第四章 化學(xué)反應(yīng)與電能章末總結(jié) 【 知識建構(gòu)+達標特訓(xùn) 】 人教版2019選擇性必修1 高二化學(xué)教材同步精講精練（ 含答案解析 ）

第四章化學(xué)反應(yīng)與電能專題一燃料電池電極反應(yīng)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(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，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-==2CO32-。(3)第三步：根據(jù)電池總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式寫出電池的負極反應(yīng)式。電池的總反應(yīng)和正、負極反應(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，得燃料電池負極反應(yīng)：CH4+10OH--8e-==CO32-+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-==2CO32-②①-②×2，得燃料電池負極反應(yīng)：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(zhì)溶液是20%～30%的KOH溶液。肼－空氣燃料電池放電時，正極的反應(yīng)式是____________________；負極的反應(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電極的名稱為________，d電極上的電極反應(yīng)式為_______________________?！敬鸢浮?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)減去正極的反應(yīng)式即為負極的電極反應(yīng)式。(2)原電池中電流的方向是從正極流向負極，故c電極為正極；d電極為負極，通入的氣體為甲烷，d電極反應(yīng)式為CH4＋4O2－－8e－=CO2＋2H2O。專題二氯堿工業(yè)生產(chǎn)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(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+、SO42-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：粗鹽水含少量Ca2+、Mg2+精制鹽水①除雜質(zhì)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?！纠?】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，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(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+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑、Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O(或NaCl+H2ONaClO+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SO42-可選用Ba(OH)2和BaCl2，不能選用Ba(NO3)2，因為會引入NO3-。(3)為有效除去Ca2+、Mg2+、SO42-，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+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑，生成的Cl2與NaOH反應(yīng)：2NaOH+Cl2NaCl+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。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(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(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)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(yīng)原理負極：Zn-2e-==Zn2+正極：2H++2e-==H2↑總反應(yīng)：Zn+2H+==Zn2++H2↑陽極：2Cl--2e-==Cl2↑陰極：Cu2++2e-==Cu總反應(yīng)：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(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，使被保護的金屬抗腐蝕能力增強，增加表面硬度和美觀實質(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)的過程聯(lián)系①同一原電池的正、負極的電極反應(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，在計算產(chǎn)物的量時，應(yīng)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(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。3.原電池與電解池中電極的判斷易混淆，現(xiàn)總結(jié)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(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極、電解池的陽極。【例3】(2023·江蘇大豐新豐中學(xué)高二檢測)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。專題四電化學(xué)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(zhì)溶液判斷原電池中的電極材料和電解質(zhì)溶液之間能發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，電解池的電極材料一般不能和電解質(zhì)溶液自發(fā)反應(yīng)。如下圖，B為原電池，A為電解池。4.根據(jù)電極反應(yīng)現(xiàn)象判斷在某些裝置中根據(jù)電極反應(yīng)或反應(yīng)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。B、D極發(fā)生還原反應(yīng)，A、C極發(fā)生氧化反應(yīng)。【例4】（2023·重慶巴蜀中學(xué)月考）儲氫材料是當前新能源領(lǐng)域研究的一類熱門材料。在一定條件下，以Cu-Zn原電池作電源，利用圖Z8-9所示裝置可實現(xiàn)有機物的儲氫，下列有關(guān)說法正確的是 ()圖Z8-9A.在Cu-Zn原電池裝置工作時，鹽橋內(nèi)的Cl-向