微专题1　原电池原理和电解池原理综合应用 课件(共41张PPT) 2023-2024学年高二化学苏教版选择性必修1

(共41张PPT)
专题1
微专题1　原电池原理和电解池原理综合应用
重难探究·能力素养全提升
学以致用·随堂检测全达标
目录索引
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
方法突破
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的反应式为
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,电极反应式为 +2e- ══ 3Br-,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,电极反应式可表示为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,电极反应式可表示为Li1-xCoO2+xLi++xe- ══ LiCoO2,C正确;电池放电时,嵌入在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式的书写
在书写锂离子电池电极反应式时,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
方法突破
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和一个石墨棒电极;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.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式为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极反应式为Cu+Cl--e- ══ CuCl,故C错误;电极b上生成Cl2,但B选项中没有说明是否是标准状况,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电极上的电极反应式。
提示 负极。
提示 2H2O+2e- ══ H2↑+2OH-。
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。
2.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　　　　,电极反应式为　　　　　　　　　　,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试液,电解一段时间后Fe电极附近溶液呈　　　　色,电极反应式为　 。
(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(合理即可)
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,电极反应式为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)乙池中实质是电解NaCl溶液,铁为阴极,电极反应式为2H2O+2e- ══ H2↑+2OH-,阴极区溶液呈碱性,若滴入少量酚酞试液,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,根据电极反应式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的电极反应式:
Cu2++2e- ══ Cu
A
解析 电极Ⅰ为Al,其他均为Cu,因此,装置①②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的电极反应式为Al-3e- ══ Al3+,发生氧化反应,B错误;电极Ⅱ是正极,电极反应式为Cu2++2e- ══ Cu,故电极Ⅱ质量逐渐增大,C错误;电极Ⅲ为阳极,电极反应式为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式为
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
解析 左侧装置为燃料电池,通入O2的电极发生反应O2+4e-+2H2O ══ 4OH-,通入O2的一极为正极。Na+通过离子交换膜进入右边得到浓NaOH溶液,故离子交换膜允许Na+通过,是阳离子交换膜,选项A正确;负极 转化为 ,电极反应式为 +8OH--8e- ══ +6H2O,选项B正确;该电解池用于电解精炼铜,电解质溶液可以选择CuSO4溶液,选项C正确;A极连接原电池的正极,作阳极,每消耗2.24 L O2(标准状况)时,转移0.4 mol电子,但阳极上(A极)为粗铜,不只有Cu参与放电,还有比Cu活泼的金属放电,故减少质量不是12.8 g,选项D错误。
5.认真观察下列装置图,下列说法错误的是(　　)
A.装置B中PbO2上发生的电极反应式为PbO2+4H++ +2e- ══ PbSO4+2H2O
B.电解开始时,装置A中总反应的离子方程式为Cu+2H+ Cu2++H2↑
C.若在装置D中生成0.2 mol Fe(OH)3,则消耗水的物质的量共为0.5 mol
D.若装置E的目的是在Cu材料上镀银,则极板M的材料为Ag
D
归纳总结　串联电路的解题流程
学以致用·随堂检测全达标
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1.一种新型镁硫二次电池的工作原理如图所示。
下列说法正确的是(　　)
A.使用碱性电解质水溶液
B.放电时,正极反应包括
3Mg2++MgS8-6e- ══ 4MgS2
C.使用的隔膜是阳离子交换膜
D.充电时,电子从Mg电极流出
C
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解析 Mg为活泼金属,所以放电时Mg被氧化,Mg电极为负极,聚合物电极为正极。在碱性电解质水溶液中负极生成的Mg2+会结合OH-生成Mg(OH)2沉淀,则溶液中不能存在大量Mg2+,A错误;放电时为原电池,原电池正极发生得电子的还原反应,包括3Mg2++MgS8+6e- ══ 4MgS2,B错误;据图可知Mg2+要通过隔膜移向正极参与电极反应,所以使用的隔膜是阳离子交换膜,C正确;放电时Mg电极发生氧化反应,充电时Mg电极得电子发生还原反应,即电子流入Mg电极,D错误。
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2.我国研究锂硫电池获得突破,电池的总反应是16Li+S8 8Li2S,充放电曲线如图所示,下列说法不正确的是(　　)
A.充电时,电能转化为化学能
B.放电时,锂离子向正极移动
C.放电时,1 mol Li2S6转化为Li2S4得到2 mol e-
D.充电时,阳极总电极反应式是8S2--16e-══S8
C
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3.如图,a、b是石墨电极,通电一段时间后,b极附近溶液显红色。下列说法不正确的是(　　)
A.X极是电源正极,Y极是电源负极
B.Cu电极上增重6.4 g时,b极产生4.48 L
(标准状况)气体
C.电解过程中CuSO4溶液的pH逐渐减小
D.a极的电极反应式为2Cl--2e- ══ Cl2↑
B
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解析 a、b是石墨电极,通电一段时间后,b极附近溶液显红色,依据电解质溶液为氯化钠溶液和酚酞试液,判断b电极是阴极,则Y为电源负极,X为电源正极,选项A正确;6.4 g铜的物质的量是0.1 mol,电路中通过电子的物质的量为0.2 mol,则b极上生成氢气的物质的量为0.1 mol,标准状况下的体积为2.24 L,选项B错误;电解过程中CuSO4溶液中的H2O在阳极Pt电极失电子生成O2和H+,溶液中H+浓度增大,pH减小,选项C正确;a电极上Cl-失电子发生氧化反应,电极反应式为2Cl--2e- ══ Cl2↑,选项D正确。
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4.如图所示装置可间接氧化工业废水中的含氮离子( )。下列说法不正确的是(　　)
A.乙是电能转变为化学能的装置
B.含氮离子被氧化时的离子方程式为
C.若生成的H2和N2的物质的量之比为3∶1,
则处理后废水的pH减小
D.电池工作时,甲池中的Na+移向Mg电极
D
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解析 甲中活泼金属镁作原电池的负极,石墨作正极,乙是连接原电池的电解池,电解酸性工业废水,电解池是将电能转变为化学能的装置,A正确;酸性条件下 被氧化时转化为N2,反应的离子方程式为3Cl2+2 ══ N2+6Cl-+8H+,B正确;若生成的H2和N2的物质的量之比为3∶1,根据6H++6e- ══ 3H2↑、3Cl2+2 ══ N2+6Cl-+8H+可知,处理后废水的H+浓度增大,pH减小,C正确;电池工作时,甲池是原电池,原电池中阳离子Na+移向正极石墨电极,D错误。
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5.如图所示装置中,甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100 g 5% NaOH溶液、足量CuSO4溶液和100 g 10% K2SO4溶液,电极均为石墨电极。
(1)接通电源,一段时间后,测得丙中K2SO4
溶液的质量分数为10.47%,乙中c电极质量
增加。填写下列空白:
①电源的N端为　　　　　极;
②电极b上发生的电极反应为　　　　　 　　　　　;
③计算电极b上生成的气体在标准状况下的体积为　　　　　 L;
④电解前后丙中溶液的pH　　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)乙装置中如果电解过程中铜全部析出,此时电解能否继续进行:　　　　　(填“能”或“不能”),原因是　 　。
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答案 (1)①正　②4OH--4e- ══ O2↑+2H2O
③2.8　④不变　(2)能　CuSO4溶液变为H2SO4溶液,可继续电解H2SO4溶液,实质相当于电解水
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解析 (1)①接通电源一段时间后,乙中c电极质量增加,说明c电极表面析出Cu,则该电极为阴极,从而推知M端为电源的负极,N端为电源的正极。②电极b为阳极,用惰性电极电解NaOH溶液相当于电解水,阳极上OH-放电生成O2,电极反应式为4OH--4e- ══ O2↑+2H2O。③用惰性电极电解K2SO4溶液相当于电解水,设电解过程中消耗水的质量为x g,据电解前后溶质的质量不变可得:100 g×10%=(100-x) g×10.47%,解得x≈4.5,则电解过程中消耗水的物质的量为 =0.25 mol,转移电子的物质的量为0.5 mol,故电极b上生成的O2在标准状况下的体积为V(O2)=0.5 mol× ×22.4 L·mol-1=2.8 L。④丙中用惰性电极电解K2SO4溶液相当于电解水,电解过程中c(K2SO4)增大,常温下K2SO4溶液pH=7,因此电解前后溶液的pH不变。(2)当电解过程中铜全部析出时,CuSO4溶液变为H2SO4溶液,继续电解则为电解H2SO4溶液,相当于电解水。
本 课 结 束