示。电池放电时的总反应为2Li+NO2═Li2O+NO。下列有关该电池工作时的说法不正确的是(　　)
A.外电路电流的方向:b极→电流表→a极
B.b极的电极反应:NO2+2e-+2Li+═Li2O+NO
C.当外电路通过1 mol电子时,b极质量增加15 g
D.电解液中Li+向a极附近迁移
D
解析 由放电时的总反应为2Li+NO2═Li2O+NO,Li元素化合价升高,则a极为负极,电极反应为Li-e-═Li+,b极为正极,N元素化合价降低,电极反应为NO2+2e-+2Li+═Li2O+NO。电流从正极流向负极,即外电路电流的方向:b极→电流表→a极,故A、B正确;根据电极反应:NO2+2e-+2Li+═Li2O+NO,当外电路通过1 mol e-时,b极生成0.5 mol Li2O,b极增加的质量为0.5 mol×30 g·mol-1=15 g,故C正确;电解质中阳离子移向正极,则电解液中Li+向b极附近迁移,故D错误。
7.分析下图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是(　　)
A.①②中Mg是负极,③④中Fe是负极
B.②中Mg是正极,电极反应为6H2O+6e-==6OH-+3H2↑
C.③中Fe是负极,电极反应为Fe-2e-==Fe2+
D.④中Cu是正极,电极反应为2H++2e-==H2↑
B
解析 ②中Mg不与NaOH溶液反应,而Al能和NaOH溶液反应失去电子,故Al是负极;③中Fe在浓硝酸中钝化,Cu和浓硝酸反应失去电子,因此Cu是负极, A、C错误;②中正极反应为6H2O+6e-═6OH-+3H2↑,B正确;④中Cu是正极,电极反应为O2+2H2O+4e-═4OH-,D错误。
规律方法 (1)电极反应的书写方法。
(2)复杂电极反应的书写。
复杂电极反应=总反应-较简单一极的电极反应
如CH4酸性燃料电池中:
CH4+2O2==CO2+2H2O……总反应
2O2+8H++8e-==4H2O……正极反应
CH4+2H2O-8e-==CO2+8H+……负极反应
探究二　原电池原理的应用
问题探究
1.若纯锌与粗锌(含Fe、C等)分别与同浓度的稀硫酸反应制取H2,哪种方法产生H2的速率快
提示粗锌产生H2的速率快。
2.将金属a、b用导线相连插入稀硫酸中,发现金属b上产生气泡,则金属a与金属b相比较,谁更活泼
提示金属a更活泼。
归纳拓展
1.加快氧化还原反应的速率
一个自发进行的氧化还原反应,形成原电池时会使反应速率加快。例如,在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液,Zn可置换出Cu,Cu能与Zn形成原电池使产生H2的反应速率加快。
2.比较金属活动性强弱
如有两种金属A和B,用导线将A和B连接后,插入到稀硫酸中,一段时间后,若观察到A溶解,而B上有气体放出,则说明A是负极,B是正极,即可以断定金属活动性:A>B。
3.设计化学电源
实例:根据反应Cu+2Ag+═ Cu2++2Ag设计电池。
应用体验
视角1 原电池的形成条件
1.下列关于原电池的叙述正确的是(　　)
A.构成原电池的两极必须是两种不同金属
B.原电池是将化学能转化为电能的装置
C.原电池工作时总是负极溶解,正极上有物质析出
D.原电池的正极是还原剂,总是溶液中的阳离子在此被还原
B
解析 构成原电池的正极材料只要导电即可,可以是非金属如石墨等,A错误;对于燃料电池,电极不参与反应,C、D错误。
2.下面是四个化学反应,你认为理论上不可用于设计原电池的化学反应是
(　　)
A.Fe+2FeCl3═3FeCl2
B.2H2+O2═2H2O
C.Zn+CuSO4═Cu+ZnSO4
D.AgNO3+HCl═AgCl↓+HNO3
D
解析 A、B、C中的反应均为氧化还原反应,可设计成原电池,选项A、B、C错误;D中反应不属于氧化还原反应,不能设计成原电池,选项D正确。
视角2 原电池的设计
3.根据反应2FeCl3+Fe═3FeCl2设计一个原电池。
要求:(1)画出此原电池的装置图,装置采用烧杯和盐桥。
(2)注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。
答案
解析 将题给反应拆成两个半反应:Fe-2e-═Fe2+(氧化反应),2Fe3++2e-═ 2Fe2+(还原反应)。负极发生氧化反应,电极材料应选参加反应的单质Fe,正极发生还原反应,电极材料应选比铁不活泼的金属或石墨等导体。负极电解质溶液选不能与铁反应的FeCl2溶液,正极电解质溶液选与铁能反应的FeCl3溶液。
4.原电池可设计为单池原电池和双池原电池,Ⅱ中各组物质中,能构成原电池且反应原理与Ⅰ相同的是(　　)
选项 a X Y
A Fe 硫酸铜 氯化铁
B Zn 氯化铁 硫酸铜
C C 硫酸铜 氯化铁
D Pt 氯化铁 硫酸铜
C
解析 对于单池原电池Ⅰ,负极(Cu)反应为Cu-2e-═Cu2+,正极(C)反应为Fe3++e-═Fe2+,总反应为Cu+2Fe3+═Cu2++2Fe2+;对于双池原电池Ⅱ,负极(Cu)对应电解质溶液为负极金属对应阳离子的盐(CuSO4)溶液,正极可选用比负极活泼性弱的金属(Pt)或导电非金属(C),正极对应的电解质溶液为与负极发生氧化还原反应的电解质(FeCl3)溶液。a极选用Zn、Fe,其活泼性强于Cu,且X溶液应为含Cu2+的盐溶液,不符合题意,故A、B错误;a极选用碳棒,其活泼性弱于Cu,且电解质溶液均符合要求,故C项正确;a极选用金属Pt符合题意,X、Y电解质溶液应分别为CuSO4溶液、FeCl3溶液,故D项错误。
视角3 根据原电池原理判断金属活动性
5.由A、B、C、D四种金属按下表中的装置图进行实验。
装置
现象 金属A不断溶解形成二价金属离子 C极质量增加 A极有气泡产生
根据实验现象回答下列问题:
(1)装置甲中负极的电极反应是 　　　　　　。
(2)装置乙中正极的电极反应是 　　　　　　。
(3)装置丙中溶液的pH　　　　(填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)四种金属活动性由强到弱的顺序是 　　　　　　。
A-2e-═A2+
Cu2++2e-═Cu
变大
D>A>B>C
解析 甲、乙、丙均为原电池装置。依据原电池原理,甲中A不断溶解,则A为负极、B为正极,活动性:A>B;乙中C极增重,即析出Cu,则B为负极,活动性:B>C;丙中A上有气泡即H2产生,则A为正极,活动性:D>A,随着H+的消耗,pH变大。
视角4 原电池加快反应速率
6.10 mL浓度为0.1 mol·L-1的H2SO4溶液与过量的锌片反应,为加快反应速率,又不影响生成氢气的总量,可采用的方法是(　　)
A.加入适量的3 mol·L-1的H2SO4溶液 B.加入适量的蒸馏水
C.加入数滴硫酸铜溶液 D.加入适量的硫酸钠溶液
C
解析 加入适量的3 mol·L-1的H2SO4溶液,增大了H+浓度,也增大了H+的物质的量,生成H2的总量增多,A错误;加入适量的蒸馏水,H+浓度减小,化学反应速率减小,B错误;加入数滴硫酸铜溶液,Zn与Cu2+反应析出少量Cu附着在Zn的表面,构成锌铜原电池,可加快反应速率,且没有改变H+的物质的量,而Zn过量,因此不影响生成氢气的总量,C正确;加入适量的硫酸钠溶液,H+浓度减小,化学反应速率减小,D错误。
7.等质量的两份锌粉a、b,分别加入过量的稀硫酸中,同时向a中滴入少量的CuSO4溶液,如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系,其中正确的是
(　　)
D
解析 a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu,Zn的量减少,产生H2的量减少,但Zn、Cu和稀硫酸形成原电池,反应速率加快,D项图示符合要求。(共39张PPT)
第1章　化学反应与能量转化
第1节　第2课时　热化学方程式　反应焓变的计算
素 养 目 标
1.掌握热化学方程式的书写,从而形成变化观念与平衡思想的学科核心素养。
2.理解盖斯定律的内容,体验证据推理与模型认知的学科核心素养。
3.熟悉常见化学反应热的计算方法,能运用盖斯定律进行有关反应焓变的简单计算,培养证据推理与模型认知的学科核心素养。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
一、热化学方程式
1.定义:把一个化学反应中物质的变化和反应的焓变同时表示出来的式子。
2.意义:热化学方程式不仅表明了物质的变化,还表示了能量的变化。
3.实例:298 K时,1 mol H2(g)和0.5 mol O2(g)反应生成1 mol H2O(l)放热285.8 kJ,此反应的热化学方程式可表示为
H2(g)+ O2(g) ==H2O(l)　ΔH(298 K)=-285.8 kJ· mol-1。
必备知识
【微思考】热化学方程式中各物质化学式前的系数代表的意义是什么
提示热化学方程式中各物质化学式前的系数仅表示物质的量,因此可以是整数或分数,而普通的化学方程式中各物质化学式前的系数只能是整数。
二、反应焓变的计算
1.盖斯定律
(1)定义:一个化学反应无论是一步完成还是分几步完成,反应热都是一样的。
(2)盖斯定律的特点。
①化学反应的焓变只与反应的始态和终态有关,与反应的途径无关。
②反应焓变一定。如下图由A→B有两种途径:
则有ΔH1=ΔH2+ΔH3。
2.盖斯定律的应用
(1)科学意义:对于无法或较难通过实验测定的反应的焓变,可应用
盖斯定律计算求得。
(2)利用已知反应的焓变求未知反应的焓变。
若一个化学反应的热化学方程式可由另外几个化学反应的热化学方程式相加减而得到,则该化学反应的焓变可由另外几个化学反应的焓变相加减而得到。
三、能源
1.自然界中,能为人类提供能量的物质或物质运动统称为能源。包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能、核能、化石燃料等。
2.我国的能源结构不平衡、资源分布不均衡。目前,我国能源消费快速增长,消费结构以煤为主,以石油、天然气为辅,以水能、核能、风能、太阳能为补充。
3.为了实现能源的可持续发展,一方面必须“开源”,即开发核能、风能、太阳能等新能源;另一方面需要“节流”,加大节能减排的力度,提高能源利用效率。
四、摩尔燃烧焓
1.定义:在一定反应温度和压强条件下,1 mol纯物质完全氧化为同温下的指定产物时的焓变。
2.意义:摩尔燃烧焓可用来衡量一种燃料燃烧释放热量的多少。
3.注意:指定物质中所含有的氮元素氧化为N2(g)、氢元素氧化为H2O(l)、碳元素氧化为CO2(g)。
自我检测
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)热化学方程式中物质的化学式前面的系数代表分子数或物质的量。
(　　)
(2)反应H2(g)+ O2(g) ==H2O(l)和2H2(g)+O2(g) ==2H2O(l)的ΔH相同。
(　　)
(3)相同条件下,等质量的S(s)和S(g)完全燃烧释放的热量不同。(　　)
(4)在 中,存在关系式:ΔH1=ΔH2+ΔH3。(　　)
√
×
×
×
(5)相同条件下,等物质的量的S(g)和S(s)分别完全燃烧,后者放出热量多。
(　　)
(6)反应焓变(ΔH)的大小与热化学方程式中物质的化学式前面的系数无关。(　　)
(7)利用盖斯定律可以计算通过实验难以测定的反应的反应热。(　　)
(8)化石燃料属于不可再生能源。(　　)
√
×
×
√
重难探究 能力素养全提升
探究一　热化学方程式
问题探究
热化学方程式与普通化学方程式的意义有什么不同
提示 普通化学方程式只表明化学反应中的物质变化;热化学方程式不仅表明了化学反应中的物质变化,而且表明了化学反应中的能量变化。
归纳拓展
“四步”突破热化学方程式的书写
应用体验
视角1 热化学方程式的正误判断
1.下列事实与对应的方程式不相符的是(　　)
A.已知:4NH3(g)+5O2(g)═4NO(g)+6H2O(g)　ΔH<0,灼热的铂丝与NH3、O2混合气接触,铂丝继续保持红热
B.已知:2NO2(g)(红棕色) N2O4(g)(无色)　ΔH<0,将“NO2球”浸泡在冷水中,颜色变深
C.因H+(sq)+OH-(aq)═H2O(l)
ΔH=-57.3 kJ·mol-1,故向含0.1 mol HCl的盐酸中加入4.0 g NaOH固体,放出的热量大于5.73 kJ
D.甲烷燃烧的热化学方程式可表示为CH4(g)+2O2(g)═CO2(g)+2H2O(l)
ΔH=-890.3 kJ·mol-1,则甲烷的摩尔燃烧焓ΔH=-890.3 kJ·mol-1
B
解析 灼热的铂丝与NH3、O2混合气接触,铂丝继续保持红热,说明该反应是放热反应,则ΔH<0,故A正确;正反应放热,将“NO2球”浸泡在冷水中,降低温度平衡正向移动,则颜色变浅,故B错误;NaOH溶解放出热量,所以放出的热量大于5.73 kJ,故C正确;甲烷的摩尔燃烧焓ΔH=-890.3 kJ·mol-1,故D正确。
视角2 热化学方程式的书写
2.写出下列条件下反应的热化学方程式。
(1)1 mol CH4完全燃烧生成液态水和CO2气体,放出890.3 kJ的热量,该反应的热化学方程式为_____________________________________________。
(2)0.3 mol的气态乙硼烷(分子式B2H6)在氧气中燃烧,生成固态三氧化二硼和液态水,放出649.5 kJ的热量,该反应的热化学方程式为
___________________________________________________________。
CH4(g)+2O2(g)═CO2(g)+2H2O(l)　ΔH=-890.3 kJ· mol-1
B2H6(g)+3O2(g)═B2O3(s)+3H2O(l)　ΔH=-2 165 kJ· mol-1
(3)下图是1 mol NO2和1 mol CO反应生成CO2和NO过程中能量变化的示意图,请写出NO2和CO反应的热化学方程式: __________________________。
NO2(g)+CO(g)═CO2(g)+NO(g)　ΔH=-234 kJ· mol-1
解析(1)1 mol CH4完全燃烧需要2 mol O2,生成1 mol CO2和2 mol液态H2O,故热化学方程式为CH4(g)+2O2(g) ==CO2(g)+2H2O(l)　ΔH=-890.3 kJ· mol-1。
(2)1 mol乙硼烷在氧气中燃烧生成固态三氧化二硼和液态水放出的热量为649.5 kJ× =2 165 kJ,则其热化学方程式为B2H6(g)+3O2(g) ==B2O3(s)+3H2O(l) ΔH=-2 165 kJ· mol-1。
(3)由题图可知其热化学方程式为NO2(g)+CO(g) ==CO2(g)+NO(g)　
ΔH=E1-E2=134 kJ· mol-1-368 kJ· mol-1=-234 kJ· mol-1。
易错警示 书写热化学方程式的注意事项
(1)不能忽视ΔH的正负。
(2)不能忽视ΔH的数值与物质化学式前面的系数有关,物质化学式前面的系数发生变化时,ΔH的数值要相应变化。
(3)物质的状态不同,ΔH的数值也不同。
3.25 ℃、101 kPa下,碳、氢气、甲烷和葡萄糖的摩尔燃烧焓依次是ΔH=-393.5 kJ·mol-1、
ΔH=-285.8 kJ·mol-1、ΔH=-890.3 kJ·mol-1、ΔH=-2 800 kJ·mol-1,则下列热化学方程式正确的是(　　)
A.C(s)+ O2(g)==CO(g)　ΔH=-393.5 kJ·mol-1
B.2H2(g)+O2(g) ==2H2O(g)　ΔH=-571.6 kJ·mol-1
C.CH4(g)+2O2(g) ==CO2(g)+2H2O(g)　ΔH=-890.3 kJ·mol-1
D. C6H12O6(s)+3O2(g) ==3CO2(g)+3H2O(l)　ΔH=-1 400 kJ·mol-1
D
解析 根据摩尔燃烧焓的定义中生成指定产物的含义可知,C→CO2(g), H→H2O(l),故只有D正确。
探究二　盖斯定律的应用
问题探究
依据盖斯定律,分析下图中物质转化过程中各焓变之间有什么关系
提示 ΔH1=ΔH2+ΔH3
归纳拓展
1.虚拟路径法:设计合理的反应途径,求某反应的ΔH
ΔH=ΔH1+ΔH2或ΔH=ΔH3+ΔH4+ΔH5。
2.加和法:由已知热化学方程式写目标热化学方程式
应用体验
视角1 虚拟路径法
1.盖斯定律指出:化学反应的反应热只与反应的始态(各反应物)和终态(各反应产物)有关,而与具体反应进行的途径无关。物质A在一定条件下可发生一系列转化,由图判断下列关系错误的是(　　)
A.A→F,ΔH=-ΔH6
B.ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4+ΔH5+ΔH6=1
C.C→F,|ΔH|=|ΔH1+ΔH2+ΔH6|
D.|ΔH1+ΔH2+ΔH3|=|ΔH4+ΔH5+ΔH6|
B
解析 A→F过程与F→A过程相反,两个过程反应的焓变绝对值相等,符号相反,A项正确;B项中整个变化过程起始物和终态物均为A物质,能量变化为0,故ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4+ΔH5+ΔH6=0,B项错误;F→C的ΔH=ΔH6+ΔH1+ΔH2,则C→F的ΔH=-(ΔH1+ΔH2+ΔH6),二者绝对值相等,C项正确;A→D的ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3,D→A的ΔH=ΔH4+ΔH5+ΔH6,二者绝对值相等,D项正确。
视角2 加和法
2.已知:2Zn(s)+O2(g)═2ZnO(s)　ΔH=-701.0 kJ·mol-1, 2Hg(l)+O2(g)═2HgO(s)　ΔH=-181.6 kJ·mol-1。则反应Zn(s)+HgO(s)═ZnO(s)+Hg(l)的ΔH为(　　)
A.+519.4 kJ·mol-1 B.+259.7 kJ·mol-1
C.-259.7 kJ·mol-1 D.-519.4 kJ·mol-1
C
解析 由题给热化学方程式可得:①Zn(s)+ O2(g)═ZnO(s)　ΔH=-350.5 kJ·mol-1;②Hg(l)+ O2(g) ═HgO(s)　ΔH=-90.8 kJ·mol-1。根据盖斯定律,由①-②可得:Zn(s)+HgO(s) ═ZnO(s)+Hg(l)　ΔH=(-350.5 kJ·mol-1)-(-90.8 kJ·mol-1)=-259.7 kJ·mol-1。
3.相同温度和压强下,关于反应的ΔH,下列判断正确的是(　　)
A.ΔH1>0,ΔH2>0 B.ΔH3=ΔH1+ΔH2
C.ΔH1>ΔH2,ΔH3>ΔH2 D.ΔH2=ΔH3+ΔH4
C
解析 环己烯、1,3 环己二烯分别与氢气发生的加成反应均为放热反应,因此,ΔH1<0,ΔH2<0,A项错误。苯分子中没有碳碳双键,其中的碳碳键是介于碳碳单键和碳碳双键之间的特殊的共价键,因此,其与氢气完全加成的反应热不等于环己烯、1,3 环己二烯分别与氢气发生的加成反应的反应热之和,即ΔH3≠ΔH1+ΔH2,B项错误。环己烯、1,3 环己二烯分别与氢气发生的加成反应均为放热反应,ΔH1<0,ΔH2<0,由于1 mol 1,3 环己二烯与氢气完全加成后消耗的氢气是等量环己烯的2倍,故其放出的热量更多,其ΔH1>ΔH2;苯与氢气发生加成反应生成1,3 环己二烯的反应为吸热反应(ΔH4>0),根据盖斯定律可知,苯与氢气完全加成的反应热ΔH3=ΔH4+ΔH2,因此ΔH3>ΔH2,C项正确。根据盖斯定律可知,苯与氢气完全加成的反应热ΔH3=ΔH4+ΔH2,因此ΔH2=ΔH3-ΔH4,D项错误。
4.(2023黑龙江佳木斯高二校考)MgCO3和CaCO3的能量关系如图所示(M=Ca、Mg):
已知:离子电荷相同时,半径越小,离子键越强。下列说法不正确的是(　　)
A.ΔH1(MgCO3)>ΔH1(CaCO3)>0
B.ΔH2(MgCO3)=ΔH2(CaCO3)>0
C.ΔH1(CaCO3)-ΔH1(MgCO3)=ΔH3(CaO)-ΔH3(MgO)
D.对于MgCO3和CaCO3,ΔH1+ΔH2>ΔH3
C
解析 镁离子半径小于钙离子半径,因此碳酸镁中离子键比碳酸钙中离子键更强,则ΔH1(MgCO3)>ΔH1(CaCO3),且ΔH1表示断键过程,断键吸热,故ΔH1大于0,故A正确;由题图可知ΔH2表示 断键生成O2-、CO2的过程,为吸热过程,且ΔH2(MgCO3)=ΔH2(CaCO3),故B正确;由图示可知,根据盖斯定律得:ΔH=ΔH1+ΔH2-ΔH3,由于MgCO3和CaCO3的ΔH不同,所以ΔH1(CaCO3)+ ΔH2(CaCO3)-ΔH3(CaO)≠ΔH1(MgCO3)+ΔH2(MgCO3)-ΔH3(MgO),由题图可知ΔH2(MgCO3)=ΔH2(CaCO3),所以ΔH1(CaCO3)-ΔH3(CaO)≠ΔH1(MgCO3)-ΔH3(MgO),即:ΔH1(CaCO3)-ΔH1(MgCO3)≠ΔH3(CaO)-ΔH3(MgO),故C错误;由图示可知,根据盖斯定律得:ΔH=ΔH1+ΔH2-ΔH3>0,则ΔH1+ΔH2>ΔH3,故D正确。
探究三　反应焓变的大小比较
问题探究
相同物质的量的氢气和氧气反应生成气态水和液态水,哪个过程放出的热量多 为什么 反应的焓变哪个大
提示 生成液态水放出的热量多;因为气态水变成液态水即气态水液化过程也要放出热量;生成气态水时的焓变大。
归纳拓展
比较焓变大小的四种方法
(1)根据反应物或反应产物的状态(同温、同压)比较焓变。
①同一反应的反应物状态不同:
S(g)+O2(g) ==SO2(g)　ΔH1,S(s)+O2(g) ==SO2(g)　ΔH2,则ΔH1<ΔH2
②同一反应的反应产物状态不同:
2H2(g)+O2(g) ==2H2O(g)　ΔH1,2H2(g)+O2(g) ==2H2O(l)　ΔH2,则ΔH1>ΔH2
(2)根据反应物的物质的量比较焓变。
物质的量越多,对放热反应,放热越多,ΔH越小;对吸热反应,吸热越多,ΔH越大。
H2(g)+Cl2(g) ==2HCl(g)　ΔH1, H2(g)+ Cl2(g) ==HCl(g)　ΔH2,则ΔH1<ΔH2
(3)根据ΔH的符号比较。
CaCO3(s) ==CaO(s)+CO2(g)　ΔH1,CaO(s)+H2O(l) ==Ca(OH)2(s)　ΔH2,ΔH1>0,ΔH2<0,所以ΔH1>ΔH2。
(4)可利用盖斯定律来判定,如由盖斯定律可得出ΔH1-ΔH2=ΔH3,若已知ΔH3>0,可求出ΔH1>ΔH2。
应用体验
视角1 图像法
1.已知正丁烷燃烧可发生如下反应:
上述反应中,属于正丁烷燃烧热的热化学方程式为____(填序号),ΔH1~ΔH5最大的是____、最小的是____。
⑤
ΔH3
ΔH5
解析 根据题意,可绘制上述反应中反应物和生成物的相对能量大小,如图所示:
反应⑤放出的热量最多,则ΔH5最小;反应③放出的热量最少,则ΔH3最大。
视角2 综合比较法
2.在同温同压下,下列各组热化学方程式中ΔH1>ΔH2的是(　　)
A.2H2(g)+O2(g) ==2H2O(l)　ΔH1;2H2(g)+O2(g) ==2H2O(g)　ΔH2
B.S(g)+O2(g) ==SO2(g)　ΔH1;S(s)+O2(g) ==SO2(g)　ΔH2
C
解析A项,物质的燃烧反应是放热反应,其焓变是负值,液态水变为气态水的过程是吸热的,故ΔH1<ΔH2,故A不符合题意;B项,物质的燃烧反应是放热的,所以焓变是负值,固体硫变为气态硫需要吸收热量,所以ΔH1<ΔH2,故B不符合题意;C项,碳单质完全燃烧生成二氧化碳放热多于不完全燃烧生成一氧化碳放热,反应的焓变是负值,故ΔH1>ΔH2,故C符合题意;D项,化学反应方程式中化学式前面的系数加倍,焓变数值加倍,放热反应焓变是负值,ΔH1=2ΔH2,故ΔH1<ΔH2,故D不符合题意。
3.已知①H2(g)+ O2(g) ==H2O(g) ΔH1=a kJ· mol-1
②2H2(g)+O2(g) ==2H2O(g)　 ΔH2=b kJ· mol-1
③H2(g)+ O2(g) ==H2O(l)　 ΔH3=c kJ· mol-1
④2H2(g)+O2(g) ==2H2O(l)　ΔH4=d kJ· mol-1
下列关系式正确的是(　　)
A.ad>0 C.2a=b<0 D.2c=d>0
C
解析氢气燃烧是放热反应,ΔH<0;生成液态水比生成气态水时放出的热量多,ΔH更小,即cb>d;②中各物质的物质的量是①中的2倍,则ΔH2=2ΔH1,即b=2a。(共33张PPT)
第1章　化学反应与能量转化
第2节　第2课时　化学电源
素 养 目 标
1.了解不同化学电源的工作原理,从而形成科学探究与创新意识的学科核心素养。
2.了解各类电池的生产工艺和回收价值,了解新型电池的开发,体验科学态度与社会责任的学科核心素养。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
必备知识
一、化学电源
1.定义:是将化学能直接转化为电能的装置。
二、常见的化学电源
1.一次电池
(1)酸性锌锰电池。
①组成——正极:石墨。负极:锌筒。
电解质溶液:氯化铵和氯化锌混合溶液,用淀粉糊固定化。
②工作原理。
负极反应:Zn-2e-==Zn2+。
正极反应:2MnO2+2N +2e-==Mn2O3+2NH3+H2O。
总反应:Zn+2MnO2+2N ==Zn2++Mn2O3+2NH3+H2O。
(2)碱性锌锰电池。
①组成——正极:MnO2。负极:Zn。电解质:KOH。
②工作原理:负极反应为Zn+2OH--2e-==ZnO+H2O;
正极反应为2MnO2+2H2O+2e-==2MnOOH+2OH-。
总反应为Zn+2MnO2+H2O==ZnO+2MnOOH。
2.二次电池(以铅蓄电池为例)
(1)组成——正极:PbO2。负极:Pb。电解质溶液:H2SO4溶液。
(2)工作原理:铅蓄电池是最常见的二次电池,其电极反应和电池反应如下。
负极:Pb+S -2e-==PbSO4。正极:PbO2+4H++S +2e-==PbSO4+2H2O;
总反应:Pb+PbO2+2H2SO4==2PbSO4+2H2O。
铅蓄电池放电时,正极和负极质量均变大,硫酸浓度减小
3.燃料电池
(1)氢氧燃料电池。
下图为一种氢氧燃料电池结构示意图,电解质溶液为KOH溶液,电极材料为多孔石墨,氢气和氧气(或空气)源源不断地通到电极上。
则氢氧燃料电池的电极反应为:
负极2H2+4OH--4e-==4H2O;正极O2+2H2O+4e-==4OH-;
电池总反应为2H2+O2==2H2O。
(2)工作原理:燃料电池的特点是电池的正、负极反应物气体分别储存在电池之外的容器中。两种气体分别不断地输入燃料电池的两极,通过燃料气体在负极发生的氧化反应和氧气在正极发生的还原反应,实现一个相当于燃烧反应的电池反应,将化学能转变为电能。
燃料电池的燃料除了氢气外,还有甲烷、甲醇和乙醇等。
(3)应用前景:燃料电池具有能量利用效率高、可连续使用和污染轻等优点,已成为一种发展前景十分广阔的化学电源。
自我检测
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)太阳能电池不属于原电池。(　　)
(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池。(　　)
(3)铅蓄电池放电时,正极与负极质量均增加。(　　)
(4)碱性锌锰干电池是一次电池,其中MnO2是催化剂,可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长。(　　)
(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,然后热能转化为电能。(　　)
(6)铅蓄电池工作时,当电路中转移0.1 mol电子时,负极增重4.8 g。(　　)
√
×
√
×
×
√
重难探究 能力素养全提升
探究一　二次电池(可充电电池)
问题探究
铅蓄电池的电池总反应是什么
提示 铅蓄电池属于二次电池。
电池总反应是Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。
归纳拓展
1.可充电电池的思维模型
2.“加减法”书写新型二次电池放电的电极反应
若已知电池放电时的总反应,可先写出较易书写的一极的电极反应,然后在电子守恒的基础上,由总反应减去较易写出的一极的电极反应,即可得到较难写出的另一极的电极反应。
应用体验
视角1 锂离子电池
1.2019年诺贝尔化学奖颁给了三位为锂离子电池发展作出重要贡献的科学家。磷酸铁锂锂离子电池放电工作示意图如图。下列叙述错误的是
(　　)
A.放电时,Li+通过隔膜移向正极
B.放电时,电子由铝箔沿导线流向铜箔
C.放电时正极反应为xFePO4+xLi++xe-==xLiFePO4
D.磷酸铁锂锂离子电池充放电过程通过Li+迁移实现,C、Fe、P元素化合价均不发生变化
磷酸铁锂锂离子电池放电原理示意图
D
解析 放电时,“同性相吸”即Li+通过隔膜移向正极,A正确;放电时,电子由负极即铝箔沿导线流向正极即铜箔,B正确;放电时正极得电子,发生还原反应: xFePO4+xLi++xe-==xLiFePO4,C正确;磷酸铁锂锂离子电池充放电过程通过Li+迁移实现,其中Fe元素化合价发生变化,D错误。
2.微生物电池可用来处理废水中的对氯苯酚,其工作原理示意图如下。关于该电池的说法不正确的是(　　)
A.a极是负极
B.H+向b极迁移
C.对氯苯酚在电极上发生的反应是
D.电路中通过0.4 mol e-,消耗了0.1 mol CH3COO-
D
3.常见铅蓄电池是二次电池,其电极材料分别为Pb和PbO2,电解质溶液为稀硫酸,工作时的总反应为Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。请依据上述情况填空:
(1)铅蓄电池的负极材料是_______________。
(2)请依据两极材料和总反应,写出放电时的正极反应:
_____________________________________________。
(3)请依据总反应和正极反应,写出放电时的负极反应:
_____________________________________________。
(4)放电时,电解质溶液中阴离子移向_______极;电流从_____________电极流向___________电极。
(5)放电时,电解质溶液的酸性___________(填“增强”“减弱”或“不变”)。
铅(Pb)
负
氧化铅(PbO2)
铅(Pb)
减弱
解析 此题考查常见电池的工作原理,依据原电池的反应原理、铅蓄电池的工作原理及其总反应可得相应的答案。
探究二　“高效、环境友好”的燃料电池
问题探究
试论述燃料电池的优越性。
提示 燃料电池被人们誉为“绿色”发电站,燃料电池具有以下优点:无传动部件,无磨损,无声,可做成任意大小(如心脏起搏器和数百万千瓦的发电站)。
归纳拓展
1.氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,可分为酸性和碱性两种
种类 酸性 碱性
负极反应 2H2-4e-==4H+ 2H2+4OH--4e-==4H2O
正极反应 O2+4e-+4H+==2H2O O2+2H2O+4e-==4OH-
电池总反应 2H2+O2==2H2O 备注 燃料电池的电极不参与反应,起导电作用 2.燃料电池规律的总结
(1)燃料电池总反应一般是燃料的燃烧反应(有些情况下电解质参与反应)。如2H2+O2==2H2O、CH4+2O2==CO2+2H2O(酸性)、CH4+2O2+2NaOH==Na2CO3+3H2O(碱性)等。
(2)燃料电池的正极上发生反应的是氧化剂,发生还原反应。通常是O2+2H2O+4e-==4OH-(碱性)、O2+4H++4e-==2H2O(酸性)等。
(3)燃料电池的负极上是燃料发生氧化反应。书写负极的电极反应通常有两种方法(思路)。
方法一:守恒分析法
方法二:用电池总反应减去正极的电极反应可得出负极的电极反应。
①总反应:CH4+2O2+2OH-==C +3H2O(碱性电池)
正极反应:2O2+4H2O+8e-==8OH-
负极反应:CH4+10OH--8e-==C +7H2O。
②总反应:CH4+2O2==CO2+2H2O(酸性电池)
正极反应:2O2+8H++8e-==4H2O
负极反应:CH4+2H2O-8e-==CO2+8H+。
应用体验
视角1 微生物燃料电池
1.以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是(　　)
A.该电池能够在高温下工作
B.电池的负极反应:C6H12O6+6H2O-24e-═6CO2↑+24H+
C.放电过程中,H+从正极区向负极区迁移
D.在电池反应中,每消耗1 mol氧气理论上能生成标准状况下CO2气体
B
解析 微生物燃料电池在高温下不能工作,A错误;放电过程为原电池反应, H+应向正极迁移,C错误;由电池反应C6H12O6+6O2═6CO2+6H2O知,每消耗1 mol O2理论上生成1 mol CO2,在标准状况下的体积为22.4 L,D错误。
视角2 氢氧燃料电池
2.下图为氢氧燃料电池原理示意图,下列叙述不正确的是(　　)
A.a电极是负极
B.b电极的电极反应为4OH--4e-═2H2O+O2↑
C.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
D.氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
B
解析 从题图中可看出a电极处进入的是H2,b电极处进入的是O2,该电池的总反应是2H2+O2═2H2O,故a电极处H2失e-被氧化,a为负极;b电极为正极,电极反应为2H2O+O2+4e-═4OH-,故B项不正确。
视角3 固体氧化物/碱燃料电池
3.燃料电池是一种利用能源物质的新形式,比如我们可用熔融的K2CO3作电解质,惰性材料作电极,一极通CH2=CH2,另一极通O2、CO2。下列说法中不正确的是(　　)
D
答题模板 解答燃料电池题目的思维模型
解答燃料电池题目的几个关键点:
(1)明确离子导体是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
(2)通入负极的物质为燃料,通入正极的物质一般为氧气。
(3)通过离子导体中离子的移动方向,可判断电池的正、负极,同时考虑该离子参与移向一极的电极反应。
4.(2022江西高二期末)固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—氧化钇为电解质,这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过。该电池的工作原理如图所示,其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是(　　)
A.有O2参加反应的电极a为电池的负极
B.多孔电极b的电极反应为H2+2e-+O2-==H2O
C.多孔电极a的电极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-
D.该电池的总反应为2H2+O2==2H2O
D
解析 多孔电极b上通入H2,电子从多孔电极b流向多孔电极a,所以多孔电极b为负极,H2在该极发生氧化反应,多孔电极a为正极,O2在该极发生还原反应,A错误;负极的电极反应为H2-2e-+O2-═H2O,B错误;正极的电极反应为O2+4e-═2O2-,C错误;电池总反应为2H2+O2═2H2O,D正确。(共43张PPT)
第1章　化学反应与能量转化
第3节　第2课时　电解原理的应用
素 养 目 标
理解并掌握电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜、电冶金的原理,能利用电解知识解决生活和生产中的实际问题,体验科学态度与社会责任的学科核心素养。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
必备知识
1.电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气
(1)装置:
(2)现象:
①阳极:有刺激性气味的黄绿色气体产生。②阴极:有无色无味的气体产生,阴极附近溶液变红。
(3)原理分析及电极反应:
电解时,OH-、Cl-移向阳极,H+、Na+移向阴极。
①阳极电极反应:2Cl--2e-==Cl2↑,氧化反应。
②阴极电极反应:2H++2e-==H2↑,还原反应。
(4)电解总反应:2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2↑+H2↑。
离子方程式:2Cl-+2H2O 2OH-+Cl2↑+H2↑。
2.铜的电解精炼
(1)装置:
(2)精炼铜时的电极反应:
阳极:Cu-2e-==Cu2+,Zn-2e-==Zn2+,Fe-2e-==Fe2+,Ni-2e-==Ni2+。
阴极:Cu2++2e-==Cu。
3.电镀
(1)定义:应用电解原理在金属表面镀上一薄层金属或合金的方法。
(2)电镀池的设计:一般都是用含有镀层金属离子的电解质溶液作为电镀液;把镀层金属浸入电镀液中与直流电源的正极相连,作为阳极;镀件与直流电源的负极相连,作为阴极。如铁钉镀铜。
电镀铜实验装置
阳极:Cu-2e-==Cu2+。
阴极:Cu2++2e-==Cu。
(3)电镀的主要目的:提高金属的抗腐蚀能力、耐磨性能或改善金属制品外观。
4.电冶金
(1)金属冶炼的本质:使矿石中的金属离子获得电子,从它们的化合物中
还原出来。如Mn++ne-==M。
(2)电解熔融的氯化镁可制取金属镁。阳极反应:2Cl--2e-==Cl2↑;
阴极反应:Mg2++2e-==Mg;
总反应:MgCl2(熔融) Mg+Cl2↑。
【微思考】能否电解无水氯化铝制备金属铝
提示否。因为氯化铝是共价化合物,熔融时不导电,不能电离产生Al3+和Cl-。
自我检测
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)氯碱工业是非常重要的化工生产工业,在电解饱和食盐水时,在阴极上得到的产物为H2和NaOH。(　　)
(2)电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网作为阳极。(　　)
(3)电解法精炼粗铜,用纯铜作为阳极。(　　)
(4)在镀件上电镀锌,用锌作为阳极。(　　)
(5)电解法精炼粗铜时,电解质溶液中各离子浓度一定不变。(　　)
(6)在镀件上电镀铜,电镀过程中阳极减少的质量等于阴极增加的质量。
(　　)
(7)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。(　　)
√
×
×
√
×
√
√
重难探究 能力素养全提升
探究一　直线的倾斜角
问题探究
1.氯碱工业的原理是什么
提示 2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑。
2.实际生产过程中为什么要用阳离子交换膜
提示 常用阳离子交换膜将两溶液分开,使阳离子能透过阳离子交换膜,而阴离子不能通过,避免生成的氯气和氢氧化钠发生反应。
归纳拓展
1.电解饱和食盐水制取烧碱
(1)电极反应:
阳极:2Cl--2e-==Cl2↑(氧化反应),
阴极:2H++2e-==H2↑(还原反应)。
(2)电解总反应:
总反应化学方程式:2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑。
总反应离子方程式:2Cl-+2H2O 2OH-+H2↑+Cl2↑。
(3)氯碱工业制烧碱、氢气和氯气:
【微点拨1】工业上电解饱和食盐水制备烧碱时必须阻止OH-移向阳极,以使NaOH在阴极溶液中富集,常用阳离子交换膜将两溶液分开,使阳离子能透过阳离子交换膜,而阴离子不能通过。
2.铜的电解精炼与电镀铜的对比
项目 电解精炼铜 电镀铜
电极材料 阴极 精铜 镀件
阳极 粗铜 纯铜
电极反应 阳极 Cu-2e-==Cu2+等 Cu-2e-==Cu2+
阴极 Cu2++2e-==Cu Cu2++2e-==Cu
电解质溶液浓度的变化 Cu2+减少,有比铜活泼的金属的阳离子进入溶液 电解质溶液成分及浓度均不变
【微点拨2】①电解精炼铜时,阳极减少的质量与阴极增加的质量不相等,电解质溶液的浓度减小;②粗铜中不活泼的杂质(金属活动性顺序中位于铜之后的银、金等),在阳极难以失去电子,当阳极上的铜失去电子变成离子之后,这些不活泼的杂质以金属单质的形式沉积于电解槽的底部,成为阳极泥。
3.电冶金
利用电解熔融盐(或氧化物)的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
项目 电解总反应 阳极、阴极反应
冶炼钠 2NaCl(熔融) 2Na+Cl2↑ 2Cl--2e-==Cl2↑、2Na++2e-==2Na
冶炼镁 MgCl2(熔融) Mg+Cl2↑ 2Cl--2e-==Cl2↑、Mg2++2e-==Mg
冶炼铝 2Al2O3(熔融) 4Al+3O2↑ 6O2--12e-==3O2↑、4Al3++12e-==4Al
应用体验
视角1 氯碱工业原理和产物的检验
1.如图为阳离子交换膜法电解饱和食盐水的原理示意图(所用电极均为惰性电极)。下列说法不正确的是(　　)
A.从E口逸出的气体是H2
B.从B口加入含少量NaOH的水溶液以增强导电性
C.标准状况下每生成22.4 L Cl2,便产生2 mol NaOH
D.若B口不加入物质,则电解一段时间后加适量盐酸可以使电解质溶液恢复到电解前的浓度
D
解析 由钠离子的移动方向可以确定左边电极为阳极,右边电极为阴极。阴极发生还原反应,氢气从E口逸出,B口应补充水并加入少量NaOH增强溶液的导电性,D口得到氢氧化钠浓溶液,A、B项正确。电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑,当有1 mol氯气生成时,有2 mol氢氧化钠生成,C项正确。电解过程中减少的是氢气和氯气且二者物质的量之比为1∶1,若B口不加入物质,则电解一段时间后补充适量的氯化氢气体可以使电解质溶液恢复到电解前的浓度,D项错误。
【变式设问】
(1)如图所示,A、B、C、D、E、F表示的物质分别是什么
提示 精制饱和食盐水、NaOH的水溶液、淡盐水、NaOH的浓溶液、H2、Cl2。
(2)阳离子交换膜的作用是什么
提示 既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2混合而引起爆炸,又能避免Cl2和NaOH反应而影响烧碱的质量和产量。
规律方法 做到“三看”,正确书写电极反应
(1)一看电极材料,若是金属(Au、Pt等除外)作为阳极,则阳极金属失电子(注:Fe作为阳极时失电子生成Fe2+而不是生成Fe3+)。
(2)二看离子导体是否参与电极反应。
(3)三看离子导体状态,若是熔融状态,则为金属的电冶炼。
视角2 金属的电解精炼
2.锡(Sn)是生活中常用的金属,电解精炼锡精矿(单质Sn:70%,单质Cu、Pb、Fe、Zn:28%)可获得Sn,装置如下:(已知:H2SiF6为强酸)
下列说法正确的是(　　)
A.a为外加电源的正极
B.A是阳极泥,其成分为Cu、Fe、Pb
C.电路中每转移2 mol电子,d电极质量减轻119 g
D.H2SiF6的作用是为了抑制Sn2+的水解
D
解析 电解过程中若要从锡精矿中获得Sn,则需要将比Sn活泼的金属单质转化为金属阳离子,因此锡精矿作阳极,阳极与电源正极相连,因此b为电源正极,a为电源负极,故A项错误;金属活泼性:Zn>Fe>Sn>Pb>Cu,因此阳极泥固体A为Pb、Cu等混合物,故B项错误;电解过程中d电极上Zn、Fe、Sn均可溶解,而且Pb、Cu还可形成阳极泥,因此电路中每转移2 mol 电子,d电极质量减轻不可能是119 g,故C项错误;Sn(OH)2为弱碱,因此Sn2+在水中会发生水解,而溶液中H2SiF6电离出的H+能抑制Sn2+水解,故D项正确。
【变式设问】
(1)写出c、d电极上可能发生的电极反应。
(2)电解过程中溶液中的Sn2+浓度如何变化 电路中每转移2 mol电子,c电极质量增加是不是119 g
提示 c电极:Sn2++2e-═Sn;d电极:Zn-2e-═Zn2+,Fe-2e-═Fe2+,Sn-2e-═Sn2+。
提示 Sn2+浓度减小。每转移2 mol电子,c电极质量增加119 g。
视角3 电冶金考查
3.铝的冶炼在工业上通常采用电解Al2O3的方法,装置示意图如图。研究表明,电解AlCl3 NaCl熔融盐也可得到Al,熔融盐中铝元素主要存在形式为
。下列说法不正确的是(　　)
A.电解Al2O3装置中B电极为阴极,发生还原反应
B.电解Al2O3过程中碳素电极虽为惰性电极,但生产中会有损耗,需定期更换
D
归纳总结　电解熔融Al2O3制取金属铝时,为降低Al2O3的熔点,需加入助熔剂冰晶石(Na3AlF6)使Al2O3在1 000 ℃左右就可与冰晶石形成熔融体。
电解时主要的电极反应为:
在阳极生成的O2全部与碳素电极(石墨电极)反应生成CO和CO2气体,因此在电解过程中需要不断补充碳素电极(石墨电极)。
视角4 电镀原理的考查
4.塑料电镀制品既有塑料的质量轻、易成型的特点,又有金属镀层的美观等特点,因此塑料电镀被广泛用于汽车、摩托车、家用电器的零部件和水暖器材的生产。已粗化(塑料表面有许多微孔)的塑料勺电镀银的装置如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.a为电源的负极
B.保持其他条件不变,若将电极X的材料换成Cu,
塑料勺首先镀上的金属仍为银
C.电镀一段时间后,溶液的pH变小
D.电极Y上发生还原反应,失去电子
B
解析 电镀时,待镀镀件与电源的负极相连作阴极,故电源b电极为负极,Y电极反应为Ag++e-═Ag,镀层金属与电源的正极相连作阳极,故电源a电极为正极,X电极反应为Ag-e-═Ag+,A错误;保持其他条件不变,若将电极X的材料换成Cu,X电极反应为Cu-2e-═Cu2+,由于Ag+的氧化性强于Cu2+,故塑料勺首先镀上的金属仍为银,B正确;电镀过程中,溶液中AgNO3的浓度保持不变,故溶液的pH不变,C错误;电极Y为阴极,发生还原反应,得到电子,D错误。
5.(2023广西桂林高二期末统考)利用如图所示装置模拟电解在工业生产的应用,下列说法正确的是(　　)
A.若要在铁片上镀铜,Z为FeSO4溶液
B.若要在铁片上镀铜,X、Y分别为纯铜和铁片
C.若Z是饱和NaCl溶液,电解一段时间后,Y电极析出少量的Na
D.若Z是饱和NaCl溶液,X电极首先发生的电极反应是
4OH--4e-═2H2O+O2↑
B
解析 若要在铁片上镀铜,应该使Fe片与电源负极连接作阴极,铜片与电源正极连接作阳极,Z为CuSO4溶液,A错误;若要在铁片上镀铜,则阳极X为Cu,阴极Y为铁片,B正确;若Z是饱和NaCl溶液,由于离子的放电能力:H+>Na+,所以电解时阴极Y上会产生H2,故电解一段时间后,Y电极不会析出金属Na,C错误;若Z是饱和NaCl溶液,由于离子放电顺序:Cl->OH-,阳极X电极首先是Cl-放电产生Cl2,故阳极X发生的电极反应是2Cl--2e-═Cl2↑,D错误。
探究二　有关电解计算的三种常用方法
问题探究
在粗铜的精炼中,阴极和阳极通过的电子数相等吗 阴极和阳极两个电极上的质量变化一样吗
提示 两个电极上通过的电子数一样;两个电极的质量变化不相等。
归纳拓展
有关电解计算的方法
(1)根据电子守恒法计算。用于串联电路中各电极产物的计算,其依据是电路上转移的电子数相等。
(2)根据电解总反应计算。先写电极反应,再写出电解总反应,最后根据电解总反应计算。
(3)根据关系式计算。根据电子得失相等找到已知量与未知量之间的关系,从而推出计算所需的关系式。
遵循电子守恒
【微点拨】(1)电解过程中产生的H+或OH-,其物质的量等于转移电子的物质的量。
(2)进行电解计算时,要注意电极上离子的放电顺序,从而确定不同阶段的电极反应。
应用体验
视角1 同一溶液中的电解计算
1.以石墨电极电解200 mL CuSO4溶液,电解过程中转移电子的物质的量[n(e-)]与产生气体总体积[V(标准状况下)]的关系如图所示。下列说法中正确的是(　　)
A.电解前CuSO4溶液的物质的量浓度为2 mol·L-1
B.忽略溶液体积变化,Cu2+恰好完全放电时所得溶
液中c(H+)=2 mol·L-1
C.当n(e-)=0.6 mol时,V(H2)∶V(O2)=3∶2
D.当n(e-)=0.8 mol时,向电解后的溶液中加入16 g CuO,则溶液可恢复到电解前的浓度
B
规律方法 电解过程中的一般计算方法
如以通过4 mol e-为桥梁可构建如下关系式:
(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)
2.可以用电解法制备LiOH,装置如图所示。以下说法正确的是(　　)
A.在阳极室得到LiOH溶液
B.除了LiOH,此装置还可得到H2、O2、H2SO4
C.只保留阳离子交换膜也可以得到产品LiOH溶液
D.石墨b表面发生的电极反应式为2H2O-4e-==O2↑+4H+
B
解析 该电解池实质是电解水,根据题图知,石墨a为电解池阳极,水电离出的氢氧根放电,电极反应为2H2O-4e-═4H++O2↑,原料室中硫酸根离子经过阴离子交换膜进入阳极室结合H+产生H2SO4,石墨b为阴极,水电离出的氢离子放电生成氢气,电极反应为2H2O+2e-═2OH-+H2↑,原料室中Li+经过阳离子交换膜进入阴极室结合OH-得到产品LiOH溶液。由分析知,A错误;阳极可得到O2、H2SO4,阴极可得到H2、LiOH,B正确;如果只有阳离子交换膜,则阳极产生的H+进入阴极室中和OH-,不能得到LiOH,C错误;石墨b上电极反应为2H2O+2e-═2OH-+H2↑,D错误。
视角2 溶液复原的计算
3.用惰性电极电解一定浓度的硫酸铜溶液,通电一段时间后,向所得的溶液中加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3后恰好恢复到电解前的状态(不考虑二氧化碳的溶解),则电解过程中共转移电子的物质的量为(　　)
A.0.4 mol B.0.5 mol
C.0.6 mol D.0.8 mol
C
解析 电解硫酸铜溶液时,第一阶段:2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4,第二阶段:2H2O 2H2↑+O2↑,如果只按第一阶段的电解反应,只需要加入CuO或CuCO3就可以使溶液恢复到电解前的状态,但是现在加入的是Cu2(OH)2CO3,相当于多加了0.1 mol H2O,0.1 mol的水应该是第二阶段的反应消耗的,该阶段转移了0.2 mol电子,第一阶段转移了0.4 mol电子,所以总共转移0.6 mol电子。
4.用惰性电极电解一定量的硫酸铜溶液,电解一段时间后,向电解液中加入0.1 mol 碱式碳酸铜晶体(不含结晶水),恰好使溶液恢复到电解前的浓度和pH。下列有关叙述不正确的是(　　)
A.电解过程中阳极产生的气体体积(在标准状况下)为3.36 L
B.电解过程只发生了反应2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4
C.电解过程转移的电子数为3.612×1023
D.加入的碱式碳酸铜的反应是Cu2(OH)2CO3+2H2SO4═2CuSO4+CO2↑+3H2O
B
解析 电解硫酸铜溶液后溶液呈酸性,向电解后的溶液中加入Cu2(OH)2CO3能恢复原溶液,Cu2(OH)2CO3和H2SO4反应生成CuSO4、H2O和CO2,将Cu2(OH)2CO3化学式改变为2CuO·H2O·CO2,可以看出加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3 就相当于加入0.2 mol CuO和0.1 mol H2O。
所以实际上电解硫酸铜溶液分两个阶段:
第一阶段:2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4;
第二阶段:2H2O 2H2↑+O2↑,B错误。
电解过程中,阳极只有O2生成,根据氧原子守恒,则阳极产生O2的物质的量是0.15 mol,气体标准状况下体积=0.15 mol×22.4 L·mol-1=3.36 L,A正确。反应中每产生1 mol O2,转移4 mol电子,则电解过程中转移电子的物质的量:0.15 mol×4=0.6 mol,则电解过程转移的电子数N(e-)=0.6 mol×6.02× 1023 mol-1=3.612×1023,C正确。加入的碱式碳酸铜的反应是Cu2(OH)2CO3+2H2SO4═2CuSO4+CO2↑+3H2O,D正确。
视角3 串联电路的计算
5.如图所示,图乙是图甲的电解池进行电解时某个量(纵坐标y)随时间变化的函数图像(各电解池都用石墨作为电极,不考虑电解过程中溶液浓度变化对电极反应的影响),这个量y表示的是(　　)
A.各电解池析出气体的体积
B.各电解池阳极质量的增加量
C.各电解池阴极质量的增加量
D.各电极上放电的离子总数
C
解析 电解氯化钠溶液时,阴、阳极都产生气体物质;电解硝酸银溶液时,阴极上产生单质银;电解硫酸铜溶液时阴极上产生单质铜。所以随着电解的进行阴极质量的增加量有如图乙所示的变化。
6.如图所示的A、B两个电解池中的电极均为铂电极,在A池中加入0.05 mol·L-1的CuCl2溶液,B池中加入0.1 mol·L-1的AgNO3溶液,进行电解。一段时间后a、b、c、d四个电极上所产生的物质的物质的量之比是(　　)
A.2∶2∶4∶1 B.1∶1∶2∶1
C.2∶1∶1∶1 D.2∶1∶2∶1
A
解析 由电解规律可知,a、c为阴极,b、d为阳极。a极上析出Cu,b极上逸出Cl2,c极上析出Ag,d极上逸出O2。由转移电子守恒可得出:
2e-~Cu~Cl2~2Ag~ O2,所以a、b、c、d四个电极上所产生的物质的物质的量之比为1∶1∶2∶ =2∶2∶4∶1。(共51张PPT)
第1章　化学反应与能量转化
章 末 整 合
突破1　焓变(ΔH)的计算
利用键能计算ΔH或根据盖斯定律计算、比较ΔH是近几年全国卷命题的必考点,特别是将热化学方程式和盖斯定律的应用融合在一起的试题,很好地考查了考生对所学知识的灵活应用和运算能力。正确计算ΔH的关键是合理设计反应途径。
高考考法一　利用键能计算ΔH
典例1 (2020天津化学,10)理论研究表明,在101 kPa和298 K下,HCN(g)
HNC(g)异构化反应过程的能量变化如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.HCN比HNC稳定
B.该异构化反应的ΔH=+59.3 kJ·mol-1
C.正反应的活化能大于逆反应的活化能
D.使用催化剂,可以改变反应的反应热
D
解析 根据图示,HCN的相对能量低于HNC的相对能量,故HCN较稳定,A项正确;HCN(g) HNC(g)为吸热反应,ΔH=+59.3 kJ·mol-1,B项正确;根据图示可知,正反应的活化能明显大于逆反应的活化能,C项正确;使用催化剂,可以改变反应的活化能,但不能改变反应热,D项错误。
规律方法 利用键能计算ΔH的方法
(1)计算公式:①ΔH=反应物的总键能-反应产物的总键能。②ΔH=断开化学键吸收的能量-形成化学键放出的能量。
(2)计算关键:利用键能计算ΔH的关键,就是要明确物质中化学键的数目,对中学阶段常见单质、化合物中所含共价键的种类和数目要熟悉。
物质(化学键) CO2(C=O) CH4(C—H) P4(P—P) SiO2(Si—O)
1 mol微粒所含 化学键数目/NA 2 4 6 4
物质(化学键) 石墨(C—C) 金刚石(C—C) S8(S—S) Si(Si—Si)
1 mol微粒所含 化学键数目/NA 1.5 2 8 2
【变式训练1-1】
(2022年6月浙江选考)标准状态下,下列物质气态时的相对能量如表:
可根据HO(g)+HO(g)═H2O2(g)计算出H2O2中氧氧单键的键能为214 kJ·mol-1。下列说法不正确的是(　　)
A.H2的键能为436 kJ·mol-1
B.O2的键能大于H2O2中氧氧单键的键能的两倍
C.解离氧氧单键所需能量:HOOD.H2O(g)+O(g)═H2O2(g)　ΔH=-143 kJ·mol-1
C
解析 H(g)的相对能量为218 kJ·mol-1,H2(g)的相对能量为0,故两个气态氢原子成键释放出的能量为218 kJ·mol-1×2-0=436 kJ·mol-1,即H2的键能为436 kJ·mol-1,A项正确;O2的键能为249 kJ·mol-1×2=498 kJ·mol-1,大于H2O2中氧氧单键的键能的两倍,B项正确;可根据O(g)+HO(g)═HOO(g)计算出HOO中氧氧单键的键能为278 kJ·mol-1,大于H2O2(g)中氧氧单键的键能,C项错误;焓变等于生成物的总能量减去反应物的总能量,即H2O(g)+O(g)═H2O2(g)　ΔH=-136 kJ·mol-1-(-242 kJ·mol-1+249 kJ·mol-1)
=-143 kJ·mol-1,D项正确。
【变式训练1-2】
CO2与CH4经催化重整,制得合成气:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)
已知上述反应中相关的化学键键能数据如下:
则该反应的ΔH=　　　　　　　　　　。
+120 kJ·mol-1
解析 ΔH=[4×E(C—H)+2×E(C O)]-[2×E(C O)+2×E(H—H)]
= (4×413+2×745) kJ·mol-1-(2×1 075+2×436) kJ·mol-1=+120 kJ·mol-1。
高考考法二　利用盖斯定律计算ΔH并书写热化学方程式
+89.3
解析根据盖斯定律,将反应①和②叠加可得反应③,
故ΔH3=ΔH1+ΔH2=100.3 kJ·mol-1+(-11.0 kJ·mol-1)=+89.3 kJ·mol-1。
(2)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行:
CuO(s)+2HCl(g) ==CuCl2(s)+H2O(g)　ΔH3=-121 kJ·mol-1
则4HCl(g)+O2(g) ==2Cl2(g)+2H2O(g)的ΔH=　　　　　kJ·mol-1。
-116
解析 由盖斯定律可知,将题给催化过程的三个反应直接相加可得:
2HCl(g)+ O2(g) ==Cl2(g)+H2O(g)
ΔH'=(83-20-121)kJ·mol-1=-58 kJ·mol-1,则ΔH=2ΔH'=-116 kJ·mol-1。
(3)硅粉与HCl在300 ℃时反应生成1 mol SiHCl3气体和H2,放出225 kJ热量,该反应的热化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　。
Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2(g)　ΔH=-225 kJ·mol-1
解析 首先书写反应的化学方程式:Si+3HCl SiHCl3+H2,然后写出物质的状态和焓变可得热化学方程式:Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2(g)　ΔH=-225 kJ·mol-1。
规律方法 盖斯定律应用三步流程
【变式训练2】
请回答下列问题:
(1)已知:2N2O5(g) ==2N2O4(g)+O2(g)　ΔH1=-4.4 kJ·mol-1
2NO2(g) ==N2O4(g)　ΔH2=-55.3 kJ·mol-1
则反应N2O5(g) ==2NO2(g)+ O2(g)的ΔH=　　　　 kJ·mol-1。
+53.1
解析 由盖斯定律可知,(第一个已知反应÷2)-(第二个已知反应)可得反应: N2O5(g) ==2NO2(g)+ O2(g),
则该反应的ΔH=-4.4 kJ·mol-1÷2-(-55.3 kJ·mol-1)=+53.1 kJ·mol-1。
(2)CH4—CO2催化重整反应为:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)。
已知:
C(s)+2H2(g) ==CH4(g)　ΔH=-75 kJ·mol-1
C(s)+O2(g) ==CO2(g)　ΔH=-394 kJ·mol-1
C(s)+ O2(g) ==CO(g)　ΔH=-111 kJ·mol-1
该催化重整反应的ΔH=　　　　　 kJ·mol-1。
+247
解析 将已知热化学方程式依次编号为①②③,根据盖斯定律,③×2-①-②,得到CH4—CO2催化重整反应的ΔH=+247 kJ·mol-1。
(3)SiHCl3在催化剂作用下发生反应:
2SiHCl3(g) ==SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)　ΔH1=+48 kJ·mol-1
3SiH2Cl2(g) ==SiH4(g)+2SiHCl3(g)　ΔH2=-30 kJ·mol-1
则反应4SiHCl3(g) ==SiH4(g)+3SiCl4(g)的ΔH为　　　　　 kJ·mol-1。
+114
解析 2SiHCl3(g) ==SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)　ΔH1=+48 kJ·mol-1①
3SiH2Cl2(g) ==SiH4(g)+2SiHCl3(g)　ΔH2=-30 kJ·mol-1②
根据盖斯定律:①×3+②即可得4SiHCl3(g) ==SiH4(g)+3SiCl4(g)　ΔH=+114 kJ·mol-1。
(4)近年来,研究人员提出利用含硫物质热化学循环实现太阳能的转化与存储。过程如下:
反应Ⅰ:2H2SO4(l) ==2SO2(g)+2H2O(g)+O2(g)
ΔH1=+551 kJ·mol-1
反应Ⅲ:S(s)+O2(g) ==SO2(g)　ΔH3=-297 kJ·mol-1
反应Ⅱ的热化学方程式:_____________________________________。
3SO2(g)+2H2O(g)═2H2SO4(l)+S(s) ΔH=-254 kJ·mol-1
解析 由题给示意图可知,反应Ⅱ为二氧化硫发生歧化反应生成硫酸和硫,反应的化学方程式为3SO2(g)+2H2O(g) 2H2SO4(l)+S(s),由盖斯定律可知,-(反应Ⅲ+反应Ⅰ)可得反应Ⅱ,则反应Ⅱ的ΔH=-(ΔH3+ΔH1)=-(-297 kJ·mol-1)-(+551 kJ·mol-1)=-254 kJ·mol-1,则反应Ⅱ的热化学方程式为3SO2(g)+2H2O(g) ==2H2SO4(l)+S(s)　ΔH=-254 kJ·mol-1。
突破2　电化学中电极反应式的书写
电极反应式的书写是高考的重点、热点和难点,主要涉及燃料电池、可逆电池及电解池(尤其是含离子交换膜)。
高考考法一　燃料电池
典例3 (2019全国Ⅰ,12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意图如下所示。下列说法错误的是(　　)
A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能
B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+==2H++2MV+
C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3
D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
B
解析 题给反应过程是在室温条件下进行的,因此比现有工业合成氨的条件温和,同时还能提供电能,A项正确;阴极区发生的是得电子的反应,而左池中发生的是失电子的反应,B项错误;右池为正极区,氮气发生还原反应生成氨气,C项正确;左池中产生的氢离子通过交换膜向右池移动,即由负极区移向正极区,D项正确。
规律方法 燃料电池电极反应的书写
第一步:写出燃料电池反应的总反应
一般情况下,燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加和之后的反应。如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)中发生的反应依次为:
CH4+2O2==CO2+2H2O①
CO2+2NaOH==Na2CO3+H2O②
由①式+②式可得燃料电池总反应为CH4+2O2+2NaOH==Na2CO3+3H2O。
第二步:写出电池的正极反应
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应有所不同,大致有以下四种情况:
第三步:根据电池总反应和正极反应,写出负极反应
电池反应的总反应-电池正极反应=电池负极反应。因为O2不是负极反应物,因此两个反应相减时要彻底消除O2。
环境 正极电极反应
酸性电解质溶液 O2+4H++4e-==2H2O
碱性电解质溶液 O2+2H2O+4e-==4OH-
固体电解质(高温下能传导O2-) O2+4e-==2O2-
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3) O2+2CO2+4e-==2C
【变式训练3】为体现节能减排的理念,中国研制出了新型固态氧化物燃料电池(SOFC),该电池的工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.电子从b极经导线流向a极
B.正极的电极反应为O2+4e-+2H2O==4OH-
C.还可以选用NaOH固体作固态电解质
D.若反应中转移1 mol电子,则生成22.4 L
(标准状况)CO2
A
解析 燃料电池通入氧气的电极为正极,则a为正极,电子从b极经导线流向a极,故A正确;介质为固态熔融介质,不存在水溶液,则正极的电极反应为O2+4e-==2O2-,故B错误;CO2能与NaOH反应生成Na2CO3,则不可选用NaOH固体作为固态电解质,故C错误;若反应中转移1 mol电子,参加反应的氧气为0.25 mol,生成CO2为0.5 mol,其体积为11.2 L(标准状况),故D错误。
高考考法二　可逆电池
典例4 (2020天津化学,11)熔融钠-硫电池性能优良,是具有应用前景的储能电池。图中的电池反应为2Na+xS Na2Sx(x=5~3,难溶于熔融硫)。下列说法错误的是(　　)
B.放电时正极反应为xS+2Na++2e-==Na2Sx
C.Na和Na2Sx分别为电池的负极和正极
D.该电池是以Na-β-Al2O3为隔膜的二次电池
C
解析 根据化学键形成条件,Na+与 之间形成离子键,S原子之间形成共价键,所以Na2S4的电子式为Na+ ]2-Na+,A项正确;该电池放电时,正极发生还原反应,其电极反应为xS+2Na++2e-==Na2Sx,B项正确;该电池的正极反应物是S,C项错误;该电池能充电,所以为二次电池,D项正确。
规律方法 1.正确分析二次电池
2.利用“加减法”书写新型二次电池放电的电极反应
若已知电池放电时的总反应,可先写出较易书写的一极的电极反应,然后在电子守恒的基础上,由总反应减去较易写出的一极的电极反应,即可得到较难写出的另一极的电极反应。
C
高考考法三　电解池
典例5 (2021广东化学,16)钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是(　　)
A.工作时,Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大
B.生成1 mol Co,Ⅰ室溶液质量理论上减少16 g
C.移除两交换膜后,石墨电极上发生的反应不变
D.电解总反应:2Co2++2H2O 2Co+O2↑+4H+
D
解析 本题考查电解原理。电解装置工作时,Ⅰ室反应为2H2O-4e-==4H++O2↑,Ⅲ室反应:Co2++2e-==Co,形成闭合回路,H+移向Ⅱ室,Cl-移向Ⅱ室。Ⅰ室中H2SO4的物质的量不变,H2O的物质的量减小,H2SO4浓度增大,溶液pH减小,A项错误;生成1 mol Co转移2 mol e-,Ⅰ室减少1 mol H2O,质量为18 g,B项错误;移除两交换膜,石墨电极放电的是Cl-,C项错误;根据电子守恒,该电解过程的总反应为2Co2++2H2O 2Co+O2↑+4H+,D项正确。
规律方法 电解时电极反应的书写步骤
【变式训练5】按要求书写电极反应。
(1)以金属铝为阳极,在H2SO4溶液中电解,金属铝表面形成氧化膜,阳极反应为______________________________________。
(2)用Al单质作为阳极,石墨作为阴极,NaHCO3溶液作为电解液进行电解,生成难溶物R,R受热分解生成化合物Q,写出阳极生成R的电极反应: ______________________________________ 。
(3)在酸性条件下用惰性电极电解K2MnO4溶液能得到化合物KMnO4,则阳极反应为_______________,阴极反应为_______________。
(4)将一定浓度的磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、氯化锂混合溶液作为电解质溶液,以铁棒为阳极,石墨为阴极,电解析出LiFePO4沉淀,则阳极电极反应为______________________________________ 。
2Al+3H2O-6e-═Al2O3+6H+
2H++2e-═H2↑
突破3　电化学中的串联电路
1.有外接电源电池类型的判断方法
其中甲为电镀池,乙、丙均为一般的电解池。
2.无外接电源电池类型的判断方法
原电池反应可自发进行;电解池反应不能自发进行。如图所示,B为原电池,A为电解池。
典例6　(2021湖南化学,10)锌/溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池,广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等。三单体串联锌/溴液流电池工作原理如图所示:
下列说法错误的是(　　)
A.放电时,N极为正极
B.放电时,左侧贮液器中ZnBr2的浓度不断减小
C.充电时,M极的电极反应为Zn2++2e-═Zn
D.隔膜允许阳离子通过,也允许阴离子通过
B
解析 该电池放电反应总方程式:Zn+Br2═ZnBr2,放电时,Br2在正极反应, ZnBr2被循环回路“回收”至左侧贮液器中,A项正确、B项错误;充电时,锌极为阴极发生还原反应:Zn2++2e-═Zn,C项正确;放电时,Br2得电子产生Br-,通过隔膜迁移向负极区,形成ZnBr2回流至左侧贮液器,Zn失电子产生Zn2+,通过隔膜迁移至正极区,形成ZnBr2回流至右侧贮液器,充电时,Zn2+得电子生成Zn在M极放电,部分Zn2+在隔膜上生成沉积锌,而Br-在贮液器处转化为Br2复合物贮存,该过程中Zn2+、Br-都可以通过隔膜,D项正确。
【变式训练6-1】
用铅蓄电池电解AgNO3、Na2SO4的溶液,a、b、c、d电极材料均为石墨。已知铅蓄电池的总反应为Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)+2H2O(l),通电时a电极质量增加,下列说法正确的是(　　)
A.电路中通过1 mol电子时,Y电极质量增加48 g
B.放电时铅蓄电池负极的电极反应为
PbO2(s)+4H+(aq)+S (aq)+2e-==PbSO4(s)+2H2O(l)
C.c、d电极产生气体的物质的量之比为1∶2
D.X极为负极
A
解析 a极质量增加,即析出了Ag,则a为阴极,Y为负极,X为正极,D项错;放电时负极失电子,B项错误;c为阴极放出H2,d为阳极放出O2,物质的量之比为2∶1,C项错误。
【变式训练6-2】
如图X是直流电源。Y槽中c、d为石墨棒,Z槽中e、f是质量相同的铜棒。接通电路后,发现d附近显红色。
(1)①电源上b为　　　　(填“正”“负”“阴”或“阳”,下同)极。
②Z槽中e极为　　　　极。
③连接Y、Z槽线路中,电子流动的方向是d　　　　e(填“→”或“←”)。
(2)①写出c极上反应的电极反应:　　　　　　　　　　　。
②写出Y槽中总反应的化学方程式:　　　　　　　　　　　 。
③写出Z槽中e极上的电极反应:　　　　　　　　　　　。
负
阳
2Cl--2e-═Cl2↑
2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑
Cu-2e-═Cu2+
解析 d极附近显红色,说明d极为阴极,电极反应为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,c极为阳极,电极反应为2Cl--2e-==Cl2↑,Y槽电解NaCl溶液的总反应方程式为2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2↑+H2↑;直流电源中a极为正极,b极为负极,Z槽中f极为阴极,e极为阳极,e极上电极反应为Cu-2e-==Cu2+,电子流动方向由e→d。
突破4　电化学中的“膜”化学
近几年全国卷的高考中,涉及离子交换膜的试题较多,且常考常新。
1.离子交换膜的类型和作用
2.多室电解池
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。如两室电解池——工业上利用如图两室电解装置制备烧碱。
典例7 (2020全国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)4]2-
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2[Zn(OH)4]2-==2Zn+O2↑+4OH-+2H2O
D.充电时,正极溶液中OH-浓度升高
D
解析 依据题给文字及图示信息,可确定该装置为二次电池。当放电时(即原电池),负极为Zn,电极反应为Zn+4OH--2e-==[Zn(OH)4]2-;正极发生还原反应,电极反应为CO2+2H++2e-==HCOOH,A、B两项正确。当充电时(即电解池),阳极反应为2H2O-4e-==O2↑+4H+;阴极反应为[Zn(OH)4]2-+2e-== Zn+4OH-,总反应为2[Zn(OH)4]2-==2Zn+O2↑+4OH-+2H2O,C项正确,D项错误。
规律方法 含离子交换膜电化学装置题的解题步骤
【变式训练7-1】
用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的N,模拟装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.阳极室溶液由无色变成棕黄色
B.阴极的电极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑
C.电解一段时间后,阴极室溶液的酸性减弱
D.电解一段时间后,阴极室溶液中的溶质一定是(NH4)3PO4
C
解析 Fe电极与电源正极相连,则Fe是阳极,电极反应为Fe-2e-==Fe2+,反应中生成Fe2+,溶液由无色变为浅绿色,A错误;阴极上H+得电子发生还原反应,电极反应为2H++2e-==H2↑,B错误;电解过程中阴极上消耗H+,则阴极室溶液的酸性减弱,C正确;电解时,(NH4)2SO4溶液中的N 向阴极室迁移,故阴极室溶液中的溶质可能为(NH4)3PO4、(NH4)2HPO4、NH4H2PO4等,D错误。
【变式训练7-2】用电解法可提纯含有某种钾的含氧酸盐杂质(如硫酸钾、碳酸钾等)的粗KOH溶液,其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.电极N为阳极,电极M上H+发生还原反应
B.电极M的电极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑
C.d处流进粗KOH溶液,e处流出纯KOH溶液
D.b处每产生11.2 L气体,必有1 mol K+穿过阳离子交换膜
B
解析 根据图示可知,K+移向电极N,所以电极N是阴极,M极是阳极,OH-发生氧化反应生成氧气,电极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑,故A错误,B正确;c处流进粗KOH溶液,f处流出纯KOH溶液,故C错误;电极N是阴极,H+发生还原反应生成氢气,未说明标准状况,则11.2 L氢气的物质的量不一定是0.5 mol,故D错误。(共25张PPT)
第1章　化学反应与能量转化
第1节　第1课时　化学反应的反应热、焓变
素 养 目 标
1.了解化学反应中能量的常见转化形式,随之形成宏观辨识与微观探析的学科核心素养。
2.了解反应热、内能、焓、焓变的定义及其表示方法,了解焓变与反应热、物质能量之间的关系,体现证据推理与模型认知的学科核心素养。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
必备知识
一、化学反应的反应热
1.反应热
(1)定义:当化学反应在一定的温度下进行时,反应所释放或吸收的热量。
(2)表示符号:用Q表示
(3)热化学:用实验方法和理论方法研究反应热的化学分支称为热化学。
【微思考1】使用反应热应该注意哪几方面问题
提示 (1)物理变化中的能量变化不是反应热,如物质的三态变化,物质的溶解等过程中产生的热量变化不属于反应热。
(2)反应放热或吸热与反应的条件无关。
2.反应热的测定
(1)测定反应热的仪器——量热计:
(2)测定方法:将反应物加入量热计内筒并搅拌使之迅速反应,测量反应前后溶液温度的变化值。
(3)计算公式:Q=-C(T2-T1)。其中C表示溶液及量热计的热容,单位是J·K-1;T1、T2表示反应前和反应后体系的温度,单位是K。
二、化学反应的内能变化与焓变
1.内能(符号:U)
(1)定义:体系内物质所含各种微观粒子的能量总和。
(2)内能的大小除了与物质的种类、数量及聚集状态有关外,还与体系的
温度、压强有关。
2.焓
(1)定义:用来描述物质所具有的能量的物理量。与物质的种类、数量、聚集状态及温度和压强等有关,符号为H,单位为J或kJ。
(2)焓和内能关系:H=U+pV
等压条件下的反应热等于焓变
3.焓变
(1)定义:反应产物的焓与反应物的焓之差。符号:ΔH。
(2)表达式及单位:ΔH=H(反应产物)-H(反应物),单位为kJ·mol-1或J·mol-1。
(3)化学反应的焓变示意图
>
吸热
<
放热
4.焓变与反应热的关系
在等压条件下,反应中物质的能量变化全部转化为热能时,焓变与该化学反应的反应热相等,数学表达式为ΔH=Qp。
【微思考2】同一物质在不同聚集状态时的焓有什么关系
提示同一物质在不同聚集状态时所具有的能量也不同,即焓不相同,一般来说物质的焓:气态>液态>固态。
自我检测
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)化学反应过程中一定伴随着能量的变化。(　　)
(2)反应热、焓变均指化学反应中的热量变化,单位为kJ或J。(　　)
(3)化学反应中反应物总能量一定大于反应产物总能量。(　　)
(4)吸热反应的ΔH<0,放热反应的ΔH>0。(　　)
(5)反应A+B==C放热,则说明能量:A>B。(　　)
(6)Na转化为Na+时,吸收的能量就是该过程的反应热。(　　)
(7)水蒸气变为液态水时放出的能量就是该变化的反应热。(　　)
√
×
×
×
×
×
×
重难探究 能力素养全提升
探究　反应热与物质能量及化学键的关系
问题探究
1.天然气的燃烧涉及哪些能量间的转化
提示天然气的燃烧是化学能转化为热能和光能。
2.化学反应中的反应热与化学键的键能有什么关系
提示化学反应的反应热=断裂化学键吸收的总能量-形成化学键放出的总能量。
归纳拓展
1.内能与反应热的关系
(1)ΔU=U(反应产物)-U(反应物),当U(反应物)>U(反应产物),反应释放能量;U(反应物)化学反应体系与环境进行能量交换可以以热和功两种形式呈现,根据能量守恒定律:
ΔU=U(反应产物)-U(反应物)=Q+W
(2)内能与反应热的关系:若体系没有做功,ΔU=Q。当U(反应产物)>U(反应物)时,Q>0,反应吸收能量;当U(反应产物)2.焓变与化学键的关系
3.焓变与物质能量变化的关系
反应类型 放热反应 吸热反应
能量关系 反应物具有的总能量大于反应产物具有的总能量 反应物具有的总能量小于反应产物具有的总能量
表示方法 ΔH<0 ΔH>0
图示
实例 H2(g)+Cl2(g)═2HCl(g)　 ΔH=-183 kJ·mol-1 C(s)+H2O(g)═CO(g)+H2(g)　ΔH=+131.3 kJ·mol-1
【微点拨】(1)化学反应的能量变化主要表现为热量的变化,但这并不是唯一的表现形式,其他的还有发光、放电等。
(2)化学反应表现为吸热或放热,与反应的条件没有必然关系,而是取决于反应物和反应产物具有的总能量(或焓)的相对大小。
应用体验
视角1 反应热与化学键的关系
1.如图为N2(g)与O2(g)反应生成NO(g)过程中的能量变化,下列说法中正确的是(　　)
A.1 mol N2(g)与1 mol O2(g)反应放出的能量为180 kJ
B.1 mol N2(g)和1 mol O2(g)具有的总能量小于2 mol NO(g)具有的总能量
C.常温下,N2(g)和O2(g)混合能直接生成NO
D.NO是一种酸性氧化物,能与NaOH溶液反应生成盐和水
B
解析 反应热就是断裂旧化学键吸收的总能量和形成新化学键所放出的总能量的差值,所以该反应的反应热是946 kJ·mol-1+498 kJ·mol-1-2×632 kJ·mol-1=180 kJ·mol-1,故该反应是吸热反应,A项错误,B项正确;氮气和氧气反应需要放电,C项错误;NO不是酸性氧化物,NO和氢氧化钠溶液不反应,D项错误。
2.(2023北京昌平高二期末统考)下列有关H2(g)+ O2(g)═H2O(l)　
ΔH=-285.8 kJ·mol-1的说法不正确的是(　　)
A.该反应的ΔH等于断开1 mol H—H键和0.5 mol O=O键所需总能量减去形成2 mol O—H键释放的总能量
B.若生成1 mol H2O(g)放出的热量小于285.8 kJ
C.1 mol 液态水与1 mol 水蒸气所具有的内能不同
D.1 mol H2(g)和0.5 mol O2(g)的总能量比1 mol H2O(l)的能量高285.8 kJ
A
解析 生成气态水反应的焓变ΔH等于断开1 mol H—H键和0.5 mol O=O键所需总能量减去形成2 mol O—H键释放的总能量,则该反应的ΔH不等于断开1 mol H—H键和0.5 mol O=O键所需总能量减去形成2 mol O—H键释放的总能量,故A错误;气态水的能量高于液态水,所以若生成1 mol H2O(g)键放出的热量小于285.8 kJ,故B正确;气态水的能量高于液态水,所以1 mol液态水与1 mol水蒸气所具有的内能不同,故C正确;该反应为放热反应,1 mol H2(g)和0.5 mol O2(g)的总能量比1 mol H2O(l)的能量高285.8 kJ,故D正确。
视角2 反应热与物质能量的关系
3.单斜硫和正交硫转化为二氧化硫的能量变化,如图所示,下列说法不正确的是(　　)
A.单斜硫和正交硫互为同素异形体
B.S(s,单斜)==S(s,正交)　ΔH=-0.33 kJ·mol-1
C.单斜硫比正交硫稳定
D.1 mol SO2(g)分解成1 mol S(s,单斜)和1 mol O2时会吸收热量
B
解析 同一种元素形成的不同单质互为同素异形体,单斜硫和正交硫是硫元素的不同单质,二者互为同素异形体,故A正确;由题图可知,S(s,单斜)和O2反应生成1 mol SO2(g)时放热297.16 kJ,S(s,正交)和O2反应生成1 mol SO2(g)时放热296.83 kJ,则S(s,单斜)==S(s,正交)
ΔH=-(297.16 kJ·mol-1-296.83 kJ·mol-1)=-0.33 kJ·mol-1,故B正确;由题图可知,单斜硫具有的能量比正交硫高,则正交硫更稳定,故C错误;由题图可知,单斜硫和氧气反应是放热反应,则其逆反应是吸热反应,即SO2(g)分解成S(s,单斜)和O2时会吸收热量,故D正确。
规律方法 ΔH的计算方法
(1)ΔH=反应物断键吸收的总能量-反应产物成键释放的总能量。
(2)ΔH=反应产物所具有的焓-反应物所具有的焓。
4.已知氢气在氯气中燃烧时产生苍白色火焰。在反应过程中,破坏1 mol氢气中的化学键消耗的能量为Q1 kJ,破坏1 mol氯气中的化学键消耗的能量为Q2 kJ,形成1 mol氯化氢中的化学键释放的能量为Q3 kJ,下列关系式中正确的是(　　)
A.Q1+Q2>Q3 B.Q1+Q2>2Q3
C.Q1+Q2D
解析由于氢气在氯气中燃烧是放热反应,反应热Q<0,Q=Q1+Q2-2Q3,则Q1+Q2-2Q3<0,即Q1+Q2<2Q3,D项正确。(共24张PPT)
微专题1　原电池原理和电解池原理综合应用
素 养 目 标
深入理解原电池和电解池原理,掌握可充电电池和串联电路的思维模型,培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
重难探究 能力素养全提升
探究一　可充电电池
归纳拓展
可充电电池可综合考查原电池和电解池原理。
应用体验
1.如图所示,装置(Ⅰ)是一种可充电电池的示意图,装置(Ⅱ)为电解池的示意图,装置(Ⅰ)的离子交换膜只允许Na+通过。电池充、放电的化学方程式为2Na2S2+NaBr3 Na2S4+3NaBr。当闭合K时,X极附近溶液先变红色。下列说法正确的是(　　)
A.装置(Ⅰ)中电极A为正极
B.电极X附近溶液变红的原因:2H2O+2e-═2OH-+H2↑
C.放电时,电极B的反应为
D.给原电池充电时Na+从左向右通过离子交换膜
B
解析 由题中信息可知,装置(Ⅰ)中电极A为负极,A错误;电极X附近溶液变红,说明发生反应2H2O+2e-═2OH-+H2↑,B正确;放电时,电极B为正极,电极反应为 ,C错误;给原电池充电时电极A为阴极,阳离子向阴极移动,则Na+从右向左通过离子交换膜,D错误。
2.某全固态薄膜锂离子电池截面结构如图所示,电极A为非晶硅薄膜,充电时Li+得电子成为Li嵌入该薄膜材料中;电极B为LiCoO2薄膜;集流体起导电作用。下列说法不正确的是(　　)
A.充电时,集流体A与外接电源的负极相连
B.放电时,外电路通过a mol电子时,LiPON薄膜电解质损失a mol Li+
C.放电时,电极B为正极,电极反应可表示为Li1-xCoO2+xLi++xe-═LiCoO2
D.电池总反应可表示为LixSi+Li1-xCoO2 Si+LiCoO2
B
解析 由题中信息可知,该电池充电时Li+得电子成为Li嵌入电极A中,可知电极A在充电时作阴极,故其在放电时作电池的负极,而电极B是电池的正极。由题图可知,集流体A与电极A相连,充电时电极A作阴极,故充电时集流体A与外接电源的负极相连,A正确;放电时,外电路通过a mol电子时,内电路中有a mol Li+通过LiPON薄膜电解质,从负极迁移到正极,但是LiPON薄膜电解质没有损失Li+,B错误;放电时,电极B为正极,发生还原反应,电极反应可表示为Li1-xCoO2+xLi++xe-═LiCoO2,C正确;电池放电时,嵌入非晶硅薄膜中的锂失去电子变成Li+,正极上Li1-xCoO2得到电子和Li+变为LiCoO2,故电池总反应可表示为LixSi+Li1-xCoO2 Si+LiCoO2,D正确。
解题技巧　关于锂离子电池电极反应的书写
在书写锂离子电池电极反应时,常出现化学式中含有x的情况,如Li1-xCoO2,若用化合价升降方法配平电极反应,则计算过程复杂,容易出错,若能灵活运用元素守恒和电荷守恒配平,则可避开化合价的复杂计算,可快速准确地得到答案。如本题中放电时的正极反应,可先确定主要反应物和产物:
Li1-xCoO2→LiCoO2,根据元素守恒,反应物中需补充Li+,根据元素守恒可得: Li1-xCoO2+xLi+→LiCoO2,最后根据电荷守恒,需添加xe-,即电极反应为
Li1-xCoO2+xLi++xe-═LiCoO2。
探究二　串联电路
归纳拓展
1.有外接电源电池类型的判断方法
有外接电源的各电池均为电解池,若电池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同,则该电池为电镀池。如
则甲为电镀池,乙、丙均为电解池。
2.无外接电源电池(连接化学电源)类型的判断方法
(1)直接判断。
非常直观明显的装置,如燃料电池、铅蓄电池等在电路中,则其他装置为电解池。如图所示:A为原电池,B为电解池。
(2)根据电池中的电极材料和电解质溶液判断。
原电池一般是两种不同的金属电极或一个金属电极、一个石墨棒电极;而电解池中一般两个电极都是惰性电极,如两个铂电极或两个石墨棒电极。原电池中的电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应,电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。如图所示:B为原电池,A为电解池。
(3)根据电极反应现象判断
在某些装置中根据电极反应或反应现象可判断电极,并由此判断电池类型。如图所示:若C极溶解,D极上析出Cu,B极附近溶液变红,A极上放出黄绿色气体,则可知乙是原电池,D是正极,C是负极;甲是电解池,A是阳极,B是阴极。B、D极发生还原反应,A、C极发生氧化反应。
应用体验
视角1 有外接电源的串联电路
1.(根据反应现象判断电源两极)钴酸锂电池是目前用量最大的锂离子电池,用它作电源按如图装置进行电解。通电后,a电极上一直有气泡产生;d电极附近先出现白色沉淀(CuCl),后白色沉淀逐渐转变成橙黄色沉淀(CuOH)。下列有关叙述正确的是(　　)
A.已知钴酸锂电池放电时总反应为
Li1-xCoO2+LixC6═LiCoO2+6C,
则Li1-xCoO2作负极,失电子
B.当外电路中转移0.2 mol电子时,电极b处有2.24 L Cl2生成
C.电极d为阴极,电解开始时的电极反应为Cu+Cl--e-═CuCl
D.随着电解的进行,U形管Ⅱ中发生了如下转化CuCl+OH-═CuOH+Cl-
D
解析 钴酸锂电池中LixC6作负极,Li1-xCoO2作正极,故A错误;d电极发生的变化Cu→CuCl是氧化反应,故d极为阳极,d极反应为Cu+Cl--e-═CuCl,故C错误;电极b上生成Cl2,但B选项中没有说明是不是标准状况,因此无法直接计算生成氯气的体积,故B错误;d电极先产生白色沉淀(CuCl),白色沉淀逐渐转变成橙黄色沉淀(CuOH),发生的反应是CuCl+OH-═CuOH+Cl-,故D正确。
【变式设问】
(1)钴酸锂电池左侧为正极还是负极
(2)写出a电极上的电极反应。
规律技巧　在多个电解池的串联电路中,电解池的阴、阳极会交替出现,如本题中a为阴极,b为阳极,c为阴极,d为阳极。
提示 负极。
提示 2H2O+2e-═H2↑+2OH-。
2.(根据电源两极分析电解池)如图为相互串联的甲、乙两个电解池,试回答以下问题:
(1)若甲池为利用电解原理精炼铜的装置,则A是_____极,材料是________,电极反应为____________________,电解质溶液为____________。当一极有1 mol纯铜析出时,另一极溶解的铜____________ (填“大于”“小于”或“等于”)1 mol。
(2)乙池中若滴入少量酚酞溶液,电解一段时间后Fe电极附近溶液呈______色,电极反应为________________________。
(3)若甲池中电解质溶液为CuSO4溶液,电解过程中阴极质量增加12.8 g,则乙池中阳极放出的气体在标准状况下的体积为___________ L, 若此时乙池剩余液体为400 mL,则电解后溶液的pH为____________。
阴
纯铜
Cu2++2e-═Cu
CuSO4溶液
小于
红
2H2O+2e-═H2↑+2OH-
4.48
14
解析 与电源负极相连的电极是电解池的阴极,与电源正极相连的电极是电解池的阳极。由图示装置知甲池中A为阴极,B为阳极,乙池中Fe为阴极, C(石墨棒)为阳极。
(1)若甲池为利用电解原理精炼铜的装置,则A是阴极,材料是纯铜,电极反应为Cu2++2e-═Cu,电解质溶液可以是CuSO4溶液,阳极材料为粗铜,粗铜中比铜活泼的金属先失电子,根据电极反应和得失电子守恒知,阴极有1 mol Cu析出时,阳极溶解的铜小于1 mol。
(2)乙池中电解NaCl溶液,铁为阴极,电极反应为2H2O+2e-═H2↑+2OH-,阴极区溶液呈碱性,若滴入少量酚酞溶液,电解一段时间后Fe电极附近溶液呈红色。
(3)若甲池电解质溶液为CuSO4溶液,阴极质量增加12.8 g,即生成铜的质量为12.8 g,其物质的量为0.2 mol,根据电极反应Cu2++2e-═Cu知,转移电子的物质的量为0.4 mol,根据得失电子守恒知乙池中阳极放出氯气的物质的量为0.2 mol,在标准状况下的体积为4.48 L;甲、乙两池串联,转移电子数相等,根据2H2O+2e-═H2↑+2OH-可知,生成OH-的物质的量为0.4 mol,溶液的体积为0.4 L,则c(OH-)= =1 mol·L-1,故溶液pH=14。
视角2 无外接电源(连接化学电源)的串联电路
3.某同学组装了如图所示的电化学装置,电极Ⅰ为Al,其他均为Cu,则下列说法正确的是(　　)
A.电流方向:电极Ⅳ→ →电极Ⅰ
B.电极Ⅰ发生还原反应
C.电极Ⅱ逐渐溶解
D.电极Ⅲ的电极反应:Cu2++2e-═Cu
A
解析 电极Ⅰ为Al,其他均为Cu,因此,装置①、②与盐桥形成的原电池中Al作负极,电极Ⅱ为正极,装置③中电极Ⅲ是阳极,电极Ⅳ是阴极。电流是从正极沿导线经用电器流向负极,即电极Ⅳ→ →电极Ⅰ,A正确;电极Ⅰ的电极反应为Al-3e-═Al3+,发生氧化反应,B错误;电极Ⅱ是正极,电极反应为Cu2++2e-═Cu,故电极Ⅱ质量逐渐增大,C错误;电极Ⅲ为阳极,电极反应为Cu-2e-═Cu2+,D错误。
4.NaBH4燃料电池具有电压高、能量密度大等优点。以该燃料电池为电源电解精炼铜的装置如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.离子交换膜应为阳离子交换膜,Na+由左极室向右极室迁移
B.该燃料电池的负极反应为
C.电解池中的电解质溶液可以选择CuSO4溶液
D.每消耗2.24 L O2(标准状况)时,A电极的质量减轻12.8 g
D
归纳总结　串联电路的解题流程(共32张PPT)
第1章　化学反应与能量转化
第4节　金属的腐蚀与防护
素 养 目 标
1.了解电化学腐蚀的本质,探究金属腐蚀的实质,从而形成宏观辨识与微观探析的学科核心素养。
2.能利用电化学原理解释金属腐蚀的现象并能设计防腐保护措施,体验科学探究与创新意识的学科核心素养。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
必备知识
一、金属电化学腐蚀的原理
1.金属腐蚀
(1)金属腐蚀的定义及本质。
①定义:金属表面因与周围的物质发生氧化还原反应而遭到破坏的现象。
②本质:金属本身失去电子变成阳离子的过程(发生氧化反应):M-ne-==Mn+。
(2)金属腐蚀的分类。
2.金属腐蚀的电化学原理
(1)实质。
不纯的金属或合金与电解质溶液接触时发生原电池反应,较活泼的金属
失去电子被氧化的过程。
(2)分类。
金属的电化学腐蚀分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。
二、金属腐蚀的防护
1.原理
阻止金属发生氧化反应。
2.方法
(1)改变金属内部结构,如制成合金等。
(2)加防护层,如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀等。
(3)电化学防护,分为牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法。
3.金属的防护措施图示
三、电化学腐蚀原理的应用
1.铁腐蚀能消耗空气中的氧气,利用这一原理可快速测定空气中氧气的含量。
2.铁腐蚀的反应消耗氧气和水,以铁粉为主要成分制成双吸剂放入食品包装袋,可以延长食物的保质期。
3.铁腐蚀的过程放热,利用这一特点可以制成一次性保暖贴。
4.根据金属电化学腐蚀的原理,利用微电解技术处理工业废水。
5.金属电化学腐蚀原理在航空航天、精密仪器和生物医学等领域也具有广阔的应用前景。
自我检测
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时,负极反应均是Fe-3e-==Fe3+。(　　)
(2)钢铁在潮湿的空气中发生电化学腐蚀时,正极发生的主要反应是O2+2H2O+4e-==4OH-。(　　)
(3)发生吸氧腐蚀时正极放出O2,发生析氢腐蚀时正极放出H2。(　　)
(4)纯铁在稀硫酸中发生析氢腐蚀。(　　)
(5)现实生活中电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍。(　　)
(6)金属作为原电池的负极或电解池的阴极时均被保护。(　　)
√
×
×
×
√
×
重难探究 能力素养全提升
探究一　金属的腐蚀
问题探究
据估计,每年全世界被腐蚀损耗的钢铁材料约占全年钢铁产量的十分之一。那么,金属的腐蚀都有哪些类型 不同类型的金属腐蚀有何区别
提示 金属的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀;化学腐蚀过程中没有电流产生,电化学腐蚀过程中有电流产生。
归纳拓展
1.化学腐蚀与电化学腐蚀的比较
类型 化学腐蚀 电化学腐蚀
条件 金属与非金属等直接接触 不纯的金属或合金与电解质溶液接触形成原电池
电流 无电流产生 有电流产生
结果 金属被氧化 较活泼金属被氧化
实质 M-ne-==Mn+ 关系 ①化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生;②电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍,危害更大 2.钢铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀的比较
区别与联系 吸氧腐蚀 析氢腐蚀
相同点 腐蚀的实质 金属作为原电池负极,失电子被氧化 负极电极反应 Fe-2e-==Fe2+ 不同点 条件 水膜呈很弱的酸性、中性或碱性 水膜酸性较强
正极电极反应 O2+2H2O+4e-==4OH- 2H++2e-==H2↑
总反应 2Fe+O2+2H2O==2Fe(OH)2 Fe+2H+==Fe2++H2↑
其他反应 Fe2++2OH-==Fe(OH)2↓ 4Fe(OH)2+2H2O+O2==4Fe(OH)3 Fe(OH)3失 去部分水转化为铁锈 钢铁发生电化学腐蚀时,负极Fe失去电子生成Fe2+,而非Fe3+
　　　　　
　　　　 　
Fe(OH)2转变为Fe(OH)3的实验现象:白色沉淀迅速转变为灰绿色,最终变为红褐色
【微点拨】在通常情况下,潮湿的空气中水膜酸性较弱,金属在潮湿的空气中主要发生的是吸氧腐蚀。
应用体验
视角1金属的化学腐蚀和电化学腐蚀比较
1.如图所示,将紧紧缠绕不同金属的铁钉放入培养皿中,再加入含有适量酚酞的NaCl溶液,一段时间后观察发生的变化。下列叙述正确的是(　　)
A.a中铁钉附近溶液呈现红色
B.b中铁钉上发生还原反应
C.a中铜丝上发生氧化反应
D.b中铝条附近有气泡产生
B
解析 依据原电池原理分析可知:
电极名称 a中 b中
负极 铁钉:Fe-2e-==Fe2+(氧化反应) 铝条:Al-3e-==Al3+(氧化反应)
正极 铜丝:O2+2H2O+4e-==4OH-(还原反应) 铜丝附近溶液变红色 铁钉:O2+2H2O+4e-==4OH-(还原反应)
铁钉附近溶液变红色
a中铁钉附近不变红色,铜丝上发生还原反应;b中铁钉上发生还原反应,铝条附近没有气泡产生。
2.下图是燃气灶的部件说明图,下列说法正确的是(　　)
A.锅支架生锈的主要原因是经常沾上盐水,铁发生化学腐蚀
B.炉头易生锈,主要是由于高温下铁发生电化学腐蚀
C.外壳是铝合金材料,不易锈蚀是因为铝不活泼
D.灶脚由螺钉和外层电木(一种耐高温塑料)组成,电木起到了防止金属腐蚀的作用
D
解析 锅支架生锈的主要原因是经常沾上盐水,锅支架含有的铁和碳形成原电池,发生电化学腐蚀,A错误;高温下铁被氧气氧化,发生化学腐蚀,B错误;外壳是铝合金材料,不易锈蚀是因为铝生成的致密氧化膜阻止了铝合金继续与氧气反应,C错误;电木隔绝了螺钉与空气的接触,起到了防止金属腐蚀的作用,D正确。
归纳总结　区分化学腐蚀和电化学腐蚀
发生电化学腐蚀的一般是两种金属接触或合金与电解质溶液接触(或接触潮湿空气等);发生化学腐蚀的金属可以是纯金属,直接与一些氧化剂(如O2、Cl2等)接触反应,常见的银器在空气中变黑,燃气灶炉头生锈都属于化学腐蚀。
视角2 吸氧腐蚀和析氢腐蚀
3.研究小组利用图1装置探究铁粉腐蚀原理。挤压胶头滴管将醋酸滴入铁粉与碳粉的均匀混合物中,容器中的压强随时间的变化曲线如图2。下列说法正确的是(　　)
A.铁粉发生反应:Fe-3e-═Fe3+
B.铁粉一定是先发生了析氢腐蚀,后发生了吸氧腐蚀
C.由t2时容器中的压强可判断反应后期铁发生了吸氧腐蚀
D.为确定0~t1时段的腐蚀类型,可用N2代替图1锥形瓶中的空气,进行对比实验
图1
图2
C
解析 Fe单质发生腐蚀过程中,生成Fe2+,故A项错误;将胶头滴管内醋酸滴入铁粉与碳粉的均匀混合物中,0~t1装置内压强逐渐增大,说明铁与醋酸反应产生了H2,可能发生了化学腐蚀,也可能是析氢腐蚀,t1之后容器内压强减小,说明装置内气体分子数减少,氧气被消耗,发生吸氧腐蚀,故B项错误;影响定容容器内压强的因素有:气体的物质的量、温度,由于原电池的反应属于放热反应,能引起压强增大,因此t2时容器内压强明显小于起始压强,说明容器内气体分子数减少,即铁发生了吸氧腐蚀,故C项正确;0~t1时间段的腐蚀类型可能是铁与醋酸直接接触的化学腐蚀,也可能是醋酸与碳粉接触从而引发的析氢腐蚀,两种腐蚀均与锥形瓶内是否含有空气无关,因此使用N2替换题图1锥形瓶中的空气无法判断其腐蚀类型,故D项错误。
易错提醒　钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时,负极都是铁,失去电子生成Fe2+,而非Fe3+;活性炭、铁和醋酸溶液可构成原电池,发生析氢腐蚀,但应注意反应过程中也存在铁与醋酸直接反应的化学腐蚀,反应过程中化学能转化为电能、热能等,锥形瓶中温度升高也会导致瓶中压强增大。
4如图装置中,U形管内为红墨水,a、b试管内分别盛有食盐水和氯化铵溶液(呈酸性),各加入生铁块,放置一段时间。下列有关描述错误的是(　　)
A.生铁块中的碳是原电池的正极
B.红墨水水柱两边的液面变为左低右高
C.两试管中相同的电极反应是Fe-2e-==Fe2+
D.a试管中发生了吸氧腐蚀,b试管中发生了析氢腐蚀
B
解析 a为中性环境,发生吸氧腐蚀,氧气被消耗,试管中气体压强减小;b中溶液呈酸性,发生析氢腐蚀,有氢气放出,试管中气体压强增大,所以红墨水水柱两边的液面变化为左高右低,故B项错。
探究二　金属腐蚀的快慢与金属腐蚀的防护
问题探究
根据金属腐蚀的原理分析金属腐蚀的防护措施都有哪些
提示 常见金属腐蚀的防护措施有改变金属内部结构(不锈钢)、覆盖防护层(电镀、油漆等)、电化学防护、电化学使金属表面“钝化”等。
归纳拓展
1.金属腐蚀的快慢规律
(1)在同种电解质溶液中,金属腐蚀由快到慢的顺序为:电解池的阳极>原电池的负极>化学腐蚀>原电池的正极>电解池的阴极。
(2)同一种金属在不同介质(浓度相等)中腐蚀由快到慢的顺序为:强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。
(3)在同一种电解质溶液中,电解质溶液浓度越大,金属腐蚀越快(钝化除外)。
(4)纯度越高的金属,腐蚀越慢。
(5)不纯的金属或合金,在潮湿的空气中,氧气浓度越大,腐蚀越快。
2.金属的电化学防护
类型 牺牲阳极保护法 外加电流阴极保护法
原理 原电池原理 电解池原理
保护对象 正极金属得到保护 阴极金属得到保护
应用 钢铁设备如锅炉内壁、船体外壳等装上镁合金或锌片 土壤、海水及水中的金属设备
应用体验
视角1 金属腐蚀的快慢
1.下面各容器中盛有海水,铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是(　　)
A.④>②>①>③　　 B.②>①>③>④
C.④>②>③>① D.③>②>④>①
A
解析 铁在海水中的腐蚀属于电化学腐蚀,当铁与比它活泼性差的Sn相连时, Fe被腐蚀的速率比①大,与活泼性比其强的锌相连时,锌作为负极被腐蚀,铁被保护,其腐蚀的速率要比①小;④为电解装置,Fe为阳极,发生氧化反应,铁腐蚀的速率最快。
视角2 金属的防护方法
2.下列方法不能减缓钢铁腐蚀速率的是(　　)
A.将钢铁制品与铜、锡等金属叠放在一起保存
B.将钢铁制品表面进行烤蓝处理
C.采用外加电流法,将钢铁制品连接电源的负极
A
3.为了保护舰艇(主要是钢合金材料),在舰体表面镶嵌金属块(R)。下列有关说法不正确的是(　　)
A.这种保护舰体的方法叫牺牲阳极保护法
B.金属块R可能是镁或锌
C.海水呈弱碱性,舰艇在海水中易发生析氢腐蚀
D.正极的电极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-
C
解析 在舰体表面镶嵌金属块(R),这种保护方法利用原电池原理,需要金属块R比铁活泼,R为负极,钢铁为正极,这种方法叫牺牲阳极保护法,A正确;金属块R比铁活泼,可能是镁或锌,B正确;钢铁材料在弱碱性海水中主要发生吸氧腐蚀,在酸性较强的溶液中才发生析氢腐蚀,C错误;吸氧腐蚀过程中,正极上发生还原反应,电极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-,D正确。
【变式设问】
(1)舰艇在海水和河水中航行,在哪种情况下腐蚀更快
提示 在海水中航行腐蚀更快。
(2)舰艇在海水中航行时,腐蚀最快的是与海水表面接触的位置,而不是一直浸泡在海水中的舰艇的底部,为什么
提示 舰艇在海水中发生吸氧腐蚀,海水表面O2浓度大,因此舰艇与海水表面接触的位置腐蚀最快,一直浸泡在海水中的舰艇的底部O2浓度小,腐蚀相对较慢。
4.研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。下列有关说法错误的是(　　)
A.若d为石墨,铁片腐蚀加快
B.若d为石墨,石墨上电极反应:O2+2H2O+4e-==4OH-
C.若d为锌块,铁片不易被腐蚀
D.若d为锌块,铁片上电极反应:2H++2e-==H2↑
D
解析 铁、石墨及海水构成原电池时,Fe为负极,失去电子被氧化为Fe2+进入溶液,溶解在海水中的氧气在正极石墨上得到电子被还原,比没有形成原电池时腐蚀快,A正确。d为石墨,铁片在海水中发生的是吸氧腐蚀,石墨上氧气得到电子发生还原反应,电极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-,B正确。若d为锌块,由于金属活动性Zn>Fe,Zn为原电池的负极,Fe为正极,首先被腐蚀的是Zn,铁得到保护,铁片不易被腐蚀,C正确。若d为锌块,铁片在海水中发生的是吸氧腐蚀,在铁片上的电极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-,D错误。(共38张PPT)
第1章　化学反应与能量转化
第3节　第1课时　电解的原理
素 养 目 标
1.能分析、解释电解池的工作原理,逐步形成证据推理与模型认知的学科核心素养。
2.能设计简单的电解池,体现科学探究与创新意识的学科核心素养。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
必备知识
一、电解熔融氯化钠
1.实验现象
通电后,石墨电极周围有黄绿色气体产生,铁片上生成银白色固体。
2.实验分析
(1)熔融的氯化钠中存在的微粒有Cl-、Na+。
(2)通电后离子移动的方向:Cl-向石墨电极移动,Na+向铁电极移动。
(3)电极上的电极反应:
铁电极:2Na++2e-==2Na。石墨电极:2Cl--2e-==Cl2↑。
3.实验结论
熔融的氯化钠在电流作用下发生化学变化,分解生成Na和Cl2。从氧化还原的角度分析:铁电极上发生还原反应,石墨电极上发生氧化反应。
【微思考】电解质的导电与金属导电有什么不同
提示电解质的导电过程是被电解的过程,属于化学变化;金属导电过程是电子的定向移动,属于物理变化。
二、电解原理
1.电解
将直流电通过熔融电解质或电解质溶液,在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程叫作电解。
2.电解池
(1)定义:将电能转化为化学能的装置。
(2)组成条件:与直流电源相连的电极材料、离子导体和电子导体、形成
闭合回路。
(3)电极名称与电极反应:
阳极:与电源正极相连,溶液中阴离子移向阳极,失去电子,发生氧化反应。
阴极:与电源负极相连,溶液中阳离子移向阴极,得到电子,发生还原反应。
(4)电子流向:
电源负极→导线→电解池的阴极;电解池的阳极→导线→电源的正极。
(5)电解熔融NaCl的方程式:2NaCl 2Na+Cl2↑ 。
【微思考】电解池中,阴阳两极的材料与电解产物有关系吗
提示 阳极材料与阳极产物有关,阴极无关。
3.电解池与原电池的区别
项目 外接 电源 反应自 发与否 能量转化 工作过程 装置构成
原电池 无 自发 化学能转化为电能 氧化反应、还原反应分别在两电极进行:负极、阳极发生氧化反应;正极、阴极发生还原反应 电极反应物、电极材料、离子导体和电子导体
电解池 有 不要求 电能转化为 化学能
自我检测
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)与电源正极相连的是电解池的阴极。(　　)
(2)用惰性电极电解NaCl溶液时可以得到Na和Cl2。(　　)
(3)电解池工作时,阳极发生还原反应,失去电子。(　　)
(4)电解池工作时,阳极上的电子通过电解质溶液移向阴极。(　　)
(5)电解AgNO3溶液时,Ag+移向阳极,N 移向阴极。(　　)
×
×
×
×
×
重难探究 能力素养全提升
探究一　电解时两电极产物的判断与电极反应的书写
问题探究
1807年,戴维将表面湿润的氢氧化钾放在铂制器皿里,并用导线将铂制器皿以及插在氢氧化钾里的电极相连,整套装置都曝露在空气中。通电以后,氢氧化钾开始熔化。戴维发现在阴极附近有带金属光泽的酷似水银的颗粒生成,并生成紫色火焰,这是钾元素的发现过程。这其中的奥秘是什么呢 电解时,物质的变化是如何发生的
提示 在通电条件下,氢氧化钾发生了电解,分别在两个电极上生成了不同的物质。
归纳拓展
1.电解池的工作原理
(1)以惰性电极电解CuCl2溶液为例。
总反应离子方程式:Cu2++2Cl- Cu+Cl2↑
(2)电子和离子的移动方向(惰性电极)。
【微点拨】①金属活动性顺序中银以前的金属(含银)作为电极时,金属本身可以参与阳极反应,如Zn、Fe、Cu、Ag等,这样的电极也叫活性电极;金属活动性顺序中银以后的金属或能导电的非金属作为电极时,电极本身不参与阳极反应,称为惰性电极,主要有铂(Pt)、石墨等。
②电解时,在外电路中有电子通过,而在溶液中是靠离子移动导电,即电子不会通过电解质溶液。
2.电解时电极产物的判断
3.电极反应及电解总反应的书写
(1)电极反应的书写。
①确定电极:与电源正极相连的为阳极,与电源负极相连的为阴极。
②确定电极反应:阳极发生氧化反应,若是活性电极,电极材料本身放电;若是惰性电极,溶液中的阴离子放电。阴极发生还原反应,是溶液中阳离子放电。
③写电极反应。
电极反应的书写可概括为:
a.列物质、标得失;
b.选离子、配电荷;
c.配个数、巧用水。
(2)电解总反应的书写。
①在确保两极电子转移数目相同的条件下,将两电极反应合并即得电解总反应。
②总反应要注明条件:通电。
应用体验
视角1 根据电源判断电解池的两极和反应
1.如图是电解CuCl2溶液的装置,其中c、d均为石墨电极,则下列有关判断正确的是(　　)
A.a为负极,b为正极
B.a为阳极,b为阴极
C.电解过程中,d电极质量增加
D.电解过程中,氯离子浓度不变
C
解析 电流从电源的正极流出,故a为正极,b为负极,c为阳极,d为阴极。电解时,因Cu2+移向阴极,在阴极放电析出Cu,故阴极(d电极)质量增加;Cl-移向阳极,在阳极(c电极)放电逸出Cl2,导致溶液中Cl-浓度降低。
【变式设问】
(1)请写出c极的电极反应。
提示 2Cl--2e-==Cl2↑
(2)请写出电子的流动方向。
提示 电子流向:b→d,c→a
2.如图所示,下列有关实验现象的描述正确的是(　　)
选项 a电极 b电极 X溶液 实验现象
A 石墨 石墨 CuCl2溶液 a极质量增加,b极放出无色气体
B Fe 石墨 KNO3溶液 a极质量增加,b极放出无色气体
C Fe 石墨 CuSO4溶液 a极质量增加,b极放出无色气体
D 石墨 石墨 HCl溶液 a极放出无色气体,b极放出无色气体
C
解析 a电极为阴极,得到电子,发生还原反应,b电极为阳极,失去电子,发生氧化反应。A项,a电极上有铜生成,质量增加,b电极上有黄绿色的氯气生成,错误;B项,a电极上有氢气生成,质量不变,b电极上有无色的氧气生成,错误; C项,a电极上有铜生成,质量增加,b电极上有无色的氧气生成,正确;D项,a电极上有无色的氢气生成,b电极上有黄绿色的氯气生成,错误。
视角2 根据外电路电子移动方向或电流方向判断电解池的两极和反应
3.某同学将电解池工作时电子、离子流动方向及电极种类等信息表示在图中,下列有关分析完全正确的是(　　)
B
选项 A B C D
a电极 阳极 阴极 阳极 阴极
d电极 正极 正极 负极 负极
Q离子 阳离子 阳离子 阴离子 阴离子
解析 根据电子流向可知,c是负极,d是正极,a是阴极,b是阳极,电解时,电解质溶液中阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动,则Q离子是阳离子,P离子是阴离子,故B正确。
视角3 根据离子移动方向判断电解池的两极和反应
4.(2023广东深圳高二期末校考)一种新型镁硫二次电池放电时的工作原理如图所示(a为镁电极)。下列说法不正确的是(　　)
A.当石墨烯中的硫均转化为MgS8时,电路中转移的电子数达到最大值
B.离子交换膜应为阳离子交换膜
C.充电时,阴极电极反应为Mg2++2e-═Mg
D.放电时,若电路中转移1 mol电子,正极质量增加12 g
A
解析 由题图可知,放电时,Mg作负极,电极反应为Mg-2e-═Mg2+,S作正极,电极反应分别为8S+Mg2++2e-═MgS8,MgS8+3Mg2++6e-═4MgS2, Mg2++MgS2+2e-═2MgS,故当石墨烯中的S均转化为S2-时,电路中转移的电子数达到最大值,故A错误;放电时,负极生成Mg2+,正极消耗Mg2+,故Mg2+从左侧向右侧迁移,使用的隔膜是阳离子交换膜,故B正确;充电时,Mg作阴极,阴极反应为Mg2++2e-═Mg,故C正确;正极反应包括:Mg2++MgS2+2e-═2MgS,放电时,若电路中转移1 mol电子,则正极质量增加0.5 mol×24 g·mol-1=12 g,故D正确。
探究二　利用惰性电极电解电解质溶液的规律
问题探究
1.电解H2SO4溶液与电解盐酸(惰性电极)的产物相同吗 溶液pH有何变化
提示阴极产物相同(都是H2),阳极产物不同(H2SO4→O2,HCl→Cl2),电解H2SO4溶液后溶液的pH减小,电解盐酸后溶液的pH增大。
2.若以惰性电极电解CuSO4溶液,试分析电极产物并写出电极反应及总反应。
提示在CuSO4溶液中含有Cu2+、H+、OH-、S 四种离子,在阴极上Cu2+放电得到Cu;在阳极上OH-放电得到O2,阴极电极反应为2Cu2++4e-==2Cu,阳极电极反应为2H2O-4e-==O2↑+4H+;总反应为2CuSO4+2H2O 2H2SO4+2Cu+O2↑。
归纳拓展
用惰性电极电解的一般规律
类型 电极反应特点 实例 电解 物质 电解质溶 液的浓度 溶液 的pH 电解质溶
液复原
电解 水型 阴极:2H++2e-═H2↑ 阳极:4OH--4e-═2H2O+O2↑ NaOH 水 增大 增大 加水
H2SO4 水 增大 减小 加水
Na2SO4 水 增大 不变 加水
电解电 解质 电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电 HCl 电解质 减小 增大 加氯化氢
CuCl2 电解质 减小 — 加氯化铜
放H2 生碱型 阴极:放出H2生成碱,阳极:电解质阴离子放电 NaCl 电解质 和水 — 增大 加氯化氢
放O2 生酸型 阴极:电解质阳离子放电,阳极:OH-放电生成酸 CuSO4 电解质 和水 — 减小 加氧化铜
【微点拨】利用惰性电极电解电解质溶液后要恢复原电解质溶液的浓度,需要加适量的某物质时,遵循“少什么加什么,少多少加多少”的原则,所加物质可以是阴极与阳极产物的化合物。
应用体验
视角1 用惰性电极电解的分析方法
1.如图是利用直流电源电解稀Na2SO4溶液的装置。通电后在石墨电极a和b附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列实验现象中正确的是(　　)
A.逸出气体的体积,a电极的小于b电极的
B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气味气体
C.a电极附近呈红色,b电极附近呈蓝色
D.a电极附近呈蓝色,b电极附近呈红色
D
解析 电解Na2SO4溶液时,a电极为阴极:4H++4e-==2H2↑,b电极为阳极:4OH--4e-==O2↑+2H2O;a电极周围由于H+放电溶液呈碱性,石蕊遇碱显蓝色,b电极周围由于OH-放电溶液呈酸性,石蕊遇酸显红色。
【变式设问】
(1)若电解实验停止后,把溶液充分混合,溶液的pH如何变化
提示 溶液的pH不变。
(2)请写出电解过程的总反应,并分析a、b两极产生气体的体积之比(相同状况下)是多少
提示 总反应:2H2O 2H2↑+O2↑;a、b两极产生气体的体积之比为2∶1。
规律方法 判断电解后溶液中生成酸或碱的方法
(1)若电解产物只有H2而无O2,则阴极周围生成碱。
(2)若电解产物只有O2而无H2,则阳极周围生成酸。
(3)若电解产物既有O2又有H2,且二者物质的量之比为1∶2,则实质是电解水,电解过程中阳极生成酸,阴极生成碱,最终溶液中还是原溶质。
2.海水中含有 等离子,pH约为8。有研究提出,用如图所示方法能够从海水中提取CO2。
下列说法正确的是(　　)
A.c室出口溶液显酸性
B.相同时间内,两个阳离子膜中通过的H+数目相等
C.a室中发生的电极反应:2H2O+2e-═H2↑+2OH-
D.b室中发生的化学反应:
D
视角2 用惰性电极电解的规律
3.用惰性电极电解下列溶液时,阴极和阳极上的主要产物分别是H2和O2的是(　　)
A.CuCl2 B.CuSO4 C.Na2SO4 D.NaCl
C
解析 用惰性电极电解CuCl2溶液,阴极产物为Cu,阳极产物为Cl2,A项错误;用惰性电极电解CuSO4溶液,阴极产物为Cu,阳极产物为O2,B项错误;用惰性电极电解Na2SO4溶液,实质是电解水,因此阴极和阳极上的主要产物分别是H2和O2,C项正确;用惰性电极电解NaCl溶液,阴极产物为H2,阳极产物为Cl2,D项错误。
4.用石墨电极电解下列溶液一段时间后再加入一定量的某种纯净物(方括号内物质),能使溶液恢复到原来的成分和浓度的是(　　)
A.AgNO3[AgNO3] B.NaOH[H2O]
C.KCl[KCl] D.CuSO4[Cu(NO3)2]
B
5.按图甲装置进行实验,若图乙中横坐标x表示通过电极的电子的物质的量。下列叙述正确的是(　　)
A.F表示反应生成Cu的物质的量
B.E表示反应实际消耗H2O的物质的量
C.E表示反应生成O2的物质的量
D.F表示反应生成H2SO4的物质的量
B
解析 由题意可知电解总反应为2CuSO4+2H2O 2Cu+2H2SO4+O2↑,根据反应中各物质与转移电子的关系:2Cu~2H2O~2H2SO4~O2~4e-可知,E表示反应消耗H2O的物质的量或反应生成Cu、H2SO4的物质的量,F表示反应生成O2的物质的量。(共34张PPT)
※微项目※ 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案
——化学反应中能量及物质的转化利用
素 养 目 标
1.通过探究载人航天器用化学电池与氧气再生方案,尝试利用焓变、盖斯定律和电池原理等知识,分析评价真实环境下化学反应中能量与物质的转化,形成电源选择和氧气再生的基本思路,体验化学的科学探究与创新意识的学科核心素养。
2.通过载人航天器的电源,了解真实化学电池的原理和装置,形成分析化学电池的一般方法,体验化学证据推理与模型认知的学科核心素养。
3.通过本项目的学习,感受化学知识在解决实际问题中的应用价值,体验化学学科的科学态度与社会责任的学科核心素养。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
必备知识
1.氢氧燃料电池分为酸性和碱性两种
种类 酸性(质子膜) 碱性(KOH)
负极反应 2H2-4e-==4H+ 2H2+4OH--4e-==4H2O
正极反应 O2+4e-+4H+==2H2O O2+2H2O+4e-==4OH-
电池总反应 2H2+O2==2H2O 备注 燃料电池的电极不参与反应,有很强的催化活性,起导电作用
2.“神舟”飞船中的镍镉电池工作原理
镉镍电池中Cd作为负极,NiOOH作为正极,通过放电反应释放能量,总反应:
Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2。
自我检测
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)理论上说,任何可燃物气体与氧气都可设计成燃料电池。(　　)
(2)在燃料电池中,发生氧化反应的一极一定是可燃气体。(　　)
(3)用Pt作为电极,用KOH溶液作为电解质溶液构成燃料电池,通入氧气的一极一定是正极。(　　)
(4)飞船中电池工作时,KOH溶液中的阳离子向负极移动。(　　)
(5)氢氧燃料电池能量比氢气直接燃烧产生的能量效率高。(　　)
(6)镍镉电池工作时,当电路中转移0.1 mol电子时,负极增重1.7 g。(　　)
√
√
√
×
√
√
重难探究 能力素养全提升
探究一　尝试设计载人航天器用化学电池
问题探究
航天器中经常使用的化学电池有哪些 哪种更适合做短寿命载人航天器的电源
提示 航天器中经常使用的化学电池有镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。与其他化学电池相比,氢氧燃料电池具有单位质量输出电能较高、反应生成的水可作为航天员的饮用水、氧气可以作为备用氧源供给航天员呼吸等优点,因此更适合做短寿命载人航天器的电源。
归纳拓展
1.“阿波罗”飞船燃料电池的工作原理
(1)“阿波罗”飞船燃料电池(离子导体为KOH溶液)
负极反应为2H2+4OH--4e-==4H2O,正极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-
(2)“阿波罗”登月飞船一代燃料电池(离子导体为H2SO4溶液)
负极反应为2H2-4e-==4H+,正极反应为O2+4H++4e-==2H2O
2.“神舟”飞船中的化学电池的工作原理
镍镉碱性蓄电池的电极反应:
负极　Cd+2OH--2e-==Cd(OH)2
正极　2NiOOH+2H2O+2e-==2Ni(OH)2+2OH-
总反应式　Cd+2NiOOH+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2
应用体验
1.(2022全国甲卷)一种水性电解液Zn MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH溶液中,Zn2+以 存在]。电池放电时,下列叙述错误的是(　　)
A
2.一种突破传统电池设计理念的镁锑液态金属储能电池工作原理如图所示,该电池所用液体密度不同,在重力作用下分为三层,工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。该电池工作一段时间后,可由太阳能电池充电。下列说法不正确的是(　　)
A.放电时,Mg(液)层的质量减小
B.放电时正极电极反应为Mg2++2e-═Mg
C.该电池充电时,Mg-Sb(液)层发生还原反应
D.该电池充电时,Cl-向中层和下层分界面处移动
C
解析 放电时,负极Mg失电子生成镁离子,则Mg(液)层的质量减小,A项正确;正极镁离子得电子得到Mg,则放电时正极电极反应为Mg2++2e-═Mg,B项正确;该电池充电时,Mg-Sb(液)层为阳极,阳极发生失电子的氧化反应,C项错误;该电池充电时,阴离子向阳极移动,即Cl-向中层和下层分界面处移动,D项正确。
3.一种以NaBH4和H2O2为原料的新型电池的工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.电池正极的电极反应为H2O2+2e-═2OH-
B.电池放电时Na+从a极区移向b极区
C.电子从电极b经外电路流向电极a
D.b极室的输出液经处理后可输入a极室循环利用
C
4.我国科研人员借助太阳能,将光解水制H2与脱硫结合起来,既能大幅度提高光解水制H2的效率,又能脱除SO2,工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.该装置可将太阳能转化为化学能
B.催化剂a表面发生还原反应,产生H2
C.催化剂b附近的溶液pH增大
D.吸收1 mol SO2,理论上能产生1 mol H2
C
解析 在光解水的过程中,存在将太阳能转化为化学能的过程,A项正确;根据示意图,a电极为得到电子的一极,发生还原反应。电解水的反应为
2H2O 2H2↑+O2↑,得到电子一极产生氢气,B项正确;b电极为电子流出的一极,发生氧化反应,电极反应为2H2O-4e-═O2↑+4H+,则b极附近溶液pH减小,C项错误;在b极附近,氧气、二氧化硫,以及水生成硫酸,1 mol SO2生成H2SO4时转移2 mol电子,根据得失电子守恒,同时会产生1 mol氢气,D项正确。
5.一种“全氢电池”的工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.电子流向是从吸附层M通过导线到吸附层N
B.Na+从左边穿过离子交换膜向右边移动
C.离子交换膜可用质子交换膜
D.负极的电极反应:H2-2e-+2OH-═2H2O
C
解析 根据图示分析,电子流动方向是从M通过导线到N,故A项正确;原电池中,阳离子从负极移向正极,所以Na+从左边穿过离子交换膜向右边移动,故B项正确;离子交换膜可阻止左边的碱性溶液和右边的酸性溶液发生中和,不能用质子交换膜,故C项错误;原电池的负极发生氧化反应,由于负极为碱性溶液,所以负极的电极反应是H2-2e-+2OH-═2H2O,故D项正确。
6.一种钌(Ru)基配合物光敏染料敏化太阳能电池的工作原理及电池中发生的主要反应如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.镀铂导电玻璃的作用是传递I-
B.电池工作时,光能转变为电能,X为电池的正极
D
7.(2023湖北武汉第十二中学期末)某锂离子电池的总反应为2Li+FeS═Fe+Li2S。某小组以该电池为电源电解处理含Ba(OH)2废水和含Ni2+、Cl-的酸性废水,并分别获得BaCl2溶液和单质镍。电解处理的工作原理如图所示[LiPF6·SO(CH3)2为锂离子电池的电解质]。设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法不正确的是(　　)
A.Y与锂离子电池的Li电极相连
B.X极相连的锂离子电池电极反应为FeS+2Li++2e-═Fe+Li2S
C.当电路中转移1 mol e-时,b池离子数增加2NA
D.离子膜M为阳离子交换膜,离子膜N为阴离子交换膜
C
解析 由锂离子电池总反应可知,Li电极为负极;废水经过处理后得到单质镍,因此电解池c池中的电极反应为Ni2++2e-═Ni,即镍棒上发生了还原反应,因此镍棒为阴极,与锂离子电池的Li电极相连,A正确;与X电极相连的为锂离子电池的正极,Fe元素发生还原反应,即FeS+2Li++2e-═Fe+Li2S,B正确;当电路中转移1 mol e-时,b池会进入1 mol Cl-、0.5 mol Ba2+,因此共增加1.5 mol离子,即b池离子数增加1.5NA,C错误;碳棒为阳极,电极反应为4OH--4e-═O2↑+2H2O;因为最后还得到了BaCl2溶液,因此a池中Ba2+经过离子膜M进入b池,c池中的Cl-经过离子膜N进入b池,最终得到BaCl2溶液,因此离子膜M为阳离子交换膜,离子膜N为阴离子交换膜,D正确。
探究二　尝试设计载人航天器的氧气再生方案
问题探究
在设计航天器中氧气的获取方案时,应注意什么
提示 载人航天器中的物质和能量资源都十分宝贵。在设计氧气的获取方案时,要尽可能地将人体代谢物中的氧元素转化为氧气,从而保证氧元素的持续循环。
归纳拓展
1.计算萨巴蒂尔反应的焓变
④C(s,石墨)+O2(g) ==CO2(g)　ΔH=-393.5 kJ·mol-1。
2.利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程
3.项目成果展示
(1)探究载人航天器的化学电源和氧气再生办法。
(2)书写新型电池电极反应的一般步骤。
应用体验
1.为了实现空间站的零排放,循环利用人体呼出的CO2来提供O2,我国科学家设计了如图装置。反应后,电解质溶液的pH保持不变。下列说法正确的是(　　)
A.图中N型半导体为正极,P型半导体为负极
B.Y电极的反应:4OH--4e-==2H2O+O2↑
C.图中离子交换膜为阳离子交换膜
D.该装置实现了“太阳能→化学能→电能”的转化
B
解析 根据装置图中电荷移动的方向可知,N型半导体为负极,P型半导体为正极,A项错误;Y电极连接电源的正极,作为阳极,根据电解原理,电极反应为4OH--4e-═2H2O+O2↑,B项正确;反应后,电解质溶液的pH保持不变,离子交换膜应为阴离子交换膜,C项错误;该装置实现了“太阳能→电能→化学能”的转化,D项错误。
2.为循环利用人体呼出的CO2并提供氧气,我国科学家设计了一种装置(如图所示),实现“太阳能→电能→化学能”的转化,总反应为2CO2==2CO+O2,下列有关说法不正确的是(　　)
A.该装置属于电解池
B.X极发生氧化反应,Y极发生还原反应
C.人体呼出的水蒸气参与Y极反应:CO2+H2O+2e-==CO+2OH-
D.X极每产生标准状况下22.4 L气体,有2 mol的OH-从Y极移向X极
D
解析 题给装置实现“太阳能—电能—化学能”的转化,将电能转化为化学能的装置为电解池,A项正确;根据题图中电子的流向“X→Y”可知,X极为阳极,失电子发生氧化反应,Y为阴极,得电子发生还原反应,B项正确;Y为阴极,根据总反应可知,阴极为CO2得电子生成CO,电极反应为CO2+H2O+2e-═ CO+2OH-,C项正确;X极为阳极,OH-放电生成氧气,电极反应为4OH--4e-═ 2H2O+O2↑,生成1 mol O2,阳极有4 mol OH-放电,根据溶液电中性原理,X电极区阴离子减少,则会有4 mol OH-从Y极透过阴离子交换膜移向X极,使得溶液保持电中性,D项错误。
3.(2023湖北武汉第十二中学期末)如图所示装置,通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成,Fe2O3逐渐溶解,下列判断不正确的是(　　)
A.a是电源的负极
B.当通过质子交换膜的H+为0.2 mol 时,左侧电极 Ⅰ 所在区域溶液质量减轻了27 g
C.Cl-通过阴离子交换膜由左向右移动
D.当1.6 g Fe2O3完全溶解时,至少产生氧气0.336 L(标准状况下)
B
解析 由石墨电极Ⅱ产生氧气可知,电极Ⅱ为阳极,电极反应为2H2O-4e-═ O2↑+4H+,电极Ⅰ为阴极,电极反应为Cu2++2e-═Cu,a是电源的负极,故A正确;随着电解的进行,Cu2+在阴极得电子生成Cu,Cl-需通过阴离子交换膜由左向右移动迁移,当通过质子交换膜的H+为0.2 mol时,左侧电极Ⅰ所在区域溶液中0.1 mol Cu2+得电子,0.2 mol Cl-通过阴离子交换膜由左向右迁移,相当于减少0.1 mol CuCl2,质量减轻0.1 mol×135 g·mol-1=13.5 g,故B错误, C正确;1.6 g Fe2O3的物质的量为0.01 mol,根据反应Fe2O3+6H+═2Fe3++ 3H2O,当1.6 g Fe2O3完全溶解时消耗H+0.06 mol,根据阳极电极反应2H2O-4e-═O2↑+4H+,产生氧气0.015 mol,体积为0.336 L(标准状况下),故D正确。