1、本 章 整 合,复习回顾本章所学内容,完善下列知识网,熟练掌握本章的知识结构。,考点1,考点2,考点3,考点4,燃料电池电极方程式的书写 【典型例题】 用两根铂丝作电极插入KOH溶液中,再分别向两极通入甲烷气体和氧气,可形成原电池燃料电池,该电池放电时发生的反应为CH4+2KOH+2O2=K2CO3+3H2O,下列说法错误的是( ) A.通甲烷的一极为负极,通氧气的一极为正极 B.放电时,通入O2一极附近溶液的pH升高 C.放电一段时间后,KOH的物质的量不发生变化 D.通甲烷一极的电极反应式是CH4+10OH-8e-= +7H2O 解析 原电池的负极发生氧化反应,正极发生还原反应,由总反应式
2、知,此燃料电池的电极反应式是:正极2O2+4H2O+8e-=8OH-;负极CH4+10OH-8e-= +7H2O,由此可见选项A、B、D都正确。放电时KOH的物质的量减小。 答案 C,考点1,考点2,考点3,考点4,1.燃料电池的组成 (1)电极:惰性电极。 (2)燃料:包括H2、烃(如CH4)、醇(如C2H5OH)、肼(N2H4)等。 (3)电解质:酸性电解质溶液,如H2SO4溶液;碱性电解质溶液,如NaOH溶液;熔融氧化物,如Y2O;熔融碳酸盐,如K2CO3等。,考点1,考点2,考点3,考点4,2.书写燃料电池反应式的基本步骤 (1)第一步:写出电池总反应式。 燃料电池的总反应与燃料的燃烧
3、反应一致,若产物能和电解质反应,则总反应为加和后的反应。 如氢氧燃料电池的总反应为2H2+O2=2H2O;甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应: CH4+2O2=CO2+2H2O CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O +式得燃料电池总反应为 CH4+ 2O2+2NaOH=Na2CO3+3H2O。,考点1,考点2,考点3,考点4,(2)第二步:写出电池的正极反应式。 根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质都是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应有所不同,一般为以下四种情况: 酸性电解质溶液环境下电极反应式:O2+4H+4e-=2H2O。 碱性电解质溶液环境下电极反应式
4、:O2+2H2O+4e-=4OH-。 固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式: O2+4e-=2O2-。 熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式: O2+2CO2+4e-=2 。,考点1,考点2,考点3,考点4,(3)第三步:根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式。 电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系:电池的总反应式=电池正极反应式+电池负极反应式(消去电子)。故根据第一、二步写出的反应:电池的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式,注意在将两个反应式相减时,要约去正极的反应物O2。,考点1,考点2,考点3,考点4,3.实例 以甲烷燃料电池为例来分析在不同的
5、环境下电极反应式的书写方法: (1)酸性条件 燃料电池总反应:CH4+2O2=CO2+2H2O 燃料电池正极反应:O2+4H+4e-=2H2O -2,得燃料电池负极反应:CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+ (2)碱性条件 燃料电池总反应:CH4+2O2+2NaOH=Na2CO3+3H2O 燃料电池正极反应:O2+2H2O+4e-=4OH- -2,得燃料电池负极反应:CH4+10OH-8e-= +7H2O,考点1,考点2,考点3,考点4,(3)固体电解质(高温下能传导O2-) 燃料电池总反应:CH4+2O2=CO2+2H2O 燃料电池正极反应:O2+4e-=2O2- -2,得燃料电池负极反
6、应:CH4+4O2-8e-=CO2+2H2O (4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境,考点1,考点2,考点3,考点4,变式训练某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H+,其基本结构见下图,电池总反应可表示为2H2+O2=2H2O,下列有关说法正确的是( )A.电子通过外电路从b极流向a极 B.b极上的电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH- C.每转移0.1 mol电子,消耗1.12 L的H2 D.H+由a极通过固体酸电解质传递到b极 解析 此为燃料电池,充入还原剂H2的极为负极,电子从负极(a极)流向正极(b极),A项错。电解质为酸性,不可能有大量OH-存在,负极反应为H2-2
7、e-=2H+,正极(b极)反应为O2+4e-+4H+=2H2O,B项错。C项,气体的体积没有指明标准状况,故C错。由反应式知,负极(a极)产生H+,由酸电解质传到正极(b极),D项正确。 答案 D,考点1,考点2,考点3,考点4,氯碱工业生产法离子交换膜法 【典型例题】 氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下:,依据上图,完成下列填空。 (1)在电解过程中,与电源正极相连的电极上所发生反应的电极反应式为 ,与电源负极相连的电极附近,溶液的pH (填“不变”“升高”或“下降”)。,考点1,考点2,考点3,考点4,a.先加NaOH,后加Na2CO3,再加钡试剂 b.先加NaOH,后加
8、钡试剂,再加Na2CO3 c.先加钡试剂,后加NaOH,再加Na2CO3 (4)脱盐工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差异,通过_ (填操作名称,下同)、冷却、 、 除去NaCl。 (5)用隔膜法电解食盐水,电解槽分隔为阳极区和阴极区,防止Cl2和NaOH反应。采用无隔膜法电解冷的食盐水时,Cl2与NaOH充分接触,产物仅是NaClO和H2,相应的化学方程式为 。,考点1,考点2,考点3,考点4,考点1,考点2,考点3,考点4,考点1,考点2,考点3,考点4,1.阳离子交换膜的作用 电解饱和食盐水是氯碱工业的基础,能制得氯气、氢气、氢氧化钠等重要的化工原料。电解过程中,在电场的作用下,阳
9、离子向阴极移动,而阴离子向阳极移动。由于在阳极氯离子失去电子生成氯气,若不采取措施,氢氧根离子会向阳极移动,从而与氯气发生反应,既减少了氯气的产量,又会使得到的氢氧化钠不纯。因此,必须阻止氢氧根离子向阳极移动。,考点1,考点2,考点3,考点4,目前,常用的隔膜有石棉隔膜和阳离子交换膜。石棉隔膜能阻止气体通过,但允许水分子及离子通过。由于氢氧根离子能透过隔膜,因此氯气会与氢氧根发生反应,导致制得的氢氧化钠不纯。阳离子交换膜只允许阳离子通过,而不允许阴离子及气体通过,也就是说,只允许钠离子通过,氯离子、氢氧根离子和氢气、氯气均不能通过。这样既可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气相混合,在一定条件
10、下引起爆炸,又能避免氯气与氢氧化钠作用生成次氯酸钠而影响烧碱的质量。,考点1,考点2,考点3,考点4,2.原料的精制 (1)粗盐的成分:粗盐中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、 等杂质,不符合电解要求,因此必须经过精制。 (2)杂质的危害:Ca2+、Mg2+、Fe3+等金属离子在碱性环境中会产生沉淀,损坏离子交换膜,此外,杂质的存在会使得到的产品不纯。,考点1,考点2,考点3,考点4,除杂质时所加试剂的顺序要求是:a.Na2CO3必须在BaCl2之后;b.盐酸在过滤之后加入。 试剂加入顺序有多种选择,如:a.BaCl2、NaOH、Na2CO3、过滤、HCl;b.BaCl2、Na2CO3、
11、NaOH、过滤、HCl;c.NaOH、BaCl2、Na2CO3、过滤、HCl。,(3)除杂质的过程:,考点1,考点2,考点3,考点4,变式训练用酸性氢氧燃料电池电解苦卤水(含Cl-、Br-、Na+、Mg2+)的装置如图所示(a、b为石墨电极)。下列说法中正确的是( )A.电池工作时,正极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH- B.电解时,a电极周围首先生成Cl2 C.电解时,电子流动路径是:负极外电路阴极溶液阳极正极 D.忽略能量损耗,当电池中消耗0.02 g H2时,b极周围会产生0.02 g H2,考点1,考点2,考点3,考点4,解析 由于磷酸为电解质,电池的正极反应为O2+4H+4e-
12、=2H2O,选项A不正确;a电极与原电池正极相连,为电解池的阳极,由于Br-还原性强于Cl-,因此Br-先放电生成Br2,选项B不正确;电解时,电子流动路径是:负极阴极,阳极正极,电子不能从溶液中通过,选项C不正确;根据电子守恒规律,当电池中消耗0.02 g H2时,b极周围会产生0.02 g H2,选项D正确。 答案 D,考点1,考点2,考点3,考点4,“三池”的比较与联系 【典型例题】 将Fe片和Zn片放入盛有NaCl溶液(其中滴有酚酞)的表面皿中,如图所示。最先观察到变为红色的区域为 ( ) A.和 B.和 C.和 D.和 解析 本题考查原电池和电解池的判断以及各自的工作原理。甲图是原电
13、池,负极(Zn):Zn-2e-=Zn2+;正极(Fe):2H+2e-=H2,在区域H2O电离出的OH-浓度较高,能使无色酚酞溶液变成红色。乙图是电解池,阳极(Fe):Fe-2e-=Fe2+;阴极(Zn):2H+2e-=H2,在区域H2O电离出的OH-浓度相对较高,能使无色酚酞溶液变红色,综上所述选项B正确。 答案 B,考点1,考点2,考点3,考点4,“三池”的比较与联系,考点1,考点2,考点3,考点4,考点1,考点2,考点3,考点4,考点1,考点2,考点3,考点4,考点1,考点2,考点3,考点4,区分原电池、电解池、电镀池方法:首先看有无外接电源:若无则可能是原电池,然后按照原电池形成条件分析
14、判定(看电极材料、电解质溶液,是否形成闭合回路等)。若有外接电源,两极插入电解质溶液中,当阳极金属与电解质溶液中阳离子相同时则为电镀池,否则为电解池。 “两池”中电极的判断易混淆,现总结口诀如下:原电池,正负极;电解池,阴阳极;失去电子负(原电池)阳(电解池)极;发生氧化定无疑。 我们还可以根据上述原理总结出一些规律,如:质量增加的电极一般为原电池的正极、电解池的阴极;质量减轻的电极一般为原电池的负极、电解池的阳极。,考点1,考点2,考点3,考点4,变式训练下列四种装置中,溶液的体积均为250 mL,开始时电解质溶液的浓度均为0.10 molL-1,工作一段时间后,测得导线上均通过0.02 m
15、ol电子,若不考虑溶液体积的变化,则下列叙述正确的是( )A.工作一段时间后溶液的浓度:= B.工作一段时间后溶液的pH: C.产生气体的总体积: D.电极上析出固体的质量:,考点1,考点2,考点3,考点4,答案 B,考点1,考点2,考点3,考点4,电解问题的解题步骤 【典型例题】 用阳极X和阴极Y电解Z的水溶液,电解一段时间后,再加入W,能使溶液恢复到电解前的状态,符合题意的一组是( ),考点1,考点2,考点3,考点4,答案 C,考点1,考点2,考点3,考点4,1.明确电极反应规律 (1)阴极:得电子,发生还原反应。 (一般)电极本身不参加反应;一定是电解质溶液中阳离子“争”得电子。 (2)
16、阳极:失电子,发生氧化反应。 若为金属(非惰性,Au、Pt除外)电极,电极失电子;若为惰性电极,电解质溶液中阴离子“争”失电子。,考点1,考点2,考点3,考点4,2.准确判断离子放电顺序 离子的放电顺序主要取决于离子的本性,还与离子的浓度、溶液的酸碱性有关。 (1)阳离子放电顺序:,上述顺序表明,在金属活动性顺序中,越活泼的金属,其阳离子越难结合电子,但Fe3+氧化性较强,排在Cu2+之前。,考点1,考点2,考点3,考点4,(2)阴离子放电顺序:,若是活泼金属作阳极,因金属失电子能力强,阳极反应是电极材料本身失电子被氧化,而不是阴离子放电。,考点1,考点2,考点3,考点4,3.分析电解问题的基
17、本思路 (1)通电前:电解质溶液中含有哪些阴、阳离子(包括水电离出的H+和OH-)。 (2)通电时:阴离子移向阳极,阳离子移向阴极,结合放电顺序分析谁优先放电。 (3)写电极反应式,并结合题目要求分析电解结果,如两极现象、水的电离平衡移动、离子浓度的变化、pH的变化等。 4.判断电解后溶液pH变化的方法 根据原溶液的酸、碱性和电极产物即可对电解后溶液pH的变化做出正确的判断,其方法如下: (1)若电极产物只有H2而无O2,则pH变大。 (2)若电极产物只有O2而无H2,则pH变小。 (3)若电极产物既有O2又有H2,原溶液呈酸性则pH变小,原溶液呈碱性则pH变大,原溶液呈中性则pH不变。,考点
18、1,考点2,考点3,考点4,变式训练空间实验室“天宫一号”的供电系统中有再生氢氧燃料电池(RFC),RFC是一种将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的可充电电池。下图为RFC工作原理示意图,有关说法正确的是( )A.当有0.1 mol电子转移时,a极产生标准状况下1.12 L O2 B.b极上发生的电极反应是4H2O+4e-=2H2+4OH- C.c极上发生还原反应,B中的H+可以通过隔膜进入A D.d极上发生的电极反应是O2+4H+4e-=2H2O,考点1,考点2,考点3,考点4,解析 由图可知a为阴极、b为阳极、气体X为H2、气体Y为O2、c为正极、d为负极。正极、阴极发生还原反应,负极、
19、阳极发生氧化反应,A项、B项、D项错误;在原电池中阳离子移向正极,C项正确。 答案 C,1,2,3,4,5,1.(2018全国,13)最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置,实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示,其中电极分别为ZnO石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯电极区发生反应为: EDTA-Fe2+-e-=EDTA-Fe3+ 2EDTA-Fe3+H2S=2H+S+2EDTA-Fe2+,1,2,3,4,5,该装置工作时,下列叙述错误的是( ) A.阴极的电极反应:CO2+2H+2e-=CO+H2O B.协同转化总反应:CO2+H2S=CO+H2O+S
20、C.石墨烯上的电势比ZnO石墨烯上的低 D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性 解析 根据图示可知,ZnO石墨烯电极上发生还原反应,则该电极为阴极,电极反应式为CO2+2H+2e-=CO+H2O,A项正确;根据题干信息及图中两电极上的反应可知,该电化学装置(电解池)中的总反应为CO2+H2S=CO+S+H2O,B项正确;石墨烯作阳极,ZnO石墨烯作阴极,阳极上的电势应高于阴极上的电势,C项错误;若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性,否则Fe3+、Fe2+可形成沉淀,且H2S和S不能稳定存在,D项正确。 答
21、案 C,1,2,3,4,5,2.(2017全国,11)支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流的阴极保护法进行防腐,工作原理如图所示,其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是( )A.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零 B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩 C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流 D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整,1,2,3,4,5,解析 外加电流的阴极保护法,使被保护的钢管桩上无腐蚀电流,A项正确;通电后,高硅铸铁为惰性阳极,钢管桩为阴极,外电路电子从阳极流向阴极,B项正确;由于高硅铸铁为惰性阳极,因此应是海水中的OH-失电子,2
22、H2O-4e-=O2+4H+,因此阳极材料不被损耗,C项错误;在外加电流的阴极保护法中,应依据环境条件变化调整电流大小。 答案 C,1,2,3,4,5,3.(2016全国,11)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 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 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
23、1 mol电子的电量时,会有0.5 mol的O2生成,1,2,3,4,5,解析 在负极区发生的电极反应为4H2O+4e-=2H2+4OH-,在正极区发生的电极反应为2H2O-4e-=O2+4H+,故正极区pH减小,A选项错误;Na+移向负极区,生成NaOH, 移向正极区,生成H2SO4,B选项正确;根据负极区电极反应可知C选项错误;每通过1 mol 电子,有0.25 mol O2生成,D选项错误。 答案 B,1,2,3,4,5,4.如图所示,若电解5 min时,测得铜电极的质量增加2.16 g。试回答下列问题:(1)电源中X极是 (填“正”或“负”)极。 (2)通电5 min时,B中共收集到2
24、24 mL(标准状况)气体,溶液体积为200 mL(电解前后溶液的体积变化忽略不计),则通电前c(CuSO4)= 。 (3)若A中KCl溶液的体积也是200 mL,电解后溶液中仍有Cl-,则电解后溶液的pH= 。,1,2,3,4,5,解析 (1)铜电极增重,说明有单质银在铜极析出,则铜极为阴极,X为负极。 (2)C中铜电极增重2.16 g,即析出0.02 mol Ag,线路中通过0.02 mol电子;由4e-O2可知,B中产生的O2只有0.005 mol,即112 mL,但B中共收集到224 mL气体,说明还有112 mL是H2,即Cu2+全部在阴极放电后,H+接着放电产生了标准状况下112 mL H2,则通过0.01 mol电子时,Cu2+恰好被电解完,由2e-Cu,可知n(Cu2+)=0.005 mol,则c(CuSO4)= =0.025 molL-1。 (3)由4e-4OH-知,A中生成0.02 mol OH-,则电解后溶液中c(OH-)=0.1 molL-1,pH=13。 答案 (1)负 (2)0.025 molL-1 (3)13,
