第四章 化學(xué)反應(yīng)與電能 【考點(diǎn)打靶+核心識(shí)記】 高中化學(xué) 全冊必背章節(jié)知識(shí)清單（人教版2019選擇性必修3）

第四章化學(xué)反應(yīng)與電能第一節(jié)原電池一、原電池的工作原理1、原電池的構(gòu)成條件（1）定義：能把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。（2）實(shí)質(zhì)：利用能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。（3）構(gòu)成條件：①兩個(gè)活潑性不同的電極；②電解質(zhì)溶液；③形成閉合回路；④自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。2、實(shí)驗(yàn)4-1：鋅銅原電池的工作原理裝置示意圖注：鹽橋中裝有含KCl飽和溶液的瓊膠現(xiàn)象鋅片逐漸溶解，銅片上有紅色物質(zhì)生成，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能微觀探析在硫酸鋅溶液中，負(fù)極一端的Zn失去電子形成Zn2＋進(jìn)入溶液在硫酸銅溶液中，正極一端的Cu2＋獲得電子變成Cu沉積在銅片上電子或離子移動(dòng)方向電子：負(fù)極流向正極鹽橋：Cl—移向ZnSO4溶液，K＋移向CuSO4溶液工作原理，電極反應(yīng)式負(fù)極：Zn－2e－Zn2＋(氧化反應(yīng))正極：Cu2＋＋2e－Cu(還原反應(yīng))總反應(yīng)：Zn＋Cu2＋Zn2＋＋Cu（1）Zn-ZnSO4半電池：在ZnSO4溶液中，鋅片逐漸溶解，即Zn被氧化，鋅原子失去電子，形成Zn2＋進(jìn)入溶液，即Zn－2e－=Zn2＋；從鋅片上釋放出的電子，經(jīng)過導(dǎo)線流向銅片。（2）Cu-CuSO4半電池：CuSO4溶液中的Cu2＋從銅片上得到電子，還原為銅單質(zhì)并沉積在銅片上，即Cu2＋＋2e－=Cu。（3）鹽橋的作用：電池工作時(shí)，鹽橋中的Cl－會(huì)移向ZnSO4溶液，K＋移向CuSO4溶液，使兩溶液均保持電中性。當(dāng)取出鹽橋后，形成斷路，反應(yīng)停止。3、原電池工作原理（1）原理圖解（2）電極名稱與反應(yīng)類型：正極→還原反應(yīng)；負(fù)極→氧化反應(yīng)。（3）電子流向：負(fù)極→正極。（4）電流方向：正極→負(fù)極。（5）離子流向：陽離子→正極；陰離子→負(fù)極。4、原電池的應(yīng)用（1）加快氧化還原反應(yīng)的速率：構(gòu)成原電池的反應(yīng)速率比直接接觸的反應(yīng)速率快。例如：在鋅與稀H2SO4反應(yīng)時(shí)加入少量CuSO4溶液，CuSO4與鋅發(fā)生置換反應(yīng)生成Cu，從而形成Cu－Zn微小原電池，加快產(chǎn)生H2的速率。（2）比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱例如：有兩種金屬a和b，用導(dǎo)線連接后插入稀硫酸中，觀察到a極溶解，b極上有氣泡產(chǎn)生。由此可判斷出a是負(fù)極、b是正極，且金屬活動(dòng)性：a>b。（3）設(shè)計(jì)原電池例如：2FeCl3＋Cu2FeCl2＋CuCl2①化合價(jià)升高的物質(zhì)負(fù)極：Cu②活潑性較弱的物質(zhì)正極：C③化合價(jià)降低的物質(zhì)電解質(zhì)溶液：FeCl3示意圖一、化學(xué)電源概述一次電池1、化學(xué)電源的分類（1）一次電池：也叫做干電池，放電后不可再充電。（2）二次電池：又稱可充電電池或蓄電池，放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生。（3）燃料電池：連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電源。2、判斷電池優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)（1）比能量：單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少，單位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。（2）比功率：單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小，單位是W·kg－1或W·L－1。（3）電池可儲(chǔ)存時(shí)間的長短。3、化學(xué)電池的回收利用使用后的廢棄電池中含有大量的重金屬、酸和堿等有害物質(zhì)，隨處丟棄會(huì)給土壤、水源等造成嚴(yán)重的污染。廢棄電池要進(jìn)行回收利用。4、化學(xué)電源的發(fā)展方向小型化、供電方便、工作壽命長、不需要維護(hù)的電池受到人們的青睞。如鎳氫電池、鋰離子電池等。5、一次電池：鋅錳干電池普通鋅錳干電池堿性鋅錳干電池示意圖構(gòu)造負(fù)極：鋅正極：石墨棒電解質(zhì)溶液：氯化銨和氯化鋅負(fù)極反應(yīng)物：鋅粉正極反應(yīng)物：二氧化錳電解質(zhì)溶液：氫氧化鉀工作原理負(fù)極：Zn－2e－＋2NHeq\o\al(＋,4)Zn(NH3)eq\o\al(2＋,2)＋2H＋正極：2MnO2＋2H＋＋2e－2MnO(OH)總反應(yīng)：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)負(fù)極：Zn＋2OH－－2e－Zn(OH)2正極：2MnO2＋2H2O＋2e－2MnO(OH)＋2OH－總反應(yīng)：Zn＋2MnO2＋2H2O2MnO(OH)＋Zn(OH)26、二次電池：鉛蓄電池Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O（1）負(fù)極是Pb，正極是PbO2，電解質(zhì)溶液是H2SO4溶液。（2）放電反應(yīng)原理①負(fù)極反應(yīng)式是Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－PbSO4；②正極反應(yīng)式是PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－PbSO4＋2H2O；③放電過程中，負(fù)極質(zhì)量的變化是增大，H2SO4溶液的濃度減小。（3）充電反應(yīng)原理①陰極(還原反應(yīng))反應(yīng)式是：PbSO4＋2e－Pb＋SOeq\o\al(2－,4)；②陽極(氧化反應(yīng))反應(yīng)式是：PbSO4＋2H2O－2e－PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)；③充電時(shí)，鉛蓄電池正極與直流電源正極相連，負(fù)極與直流電源負(fù)極相連。口訣：“負(fù)極接負(fù)極，正極接正極”。7、二次電池：鋰離子電池電極電極反應(yīng)負(fù)極嵌鋰石墨(LixCy)：LixCy－xe－xLi＋＋Cy正極鈷酸鋰(LiCoO2)：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－LiCoO2總反應(yīng)LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy8、氫氧燃料電池是一種清潔高效的燃料電池（1）基本構(gòu)造（2）工作原理酸性電解質(zhì)(H2SO4)堿性電解質(zhì)(KOH)負(fù)極反應(yīng)2H2－4e－4H＋2H2－4e－＋4OH－4H2O正極反應(yīng)O2＋4e－＋4H＋2H2OO2＋4e－＋2H2O4OH－總反應(yīng)2H2＋O22H2O燃料電池電極的書寫如：CH4堿性(KOH溶液)燃料電池負(fù)極反應(yīng)式書寫方法：第一步確定生成物CH4eq\o(→,\s\up7(O2))eq\b\lc\[\rc\(\a\vs4\al\co1(H2O,CO2\o(→,\s\up7(KOH))CO\o\al(2－,3)＋H2O))故CH4的最終產(chǎn)物為COeq\o\al(2－,3)和H2O；第二步確定價(jià)態(tài)變化及電子轉(zhuǎn)移：eq\o(C,\s\up6(－4))H4－8e－→eq\o(C,\s\up6(＋4))Oeq\o\al(2－,3)＋H2O；第三步依據(jù)電解質(zhì)性質(zhì)，用OH－使電荷守恒：CH4－8e－＋10OH－→COeq\o\al(2－,3)＋H2O；第四步最后據(jù)氫原子守恒配平H2O的化學(xué)計(jì)量數(shù)：CH4－8e－＋10OH－COeq\o\al(2－,3)＋7H2O。第二節(jié)電解質(zhì)一、電解原理1、實(shí)驗(yàn)探究：電解CuCl2溶液電解裝置電解過程分析通電前存在微粒Cu2＋、Cl－、H＋、OH－微粒運(yùn)動(dòng)自由移動(dòng)通電后微粒運(yùn)動(dòng)Cu2＋、H＋移向陰極，Cl－、OH－移向陽極電極反應(yīng)陰極：Cu2＋＋2e－=Cu陽極：2Cl－－2e－=Cl2↑電解反應(yīng)CuCl2eq\o(=,\s\up7(電解),\s\do5())Cu＋Cl2↑實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象陰極：覆蓋一層紅色固體陽極：①有氣泡放出；②聞到刺激性的氣味；③濕潤的淀粉碘化鉀試紙變?yōu)樗{(lán)色 2、電解和電解池（1）電解：使電流通過電解質(zhì)溶液(或熔融電解質(zhì))而在陽極、陰極引起氧化還原反應(yīng)的過程。（2）電解池：將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置(也稱電解槽)。（3）電解池的構(gòu)成條件：①直流電源；②兩個(gè)電極；③電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)；④形成閉合回路。3、電解原理（1）電極反應(yīng)類型：陽極→氧化反應(yīng)；陰極→還原反應(yīng)。（2）電子流向：電源負(fù)極→陰極；陽極→電源正極。（3）電流方向：電源正極→陽極；陰極→電源負(fù)極。（4）離子流向：陽離子→陰極；陰離子→陽極。二、電解原理的應(yīng)用1、電解飽和食鹽水的原理（1）通電前：溶液中的離子是Na＋、Cl－、H＋、OH－。（2）通電后：①移向陽極的離子是Cl－、OH－，Cl－比OH－容易失去電子，被氧化成氯氣。（3）陽極：2Cl－－2e－Cl2↑(氧化反應(yīng))。（4）移向陰極的離子是Na＋、H＋，H＋比Na＋容易得到電子，被還原成氫氣。其中H＋是由水電離產(chǎn)生的。（5）陰極：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－(還原反應(yīng))。（6）總反應(yīng)：化學(xué)方程式為2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))H2↑＋Cl2↑＋2NaOH；離子方程式為2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))H2↑＋Cl2↑＋2OH－。2、氯堿工業(yè)生產(chǎn)流程（1）陽離子交換膜電解槽（2）陽離子交換膜的作用：只允許Na＋等陽離子通過，不允許Cl－、OH－等陰離子及氣體分子通過，可以防止陰極產(chǎn)生的氫氣與陽極產(chǎn)生的氯氣混合發(fā)生爆炸，也能避免氯氣與陰極產(chǎn)生的氫氧化鈉反應(yīng)而影響氫氧化鈉的產(chǎn)量。3、氯堿工業(yè)產(chǎn)品及其應(yīng)用（1）氯堿工業(yè)產(chǎn)品主要有NaOH、Cl2、H2、鹽酸、含氯漂白劑。（2）電解飽和食鹽水為原理的氯堿工業(yè)產(chǎn)品在有機(jī)合成、造紙、玻璃、肥皂、紡織、印染、農(nóng)藥、金屬冶煉等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。4、電鍍與電解精煉裝置電鍍精煉陽極材料鍍層金屬Cu粗銅(含鋅、銀、金等雜質(zhì))陰極材料鍍件金屬Fe純銅陽極反應(yīng)Cu－2e－Cu2＋Zn－2e－Zn2＋、Cu－2e－Cu2＋等陰極反應(yīng)Cu2＋＋2e－CuCu2＋＋2e－Cu溶液變化硫酸銅溶液濃度保持不變Cu2＋濃度減小，金、銀等金屬沉積形成陽極泥5、電冶金（1）金屬冶煉的本質(zhì)：使礦石中的金屬離子獲得電子變成金屬單質(zhì)的過程。如Mn＋＋ne－M。（2）電解法用于冶煉較活潑的金屬(如鉀、鈉、鎂、鋁等)，但不能電解其鹽溶液，應(yīng)電解其熔融態(tài)。如：電解熔融的氯化鈉可制取金屬鈉的反應(yīng)式：陽極：2Cl－－2e－Cl2↑；陰極：2Na＋＋2e－2Na；總反應(yīng)：2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up7(電解))2Na＋Cl2↑。第三節(jié)金屬的腐蝕與防護(hù)一、金屬的腐蝕1、金屬的腐蝕（1）概念：金屬或合金與周圍的氣體或液體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而引起損耗的現(xiàn)象。其實(shí)質(zhì)是金屬原子失去電子變?yōu)殛栯x子，金屬發(fā)生氧化反應(yīng)。（2）根據(jù)與金屬接觸的氣體或液體不同，金屬腐蝕可分為兩類：①化學(xué)腐蝕：金屬與其表面接觸的一些物質(zhì)(如O2、Cl2、SO2等)直接反應(yīng)而引起的腐蝕。腐蝕的速率隨溫度升高而加快。②電化學(xué)腐蝕：當(dāng)不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)會(huì)發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬發(fā)生氧化反應(yīng)而被腐蝕。2、鋼鐵的電化學(xué)腐蝕類別項(xiàng)目析氫腐蝕吸氧腐蝕圖形描述條件水膜酸性較強(qiáng)水膜酸性很弱或呈中性負(fù)極Fe－2e－Fe2＋正極2H＋＋2e－H2↑O2＋4e－＋2H2O4OH－總反應(yīng)Fe＋2H＋Fe2＋＋H2↑2Fe＋O2＋2H2O2Fe(OH)2后續(xù)反應(yīng)最終生成鐵銹(主要成分為Fe2O3·xH2O)，反應(yīng)如下：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)3，2Fe(OH)3Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O聯(lián)系通常兩種腐蝕同時(shí)存在，但后者更普遍3、實(shí)驗(yàn)探究：電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)解釋導(dǎo)管中液面上升裝置中鐵、碳和飽和食鹽水構(gòu)成原電池，鐵釘發(fā)生吸氧腐蝕①試管中產(chǎn)生氣泡的速率快Zn與CuSO4反應(yīng)生成Cu，Zn、Cu和稀鹽酸構(gòu)成原電池，形成電化學(xué)腐蝕，速率更快二、金屬的防護(hù)1、改變金屬材料的組成在金屬中添加其他金屬或非金屬制成性能優(yōu)異的合金。如普通鋼加入鎳、鉻制成不銹鋼，鈦合金不僅具有優(yōu)異的抗腐蝕性能且具有良好的生物相容性。2、在金屬表面覆蓋保護(hù)層在金屬表面覆蓋致密的保護(hù)層，將金屬制品與周圍物質(zhì)隔開是一種普遍采用的防護(hù)方法。如，在鋼鐵制品表面噴油漆、涂礦物性油脂、覆蓋搪瓷等；電鍍鋅、錫、鉻、鎳等，利用化學(xué)方法、離子注入法、表面滲鍍等方式在金屬表面形成穩(wěn)定的鈍化膜。3、電化學(xué)保護(hù)法金屬在發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，總是作為原電池負(fù)極(陽極)的金屬被腐蝕，作為正極(陰極)的金屬不被腐蝕，如果能使被保護(hù)的金屬成為陰極，就不易被腐蝕。（1）犧牲陽極法原理：原電池原理要求：被保護(hù)的金屬作正極，活潑性更強(qiáng)的金屬作負(fù)極。應(yīng)用：鍋爐內(nèi)壁、船舶外殼、鋼鐵閘門安裝鎂合金或鋅塊。實(shí)例實(shí)驗(yàn)4-4-1：如圖裝置反應(yīng)一段時(shí)間后，往Fe電極區(qū)滴入2滴黃色K3[Fe(CN)6](鐵氰化鉀)溶液，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。已知Fe2＋與[Fe(CN)6]3－反應(yīng)生成帶有特征藍(lán)色的KFe[Fe(CN)6]沉淀。實(shí)驗(yàn)裝置電流表陽極(負(fù)極區(qū))陰極(正極區(qū))現(xiàn)象指針偏轉(zhuǎn)Zn溶解有氣泡產(chǎn)生，無藍(lán)色沉淀生成有