2022年高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí)核心素養(yǎng)提升(六)　電化學(xué)轉(zhuǎn)化效率問題的解答策略

一輪?化學(xué)

裝置、過程和效率是電化學(xué)研究的三駕馬車，作為電化學(xué)重要組成的效

率問題，教材中出現(xiàn)了比能量和比功率的定義，但很少引起關(guān)注，思則

有備，有備無患，及時(shí)修復(fù)知識(shí)體系的漏洞，避免失分是非常重要的。

一輪?化學(xué)

理清法拉第常數(shù)與阿伏加德羅常數(shù)的關(guān)系

電化學(xué)中傳遞電子的數(shù)量是計(jì)算的核心，宏觀測(cè)量的電流強(qiáng)度和時(shí)間，

通過法拉第常數(shù)或阿伏加德羅常數(shù)都能獲得電子的物質(zhì)的量。

1個(gè)電子電量是L6X10T9C,1mol電子數(shù)約為6.02X1023Jmul電子所帶

電量的絕對(duì)值即產(chǎn)=6.02X1023molTXL6X10-19C=96320C/kvtof,

試題中經(jīng)常提供的數(shù)值為產(chǎn)=96500C/moL

2

一輪?化學(xué)

電源或電池提供電量。=1?《注意單位：電流強(qiáng)度為A,時(shí)間為§),〃(廣)

=戶

若試題中沒有提供法拉第常數(shù)，可以將電量除以1個(gè)電子所帶的電量得

到電子個(gè)數(shù)，再除以阿伏加德羅常數(shù)得到電子物質(zhì)的量，

0n____________H__________

同〃(eX6.02x10^moP°

3

一輪?化學(xué)

［典例1］以石墨為電極，用電流強(qiáng)度為/（安培）的直流電電解足量RCIr

的水溶液，，min后，精確測(cè)得電極上析出金屬R,設(shè)金屬R的摩爾

質(zhì)量為Mg/mol,則阿伏加德羅常數(shù)的計(jì)算式可表示為（每個(gè)電子電量：

1.6X1019C)(C)

DM_60〃M

A▲/…V▲=32---------------------To

-19氏NA=〃X1.6X1產(chǎn)

A2/IX1.6X10

「z60〃MMIt

-19

c?^-j/ixi.exioJ71X1.6X10-19

4

一輪?化學(xué)

［解析］陰極析出金屬，電極反應(yīng)式為

RJ++Je=R

Mgymol

〃g〃(e)

/7X6Os

將尸

1.6XIO.CXNAHIOL

Mg_jpjnol整理得必=；,二乂黑雪（＞-19。

代入

〃g-〃(e)'ynxi.oxlu

5

一輪?化學(xué)

2利用題中新定義信息逆向求解

1,比能量：電池單位質(zhì)量或單位體積所輸出電能的多少［單位：

(W?h)/kg或(W?h)/Lj。

單位質(zhì)量或單位體積指表達(dá)式中質(zhì)量或體積處在分母位置，從單位看是

kg或L。電池理論產(chǎn)生的電能處在表達(dá)式的分子位置，計(jì)算公式/=

UIt=UQ=Pt9其中％是電功，單位為焦耳(J)；。是電壓，單位為伏

特(V)；/是電流，單位為安培(A)；，是時(shí)間，單位為秒(s)；。是電量，

6

單位為庫侖(C)；尸是功率，單位為瓦(W),lkWh=3.6X10Jo

6

一輪?化學(xué)

2.比功率：電池單位質(zhì)量或單位體積所輸出功率的大小（單位：W/kg或

W/L）,P=UI.

3?電流利用效率負(fù)載利用電量是通過電解計(jì)

算出轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量，電池輸出電量是電流表和鐘表測(cè)定值2=/*

再通過法拉第常數(shù)將Q轉(zhuǎn)化為電子物質(zhì)的量。

7

一輪?化學(xué)

［典例2|二甲醛直接燃料電池具有啟動(dòng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，其能量密度

高于甲醇直接燃料電池(5.93kWhkg!)o電解質(zhì)為酸性，該電池的理論

輸出電壓為1.20V,則能量密度E=?

由油輸出由能

(列式計(jì)算。能量密度=曩矗^,已知尸=96500C/mol1kWh

6

=3.6X10J)o

8

一輪?化學(xué)

［答案］由能量密度定義表達(dá)式和單位可知，求解的關(guān)鍵問題是求出電池輸出

電能即電功。假設(shè)消耗1kg的CH30cH3，依據(jù)巾=U?Q,1molCH30cH3中

2NA個(gè)一2價(jià)碳被氧化為+4價(jià)CO2,轉(zhuǎn)移12mol電子，1kgCH30cH3反應(yīng)

產(chǎn)生的電量。=那鬻X12X96500C/mol,%=UQ=L2VX譚鬻

X12X96500C/mol所得電功單位是J,需要換算成kWh,W=l.2VX：黑親

電池輸出電能

X12X96500C/mol^(3.6x106)J/(kWh),能量密度=

燃料質(zhì)量

1000g

1.2VX-/\X12X96500C/mol

______46Ag/mol

七8?39(kWh)/kgo

1kgX3.6X106J/(kWh)

9

一輪?化學(xué)

三物質(zhì)與能量兩大角度題型歸納訓(xùn)練

l=J

化學(xué)變化過程同時(shí)存在著物質(zhì)和能量變化,同時(shí)遵守質(zhì)量守恒和能:[==1:守

恒。原電池和電解池電極反應(yīng)式直接計(jì)算屬于理想狀態(tài)，不考慮效率問

題，若用實(shí)際析出物質(zhì)數(shù)據(jù)計(jì)算，因存在其他副反應(yīng)，要考慮電流效率

問題。

10

一輪?化學(xué)

1.理論物質(zhì)消耗和析出的相關(guān)計(jì)算

［典例3］酸性鋅鎰干電池是一種一次性電池，外殼為金屬鋅，中間是

碳棒，其周圍是由碳粉、二氧化鎰、氯化鋅和氯化錢等組成的糊狀填充

物。該電池在放電過程中產(chǎn)生MnO(OH),維持電流強(qiáng)度為0.5A,電池

工作5min,理論消耗Zng。(已知產(chǎn)=96500C/mol)

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一輪?化學(xué)

［解析］鋅是活潑金屬，為負(fù)極，電極反應(yīng)式為:

Zn-2e=Zn2

65g2mol

m/i(e)

65g2mol

m”(c)

QIt0.5AX5X60S

將w(e")=F=T=96500C/moI

代入解得z/1%0.05go

［答案］0.05

12

一輪?化學(xué)

2.能量轉(zhuǎn)化效率的相關(guān)計(jì)算

［典例4］若用放電電流強(qiáng)度/=2.0A的電池工作10min,電解精煉銅得

到銅032g,則電流利用效率為（保留小數(shù)點(diǎn)后一位）。（已知:

電流利用效率負(fù)載=利溫用蠹電半量X100%）

產(chǎn)=96500C/mol,

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一輪?化學(xué)

［解析］通過電流利用效率表達(dá)式可知，負(fù)載利用電量用來電解精煉，電

池輸出電量是電流表和鐘表測(cè)定值。電解精煉銅得到銅032g時(shí)，〃(Cu)

=霜篇=0.005mol,電解消耗的電量0=2X0.005molX96500C/mol

=965Co據(jù)放電的電流強(qiáng)度/=2.0A,電池工作10min,計(jì)算得電池的

輸出電量。=々=2.0AX10X60§=1200C,電流利用效率=丁磊彳

X100%^80.4%o

［答案］80.4%

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一輪?化學(xué)

［素養(yǎng)專項(xiàng)

1.利用甲烷的燃燒反應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)燃料電池，用氫氧化鉀溶液作電解質(zhì)

溶液，多孔石墨作電極，在電極上分別通入甲烷和氧氣，通入甲烷氣體

的電極上發(fā)生的電極反應(yīng)是，當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移12moi電子時(shí)，實(shí)

際提供的電能是890.0kJ,則該電池的能量轉(zhuǎn)化效率是o

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一輪?化學(xué)

解析：甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，所以通入甲烷氣體的電極應(yīng)為負(fù)極,

甲烷在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水，電極反應(yīng)式為CH4

-8e+10OH=COr+7H2O,當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移12mol電子時(shí)，實(shí)際提

供的電能是890.0kJ,則該電池的能量轉(zhuǎn)化效率為五蟠=；

QoX890.0kJ

^66.7%O

答案：CH4-8e+1OOH==COr+7H2O66.7%

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一輪?化學(xué)

2.甲醇直接燃料電池具有啟動(dòng)快、效率高、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)。(已知

二甲醛直接燃料電池能量密度上=8.39kWh-kg-i)o

(1)若電解質(zhì)為酸性，甲醇直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為9

(2)該電池的理論輸出電壓為L20V,列式計(jì)算能量密度E=?

(能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量，1kWh=3.6X106J,一個(gè)電子

的電量=1.6義IO-"c)o

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一輪?化學(xué)

答案：(l)CH3OH+H2O-6廣=CC>2t+6H

1000

(2)1kg甲醇輸出的電能：％=U〃=UQ=l.20X-^7~X6X6.02X1023X

J/

1.60X10-19J

=2.1672X107J

=2.1672X107/(3.6X106)kWh

七6.02kWh

故甲醇直接燃料電池能量密度E=6.02kWhkg-1

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一輪?化學(xué)

3.儲(chǔ)氫可借助有機(jī)物，如利用環(huán)己烷和苯之間的可逆反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)脫氫和

加氫值尸”丁。30值）+3%@）,一定條件下，如圖所示裝

回溫

置可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的電化學(xué)儲(chǔ)氫（忽略其他有機(jī)物）。該儲(chǔ)氫裝置的電流效率

_生成目標(biāo)產(chǎn)物消耗的電子數(shù)

￥==轉(zhuǎn)移的電子急數(shù)X100%，

計(jì)算結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后一位）。多孔情性電極D多孔惰性電極E

含聚的物質(zhì)的鼠分2.8mol氣體

數(shù)為25%的混合氣（忽略水蒸氣）

2.4mol紫蒸氣

高分子電解質(zhì)膜（只允許?通過）

19H

一輪?化學(xué)

解析：逆向求解，首先求算陰極生成目標(biāo)產(chǎn)物環(huán)己烷轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，陰

極除生成環(huán)己烷外，還生成H2：2H++2e-===H2f,設(shè)陰極生成的環(huán)

己烷為"(C6Hl2)，生成氫氣為雙耳)，生成的環(huán)己烷與消耗苯的物質(zhì)的量

相等，剩余苯的物質(zhì)的量為2.4mol—%(C6Hl2)，根據(jù)剩余的苯所占的物

質(zhì)的量分?jǐn)?shù)列出等式：[〃(H2)+H(C6Hl2)+2,46Hl2)]X25%

=2.4mol-w(C6H12)o陽極反應(yīng)式為4OH-—4e-===2H2O+O23生

成2.8mol氧氣，失去IL2moi電子。電解過程中通過陰、陽極轉(zhuǎn)移的電

子

20

一輪?化學(xué)

數(shù)目相等，列出等式2〃(H2)+6〃(C6Hl2)=11.2mol,解得n(H2)=0.8mol、

6Hl2)=1.6mol。生成1mol環(huán)己烷需要3molH2,消耗6moi電子,

1.6mol^B^9.6mol電子片M鬻晚攀型x1。。％

1.6molX6

X100%^85.7%

11.2molo

答案：85.7%

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一輪?化學(xué)

4.有一個(gè)鉛蓄電池最初有l(wèi)OOgPb和lOOgPbOz，加入過量的硫酸，發(fā)

生如下反應(yīng)：Pb+PbO2+2H2SO4==2PbSO4+2H2Oo理論上，一個(gè)電

池可以放電到其中一個(gè)電極完全耗盡為止。假如不再充電，電池工作到

反應(yīng)完全，若該電池放電電流為L00A。通過計(jì)算求:

⑴正、負(fù)極的電極材料中，哪個(gè)電極先消耗完。

(2)理論上該電池放電最長時(shí)間是多少小時(shí)？(已知產(chǎn)=96500C/mol)

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一輪?化學(xué)

100g

答案：(l)pb被氧化作負(fù)極，"(Pb)=^0.483mol,PbCh被還原

207g/mol

100g

作正極，n(PbO)=20.418mobn(Pb)>/i(PbO),即正極先消

2239g/mol2

耗完。

(2)0=〃(廣)尸=0.418molX2X96500C/mol,

Q0.418molX2X96500C/mol

Q=rt,t=j=仁22.41ho即所求時(shí)間為22.41

1.00AX3600s/h

小時(shí)。

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一輪?化學(xué)

5.在宇宙飛船和其他航天器上經(jīng)常使用的氫氧燃料電池是一種新型電

源，其構(gòu)造如圖所示：a、b兩個(gè)電極均由多孔的碳?jí)K組成，通入的氫

氣和氧氣由孔隙中逸入，并在電極表面發(fā)生反應(yīng)而放電。

Y口

E

a電極電解液b電極

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一輪?化學(xué)

(l)a電極是電源的極；

⑵若該電池為航天員提供了360kg的水，則電路中通過了mol

電子。

1

(3)已知H2的燃燒熱為285.8kJmol-,則該燃料電池工作產(chǎn)生36gH2O

時(shí)，實(shí)際上產(chǎn)生了468.8kJ的電能，則該燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率是。

(準(zhǔn)確到0?01)(能量轉(zhuǎn)化率是實(shí)際上釋放的電能和理論上反應(yīng)放出的熱

能的比率)

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一輪?化學(xué)

解析：（l）a電極通入氫氣，a是負(fù)極；（2）a、b兩個(gè)電極均由多孔的碳?jí)K

組成，通入的氫氣和氧氣由孔隙中逸入，并在電極表面發(fā)生反應(yīng)而放電,

是氫氧燃料電池，燃料氫氣在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，依據(jù)發(fā)生反應(yīng)

的化學(xué)方程式為2H2+02===2也0,計(jì)算電子轉(zhuǎn)移數(shù)；依據(jù)化學(xué)方程式

可知生成360000g水轉(zhuǎn)移電子40000mol；（3）已知H2的燃燒熱為285?8

kJmol-1,則該燃料電池工作產(chǎn)生36gH2。即2moi水時(shí)，理論上放出

571.6kJ,實(shí)際上產(chǎn)生了468.8kJ的電能，則該燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率

是468.8kJ4-571.6kJ^0.82o

答案：（1）負(fù)⑵40000（3）0.82

26

一輪?化學(xué)

電極反應(yīng)式或總反應(yīng)式書寫與新素材命題(六)

01原電池電極反應(yīng)式或總反應(yīng)式的書寫

L鐵鋰電池(負(fù)極為Fe,正極為NiOz，電解液為KOH溶液)

已知：Fe+NiO2+2H2O黃Fe(OH)2+Ni(OH)25ig：

負(fù)極：_______________________________________________________

正極：_______________________________________________________

陰極：_______________________________________________________

陽極：_______________________________________________________

27

一輪?化學(xué)

答案：Fe—2e-+2OH-===Fe(OH)2NiO2+2H2O+2e-===Ni(OH)2+

2OH-Fe(OH)2+2e-===Fe+2OH-Ni(OH)2-2e-+2OH-===NiO2

+2H2O

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一輪?化學(xué)

2.LiFePO,電池（正極為LiFePO,，負(fù)極為Li,含Li+導(dǎo)電固體為電解質(zhì)）

已知：FePO4+Li舞LiFePO4則

負(fù)極：______

正極：______

陰極：______9

陽極：______O

答案：Li—Li+FePO4+Li++e-===LiFePO4Li++e-===Li

LiFePO4-e=FePO4+Li+

29

一輪?化學(xué)

3.高鐵電池（負(fù)極為Zn,正極為石墨，電解質(zhì)為浸濕的固態(tài)堿性物質(zhì)）

已知：3Zn+2K2FeO4+8H2O^||^Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH,貝!|：

負(fù)極：______________________________________________________

正極：______________________________________________________

陰極：______________________________________________________

陽極：______________________________________________________

30

一輪?化學(xué)

答案：3Zn-6e+6OH=3Zn(OH)22FeO1+6c+8H2O

2Fe(OH)3I+10OH_3Zn(OH)2+6e==3Zn+6OH-

2Fe(OH)3-6e~+lOOH=2FeOf+8H2O

31

一輪?化學(xué)

4.氫氧燃料電池

(1)電解質(zhì)是KOH溶液(堿性電解質(zhì))

負(fù)極:

正極：___________________________

總反應(yīng)式：______________________

(2)電解質(zhì)是H2s。4溶液(酸性電解質(zhì))

負(fù)極：—

正極：—

總反應(yīng)式:O

一輪?化學(xué)

答案：(l)2H2-4e-+4OH-===4H2OO2+2H2O+4e-===4OH-

2H2+O2===2H2O(2)2H2-4e-===4H+O2+4H++4e-===2H2O

2H2+O2===2H2O

33

一輪?化學(xué)

(3)電解質(zhì)是NaCl溶液(中性電解質(zhì))

負(fù)極：_______________________________________________________

正極：_______________________________________________________

總反應(yīng)式：___________________________________________________

答案：(3)2H2-4e=4H+O2+2H2O+4e==4OH-2H2+O2

=2H2O

34

一輪?化學(xué)

5.甲烷燃料電池（鉗為兩極，正極通入。2和CO2,負(fù)極通入甲烷，電解

液有三種）

⑴電解質(zhì)是熔融碳酸鹽（K2c。3或Na2c。3）

正極：;

負(fù)極：;

總反應(yīng)式：O

-

答案：（1）202+8e+4CO2=4COfCH4-8e+4COf=5CO2+

2H2OCH4+2O2CO2+2H2O

35

一輪?化學(xué)

(2)酸性電解質(zhì)(電解液為H2sO4溶液)

正極：_________________________

負(fù)極：_________________________

總反應(yīng)式：____________________

(3)堿性電解質(zhì)(電解液為KOH溶液)

正極：_________________________

負(fù)極：_________________________

總反應(yīng)式：O

一輪?化學(xué)

1

答案：(2)202+8心一+8H1=4H2OCH4-8e-+2H2O=CO2+8H

CH4+2O2=CO2+2H2O(3)2O2+8e"+4H2O=8OH-CH4-8e"+

1OOH==COr+7H2OCH4+2O2+2OH=COf+3H2O

37

一輪?化學(xué)

6.甲醇燃料電池

⑴堿性電解質(zhì)（鉗為兩極，電解液為KOH溶液）

正極：;

負(fù)極：;

總反應(yīng)式：O

⑵酸性電解質(zhì)（粕為兩極，電解液為H2s。4溶液）

正極：;

負(fù)極：;

總反應(yīng)式：O

38

一輪?化學(xué)

-

答案：(l)3O2+12e+6H2O=12OH_2CH3OH-12e+16OH"

=2COf+12H2O2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O

+

(2)302+12e-+12H+=6H2O2cH30H—12e-+2H2O=12H+

2CO2t2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O

39

一輪?化學(xué)

7.CO燃料電池（總反應(yīng)方程式均為2CO+O2==2CO2）

⑴熔融鹽（柏為兩極，Li2c。3和Na2cO3的熔融鹽做電解質(zhì)，CO為負(fù)極

燃?xì)?空氣與CO2的混合氣為正極助燃?xì)猓?/p>

正極：;

負(fù)極：O

（2）酸性電解質(zhì)（鉗為兩極，電解液為H2sO4溶液）

正極：;

負(fù)極：O

40

一輪?化學(xué)

答案：(1)。2+4「+2co2=2COT2CO+2COr-4e==4CO2(2)O2

+4e'+4H=2H2O2CO-4e+2H2O=2CO2+4H'

41

一輪?化學(xué)

02電解池電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式的書寫

1.用惰性電極電解下列溶液

⑴NaCl溶液

陰極：;

陽極：;

總反應(yīng)式：O

(2)CuSC>4溶液

陰極：;

陽極：;

總反應(yīng)式：O

42

一輪?化學(xué)

電解

+

答案：(l)2H+2e~=H2t2Cl-2e==CI212NaCl+2H2O—

2+

2NaOH+H2t+CI2t(2)2Cu+4e*=2Cu4OH-4e==2H2O+

電解

O2t2CUSO4+2H2O=^2CU+2H2SO4+O2t

43

一輪?化學(xué)

2.用惰性電極電解下列熔融態(tài)物質(zhì)

⑴MgCk

陽極：_________________________

陰極：_________________________

總反應(yīng)式：_____________________

(2)A12O3

陽極：_________________________

陰極：_________________________

總反應(yīng)式：O

一輪?化學(xué)

電解

答案：(l)2C]-2e--Cl2fMg24+2e==MgMgCb(熔融)一Mg

23+

+Cl2t(2)6O--12e-=3O214AI+12e-=4A12AI2O3(熔

電解

融）4AI+3Ot

冰晶石2

45

一輪?化學(xué)

3.用銅做電極電解下列溶液

⑴H2s。4溶液

陰極：___________________

陽極：___________________

總反應(yīng)式：_______________

(2)NaOH溶液

陰極：___________________9

陽極：___________________9

總反應(yīng)式：

46

一輪?化學(xué)

Cu+HSO=St

答案：(1)2H'+2e-=HztCu-2e==Cu224

-

CuSO4+H2f(2)2H2O+2e=H2t+2OHCu~2e~+2OH"

=CU(OH)2CU+2H2O=S^CU(OH)2+H2t

47

一輪?化學(xué)

4.用Al做電極電解下列溶液

⑴H2sO4溶液

陰極：___________________

陽極：___________________

總反應(yīng)式：_______________

(2)NaOH溶液

陰極：___________________

陽極：___________________

總反應(yīng)式：o

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一輪?化學(xué)

電解

答案：(l)6H"+6e==3H2t2Al-6e==2A嚴(yán)2A1+3H2SO4—

A12(SO4)3+3H2t

(2)6H2O+6e==3H2t+6OH_2A1-6e-+8OH-=2AIOr+4H2O

電解

2Al+2H2O+2NaOH_2NaA1O2+3H2t

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