新高考化學(xué)二輪復(fù)習(xí)講義 專題12　新型電池和電解原理的應(yīng)用

[復(fù)習(xí)目標(biāo)]1.理解原電池和電解池的構(gòu)成、工作原理及應(yīng)用，能正確書寫電極反應(yīng)式和總反應(yīng)方程式。2.了解常見(jiàn)化學(xué)電源的種類及其工作原理。3.了解金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因、金屬腐蝕的危害及防止金屬腐蝕的措施。考點(diǎn)一新型電池的分析應(yīng)用1．識(shí)別“交換膜”提取信息，書寫電極反應(yīng)式(1)如將燃煤產(chǎn)生的二氧化碳回收利用，可達(dá)到低碳排放的目的。如圖是通過(guò)人工光合作用，以CO2和H2O為原料制備HCOOH和O2的原理示意圖。負(fù)極：________________________________。正極：________________________________。(2)液體燃料電池相比于氣體燃料電池具有體積小等優(yōu)點(diǎn)。一種以液態(tài)肼(N2H4)為燃料的電池裝置如圖所示。負(fù)極：________________________________。正極：________________________________。2．辨析燃料電池不同“介質(zhì)”，書寫電極反應(yīng)式(1)按要求書寫不同“介質(zhì)”下甲醇燃料電池的電極反應(yīng)式。①酸性介質(zhì)，如H2SO4溶液：負(fù)極：________________________________。正極：________________________________。②堿性介質(zhì)，如KOH溶液：負(fù)極：________________________________。正極：________________________________。③熔融鹽介質(zhì)，如K2CO3：負(fù)極：________________________________。正極：________________________________。④摻雜Y2O3的ZrO3固體作電解質(zhì)，在高溫下能傳導(dǎo)O2－：負(fù)極：________________________________。正極：________________________________。堿性介質(zhì)C→COeq\o\al(2－,3)其余介質(zhì)C→CO2酸性介質(zhì)H→H＋其余介質(zhì)H→H2O(2)明確“充放電”書寫電極反應(yīng)式①鎳鎘(NiCd)可充電電池在現(xiàn)代生活中有廣泛的應(yīng)用。已知某鎳鎘電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，其充、放電按下式進(jìn)行：Cd＋2NiOOH＋2H2Oeq\o(,\s\up7(放電),\s\do5(充電))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。負(fù)極：________________________________。陽(yáng)極：________________________________。②某電動(dòng)汽車配載一種可充放電的鋰離子電池，放電時(shí)電池總反應(yīng)為L(zhǎng)i1－xCoO2＋LixC6eq\o(,\s\up7(放電),\s\do5(充電))LiCoO2＋C6(x＜1)。則：負(fù)極：________________________________。正極：________________________________。鋰離子電池充放電分析常見(jiàn)的鋰離子電極材料正極材料：LiMO2(M：Co、Ni、Mn等)LiM2O4(M：Co、Ni、Mn等)LiMPO4(M：Fe等)負(fù)極材料：石墨(能吸附鋰原子)負(fù)極反應(yīng)：LixCn－xe－=xLi＋＋nC正極反應(yīng)：Li1－xMO2＋xLi＋＋xe－=LiMO2總反應(yīng)：Li1－xMO2＋LixCneq\o(,\s\up7(放電),\s\do5(充電))nC＋LiMO2。1．圖解原電池工作原理2．原電池裝置圖的升級(jí)考查說(shuō)明(1)無(wú)論是裝置①還是裝置②，電子均不能通過(guò)電解質(zhì)溶液。(2)在裝置①中，由于不可避免會(huì)直接發(fā)生Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu而使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，所以裝置②的能量轉(zhuǎn)化率高。(3)鹽橋的作用：原電池裝置由裝置①到裝置②的變化是由鹽橋連接兩個(gè)“半電池裝置”，其中鹽橋的作用有三種：a.隔絕正、負(fù)極反應(yīng)物，避免直接接觸，導(dǎo)致電流不穩(wěn)定；b.通過(guò)離子的定向移動(dòng)，構(gòu)成閉合回路；c.平衡電極區(qū)的電荷。(4)離子交換膜作用：由裝置②到裝置③的變化是“鹽橋”變成“質(zhì)子交換膜”。離子交換膜是一種選擇性透過(guò)膜，允許相應(yīng)離子通過(guò)，離子遷移方向遵循電池中離子遷移方向。3．陌生原電池裝置的知識(shí)遷移(1)燃料電池(2)二次電池1．(2022·廣東，16)科學(xué)家基于Cl2易溶于CCl4的性質(zhì)，發(fā)展了一種無(wú)需離子交換膜的新型氯流電池，可作儲(chǔ)能設(shè)備(如圖)。充電時(shí)電極a的反應(yīng)為NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－=Na3Ti2(PO4)3。下列說(shuō)法正確的是()A．充電時(shí)電極b是陰極B．放電時(shí)NaCl溶液的pH減小C．放電時(shí)NaCl溶液的濃度增大D．每生成1molCl2，電極a質(zhì)量理論上增加23g2．(2022·全國(guó)乙卷，12)LiO2電池比能量高，在汽車、航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近年來(lái)科學(xué)家研究了一種光照充電LiO2電池(如圖所示)。光照時(shí)，光催化電極產(chǎn)生電子(e－)和空穴(h＋)，驅(qū)動(dòng)陰極反應(yīng)(Li＋＋e－=Li)和陽(yáng)極反應(yīng)(Li2O2＋2h＋=2Li＋＋O2)對(duì)電池進(jìn)行充電。下列敘述錯(cuò)誤的是()A．充電時(shí)，電池的總反應(yīng)為L(zhǎng)i2O2=2Li＋O2B．充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)C．放電時(shí)，Li＋從正極穿過(guò)離子交換膜向負(fù)極遷移D．放電時(shí)，正極發(fā)生反應(yīng)：O2＋2Li＋＋2e－=Li2O23．(2022·湖南，8)海水電池在海洋能源領(lǐng)域備受關(guān)注，一種鋰海水電池構(gòu)造示意圖如下。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．海水起電解質(zhì)溶液作用B．N極僅發(fā)生的電極反應(yīng)：2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑C．玻璃陶瓷具有傳導(dǎo)離子和防水的功能D．該鋰海水電池屬于一次電池4．(2022·山東，13改編)設(shè)計(jì)如圖裝置回收金屬鈷。保持細(xì)菌所在環(huán)境pH穩(wěn)定，借助其降解乙酸鹽生成CO2，將廢舊鋰離子電池的正極材料LiCoO2(s)轉(zhuǎn)化為Co2＋，工作時(shí)保持厭氧環(huán)境，并定時(shí)將乙室溶液轉(zhuǎn)移至甲室。已知電極材料均為石墨材質(zhì)，右側(cè)裝置為原電池。下列說(shuō)法正確的是()A．裝置工作時(shí)，甲室溶液pH逐漸增大B．裝置工作一段時(shí)間后，乙室應(yīng)補(bǔ)充水C．乙室電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iCoO2＋2H2O＋e－=Li＋＋Co2＋＋4OH－D．若甲室Co2＋減少200mg，乙室Co2＋增加300mg，則此時(shí)已進(jìn)行過(guò)溶液轉(zhuǎn)移5．(2020·全國(guó)卷Ⅰ，12)科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型ZnCO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如下，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問(wèn)題提供了一種新途徑。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為Zn－2e－＋4OH－=Zn(OH)eq\o\al(2－,4)B．放電時(shí)，1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2molC．充電時(shí)，電池總反應(yīng)為2Zn(OH)eq\o\al(2－,4)=2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2OD．充電時(shí)，正極溶液中OH－濃度升高6．(2021·山東，10)以KOH溶液為離子導(dǎo)體，分別組成CH3OHO2、N2H4O2、(CH3)2NNH2O2清潔燃料電池，下列說(shuō)法正確的是()A．放電過(guò)程中，K＋均向負(fù)極移動(dòng)B．放電過(guò)程中，KOH物質(zhì)的量均減小C．消耗等質(zhì)量燃料，(CH3)2NNH2O2燃料電池的理論放電量最大D．消耗1molO2時(shí)，理論上N2H4O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為L(zhǎng)7．(2021·湖南，10)鋅/溴液流電池是一種先進(jìn)的水溶液電解質(zhì)電池，廣泛應(yīng)用于再生能源儲(chǔ)能和智能電網(wǎng)的備用電源等。三單體串聯(lián)鋅/溴液流電池工作原理如圖所示：下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．放電時(shí)，N極為正極B．放電時(shí)，左側(cè)貯液器中ZnBr2的濃度不斷減小C．充電時(shí)，M極的電極反應(yīng)式為Zn2＋＋2e－=ZnD．隔膜允許陽(yáng)離子通過(guò)，也允許陰離子通過(guò)1．(2022·湘豫名校聯(lián)考高三下學(xué)期模擬)鋅空氣燃料電池的能量密度較高，廣泛應(yīng)用于需要長(zhǎng)時(shí)間在低電流下進(jìn)行的設(shè)備，如助聽(tīng)器等，其裝置示意圖如圖所示。下列說(shuō)法正確的是()A．放電時(shí)，A極為正極，電極反應(yīng)式為O2＋4e－=2O2－B．放電時(shí)，電子由B極流出經(jīng)外電路到達(dá)A極，再進(jìn)入電解質(zhì)溶液回到B極構(gòu)成閉合回路C．充電時(shí)，B極電極反應(yīng)式為ZnO＋H2O＋2e－=Zn＋2OH－D．電池工作一段時(shí)間后，電解質(zhì)溶液pH降低2．(2022·河南省十所名校高中理綜)研究發(fā)現(xiàn)，在肼(N2H4)酸性燃料電池中添加少量Fe2(SO4)3能持續(xù)大電流放電，工作原理如圖所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．交換膜M為質(zhì)子交換膜B．Fe3＋能夠降低正極區(qū)反應(yīng)的活化能C．放電時(shí)正極區(qū)溶液的pH下降D．負(fù)極反應(yīng)式為N2H4－4e－=N2↑＋4H＋3．(2022·成都市高三第二次診斷)鈉離子電池易獲取，正負(fù)極材料均采用鋁箔(可減少銅箔用量)，因此鈉離子電池理論成本低于鋰離子電池?，F(xiàn)有一種正極材料為KFe2(CN)6，固體電解質(zhì)為Na3PS4，負(fù)極材料為Na2Ti3O7的鈉離子電池。下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是()A．正極KFe2(CN)6中Fe的化合價(jià)為＋2、＋3B．放電時(shí)，正極可能發(fā)生Fe2(CN)eq\o\al(－,6)＋e－=Fe2(CN)eq\o\al(2－,6)C．放電時(shí)，電子從負(fù)極流經(jīng)固體電解質(zhì)到達(dá)正極D．充電時(shí)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，并且Na＋增多4．(2022·山西省高三下學(xué)期高考考前適應(yīng)性測(cè)試)利用微生物電池處理有機(jī)廢水同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)－的溶液)。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．電極電勢(shì)a極低于b極B．當(dāng)b極上產(chǎn)生L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)氣體時(shí)，會(huì)有1molCl－通過(guò)隔膜1C．a(chǎn)極反應(yīng)為CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋D．當(dāng)電路中通過(guò)4mol電子時(shí)，負(fù)極區(qū)溶液的質(zhì)量理論上減少44g考點(diǎn)二電解原理的分析應(yīng)用1．正誤判斷，正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”(1)電解質(zhì)溶液導(dǎo)電發(fā)生化學(xué)變化()(2)電解精煉銅和電鍍銅，電解液的濃度均會(huì)發(fā)生很大的變化()(3)電解飽和食鹽水，在陽(yáng)極區(qū)得到NaOH溶液()(4)工業(yè)上可用電解MgCl2溶液、AlCl3溶液的方法制備Mg和Al()(5)電解精煉銅時(shí)，陽(yáng)極泥可以作為提煉貴重金屬的原料()(6)用惰性電極電解CuSO4溶液，若加入molCu(OH)2固體可使電解質(zhì)溶液復(fù)原，則整個(gè)電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)為NA()2．按要求書寫電極反應(yīng)式(1)用惰性電極電解NaCl溶液：陽(yáng)極：________________________________。陰極：________________________________。(2)用惰性電極電解CuSO4溶液：陽(yáng)極：________________________________。陰極：________________________________。(3)鐵作陽(yáng)極，石墨作陰極電解NaOH溶液：陽(yáng)極：________________________________。陰極：________________________________。(4)用惰性電極電解熔融MgCl2：陽(yáng)極：________________________________。陰極：________________________________。3．復(fù)雜電極反應(yīng)式的書寫(1)按要求書寫電極反應(yīng)式①以鋁材為陽(yáng)極，在H2SO4溶液中電解，鋁材表面形成氧化膜，陽(yáng)極反應(yīng)式為_(kāi)_______________________________。②用Al單質(zhì)作陽(yáng)極，石墨作陰極，NaHCO3溶液作電解液進(jìn)行電解，生成難溶物R，R受熱分解生成化合物Q，寫出陽(yáng)極生成R的電極反應(yīng)式：________________________________。③離子液體是一種室溫熔融鹽，為非水體系。由有機(jī)陽(yáng)離子、Al2Cleq\o\al(－,7)和AlCleq\o\al(－,4)組成的離子液體作電解液時(shí)，可在鋼制品上電鍍鋁。已知電鍍過(guò)程中不產(chǎn)生其他離子且有機(jī)陽(yáng)離子不參與電極反應(yīng)，則電極反應(yīng)式為陽(yáng)極：________________________________。陰極：________________________________。④用惰性電極電解K2MnO4溶液能得到化合物KMnO4，則電極反應(yīng)式為陽(yáng)極：________________________________。陰極：________________________________。⑤將一定濃度的磷酸二氫銨(NH4H2PO4)、氯化鋰混合液作為電解液，以鐵棒作陽(yáng)極，石墨為陰極，電解析出LiFePO4沉淀，則陽(yáng)極反應(yīng)式為_(kāi)_______________________________。(2)按要求書寫電極反應(yīng)式①電解裝置如圖，電解槽內(nèi)裝有KI及淀粉溶液，中間用陰離子交換膜隔開(kāi)。在一定的電壓下通電，發(fā)現(xiàn)左側(cè)溶液變藍(lán)色，一段時(shí)間后，藍(lán)色逐漸變淺。已知：3I2＋6OH－=IOeq\o\al(－,3)＋5I－＋3H2O陽(yáng)極：________________________________。陰極：________________________________。②可用氨水作為吸收液吸收工業(yè)廢氣中的SO2，當(dāng)吸收液失去吸收能力時(shí)，可通過(guò)電解法使吸收液再生而循環(huán)利用(電極均為石墨電極)，并生成化工原料硫酸。其工作示意如圖：陽(yáng)極：________________________________。陰極：________________________________。1．圖解電解池工作原理(陽(yáng)極為惰性電極)2．正確判斷電極產(chǎn)物(1)陽(yáng)極產(chǎn)物的判斷首先看電極，如果是活性電極作陽(yáng)極，則電極材料失電子，電極溶解(注意：鐵作陽(yáng)極溶解生成Fe2＋，而不是Fe3＋)；如果是惰性電極，則需看溶液中陰離子的失電子能力，陰離子放電順序?yàn)镾2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－(水)＞含氧酸根離子。(2)陰極產(chǎn)物的判斷直接根據(jù)陽(yáng)離子的放電順序進(jìn)行判斷：Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)。3．對(duì)比掌握電解規(guī)律(陽(yáng)極為惰性電極)電解類型電解質(zhì)實(shí)例溶液復(fù)原物質(zhì)電解水NaOH、H2SO4或Na2SO4水電解電解質(zhì)HCl或CuCl2原電解質(zhì)放氫生堿型NaClHCl氣體放氧生酸型CuSO4或AgNO3CuO或Ag2O注意電解后有關(guān)電解質(zhì)溶液恢復(fù)原態(tài)的問(wèn)題應(yīng)該用質(zhì)量守恒法分析。一般是加入陽(yáng)極產(chǎn)物和陰極產(chǎn)物的化合物，但也有特殊情況，如用惰性電極電解CuSO4溶液，Cu2＋完全放電之前，可加入CuO或CuCO3復(fù)原，而Cu2＋完全放電之后，溶液中H＋繼續(xù)放電，應(yīng)加入Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3復(fù)原。4．金屬的腐蝕與電化學(xué)防護(hù)5．陌生電解池裝置圖的知識(shí)遷移(1)電解池(2)金屬腐蝕1．(2022·湖北，14)含磷有機(jī)物應(yīng)用廣泛。電解法可實(shí)現(xiàn)由白磷直接制備Li[P(CN)2]，過(guò)程如圖所示(Me為甲基)。下列說(shuō)法正確的是()A．生成1molLi[P(CN)2]，理論上外電路需要轉(zhuǎn)移2mol電子B．陰極上的電極反應(yīng)為：P4＋8CN－－4e－=4[P(CN)2]－C．在電解過(guò)程中CN－向鉑電極移動(dòng)D．電解產(chǎn)生的H2中的氫元素來(lái)自于LiOH2．(2022·廣東，10)以熔融鹽為電解液，以含Cu、Mg和Si等的鋁合金廢料為陽(yáng)極進(jìn)行電解，實(shí)現(xiàn)Al的再生。該過(guò)程中()A．陰極發(fā)生的反應(yīng)為Mg－2e－=Mg2＋B．陰極上Al被氧化C．在電解槽底部產(chǎn)生含Cu的陽(yáng)極泥D．陽(yáng)極和陰極的質(zhì)量變化相等3．(2021·廣東，16)鈷(Co)的合金材料廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域。如圖為水溶液中電解制備金屬鈷的裝置示意圖。下列說(shuō)法正確的是()A．工作時(shí)，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B．生成1molCo，Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少16gC．移除兩交換膜后，石墨電極上發(fā)生的反應(yīng)不變D．電解總反應(yīng)：2Co2＋＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))2Co＋O2↑＋4H＋4．(2022·浙江6月選考，21)通過(guò)電解廢舊鋰電池中的LiMn2O4可獲得難溶性的Li2CO3和MnO2，電解示意圖如下(其中濾布的作用是阻擋固體顆粒，但離子可自由通過(guò)。電解過(guò)程中溶液的體積變化忽略不計(jì))。下列說(shuō)法不正確的是()A．電極A為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)B．電極B的電極反應(yīng)：2H2O＋Mn2＋－2e－=MnO2＋4H＋C．電解一段時(shí)間后溶液中Mn2＋濃度保持不變D．電解結(jié)束，可通過(guò)調(diào)節(jié)pH除去Mn2＋，再加入Na2CO3溶液以獲得Li2CO35．(2022·海南，9)一種采用H2O(g)和N2(g)為原料制備NH3(g)的裝置示意圖如下。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是()A．在b電極上，N2被還原B．金屬Ag可作為a電極的材料C．改變工作電源電壓，反應(yīng)速率不變D．電解過(guò)程中，固體氧化物電解質(zhì)中O2－不斷減少6．(2021·全國(guó)甲卷，13)乙醛酸是一種重要的化工中間體，可采用如圖所示的電化學(xué)裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H＋和OH－，并在直流電場(chǎng)作用下分別向兩極遷移。下列說(shuō)法正確的是()A．KBr在上述電化學(xué)合成過(guò)程中只起電解質(zhì)的作用B．陽(yáng)極上的反應(yīng)式為：＋2H＋＋2e－→＋H2OC．制得2mol乙醛酸，理論上外電路中遷移了1mol電子D．雙極膜中間層中的H＋在外電場(chǎng)作用下向鉛電極方向遷移7．[2021·湖南，16Ⅱ(4)(5)]氨氣中氫含量高，是一種優(yōu)良的小分子儲(chǔ)氫載體，且安全、易儲(chǔ)運(yùn)，可通過(guò)下面兩種方法由氨氣得到氫氣。方法Ⅱ.氨電解法制氫氣利用電解原理，將氨轉(zhuǎn)化為高純氫氣，其裝置如圖所示。(4)電解過(guò)程中OH－的移動(dòng)方向?yàn)開(kāi)___________(填“從左往右”或“從右往左”)。(5)陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為_(kāi)____________________________________________________。8．[2021·山東，17(4)]利用膜電解技術(shù)(裝置如圖所示)，以Na2CrO4為主要原料制備Na2Cr2O7的總反應(yīng)方程式為：4Na2CrO4＋4H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))2Na2Cr2O7＋4NaOH＋2H2↑＋O2↑。則Na2Cr2O7在____(填“陰”或“陽(yáng)”)極室制得，電解時(shí)通過(guò)膜的離子主要為_(kāi)_______________________________________________________________________。1．(2022·太原市高三下學(xué)期模擬)我國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種雙極制氫系統(tǒng)，在低電池電壓下的KOH介質(zhì)中，可將醛類物質(zhì)電催化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的羧酸