人教版化學(xué)選擇性課件第四章化學(xué)反應(yīng)與電能本章整合

本章整合第四章2021內(nèi)容索引0102知識網(wǎng)絡(luò)重難突破知識網(wǎng)絡(luò)答案

①氧化還原②氧化③還原答案

④氧化⑤還原答案

⑥析氫⑦吸氧

重難突破突破一燃料電池電極反應(yīng)式的書寫典例1(1)肼(N2H4)又稱聯(lián)氨,是一種可燃性液體,可用作火箭燃料。肼—空氣燃料電池是一種堿性燃料電池,電解質(zhì)溶液是20%~30%的KOH溶液。肼—空氣燃料電池放電時,正極反應(yīng)式是

;負(fù)極反應(yīng)式是

。

(2)科學(xué)家制造出一種使用固體電解質(zhì)的燃料電池,其效率更高,可用于航天航空。如圖所示裝置中,以稀土金屬材料電極作惰性電極,在電極上分別通入CH4和空氣,其中固體電解質(zhì)是摻雜了Y2O3的ZrO2固體,它在高溫下能傳導(dǎo)O2-(O2+4e-===2O2-)。c電極為該燃料電池的

,d電極上的電極反應(yīng)式為

。

答案

(1)O2+4e-+2H2O===4OH-

N2H4+4OH--4e-===N2↑+4H2O(2)正極CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O解析

(1)對于肼—空氣燃料電池,正極的電極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O===4OH-,用總反應(yīng)減去正極反應(yīng)式即為負(fù)極的電極反應(yīng)式。(2)原電池中電流的方向是從正極流向負(fù)極,故c電極為正極;d電極為負(fù)極,通入的氣體為甲烷,d電極反應(yīng)式為CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O。1.燃料電池的組成(1)電極:惰性電極。(2)燃料:包括H2、烴(如CH4)、醇(如C2H5OH)、肼(N2H4)等。(3)電解質(zhì):酸性電解質(zhì)溶液,如H2SO4溶液;堿性電解質(zhì)溶液,如NaOH溶液;熔融氧化物,如Y2O3;熔融碳酸鹽,如K2CO3等。2.書寫燃料電池電極反應(yīng)式的基本步驟(1)第一步:寫出電池總反應(yīng)式。燃料電池的總反應(yīng)與燃料的燃燒反應(yīng)一致,若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng),則總反應(yīng)為加和后的反應(yīng)。如氫氧燃料電池的總反應(yīng)為2H2+O2===2H2O;甲烷燃料電池(電解質(zhì)溶液為NaOH溶液)的反應(yīng):CH4+2O2===CO2+2H2O①CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O②①+②式得燃料電池總反應(yīng)為CH4+

2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。(2)第二步:寫出電池的正極反應(yīng)式。根據(jù)燃料電池的特點(diǎn),一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)都是O2,隨著電解質(zhì)溶液的不同,其電極反應(yīng)有所不同,一般為以下四種情況:①酸性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式:O2+4H++4e-===2H2O。②堿性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式:O2+2H2O+4e-===4OH-。③固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2-)環(huán)境下電極反應(yīng)式:O2+4e-===2O2-。④熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下電極反應(yīng)式:O2+2CO2+4e-===2。(3)第三步:根據(jù)電池總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式寫出電池的負(fù)極反應(yīng)式。電池的總反應(yīng)和正、負(fù)極反應(yīng)之間有如下關(guān)系:電池的總反應(yīng)式=電池正極反應(yīng)式+電池負(fù)極反應(yīng)式(消去電子)。故根據(jù)第一、二步寫出的反應(yīng):電池的總反應(yīng)式-電池正極反應(yīng)式=電池負(fù)極反應(yīng)式,注意在將兩個反應(yīng)式相減時,要約去正極的反應(yīng)物O2。3.實(shí)例以甲烷燃料電池為例來分析在不同的環(huán)境下電極反應(yīng)式的書寫方法:(1)酸性條件燃料電池總反應(yīng):CH4+2O2===CO2+2H2O①燃料電池正極反應(yīng):O2+4H++4e-===2H2O②①-②×2,得燃料電池負(fù)極反應(yīng):CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+(2)堿性條件燃料電池總反應(yīng):CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O①燃料電池正極反應(yīng):O2+2H2O+4e-===4OH-②①-②×2,得燃料電池負(fù)極反應(yīng):CH4+10OH--8e-===

+7H2O(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2-)燃料電池總反應(yīng):CH4+2O2===CO2+2H2O①燃料電池正極反應(yīng):O2+4e-===2O2-②①-②×2,得燃料電池負(fù)極反應(yīng):CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O(4)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境燃料電池總反應(yīng):CH4

+2O2===CO2+2H2O①燃料電池正極反應(yīng):O2+2CO2+4e-===2②①-②×2,得燃料電池負(fù)極反應(yīng):CH4+4-8e-

===5CO2+2H2O。對點(diǎn)訓(xùn)練1-1用兩根鉑絲作電極插入KOH溶液中,再分別向兩極通入甲烷氣體和氧氣,可形成燃料電池,該電池放電時發(fā)生的反應(yīng)為CH4+2KOH+2O2

===K2CO3+3H2O,下列說法錯誤的是(

)A.通甲烷的一極為負(fù)極,通氧氣的一極為正極B.放電時,通入O2一極附近溶液的pH升高C.放電一段時間后,KOH的物質(zhì)的量不發(fā)生變化D.通甲烷一極的電極反應(yīng)式是CH4+10OH--8e-===

+7H2O答案

C解析

原電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),正極發(fā)生還原反應(yīng),由總反應(yīng)式知,此燃料電池的電極反應(yīng)式是:正極2O2+4H2O+8e-===8OH-;負(fù)極CH4+10OH--8e-===

+7H2O,由此可見選項(xiàng)A、B、D都正確。放電時KOH的物質(zhì)的量減小。對點(diǎn)訓(xùn)練1-2某固體酸燃料電池以CsHSO4固體為電解質(zhì)傳遞H+,其基本結(jié)構(gòu)見下圖,電池總反應(yīng)可表示為2H2+O2===2H2O,下列有關(guān)說法正確的是(

)A.電子通過外電路從b極流向a極極上的電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-===4OH-C.每轉(zhuǎn)移0.1mol電子,消耗1.12L的H2+由a極通過固體酸電解質(zhì)傳遞到b極答案

D解析

此裝置為燃料電池,充入還原劑H2的一極為負(fù)極,電子從負(fù)極(a極)流向正極(b極),A項(xiàng)錯。電解質(zhì)為酸性電解質(zhì),不可能有大量OH-存在,負(fù)極反應(yīng)為H2-2e-===2H+,正極(b極)反應(yīng)為O2+4e-+4H+===2H2O,B項(xiàng)錯。C項(xiàng),氣體的體積沒有指明標(biāo)準(zhǔn)狀況,故C錯。由反應(yīng)式知,負(fù)極(a極)產(chǎn)生H+,由固體酸電解質(zhì)傳到正極(b極),D項(xiàng)正確。突破二氯堿工業(yè)生產(chǎn)法——離子交換膜法典例2氯堿廠電解飽和食鹽水制取NaOH的工藝流程示意圖如下:依據(jù)上圖,完成下列填空。(1)在電解過程中,與電源正極相連的電極上所發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式為

,

與電源負(fù)極相連的電極附近,溶液的pH

(填“不變”“升高”或“下降”)。

(2)如果精鹽中

含量較高,必須添加鋇試劑除去,該鋇試劑可以是

(填字母)。

a.Ba(OH)2

b.Ba(NO3)2

2(3)為有效除去Ca2+、Mg2+、,加入試劑的合理順序?yàn)?/p>

(填字母)。

a.先加NaOH,后加Na2CO3,再加鋇試劑b.先加NaOH,后加鋇試劑,再加Na2CO3c.先加鋇試劑,后加NaOH,再加Na2CO3(4)脫鹽工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差異,通過

(填操作名稱,下同)、冷卻、

、

除去NaCl。

(5)用隔膜法電解食鹽水,電解槽分隔為陽極區(qū)和陰極區(qū),防止Cl2和NaOH反應(yīng)。采用無隔膜法電解冷的食鹽水時,Cl2與NaOH充分接觸,產(chǎn)物僅是NaClO和H2,相應(yīng)的化學(xué)方程式為

。

答案

(1)2Cl--2e-===Cl2↑升高(2)ac

(3)bc

(4)蒸發(fā)結(jié)晶過濾(5)2NaCl+2H2O

2NaOH+Cl2↑+H2↑、Cl2+2NaOH===NaCl+NaClO+H2O(或NaCl+H2O

NaClO+H2↑)解析

(1)電解飽和食鹽水,陽極反應(yīng)為2Cl--

2e-Cl2↑,陰極反應(yīng)為2H++2e-H2↑,c(OH-)增大,故陰極附近溶液pH升高。(2)除去

可選用Ba(OH)2和BaCl2,不能選用Ba(NO3)2,因?yàn)闀?/p>

。(3)為有效除去Ca2+、Mg2+、

,所加試劑的順序要保證后加試劑把前加過量試劑除去,故選b、c。(4)脫鹽工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差異,通過蒸發(fā)、冷卻、結(jié)晶、過濾除去NaCl。(5)采用無隔膜法電解冷的食鹽水時,發(fā)生的反應(yīng)有2NaCl+2H2O

2NaOH+Cl2↑+H2↑,生成的Cl2與NaOH反應(yīng):2NaOH+Cl2===NaCl+NaClO+H2O,所以工業(yè)上采用隔膜法電解食鹽水,既防止H2和Cl2混合發(fā)生爆炸,又防止Cl2和NaOH作用生成NaClO而影響NaOH的質(zhì)量。1.陽離子交換膜的作用電解飽和食鹽水是氯堿工業(yè)的基礎(chǔ),能制得氯氣、氫氣、氫氧化鈉等重要的化工原料。電解過程中,在電場的作用下,陽離子向陰極移動,而陰離子向陽極移動。由于在陽極氯離子失去電子生成氯氣,若不采取措施,氫氧根離子會向陽極移動,從而與氯氣發(fā)生反應(yīng),既減少了氯氣的產(chǎn)量,又會使得到的氫氧化鈉不純。因此,必須阻止氫氧根離子向陽極移動。目前,常用的隔膜有石棉隔膜和陽離子交換膜。石棉隔膜能阻止氣體通過,但允許水分子及離子通過。由于氫氧根離子能透過該隔膜,因此氯氣會與氫氧根發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致制得的氫氧化鈉不純。陽離子交換膜只允許陽離子通過,而不允許陰離子及氣體通過,也就是說,只允許鈉離子、氫離子通過,氯離子、氫氧根離子和氫氣、氯氣均不能通過。這樣既可以防止陰極產(chǎn)生的氫氣與陽極產(chǎn)生的氯氣相混合,在一定條件下引起爆炸,又能避免氯氣與氫氧化鈉作用生成次氯酸鈉而影響燒堿的質(zhì)量。2.原料的精制(1)粗鹽的成分:粗鹽中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、

等雜質(zhì),不符合電解要求,因此必須經(jīng)過精制。(2)雜質(zhì)的危害:Ca2+、Mg2+、Fe3+等金屬離子在堿性環(huán)境中會產(chǎn)生沉淀,損壞離子交換膜,此外,雜質(zhì)的存在會使得到的產(chǎn)品不純。(3)除雜質(zhì)的過程:①除雜質(zhì)時所加試劑的順序要求是2CO3必須在BaCl2之后;b.鹽酸在過濾之后加入。②試劑加入順序有多種選擇,如2、NaOH、Na2CO3、過濾、2、Na2CO3、NaOH、過濾、、BaCl2、Na2CO3、過濾、HCl。對點(diǎn)訓(xùn)練2用酸性氫氧燃料電池電解苦鹵水(含Cl-、Br-、Na+、Mg2+)的裝置如圖所示(a、b為石墨電極)。下列說法中正確的是(

)A.電池工作時,正極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-===4OH-B.電解時,a電極周圍首先生成Cl2C.電解時,電子流動路徑是:負(fù)極→外電路→陰極→溶液→陽極→正極D.忽略能量損耗,當(dāng)電池中消耗0.02gH2時,b極周圍會產(chǎn)生0.02gH2答案

D解析

由于磷酸為電解質(zhì),電池的正極反應(yīng)為O2+4H++4e-===2H2O,選項(xiàng)A不正確;a電極與原電池正極相連,為電解池的陽極,由于Br-還原性強(qiáng)于Cl-,因此Br-先放電生成Br2,選項(xiàng)B不正確;電解時,電子流動路徑是:負(fù)極→陰極,陽極→正極,電子不能從溶液中通過,選項(xiàng)C不正確;根據(jù)電子守恒規(guī)律,當(dāng)電池中消耗

g

H2時,b極周圍會產(chǎn)生

g

H2,選項(xiàng)D正確。突破三“三池”的比較和聯(lián)系典例3將Fe片和Zn片放入盛有NaCl溶液(其中滴有酚酞)的表面皿中,如圖所示。最先觀察到變?yōu)榧t色的區(qū)域?yàn)?

)A.Ⅰ和Ⅲ

B.Ⅰ和ⅣC.Ⅱ和Ⅲ

D.Ⅱ和Ⅳ答案

B解析

本題考查原電池和電解池的判斷以及各自的工作原理。甲圖是原電池,負(fù)極(Zn):Zn-2e-===Zn2+;正極(Fe):2H++2e-===H2↑,在Ⅰ區(qū)域H2O電離出的OH-濃度較Ⅱ高,能使無色酚酞溶液變成紅色。乙圖是電解池,陽極(Fe):Fe-2e-===Fe2+;陰極(Zn):2H++2e-===H2↑,在Ⅳ區(qū)域H2O電離出的OH-濃度相對Ⅲ較高,能使無色酚酞溶液變紅色,綜上所述選項(xiàng)B正確?！叭亍钡谋容^與聯(lián)系

類型原電池電解池電鍍池定義將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的裝置利用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬的裝置裝置舉例類型原電池電解池電鍍池形成條件①活動性不同的兩電極(連接);②電解質(zhì)溶液(電極插入其中并發(fā)生自發(fā)氧化還原反應(yīng));③形成閉合電路①兩電極接直流電源;②兩電極插入電解質(zhì)溶液;③形成閉合電路①鍍層金屬接電源正極,待鍍金屬接電源負(fù)極;②電鍍液必須含有鍍層金屬的離子(電鍍過程濃度不變)電極名稱負(fù)極:氧化反應(yīng),金屬失電子正極:還原反應(yīng),溶液中的陽離子得電子或者氧氣得電子(吸氧腐蝕)陽極:氧化反應(yīng),溶液中的陰離子失電子,或電極金屬失電子陰極:還原反應(yīng),溶液中的陽離子得電子陽極:金屬電極失電子陰極:電鍍液中鍍層金屬陽離子得電子(在電鍍控制的條件下,水電離產(chǎn)生的H+及OH-一般不放電)類型原電池電解池電鍍池主要應(yīng)用①金屬的電化學(xué)腐蝕分析②犧牲陽極法③制造多種新的化學(xué)電源①電解食鹽水(氯堿工業(yè))②電冶金(冶煉Na、Mg、Al)③電解精煉銅鍍層金屬可為鉻、鋅、鎳、銀等,使被保護(hù)的金屬抗腐蝕能力增強(qiáng),增加表面硬度和美觀實(shí)質(zhì)使氧化還原反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子通過導(dǎo)線定向移動形成電流使電流通過電解質(zhì)溶液而在陰、陽兩極引起氧化還原反應(yīng)的過程類型原電池電解池電鍍池聯(lián)系①同一原電池的正、負(fù)極的電極反應(yīng)得、失電子數(shù)相等;②同一電解池的陰、陽極電極反應(yīng)中得、失電子數(shù)相等;③串聯(lián)電路中的各個電極反應(yīng)得、失電子數(shù)相等;上述三種情況下,在寫電極反應(yīng)式時得、失電子數(shù)要相等,在計(jì)算產(chǎn)物的量時,應(yīng)按得、失電子數(shù)相等計(jì)算區(qū)分原電池、電解池、電鍍池方法:首先看有無外接電源:①若無則可能是原電池,然后按照原電池形成條件分析判定(看電極材料、電解質(zhì)溶液,是否形成閉合回路等)。②若有外接電源,兩極插入電解質(zhì)溶液中,當(dāng)電解質(zhì)溶液中含陽極金屬離子時則為電鍍池,否則為電解池。“兩池”中電極的判斷易混淆,現(xiàn)總結(jié)口訣如下:原電池,正負(fù)極;電解池,陰陽極;失去電子負(fù)(原電池)陽(電解池)極;發(fā)生氧化定無疑。我們還可以根據(jù)上述原理總結(jié)出一些規(guī)律,如:質(zhì)量增加的電極一般為原電池的正極、電解池的陰極;質(zhì)量減輕的電極一般為原電池的負(fù)極、電解池的陽極。對點(diǎn)訓(xùn)練3-1下列圖示中關(guān)于銅電極的連接錯誤的是(

)答案

C解析

電鍍銅時,Cu作陽極,鍍件作陰極,故C錯。對點(diǎn)訓(xùn)練3-2下列四種裝置中,溶液的體積均為250mL,開始時電解質(zhì)溶液的濃度均為0.10mol·L-1,工作一段時間后,測得導(dǎo)線上均通過0.02mol電子,若不考慮溶液體積的變化,則下列敘述正確的是(

)A.工作一段時間后溶液的濃度:①=②=③=④B.工作一段時間后溶液的pH:④>③>①>②C.產(chǎn)生氣體的總體積:④>③>①>②D.電極上析出固體的質(zhì)量:①>②>③>④答案

B解析

裝置①是用惰性電極電解CuSO4溶液,電解時的總反應(yīng)式為2CuSO4+2H2O

2Cu+O2↑+2H2SO4,當(dāng)測得導(dǎo)線上通過

mol電子時,共消耗

mol

CuSO4,生成

mol

Cu、

mol

O2和

mol

H2SO4。裝置②為鋅銅原電池裝置,原電池的總反應(yīng)式為Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑,當(dāng)測得導(dǎo)線上通過

mol電子時,共消耗

mol

H2SO4,還余

mol

H2SO4,生成

mol

H2,無固體析出。裝置③為電鍍鋅裝置,陰極鐵棒上的電極反應(yīng)式為Zn2++2e-===Zn,隨著電解的進(jìn)行,電解液的濃度不發(fā)生變化,導(dǎo)線中通過

mol電子時,陰極上析出

mol鋅。裝置④相當(dāng)于用惰性電極電解NaCl溶液,電解時的總反應(yīng)式為2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑,當(dāng)測得導(dǎo)線上通過

mol電子時,共消耗

mol

NaCl,生成

mol氣體和

mol

NaOH,無固體析出。突破四電化學(xué)組合裝置的分析A.在Cu-Zn原電池裝置工作時,鹽橋內(nèi)的Cl-向銅電極一端移動B.電極C為陽極,在電極D上發(fā)生還原反應(yīng)C.氣體X的主要成分是H2+透過高分子膜從右室進(jìn)入左室,在電極C上發(fā)生還原反應(yīng)答案

D解析

在Cu-Zn原電池裝置工作時,鋅為負(fù)極,銅為正極,陰離子向負(fù)極移動,因此鹽橋內(nèi)的Cl-向鋅電極一端移動,A錯誤;鋅為負(fù)極,銅為正極,因此電極C為陰極,電極D為陽極,陽