2017届高三化学（通用版）二轮复习教案：专题2 突破点7 原电池与电解池

突破点7　原电池与电解池
提炼1　原电池与电解池工作原理
1.原电池和电解池的比较
2．原电池正、负极的判断方法
3．电解池阴、阳极的判断方法
提炼2　电极反应式书写及电极产物分析
1.原电池电极反应式的书写
(2)复杂电极反应式的书写
如CH4碱性燃料电池负极反应式的书写：
CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O……总反应式
2O2＋4H2O＋8e－===8OH－……正极反应式
CH4＋10OH－－8e－===7H2O＋CO……负极反应式
2．电解池电极反应式的书写步骤
提示：(1)Fe作阳极时，电极反应式为：Fe－2e－===Fe2＋。
(2)Fe3＋在阴极放电时，电极反应式为：Fe3＋＋e－===Fe2＋。
3．燃料电池电极反应式的书写方法
(1)找位置、写式子：负极反应式应符合“还原剂－ne－―→氧化产物”的形式；正极反应式符合“氧化剂＋ne－―→还原产物”的形式。燃料中的碳、氢元素及助燃剂氧气在不同介质中放电后的具体存在形式不同。①酸性介质：碳、氢元素分别转化为CO2、H＋；O2转化为H2O。②碱性介质：碳、氢元素分别转化为CO、H2O；O2转化为OH－。
(2)查电荷，添离子：检查(1)中电极反应式的电荷是否守恒，若是在溶液中进行的反应，则可通过添加OH－或H＋的方法使电荷守恒，但要注意，在酸性溶液中不添加OH－，在碱性溶液中不添加H＋。若是在熔融态电解质中进行的反应，则可添加熔融态电解质中的相应离子。
(3)查原子，添物质：检查是否符合原子守恒，若是在溶液中进行的反应，可添加H2O使原子守恒。
(4)对于较复杂的电极反应，可用总反应式减去较简单一极的电极反应式得到。
4．可充电电池原理分析
(1)充电时电极的连接：充电的目的是使电池恢复其供电能力，因此负极应与电源的负极相连以获得电子，可简记为负接负后作阴极，正接正后作阳极。
(2)工作时的电极反应式：同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。
提炼3　金属的腐蚀与防护1.金属腐蚀快慢程度的判断方法
2．金属电化学保护的两种方法
回访1　(2016·全国乙卷)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SO可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。
下列叙述正确的是(　　)
A．通电后中间隔室的SO离子向正极迁移，正极区溶液pH增大
B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品
C．负极反应为2H2O－4e－===O2＋4H＋，负极区溶液pH降低
D．当电路中通过1
mol电子的电量时，会有0.5
mol的O2生成
B　[A项正极区发生的反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，由于生成H＋，正极区溶液中阳离子增多，故中间隔室的SO向正极迁移，正极区溶液的pH减小。B项负极区发生的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴离子增多，中间隔室的Na＋向负极迁移，故负极区产生NaOH，正极区产生H2SO4。C项由B项分析可知，负极区产生OH－，负极区溶液的pH升高。D项正极区发生的反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，当电路中通过1
mol电子的电量时，生成0.25
mol
O2。]
回访2　(2016·全国甲卷)Mg AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是(　　)
A．负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋
B．正极反应式为Ag＋＋e－===Ag
C．电池放电时Cl－由正极向负极迁移
D．负极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑
B　[Mg AgCl电池的电极反应：负极Mg－2e－===Mg2＋，正极2AgCl＋2e－===2Ag＋2Cl－，A项正确，B项错误。在原电池的电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，C项正确。Mg是活泼金属，能和H2O发生反应生成Mg(OH)2和H2，D项正确。]
回访3　(2015·全国卷Ⅰ)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是(　　)
A．正极反应中有CO2生成
B．微生物促进了反应中电子的转移
C．质子通过交换膜从负极区移向正极区
D．电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O
A　[图示所给出的是原电池装置。A.有氧气反应的一极为正极，发生还原反应，因为有质子通过，故正极电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，C6H12O6在微生物的作用下发生氧化反应，电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，负极上有CO2产生，故A不正确。B.微生物电池是指在微生物作用下将化学能转化为电能的装置，所以微生物促进了反应中电子的转移，故B正确。C.质子是阳离子，阳离子由负极区移向正极区，故C正确。D.正极的电极反应式为6O2＋24e－＋24H＋===12H2O，负极的电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，两式相加得电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，故D正确。]
回访4　(2014·新课标全国卷Ⅰ节选)次磷酸(H3PO2)是一种精细磷化工产品，具有较强的还原性。H3PO2也可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：
(1)写出阳极的电极反应式____________________________________。
(2)分析产品室可得到H3PO2的原因___________________________。
(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有_____杂质。该杂质产生的原因是______。
[解析]　(1)阳极发生氧化反应，在反应中OH－失去电子，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑。
(2)H2O放电产生H＋，H＋进入产品室，原料室中的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者发生反应：H＋＋H2PO??H3PO2。
(3)如果撤去阳膜，H2PO或H3PO2可能被氧化。
[答案]　(1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
(2)阳极室的H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2
(3)PO　H2PO或H3PO2被氧化
热点题型1　新型化学电源
1．(2016·厦门质检)锂 空气电池是高能量密度的新型电池，结构如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．固体电解质只有Li＋可通过
B．电池反应为4Li＋O22Li2O
C．充电时，水性电解液的pH将升高
D．放电时，若外电路有0.1
mol
e－通过时，理论上将消耗1.12
L
O2(标准状况)
A　[A项，固体电解质只有Li＋可通过，形成闭合回路，正确；B项，电池反应：4Li＋O2＋2H2O4LiOH，错误；C项，充电时，水性电解液中的电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，消耗OH－，pH降低，错误；D项，通过0.1
mol电子时，消耗的O2在标准状况下体积为×22.4
L·mol－1＝0.56
L，错误。]
2．(2016·黄冈调研)如图甲是利用一种微生物将废水中的尿素(H2NCONH2)的化学能直接转化为电能并生成环境友好物质的装置，同时利用此装置的电能在铁上镀铜。下列说法正确的是(　　)
甲
乙
A．H＋透过质子交换膜由右向左移动
B．铜电极应与X相连接
C．M电极反应式：H2NCONH2＋H2O－6e－===CO2↑＋N2↑＋6H＋
D．当N电极消耗0.25
mol气体时，铁电极增重16
g
C　[根据图中信息可知，N极发生的电极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故M为负极，N为正极，X为阴极，Y为阳极。A项，H＋透过质子交换膜由负极向正极移动，错误；B项，铜电极失电子作阳极应与Y相连接，铁电极作阴极与X相连接，错误；C项，M电极失电子，电极反应式：H2NCONH2＋H2O－6e－===CO2↑＋N2↑＋6H＋，正确；D项，铁电极上铜离子得电子生成铜，当N电极消耗0.25
mol气体时，转移1
mol电子，铁电极增重32
g，错误。]
3．(2016·全国丙卷)锌 空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为KOH溶液，反应为2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn(OH)。下列说法正确的是(　　)
A．充电时，电解质溶液中K＋向阳极移动
B．充电时，电解质溶液中c(OH－)逐渐减小
C．放电时，负极反应为：Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH)
D．放电时，电路中通过2
mol电子，消耗氧气22.4
L(标准状况)
C　[A项，充电时装置为电解池，溶液中的阳离子向阴极移动。B项，充电时的总反应为放电时的逆反应：2Zn(OH)===2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O，c(OH－)逐渐增大。C项，放电时负极失电子发生氧化反应，由放电时的总反应可知，负极反应式为Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH)。D项，由放电时的总反应可知，电路中通过2
mol电子时，消耗0.5
mol
O2，其体积为11.2
L(标准状况)。]
4．(2016·东北三省四市一模)高铁酸盐在能源、环保等方面有着广泛的用途。
高铁酸钾(K2FeO4)是一种理想的水处理剂，高铁电池的研制正在进行中。如图甲是高铁电池的模拟实验装置：
甲
乙
(1)该电池放电时正极的电极反应式为_____________________________；
若维持电流强度为1
A，电池工作十分钟，理论消耗Zn________
g。(已知F＝96
500
C/mol)
(2)盐桥中盛有饱和KCl溶液，此盐桥中氯离子向________(填“左”或“右”)移动；若用阳离子交换膜代替盐桥，则钾离子向________(填“左”或“右”)移动。
(3)图乙为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电过程曲线，由此可得出高铁电池的优点有_________________________________。
[解析]　(1)根据高铁电池装置可确定Zn和C分别作负极和正极，放电时FeO在正极发生还原反应，其电极反应式为FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3↓＋5OH－；电池工作十分钟，Q＝It＝1
A×600
s＝600
C，转移电子的物质的量n(e－)＝≈0.006
2
mol，反应中1
mol
Zn转移2
mol电子，根据正比关系＝，即求得m(Zn)＝0.2
g。(2)原电池工作时，盐桥中阴离子向负极移动，即Cl－向右移动，改用阳离子交换膜代替盐桥，阳离子向正极移动，即K＋向左移动。(3)从图乙可看出高铁电池和高能碱性电池相比，具有使用时间长、工作电压稳定的优点。
[答案]　(1)FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3↓＋5OH－　0.2
(2)右　左
(3)使用时间长、工作电压稳定
解决新型化学电源问题的关键
1．电池类型：可充电电池首先明确放电方向是原电池，充电方向是电解池。
2．电极名称：放电时是原电池，为正极、负极；充电时是电解池，为阳极、阴极。
3．电极材料和电极反应：电极反应物、电极产物及其状态，电极材料是否参与电极反应；电子或电流的流动方向，离子的移动方向。
4．电解质溶液：电解质溶液是否参与电池反应；电解质溶液是否与电极产物反应。
5．反应式：电极反应式和电池总反应式。
6．反应的量的关系：电极质量的变化、电极产物的量、转移电子的量等。
热点题型2　电解原理及其应用
1．(2016·济南调研)用电解法处理含硝酸根离子(NO)废水的原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
A．铅蓄电池的A极为正极，电极材料为PbO2
B．铅蓄电池放电时负极质量增加
C．该电解池的阴极反应为2NO＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O
D．若电路中通过2
mol电子，则阳极室溶液质量减少32
g(忽略气体的溶解)
D　[根据图示，电解池的右侧区域硝酸根离子被还原为氮气，所以应为电解池的阴极，进而确定A、B电极分别是铅蓄电池的正、负极。A项正确，铅蓄电池的反应原理是Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO2PbSO4＋2H2O，A为正极，反应为PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O；B项正确，负极反应为Pb－2e－＋SO===PbSO4，放电过程中固体电极质量增加；C项正确，阴极发生还原反应，硝酸根离子被还原为氮气；D项错误，阳极区溶液中，水电离的氢氧根离子放电2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，电路中每通过2
mol电子，则溶液质量损失16
g。]
2．(2016·北京高考)用石墨电极完成下列电解实验。
实验一
实验二
装置
现象
a、d处试纸变蓝；b处变红，局部褪色；c处无明显变化
两个石墨电极附近有气泡产生；n处有气泡产生……
下列对实验现象的解释或推测不合理的是(　　)
A．a、d处：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
B．b处：2Cl－－2e－===Cl2↑
C．c处发生了反应：Fe－2e－===Fe2＋
D．根据实验一的原理，实验二中m处能析出铜
B　[根据a、d处试纸变蓝，可判断a、d两点都为电解池的阴极，发生的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，A选项正确；b处变红，局部褪色，说明b为电解池的阳极，2Cl－－2e－===Cl2↑，氯气溶于水生成盐酸和次氯酸：Cl2＋H2O===HCl＋HClO，HCl溶液显酸性，HClO具有漂白性，B选项不正确；c处为阳极，铁失去电子生成亚铁离子，发生的电极反应为Fe－2e－===Fe2＋，C选项正确；实验一中ac形成电解池，db形成电解池，所以实验二中也形成电解池，铜珠的左端为电解池的阳极，铜失电子生成铜离子，m、n是铜珠的右端，为电解池的阴极，开始时产生气体，后来铜离子得到电子生成单质铜，故D选项正确。]
3．(2016·杭州质检)如图所示的阴、阳离子交换膜电解槽中，用惰性电极电解Na2SO4溶液可制得硫酸和氢氧化钠溶液。下列说法不正确的是(　　)
A．阳极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
B．N为阴离子交换膜
C．进口b补充的是稀NaOH溶液
D．电解过程中阳极附近的pH不断降低
A　[A项，电解Na2SO4溶液，实际上是电解水，所以阳极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，错误；B项，由H2出口知电极A为阴极，电极B为阳极，阳极水中的OH－放电，故要不断补充阴离子，故N为阴离子交换膜，正确；C项，电极A为阴极，水中的H＋放电，大量的氢氧化钠在阴极附近生成，故在b口加入稀氢氧化钠以增强导电性，正确；D项，阳极反应不断地消耗水中的氢氧根离子，故pH不断降低，正确。]
4．(2016·咸阳一模节选)制备KMnO4的最佳方法是电解法，实验室以镍片(不参与反应)和铁片作电极，电解K2MnO4溶液(绿色)制备KMnO4，装置如图：
请回答下列问题：
(1)A应与直流电源________极相连接，铁片电极上有气体放出，电极反应式为______________________________________________________________。
(2)电解过程中可观察到溶液由绿色变为________。
(3)电解一段时间后，溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
[解析]　(1)电解K2MnO4溶液(绿色)制备KMnO4，MnO发生氧化反应，则Ni作阳极，而Fe作阴极，故Fe与直流电源的负极相连，铁片上H＋得电子发生还原反应，故有气体放出。(2)电解一段时间后，MnO转化为MnO，溶液由绿色变为紫色。(3)电解总反应式为2K2MnO4＋2H2O2KMnO4＋2KOH＋H2↑，则电解一段时间后，生成KOH，溶液的pH增大。
[答案]　(1)负
2H＋＋2e－===H2↑(或2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－)
(2)紫色
(3)增大
1．有关电解池的分析思路
2．电解池中电极反应式的书写步骤
热点题型3　电化学原理的综合应用
1．(2016·山西四校联考)用酸性甲醛燃料电池为电源进行电解的实验装置如图所示，下列说法中正确的是(　　)
A．当a、b都是铜作电极时，电解的总反应方程式为2CuSO4＋2H2O2H2SO4＋2Cu＋O2↑
B．燃料电池工作时，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．当燃料电池消耗2.24
L甲醛气体时，电路中理论上转移0.2
mol
e－
D．燃料电池工作时，负极反应为HCHO＋H2O－2e－===HCOOH＋2H＋
D　[A项，若a、b都是铜作电极，则阳极是Cu放电，而不是电解质溶液中的OH－放电，错误；B项，酸性介质中不可能生成大量OH－，错误，正确的为O2＋4H＋＋4e－===2H2O；C项，未说明气体是否在标准状况下而无法计算，错误；D项，负极是燃料(HCHO)在酸性条件下失去电子发生氧化反应，正确。]
2．(2016·枣庄滕州月考)用下列装置能达到预期目的的是(　　)
A．甲图装置可用于电解精炼铝
B．乙图装置可得到持续、稳定的电流
C．丙图装置可达到保护钢闸门的目的
D．丁图装置可达到保护钢闸门的目的
D　[电解精炼铝时，粗铝作阳极，纯铝作阴极，但电解质溶液不能是氯化铝溶液，否则阴极上会析出氢气，可以用熔融的氧化铝作电解质，A项错误；原电池可以产生电流，但不能提供持续、稳定的电流，B项错误；丙中形成原电池，钢闸门是负极，易被腐蚀，不能达到保护钢闸门的目的，C项错误；丁中形成电解池，钢闸门是阴极，不易被腐蚀，可达到保护钢闸门的目的，D项正确。]
3．(2016·湖南益阳三模)用惰性电极电解2
L
0.5
mol/L的硝酸银溶液，当在电路中通过0.1
mol电子后，调换正、负极，电路中又通过了0.2
mol电子，此时溶液pH为(假设溶液体积不变)(　　)
A．1　　　
B.
2　　　　
C．3　　　
D.
无法确定
A　[2
L
0.5
mol/L的硝酸银溶液含n(Ag＋)＝1
mol，调换正、负极前，阳极电极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑；阴极电极反应式为4Ag＋＋4e－===4Ag，则电路中通过0.1
mol
e－时生成0.1
mol
Ag，同时反应0.1
mol
OH－，得到0.1
mol
H＋；调换正、负极后，阳极电极反应式为4Ag－4e－===4Ag＋(先)，4OH－－4e－===2H2O＋O2↑(后)；阴极电极反应式为4Ag＋＋4e－===4Ag，故总共得到0.2
mol
H＋，c(H＋)＝＝0.1
mol/L，pH＝－lg
c(H＋)＝1。]
4．(2016·河南商丘二模)电浮选凝聚法是工业上采用的一种污水处理方法：保持污水的pH在5.0～6.0之间，通过电解生成Fe(OH)3。Fe(OH)3胶体有吸附性，可吸附水中的污染物而沉积下来，具有净化水的作用，其原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．石墨电极上发生氧化反应
B．根据图示，物质A为CO2
C．甲烷燃料电池中CO向空气一极移动
D．为增强污水的导电能力，可向污水中加入适量乙醇
B　[甲烷发生氧化反应，所在电极为电源的负极，故石墨为阴极，发生还原反应，A项错误；甲烷在负极的反应为CH4－8e－＋4CO===5CO2＋2H2O，A为CO2，B项正确；CO在工作过程中向负极移动，通入空气的一极为电源的正极，C项错误；乙醇为非电解质，不能增强水溶液的导电能力，D项错误。]
5．(名师押题)甲醇是一种重要的燃料，在电化学领域有着重要的用途。
请回答下列问题：
(1)一种新型的甲醇燃料手机电池，其持续供电时间长达320小时，电池总反应式为2CH3OH＋4NaOH＋3O2===2Na2CO3＋6H2O。该电池的负极反应式为
______________________________________________________________。
(2)甲醇 空气燃料电池的工作原理如图甲所示(箭头表示物质的进入或排出)：
①甲电极为该燃料电池的________(选填“正极”或“负极”)。
②a、b、c、d四个进出口的物质分别为________、________、________、________(填写化学式或结构简式)。
③用该电池作供电电源，用惰性电极电解足量的CuSO4溶液，若阴极增重19.2
g，则理论上消耗甲醇________g。电解后，溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
图甲
图乙
(3)尿素树脂生产过程中所排放的废水中往往含有甲醇，这种含甲醇的废水会对环境造成污染。向该废水中加入一定量的酸性CoSO4溶液，然后采用图乙所示装置进行电解即可除去甲醇，除甲醇的原理：电解产物Co3＋将废水中的甲醇氧化为CO2。
①阳极为_______(选填“石墨Ⅰ”或“石墨Ⅱ”)。阳极反应式为_______。
②请用离子方程式表示该法除甲醇的原理为_________________。
③排放该电解后的废水的铁质管道易被腐蚀，除与Co2＋发生置换反应外，还发生电化学腐蚀，发生还原反应的电极反应式为____________________。
[解析]　(1)由电池总反应式知，甲醇在负极失电子，被氧化为CO2，CO2在碱性条件下转化成CO。
(2)①原电池中，阳离子从负极移向正极，该燃料电池中H＋由甲电极移向乙电极，故甲电极为负极。②负极为甲醇失电子的氧化反应，故b口进入的是CH3OH，a口排出的是CO2；正极为氧气得电子被还原为水的反应，故c口进入的物质是O2，d口排出的物质是H2O。③电解CuSO4溶液时，阴极发生反应Cu2＋＋2e－===Cu，阴极增重19.2
g，则电路中通过电子的物质的量为×2＝0.6
mol，由该燃料电池的负极反应式CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋可知，消耗甲醇的质量为×32
g·mol－1＝3.2
g。电解CuSO4溶液的总反应式为2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，电解过程中有H2SO4生成，故溶液pH减小。
(3)①电解装置中，连接电源正极的是阳极，阳极上发生氧化反应：Co2＋失电子被氧化为Co3＋。②根据题目提示，除去甲醇的反应中，反应物为Co3＋和甲醇，甲醇被氧化为CO2，而Co3＋被还原为Co2＋。③该电解后的废水为酸性溶液，钢铁发生析氢腐蚀。
[答案]　(1)CH3OH＋8OH－－6e－===CO＋6H2O
(2)①负极　②CO2　CH3OH　O2　H2O　③3.2　减小
(3)①石墨Ⅰ　Co2＋－e－===Co3＋　②6Co3＋＋CH3OH＋H2O===6Co2＋＋CO2↑＋6H＋　③2H＋＋2e－===H2↑
1．电化学计算的基本方法
原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液的pH计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算、产物的量与电量关系的计算等，通常有下列几种方法：
常见微粒间的计量关系式为4e－～4H＋～4OH－～4Cl－～4Ag＋～2Cu2＋～2H2～O2～2Cl2～4Ag～2Cu。
2．两种“串联”装置图比较
图1　　　
　图2
图1中无外接电源，其中必有一个装置是原电池装置(相当于发电装置)，为电解池装置提供电能，其中两个电极活泼性差异大者为原电池装置，如图1中左边为原电池装置，右边为电解池装置。图2中有外接电源，两烧杯均作电解池，且串联电解，通过两池的电子数目相等。