第四章 化學反應與電能章末總結 【 知識建構+達標特訓 】 人教版2019選擇性必修1 高二化學教材同步精講精練

第四章化學反應與電能專題一燃料電池電極反應式的書寫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：酸性電解質溶液，如H2SO4溶液；堿性電解質溶液，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式的基本步驟(1)第一步：寫出電池總反應式。燃料電池的總反應與燃料的燃燒反應一致，若產物能和電解質反應，則總反應為加和后的反應。如氫氧燃料電池的總反應為2H2+O2=2H2O；甲烷燃料電池(電解質溶液為NaOH溶液)的反應：CH4+2O2=CO2+2H2O①CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O②①+②式得燃料電池總反應為CH4+2O2+2NaOH=Na2CO3+3H2O。(2)第二步：寫出電池的正極反應式。根據(jù)燃料電池的特點，一般在正極上發(fā)生還原反應的物質都是O2，隨著電解質溶液的不同，其電極反應有所不同，一般為以下四種情況：①酸性電解質溶液環(huán)境下電極反應式：O2+4H++4e-=2H2O。②堿性電解質溶液環(huán)境下電極反應式：O2+2H2O+4e-=4OH-。③固體電解質(高溫下能傳導O2-)環(huán)境下電極反應式：O2+4e-=2O2-。④熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下電極反應式：O2+2CO2+4e-==2CO32-。(3)第三步：根據(jù)電池總反應式和正極反應式寫出電池的負極反應式。電池的總反應和正、負極反應之間有如下關系：電池的總反應式=電池正極反應式+電池負極反應式(消去電子)。故根據(jù)第一、二步寫出的反應：電池的總反應式-電池正極反應式=電池負極反應式，注意在將兩個反應式相減時，要約去正極的反應物O2。3.實例以甲烷燃料電池為例來分析在不同的環(huán)境下電極反應式的書寫方法：(1)酸性條件燃料電池總反應：CH4+2O2==CO2+2H2O①燃料電池正極反應：O2+4H++4e-==2H2O②①-②×2，得燃料電池負極反應：CH4+2H2O-8e-==CO2+8H+(2)堿性條件燃料電池總反應：CH4+2O2+2NaOH==Na2CO3+3H2O①燃料電池正極反應：O2+2H2O+4e-==4OH-②①-②×2，得燃料電池負極反應：CH4+10OH--8e-==CO32-+7H2O(3)固體電解質(高溫下能傳導O2-)燃料電池總反應：CH4+2O2==CO2+2H2O①燃料電池正極反應：O2+4e-==2O2-②①-②×2，得燃料電池負極反應：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：CH4+2O2==CO2+2H2O①燃料電池正極反應：O2+2CO2+4e-==2CO32-②①-②×2，得燃料電池負極反應：CH4+4CO32--8e-==5CO2+2H2O【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，電解質溶液是20%～30%的KOH溶液。肼－空氣燃料電池放電時，正極的反應式是____________________；負極的反應式是_______________________。(2)科學家制造出一種使用固體電解質的燃料電池，其效率更高，可用于航天航空。如圖所示裝置中，以稀土金屬材料作惰性電極，在電極上分別通入CH4和空氣，其中固體電解質是摻雜了Y2O3的ZrO2固體，它在高溫下能傳導O2－(O2＋4e－=2O2－)。c電極的名稱為________，d電極上的電極反應式為_______________________。專題二氯堿工業(yè)生產法——離子交換膜法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，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，既減少了氯氣的產量，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，導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生的氫氣與陽極產生的氯氣相混合，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量。2.原料的精制(1)粗鹽的成分：粗鹽中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-等雜質，不符合電解要求，因此必須經過精制。(2)雜質的危害：Ca2+、Mg2+、Fe3+等金屬離子在堿性環(huán)境中會產生沉淀，損壞離子交換膜，此外，雜質的存在會使得到的產品不純。(3)除雜質的過程：粗鹽水含少量Ca2+、Mg2+精制鹽水①除雜質時所加試劑的順序要求是：a.Na2CO3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：a.BaCl2、NaOH、Na2CO3、過濾、HCl；b.BaCl2、Na2CO3、NaOH、過濾、HCl；c.NaOH、BaCl2、Na2CO3、過濾、HCl。【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)生反應的電極反應式為，電源負極相連的電極附近，溶液的pH(填“不變”“升高”或“下降”)。(2)如果精鹽中SO42-含量較高，必須添加鋇試劑除去SO42-，該鋇試劑可以是(填字母)。

a.Ba(OH)2b.Ba(NO3)2c.BaCl2(3)為有效除去Ca2+、Mg2+、SO42-，加入試劑的合理順序為(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。采用無隔膜法電解冷的食鹽水時，Cl2與NaOH充分接觸，產物僅是NaClO和H2，相應的化學方程式為

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專題三“三池”的比較和聯(lián)系1.比較與聯(lián)系原電池電解池電鍍池定義將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置將電能轉變?yōu)榛瘜W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形成條件①活動性不同的兩電極(連接)；②電解質溶液(電極插入其中并發(fā)生自發(fā)氧化還原反應)；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)電極名稱負極：氧化反應，金屬失電子正極：還原反應，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，溶液中的陰離子失電子，或電極金屬失電子陰極：還原反應，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，水電離產生的H+及OH-一般不放電)電子流向負極正極電源負極陰極電源正極陽極同電解池舉例反應原理負極：Zn-2e-==Zn2+正極：2H++2e-==H2↑總反應：Zn+2H+==Zn2++H2↑陽極：2Cl--2e-==Cl2↑陰極：Cu2++2e-==Cu總反應：Cu2++2Cl-Cu+Cl2↑陽極：Zn-2e-==Zn2+陰極：Zn2++2e-==Zn溶液中Zn2+濃度不變主要應用①金屬的電化學腐蝕分析②犧牲陽極法③制造多種新的化學電源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，使被保護的金屬抗腐蝕能力增強，增加表面硬度和美觀實質使氧化還原反應中轉移的電子通過導線定向移動形成電流使電流通過電解質溶液而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程聯(lián)系①同一原電池的正、負極的電極反應得、失電子數(shù)相等；②同一電解池的陰、陽極電極反應中得、失電子數(shù)相等；③串聯(lián)電路中的各個電極反應得、失電子數(shù)相等；上述三種情況下，在寫電極反應式時得、失電子數(shù)要相等，在計算產物的量時，應按得、失電子數(shù)相等計算2.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，兩極插入電解質溶液中，當電解質溶液中含陽極金屬離子時則為電鍍池，否則為電解池。3.原電池與電解池中電極的判斷易混淆，現(xiàn)總結口訣如下：原電池，正負極；電解池，陰陽極；失去電子負(原電池)陽(電解池)極；發(fā)生氧化定無疑。我們還可以根據(jù)上述原理總結出一些規(guī)律，如：質量增加的電極一般為原電池的正極、電解池的陰極；質量減輕的電極一般為原電池的負極、電解池的陽極?！纠?】(2023·江蘇大豐新豐中學高二檢測)下列圖示中關于銅電極的連接錯誤的是()專題四電化學組合裝置的分析——判斷“多池組合”中裝置的種類1.直接判斷非常直觀明顯的裝置，如燃料電池、鉛蓄電池等在電路中為原電池，則其他裝置為電解池。如下圖，A為原電池，B為電解池。2.根據(jù)電池中的電極材料判斷原電池一般是兩種不同的金屬電極或一種金屬電極、一個碳棒；而電解池則一般是兩個惰性電極，如兩個鉑電極或兩個碳棒。3.根據(jù)電池中的電解質溶液判斷原電池中的電極材料和電解質溶液之間能發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應，電解池的電極材料一般不能和電解質溶液自發(fā)反應。如下圖，B為原電池，A為電解池。4.根據(jù)電極反應現(xiàn)象判斷在某些裝置中根據(jù)電極反應或反應現(xiàn)象可判斷電極類型，并由此判斷電池類型，如下圖，若C極溶解，D極上析出Cu，B極附近溶液變紅，A極上放出黃綠色氣體，則可知乙是原電池，D是正極，C是負極；甲是電解池，A是陽極，B是陰極。