决胜高考之【教材热点实验】09 化学能与电能

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【教材实验热点】09 化学能与电能
【教材实验梳理】
1.原电池
(1)双液锌铜原电池

(2)原电池工作原理图解
在原电池内部，两电极浸入电解质溶液中，并通过阴、阳离子的定向移动形成内电路。放电时，负极上的电子通过导线流向正极，再通过溶液中的离子形成的内电路构成闭合回路。具体原理示意图如下：

(2)对原电池装置的认识
①从反应角度认识原电池
原电池中有电流通过，因此其中一定存在电子的得失，其总反应一定是氧化还原反应。当原电池工作时，负极失电子被氧化，发生氧化反应；正极得电子被还原，发生还原反应。因此，只有氧化还原反应才能被设计成原电池，但是要注意，原电池中存在的氧化反应与还原反应是分开进行的。
②从能量角度认识原电池
氧化还原反应有放热反应和吸热反应，一般放热反应才能将化学能转变为电能，产生电流。
③从组成角度认识原电池
a.要有两个电极。这两个电极的活泼性一般是不同的，一般情况下，负极是活泼性较强的金属，正极是活泼性较弱的金属或能导电的材料(包括非金属或某些氧化物，如石墨、氧化铅等)，但只要求负极能与电解质溶液自发发生氧化还原反应，与正极能否发生反应无关。
b.两电极必须插入电解质溶液中。非电解质由于不导电，不能参与形成原电池。
c.必须形成闭合回路。闭合回路的形式是多种多样的，最常见的是通过导电将正、负极相连，也可以将两种金属材料相接触再插入电解质溶液中，日常生活中的合金则是两种材料相互熔合在一起形成正、负极。因此在判断是否形成闭合回路时，不能只看是否有导线。如闭合回路可以有如下形式：

d.能自发地发生氧化还原反应，若不能自发发生反应，则不能形成原电池。而自发发生的氧化还原反应不一定是电极与电解质溶液反应，也可能是电极与电解质溶液中溶解的氧气反应，如将铁与碳棒插入硫酸铜溶液中与食盐水中的反应不一样。

④从转移角度认识原电池
原电池工作时，能够发生电子、离子的定向移动，能够形成外电路与内电路。在原电池中，外电路通过电子的定向移动形成电流，电子从负极流出，从正极流入，电流的方向与电子移动的方向相反；在原电池内部则由电解质溶液与电极构成内电路，内电路中的电流通过离子的定向移动来形成(阳离子移向正极，阴离子移向负极)。因此，电子的流向仅限在外电路，而电解质溶液中没有电子流过，但电流在内、外电路同时形成。
(5)原电池原理的应用
①比较不同金属的活泼性
比较方法：a.一般作负极的金属比作正极的金属活泼。b.一般电极质量减少，作负极，较活泼。
c.一般有气体生成、电极质量不断增加，作正极，较不活泼。
②加快反应速率
构成原电池往往能加快反应速率。如实验室制H2时，粗锌比纯锌反应快；或向溶液中滴入几滴硫酸铜溶液，反应速率加快。
③用于金属的防护
如要保护铁制闸门，可用导线将其与锌块相连，使锌作负极，铁制闸门作正极，从而使铁制闸门受到保护。
④设计化学电源
设计原电池时要紧扣构成原电池的条件，首先将已知氧化还原反应拆分为两个半反应，然后根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料(负极是失电子的物质，正极用比负极活动性差的金属或导电的非金属如石墨)及电解质溶液。
2.电解池
(1)电解氯化铜溶液

(2)电解池工作原理图解

(3)电解池阴、阳极的判断
①由电源的正、负极判断：与电源负极相连的是电解池的阴极；与电源正极相连的是电解池的阳极。
②由电极现象确定：通常情况下，在电解池中某一电极若不断溶解或质量不断减少，则该电极发生氧化反应，为阳极；某一电极质量不断增加或电极质量不变，则该电极发生还原反应，为阴极。
③由反应类型判断：失去电子发生氧化反应的是阳极；得到电子发生还原反应的是阴极。
(4)电解产物的判断
①阳极产物的判断
a.若阳极由活性材料(除Pt、Au外的其他金属)做成，则阳极反应是阳极金属失去电子而被氧化成阳离子的反应；
b.若阳极由C、Pt、Au等惰性材料做成，则阳极反应是电解液中的阴离子在阳极失去电子被氧化的反应。阴离子失去电子能力的大小顺序为S2−>I−>Br−>Cl−>OH−>含氧酸根离子。
②阴极产物的判断
阴极反应一般是溶液中的阳离子得到电子的还原反应，阳离子得到电子能力的大小顺序为Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。
(4)电解原理的应用
①电解饱和食盐水——制取烧碱、氯气和氢气

阳极(石墨)：2Cl−−2e−=Cl2↑(氧化反应)
阴极(铁或石墨)：2H＋＋2e−= H2↑(还原反应)
总反应：2NaCl+ 2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑
②电镀
应用电解原理，在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。

实例——电镀铜
阳极(铜片)：Cu−2e−=Cu2+
阴极(待镀铁件)：Cu2++ 2e−=Cu
③铜的精炼

阳极(粗铜)：Cu−2e−=Cu2+(杂质金属的溶解：Fe−2e−=Fe2+，Zn−2e−=Zn2+，Ni−2e−=Ni2+等)
阴极(纯铜)：Cu2++2e−=Cu
④电冶金
a.电解熔融NaCl制取金属钠
NaCl在高温下熔融，并发生电离：NaCl=Na++Cl−。
通直流电后，阴极：2Na++2e−=2Na，阳极：2Cl−−2e−=Cl2↑，总反应：2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑。
b.电解熔融MgCl2制取金属镁
阴极：Mg2++2e−=Mg，阳极：2Cl−−2e−=Cl2↑，总反应：MgCl2(熔融)Mg+ Cl2↑
c.电解熔融Al2O3制取金属铝
阴极：4Al3++12e−=4Al，阳极：6O2−−12e−=3O2↑，总反应：2Al2O3(熔融) 4Al+3O2↑
【例题讲解】
1．电化学方法是化工生产及生活中常用的一种方法。回答下列问题：
(1)二氧化氯(ClO2)为一种黄绿色气体，是国际上公认的高效、广谱、快速、安全的杀菌消毒剂。目前已开发出用电解法制取ClO2的新工艺如图所示。

①图中用石墨作电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取ClO2。产生ClO2的电极应连接电源的________(填“正极”或“负极”)，对应的电极反应式为_______。
②a极区pH______(填“增大”“减小”或“不变”)。
③图中应使用______(填“阴”或“阳”)离子交换膜。
(2)电解K2MnO4溶液制备KMnO4。工业上，通常以软锰矿(主要成分是MnO2)与KOH的混合物在铁坩埚(熔融池)中混合均匀，小火加热至熔融，即可得到绿色的K2MnO4，化学方程式为_______。用镍片作阳极(镍不参与反应)，铁板为阴极，电解K2MnO4溶液可制备KMnO4。上述过程用流程图表示如下：

则D的化学式为_______；阳极的电极反应式为_______。
【巩固练习】
2．NaCl是我们生活中必不可少的物质。将NaCl固体溶于水，溶解过程如图1所示，下列说法不正确的是

A．图1中水合钠离子的图示不科学
B．NaCl溶液导电的原因是溶液中有自由移动的Na＋和Cl－
C．NaCl溶液通电后才发生电离
D．熔融NaCl通电后离子移动方向如图2
3．以石墨作电极，电解AgNO3溶液，可在两极分别得到Ag和O2，下列说法正确的是
A．氧化性：Ag+ > H+，还原性：NO> OH－
B．Ag附着在阳极：Ag+ + e－=Ag
C．电解过程中溶液的酸性将逐渐减弱
D．电路中每转移1mol电子，可生成1molAg和0.25molO2
4．热激活电池(又称热电池)可用作火箭、导弹的工作电源。一种热激活电池的基本结构如图所示，其中作为电解质的无水 LiCl−KCl 混合物一旦受热熔融，电池瞬间即可输出电能。该电池总反应为：PbSO4 + 2LiCl + Ca ＝ CaCl2 + Li2SO4 + Pb。关于该电池的下列说法中，不正确的是

A．负极的电极反应：Ca−2e－ ＝ Ca2+
B．放电时，K+向硫酸铅电极移动
C．硫酸铅作正极材料，LiCl为正极反应物
D．常温时，在正负极之间连上检流计，指针不偏转
5．铅蓄电池的结构示意图如图所示，其充、放电时的电池反应为： Pb + PbO2 + 2H2SO42PbSO4 + 2H2O。下列说法正确的是

A．放电时Pb为负极，发生反应：Pb-2e-= Pb2+
B．放电时H+向正极移动，正极区域酸性增强
C．充电时PbO2与外电源的负极相连
D．充电时阳极发生反应：PbSO4-2e-+2H2O = PbO2+SO+4H＋
6．银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源，其电极分别为Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式为Ag2O+Zn+H2O=2Ag+Zn(OH)2，下列说法中不正确的是（    ）
A．原电池放电时，负极上发生反应的物质是Zn
B．正极发生的反应是Ag2O+2e−+H2O=2Ag+2OH-
C．工作时，负极区溶液c(OH-)减小
D．溶液中OH-向正极移动，K+、H+向负极移动
7．控制合适的条件，将反应2Fe3+ + 2I-2Fe2+ + I2设计成如图所示原电池，下列判断不正确的是

A．反应开始时，电流方向是从甲池石墨棒流向乙池石墨棒
B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3+被还原
C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态
D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中石墨电极为负极
8．将如图所示实验装置的K闭合(已知：盐桥中装有琼脂凝胶，内含KCl)，下列判断正确的是

A．Cu电极上发生氧化反应
B．电子沿Zn→a→b→Cu路径移动
C．片刻后甲池中c(Cl-)增大
D．片刻后可观察到滤纸b处变红色
9．科学家近年发明了一种新型Zn−CO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。

下列说法错误的是
A．放电时，负极反应为
B．放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol
C．充电时，电池总反应为
D．充电时，正极溶液中OH−浓度升高
10．一定条件下，碳钢腐蚀与溶液pH的关系如下：
pH
2
4
6
6. 5
8
13. 5
14
腐蚀快慢
较快
慢
较快
主要产物
Fe2+
Fe3O4
Fe2O3


下列说法不正确的是A．在pH＜4的溶液中，碳钢主要发生析氢腐蚀
B．在pH＞6的溶液中，碳钢主要发生吸氧腐蚀
C．在pH＞14的溶液中，碳钢腐蚀的反应为O2+4OH-+4e-===2H2O
D．在煮沸除氧气后的碱性溶液中，碳钢腐蚀速率会减慢
11．执法交警最常用的一种酒精检测仪的工作原理示意图如图所示，其反应原理为CH3CH2OH+O2=CH3COOH+H2O，被测者呼出气体中所含的酒精被输送到电池中反应产生微小电流，该电流经电子放大器放大后在液晶显示屏上显示其酒精含量。下列说法不正确的是（    ）

A．电解质溶液中的移向a电极
B．b为正极，电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-
C．呼出气体中酒精含量越高，微处理器中通过的电流越大
D．a极上的电极反应式为CH3CH2OH+H2O-4e-=CH3COOH+4H+
12．如图装置(Ⅰ)为一种可充电电池的示意图，其中的离子交换膜只允许K+通过，该电池放电、充电时的电池反应为。装置(Ⅱ)为电解池的示意图当闭合开关K时，电极X附近溶液先变红。则闭合K时，下列说法正确的是

A．K+从右到左通过离子交换膜
B．电极A上发生的反应为I+2e-=3I-，
C．电极Y上发生的反应为2Cl--2e-=Cl2↑，
D．当有0.1molK+通过离子交换膜时，X电极上产生1.12L气体
13．天津理工大学刘喜正等人利用Na2S2O4的生成和分解，研制出Na-SO2可充电电池，电解质溶液为乙二胺的乙醚溶液。该电池放电时的工作原理如图所示。下列关于放电时的说法正确的是（    ）

A．该装置是将电能转化为化学能
B．电子从Na极经电解质流向石墨极
C．石墨电极反应式为2Na++2SO2+2e-= Na2S2O4
D．若转移3mol电子，则消耗33.6L（标准状况下）SO2
14．电镀行业产生的酸性含铬废水对环境有污染，其中所含的+6价铬(以Cr2O形式存在)是主要污染物，可采用电解法将其除去。向酸性含铬废水中加入适量NaCl固体，以Fe为阴、阳电极进行电解。经过一段时间，有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀生成，从而使废水中铬含量低于排放标准。装置如图所示。

已知：pH=3.2时Fe3+完全转化为Fe(OH)3；pH=5.6时Cr3+完全转化为Cr(OH)3
(1)向酸性含铬废水中加入适量NaCl固体的作用是___________。
(2)B极上有大量氢气产生，电极反应为___________。
(3)结合化学用语分析酸性废水中Cr2O转化为Cr(OH)3的主要原因___________。
15．某小组同学利用原电池装置探究物质的性质。资料显示：原电池装置中，负极反应物的还原性越强，或正极反应物的氧化性越强，原电池的电压越大。
（1）同学们利用下表中装置进行实验并记录。
装置
编号
电极A
溶液B
操作及现象

Ⅰ
Fe
pH=2的H2SO4
连接装置后，石墨表面产生无色气泡；电压表指针偏转
Ⅱ
Cu
pH=2的H2SO4
连接装置后，石墨表面无明显现象；电压表指针偏转，记录读数为a

①同学们认为实验Ⅰ中铁主要发生了析氢腐蚀，其正极反应式是_____________。
②针对实验Ⅱ现象：甲同学认为不可能发生析氢腐蚀，其判断依据是_______；乙同学认为实验Ⅱ中应发生吸氧腐蚀，其正极的电极反应式是___________。
（2）同学们仍用上述装置并用Cu和石墨为电极继续实验，探究实验Ⅱ指针偏转原因及影响O2氧化性因素。
编号
溶液B
操作及现象
Ⅲ
经煮沸的pH=2的 H2SO4
溶液表面用煤油覆盖，连接装置后，电压表指针微微偏转，记录读数为b
Ⅳ
pH=2的H2SO4
在石墨一侧缓慢通入O2并连接装置，电压表指针偏转，记录读数为c；取出电极，向溶液中加入数滴浓Na2SO4溶液混合后，插入电极，保持O2通入，电压表读数仍为c
Ⅴ
pH=12的NaOH
在石墨一侧缓慢通入O2并连接装置，电压表指针偏转，记录读数为d

①丙同学比较实验Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的电压表读数为：c＞a＞b，请解释原因是_____________。
②丁同学对Ⅳ、Ⅴ进行比较，其目的是探究_____________________对O2氧化性的影响；实验Ⅳ中加入Na2SO4溶液的目的是_____________。
16．Ⅰ．利用下列给出的试剂与材料，将氧化还原反应设计成一个带有盐桥的原电池。
试剂：溶液、溶液、溶液、溶液、蒸馏水等。
材料：锌棒、铁棒、铜棒、石墨棒、500mL烧杯2个、盐桥(装有含琼胶的KCl饱和溶液)等。
回答下列问题：
(1)选用________作正极，此电极的电极反应式是  ____________________________________________________________。
(2)在答题卡方框中画出一个符合上述要求的原电池的装置图(标出电解质溶液及外电路中电子流动方向)__________________。
Ⅱ．如图所示，E为浸过含酚酞的Na2SO4溶液的滤纸。A、B分别为铂片，压在滤纸两端，R、S为电池的电极。M、N是用多微孔的Ni制成的电极，在碱溶液中可视为惰性电极。G为电流计，K为开关。C、D和电解池中都充满浓KOH溶液。若在滤纸中央滴一滴紫色的KMnO4溶液，将开关K打开，接通电源一段时间后，C、D中有气体产生，气体的体积见图。

请回答下列问题：
(1)R为________(填“正”或“负”)极。
(2)A附近溶液的现象是_________________________________________，
B附近发生的电极反应式为_____________________________________。
(3)滤纸上的紫色点向________(填“A”或“B”)方向移动。
(4)当C、D中的气体产生到一定量时，切断外电源并接通开关K，经过一段时间后，C、D中的气体逐渐减少，C中的电极为________(填“正”或“负”)极，电极反应式为__________________。
Ⅲ．若一开始Ⅱ中的电源选用了Ⅰ中自己设计的原电池，连接起来工作一段时间后，测得Ⅱ中C和D试管气体总体积为336mL（已折算成标准状况），则你设计的原电池Ⅰ的负极质量至少要减轻_________________克？（结果保留两位小数）
17．某小组同学利用下图所示装置进行铁的电化学腐蚀原理的探究实验：
装置
分别进行的操作
现象



i. 连好装置一段时间后，向烧杯中滴加酚酞


ii. 连好装置一段时间后，向烧杯中滴加K3[Fe(CN)6]溶液
铁片表面产生蓝色沉淀

(1)小组同学认为以上两种检验方法，均能证明铁发生了吸氧腐蚀。
①实验 i 中的现象是_____。
②用化学用语解释实验i中的现象：_____。
(2)查阅资料：K3[Fe(CN)6]具有氧化性。
①据此有同学认为仅通过ii中现象不能证明铁发生了电化学腐蚀，理由是_____。
②进行下列实验，在实验几分钟后的记录如下：
实验
滴管
试管
现象


0.5 mol·L-1 K3[Fe(CN)6]
溶液
iii. 蒸馏水
无明显变化
iv. 1.0 mol·L-1NaCl溶液
铁片表面产生大量蓝色沉淀
v. 0.5 mol·L-1Na2SO4溶液
无明显变化

a．以上实验表明：在_____条件下，K3[Fe(CN)6]溶液可以与铁片发生反应。
b．为探究Cl-的存在对反应的影响，小组同学将铁片酸洗(用稀硫酸浸泡后洗净) 后再进行实验 iii，发现铁片表面产生蓝色沉淀。此补充实验表明 Cl-的作用是_____。
(3)有同学认为上述实验仍不严谨。为进一步探究K3[Fe(CN)6]的氧化性对实验 ii 结果的影响，又利用(2)中装置继续实验。其中能证实以上影响确实存在的是_____(填 字母序号)。
实验
试剂
现象
A
酸洗后的铁片、K3[Fe(CN)6]溶液(已除O2)
产生蓝色沉淀
B
酸洗后的铁片、K3[Fe(CN)6]和 NaCl 混合溶液(未除O2)
产生蓝色沉淀
C
铁片、K3[Fe(CN)6]和NaCl 混合溶液(已除O2)
产生蓝色沉淀
D
铁片、K3[Fe(CN)6]和盐酸混合溶液(已除 O2)
产生蓝色沉淀


18．实验室有如下材料：铜片、铁片、石墨棒、CuCl2溶液、FeCl3溶液、导线、电流表、盐桥(装有琼脂-KCl的U形管)、烧杯等。甲同学设计了如图1的原电池装置，但乙同学发现甲同学设计的原电池装置效率不高，电流在短时间内就会衰减，为解决以上问题，将原电池设计成了带盐桥的装置，如图2所示。
图1：
图2：
(1)①事实证明，能设计成原电池的反应通常是放热反应，下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是_______(填序号，下同)。
a.C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) ΔH>0
b.2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH＜0
c.NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) ΔH＜0
②甲同学设计的原电池，若将石墨棒改为铁片，则总电极反应式是否改变，若是，写出改变后总的电极反应式，若否，请写出理由：_______。
③乙同学设计的原电池电极反应与甲的相同，但电池的效率高很多。乙同学设计的原电池两电极分别为：a是_______(填“铜片”“铁片”或“石墨棒”，下同)，b是_______。负极的电极反应式为_______，正极的电极反应式为_______。
(2)关于乙同学设计的原电池，下列说法中错误的是_______。
a.实验过程中，左侧烧杯中Cl−浓度增大
b.实验过程中取出盐桥，原电池不能继续工作
c.电子通过盐桥从右侧烧杯进入左侧烧杯中
19．脱除烟气中SO2有电化学法及液相催化氧化法等。
(1)Dennis等设计的电化学膜法脱除SO2的工艺如图-1所示。

多孔阳极上发生的电极反应为____；多孔阴极一侧发生的反应包括：
2S2O+2e－=3SO+SO2(g) 、____和2SO3 +2SO= 2S2O。
(2)研究FeSO4液相催化氧化脱硫的实验流程如图-2所示，循环槽中循环液的pH变化如图-3所示(起始时在脱硫塔中加入9LFeSO4溶液并向循环槽中鼓入空气5min)。

①图-2中设置分析取样点A和B的目的是____。
②脱硫塔中发生的主要反应为____；循环槽中产生的气体为____。
③图-3中430min后脱硫率基本稳定在93.5%左右的原因是____。