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本文题目：高二化学教案：化学能与电能的转化学案

第二单元 化学能与电能的转化

第1课时　原电池的工作原理

[目标要求]　1.理解原电池的工作原理，能够写出电极反应式和电池反应方程式。2.了解半反应、盐桥、内电路、外电路等概念。3.会判断原电池的正、负极，能够利用氧化还原反应设计简单的原电池。

一、原电池

1.原电池定义：将化学能转变为电能的装置。

2.实质：将氧化还原反应的电子转移变成电子的定向移动。即将化学能转化成电能。

3.简单原电池的构成条件：

①活泼性不同的两个电极，②电解质溶液，③形成闭合回路，④能自发进行的氧化还原反应。

二、原电池的工作原理

工作原理：利用氧化还原反应在不同区域内进行，以适当方式连接起来，获得电流。

以铜锌原电池为例：

1.在ZnSO4溶液中，锌片逐渐溶解，即Zn被氧化，锌原子失电子，形成Zn2+进入溶液，从锌片上释放的电子，经过导线流向铜片;

CuSO4溶液中，Cu2+从铜片上得电子，还原成为金属铜并沉积在铜片上。

锌为负极，发生氧化反应，电极反应式为Zn-2e-===Zn2+;

铜为正极，发生还原反应，电极反应式为Cu2++2e-===Cu。

总反应式为Zn+Cu2+===Zn2++Cu，反应是自发进行的。

2.闭合回路的构成：

外电路：电子从负极到正极，电流从正极到负极，

内电路：溶液中的阴离子移向ZnSO4溶液，阳离子移向CuSO4溶液。

3.盐桥

盐桥中通常装有含琼胶的KCl饱和溶液。当其存在时，随着反应的进行，Zn棒中的Zn原子失去电子成为Zn2+进入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2+过多，带正电荷。Cu2+获得电子沉积为Cu，溶液中Cu2+过少，SO2-4过多，溶液带负电荷。当溶液不能保持电中性时，将阻止放电作用的继续进行。盐桥的存在就避免了这种情况的发生，其中Cl-向ZnSO4溶液迁移，K+向CuSO4溶液迁移，分别中和过剩的电荷，使溶液保持电中性，反应可以继续进行。

知识点一　原电池

1.下列装置中能构成原电池产生电流的是(　　)

答案　B

解析　A、D项中电极与电解质溶液之间不发生反应，不能构成原电池;B项符合原电池的构成条件，两电极发生的反应分别是Zn-2e-===Zn2+，2H++2e-===H2↑;C项中酒精不是电解质，故不能构成原电池。

2.在图中的8个装置中，属于原电池的是(　　)

A.①②③⑤⑧ B.③④⑥⑦ C.④⑤⑥⑦ D.③⑤⑦

答案　D

知识点二　原电池的原理

3.用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂­KNO3的U型管)构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是(　　)

①在外电路中，电流由铜电极流向银电极

②正极反应为Ag++e-===Ag

③实验过程中取出盐桥，原电池仍能继续工作

④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同

A.①② B.②③ C.②④ D.③④

答案　C

解析　该原电池中Cu作负极，Ag作正极，负极反应式为Cu-2e-===Cu2+，正极反应式为Ag++e-===Ag，因此②对;在外电路中，电子由Cu电极流向Ag电极，而电流方向与电子流向相反，所以①错;没有盐桥，原电池不能继续工作，所以③错;无论是否为原电池，反应实质相同，均为氧化还原反应，所以④对。

4.下图是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记录如下：在卡片上，描述合理的是(　　)

NO.28　　Date：2009.11.8

实验后的记录：

①Zn为正极，Cu为负极。

②H+向负极移动。

③电子流动方向Zn―→Cu。

Cu极上有H2产生。

⑤若有1 mol电子流过导线，则产生H2为0.5 mol。

⑥正极的电子反应式为：Zn―→Zn++2e-。

A.①②③ B.③④⑤ C.④⑤⑥ D.②③④

答案　B

解析　本题考查了锌、铜和稀H2SO4构成的原电池的基本工作原理。Zn比Cu活泼，Zn为负极，电极反应为：Zn-2e-===Zn2+，Cu为正极，电极反应为2H++2e-===H2↑，每转移1 mol电子，产生H2 0.5 mol，电子由Zn流出，经导线流向铜片，溶液中H+向正极移动，SO2-4向负极移动，故选B。

5.把A、B、C、D四块金属泡在稀H2SO4中，用导线两两相连可以组成各种原电池。A、B相连时，A为负极;C、D相连时，D上有气泡逸出;A、C相连时，A极减轻;B、D相连时，B为正极。则四种金属的活动性顺序由大到小排列为(　　)

A.A>B>C>D B.A>C>B>D C.A>C>D>B D.B>D>C>A

答案　C

解析　金属组成原电池，相对活泼的金属失去电子作负极，相对不活泼的金属作正极。负极被氧化，质量减轻，正极发生还原反应，有物质析出，由题意得活动性A>B、A>C、C>D、D>B，故正确答案为C。

知识点三　原电池的应用

6.已知电极材料：铁、铜、银、石墨、锌、铝;电解质溶液：CuCl2溶液、Fe2(SO4)3溶液、硫酸。按要求回答下列问题：

(1)电工操作上规定：不能把铜导线和铝导线连接在一起使用。请说明原因

________________________________________________________________________。

(2)若电极材料选铜和石墨，电解质溶液选硫酸铁溶液，外加导线，能否构成原电池?________。若能，请写出电极反应式，负极：___________，正极：_____________。(若不能，后两空不填)

(3)设计一种以铁和稀硫酸反应为原理的原电池，要求画出装置图(需标明电极材料及电池的正、负极)。

答案　(1)二者连接在一起时，接头处在潮湿的空气中形成原电池而被腐蚀

(2)能　Cu-2e-===Cu2+　2Fe3++2e-===2Fe2+

(3)

解析　(1)当Cu、Al导线连接时，接触到潮湿的空气就易形成原电池而被腐蚀。

(2)因为FeCl3能与Cu发生反应：2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2，因此根据给出的条件可以设计成原电池，其负极为Cu，反应为Cu-2e-===Cu2+，正极为石墨，电极反应式为2Fe3++2e-===2Fe2+。

(3)因为总反应式为Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑，所以负极为Fe，正极可为Cu、Ag或石墨，电解质为稀硫酸，即可画出装置图。

7.利用反应Fe3++Zn===Fe2++Zn2+设计一个带盐桥的原电池，并在下面方框内画出实验装置图，并指出正极为________，电极反应式为_______________________________。

负极为________，电极反应式为____________________________________________。

此装置中盐桥的作用为___________________________________________________。

答案　Pt　2Fe3++2e-===2Fe2+

Zn　Zn-2e-===Zn2+

使两个半电池连成一个通路;使两溶液保持电中性

解析　根据反应Zn+2Fe3+===Zn2++2Fe2+知该反应中的氧化反应为Zn-2e-===Zn2+，故应采用Zn片作负极，还原反应为2Fe3++2e-===2Fe2+，故应选择比Zn不活泼的金属或非金属石墨等作正极，根据应选择与电极材料相同的阳离子的电解质溶液作电解液，故负极区应选含Zn2+的盐溶液如ZnSO4溶液，正极区选含Fe3+的溶液作电解液如FeCl3、Fe2(SO4)3溶液等。

练基础落实

1.在理论上不能用于设计原电池的化学反应是(　　)

A.H2SO4(aq)+BaCl2(aq)===2HCl(aq)+BaSO4(s)　ΔH<0

B.2CH3OH(l)+3O2(g)―→2CO2(g)+4H2O(l)　ΔH<0

C.4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)===4Fe(OH)3(s)　ΔH<0

D.3Cu(s)+8HNO3(aq)===3Cu(NO3)2(aq)+2NO(g)+4H2O(l)　ΔH<0

答案　A

2.有关原电池的下列说法中正确的是(　　)

A.在外电路中电子由正极流向负极

B.在原电池中，只有金属锌作为负极

C.原电池工作时，阳离子向正极方向移动

D.原电池工作时，阳离子向负极方向移动

答案　C

解析　在原电池中，电子从负极流向正极;原电池中活泼的金属作负极，而不一定是Zn;随着反应的进行，阳离子在正极被还原，所以电解质溶液中的阳离子向正极移动，而阴离子向负极移动。答案为C。

3.锌银电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的电池反应是Zn+Ag2O+H2O===2Ag+Zn(OH)2，则负极上发生反应的物质是(　　)

A.Ag B.Zn(OH)2 　　C.Ag2O 　　　D.Zn

答案　D

解析　判断原电池的正、负极，要根据总反应式确定失电子物质和得电子物质，然后根据在原电池中失去电子的物质作负极作出判断。由题给总方程式得Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2，故Zn为负极。

4.根据反应：2Ag++Cu===Cu2++2Ag，设计如图所示原电池，下列说法错误的是(　　)

A.X可以是银或石墨

B.Y是硫酸铜溶液

C.电子从铜电极经外电路流向X电极

D.X极上的电极反应式为Ag++e-===Ag

答案　B

解析　根据题意，铜应为负极，X为正极，则X应为活泼性比铜弱的金属或导电的非金属，A项正确;电解质溶液应含Ag+，B项错;在原电池中，电子从负极经外电路流向正极，Ag+在正极X上得电子，Ag++e-===Ag，故C、D项正确。

5.控制适合的条件，将反应2Fe3++2I- 2Fe2++I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是(　　)

A.反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应

B.反应开始时，甲中石墨电极上的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，乙中的石墨电极为负极

答案　D

解析　由反应2Fe3++2I- 2Fe2++I2可知，反应开始时，甲中Fe3+发生还原反应，乙中I-发生氧化反应;当电流计读数为零时，则反应达到了平衡状态，此时在甲中溶入FeCl2固体，平衡向逆反应方向移动，乙中I2发生还原反应，则乙中石墨电极为正极;故选D。

6.科学家正在研究高铁可充电电池，据研究人员推测，这种电池具有容量大、放电电流大、稳定性好等优点，将有广泛的应用前景。高铁电池放电时，锌、K2FeO4分别在两极上发生反应，以KOH溶液为电解液，电池总反应为3Zn+2K2FeO4+8H2O===3Zn(OH)2↓+2Fe(OH)3↓+4KOH，下列说法中错误的是(　　)

A.电池工作时，锌失去电子

B.电池正极的电极反应式为 2FeO2-4+8H2O+6e-===2Fe(OH)3↓+10OH-

C.电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极

D.外电路中每通过1.204×1023个电子，锌的质量理论上减少6.5 g

答案　C

练方法技巧

7.以锌片和铜片为两极，以稀硫酸为电解质溶液组成原电池，当导线中通过2 mol电子时，下列说法正确的是(　　)

A.锌片溶解了1 mol，铜片上析出1 mol H2

B.两极上溶解和析出的物质质量相等

C.锌片溶解31 g，铜片上析出1 g H2

D.锌片溶解了1 mol，硫酸消耗0.5 mol

答案　A

解析　在涉及原电池的有关计算中，关键是要把握住一点，即两极得、失电子数相等。利用这一特点，我们从电极反应看：负极：Zn-2e-===Zn2+;正极：2H++2e-===H2↑。当溶解1 mol锌时失去2 mol电子，铜片上析出1 mol氢气也得到 2 mol电子，得失电子守恒，这样即可推出A正确。

8.下列关于实验现象的描述不正确的是(　　)

A.把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中，铜片表面出现气泡

B.用锌片作负极，铜片作正极，在CuSO4溶液中，铜片质量增加

C.把铜片插入三氯化铁溶液中，在铜片表面出现一层铁

D.把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，气泡放出速率加快

答案　C

解析　铜片和铁片紧靠并浸入稀H2SO4中，铜片上的H+获得由铁片传递过来的电子2H++2e-===H2↑，所以可观察到铜片表面出现气泡;锌片作负极，铜片作正极，发生反应：Zn+Cu2+===Zn2++Cu，生成的Cu在铜片上析出使其质量增加;铜片插入FeCl3溶液，发生的反应是Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+，并没有单质铁的析出;向盛有锌粒和盐酸的试管中，滴入几滴CuCl2溶液，发生反应：Zn+Cu2+===Zn2++Cu，置换出的Cu与剩余的Zn接触，置于盐酸中，构成了原电池，加速2H++2e-===H2↑的反应，可观察到气泡放出速率加快。

9.银器皿日久表面会逐渐变成黑色，这是由于生成硫化银，有人设计用原电池进行“抛光”，其处理方法是：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，黑色会褪去而银恢复光泽，且不会损失，试回答：

(1)食盐的作用是

________________________________________________________________________。

(2)在此原电池反应中，负极发生的电极反应为

________________________________________________________________________，

正极发生的电极反应为

________________________________________________________________________。

(3)反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体，溶液中发生的反应为

________________________________________________________________________，

原电池总反应方程式为

________________________________________________________________________。

(4)实际操作中，配制食盐水时，通常还加入一定量的小苏打，其主要作用是

________________________________________________________________________，

这一反应的化学方程式是

________________________________________________________________________。

答案　(1)作电解质起导电作用

(2)2Al-6e-===2Al3+

3Ag2S+6e-===6Ag+3S2-

(3)2Al3++3S2-+6H2O===2Al(OH)3↓+3H2S↑

2Al+3Ag2S+6H2O===2Al(OH)3+3H2S↑+6Ag

(4)除去生成的H2S，防止污染空气

H2S+NaHCO3===NaHS+H2O+CO2↑

解析　(1)形成原电池需要电解质导电，因此NaCl是作电解质起导电作用。

(2)根据题给信息“黑色褪去而银不会损失”，必然发生Ag2S―→Ag变化。

铝比银活泼，为负极，失电子变成Al3+，反应为：Al-3e-===Al3+。Ag2S变为Ag和S2-，得电子，是原电池的正极，反应为：Ag2S+2e-===2Ag+S2-。

(3)溶液中

2Al3++3S2-+6H2O===2Al(OH)3↓+3H2S↑

因此，总反应为：

2Al+3Ag2S+6H2O===6Ag+2Al(OH)3+3H2S↑

(4)硫化氢有毒，需除去，因此，NaHCO3的作用是除去生成的H2S，防止污染空气，反应为：H2S+NaHCO3===NaHS+H2O+CO2↑。

练综合拓展

10.依据氧化还原反应：2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s)设计的原电池如下图所示。

请回答下列问题：

(1)电极X的材料是________;电解质溶液Y是________;

(2)银电极为电池的__________极，发生的电极反应为______________________;

X电极上发生的电极反应为________________________________________________;

(3)外电路中的电子是从__________电极流向__________电极。

答案　(1)铜　AgNO3溶液

(2)正　Ag++e-===Ag　Cu-2e-===Cu2+

(3)Cu　Ag

解析　根据所给氧化还原反应的化学方程式，结合原电池反应原理以及所给原电池装置，Cu应作负极，AgNO3溶液为电解质溶液，从而推知：

(1)X的材料为铜，Y是AgNO3溶液。

(2)银为原电池的正极，发生的电极反应式为Ag++e-===Ag。X电极上发生的电极反应式为Cu-2e-===Cu2+。

(3)外电路中的电子从铜(负)电极流向银(正)电极。

11.某探究活动小组想利用原电池反应检测金属的活动性顺序，有甲、乙两位同学均使用镁片与铝片作电极，但甲同学将电极放入6 mol•L-1的稀H2SO4中，乙同学将电极放入6 mol•L-1的NaOH溶液中，如图所示。

(1)写出甲池中发生的有关电极反应的反应式：

负极_________________________________________________________________，

正极__________________________________________________________________。

(2)写出乙池中发生的有关电极反应的反应式：

负极___________________________________________________________________，

正极___________________________________________________________________。

总反应离子方程式为____________________________________________________。

(3)如果甲与乙两位同学均认为“构成原电池的电极材料若是金属，则构成负极材料的金属应比构成正极材料的金属活泼”，则甲会判断出________活动性更强，而乙会判断出________活动性更强(填写元素符号)。

(4)由此实验，可得到如下哪些结论?________。

A.利用原电池反应判断金属活动性顺序应注意选择合适的介质

B.镁的金属性不一定比铝的金属性强

C.该实验说明金属活动性顺序表已过时，已没有实用价值

D.该实验说明化学研究对象复杂、反应条件多变，应具体问题具体分析

(5)上述实验也反过来证明了“利用金属活动性顺序表直接判断原电池中正、负极”的做法________(填“可靠”或“不可靠”)。如不可靠，则请你提出另一个判断原电池正、负极可行的实验方案______________________________________________________________。

答案　(1)Mg-2e-===Mg2+　2H++2e-===H2↑

(2)2Al+8OH--6e-===2AlO-2+4H2O

6H2O+6e-===6OH-+3H2↑

2Al+2OH-+2H2O===2AlO-2+3H2↑

(3)Mg　Al　(4)AD

(5)不可靠　将两种金属电极连上电流表而构成原电池，利用电流表检测电流的方向，从而判断电子的流动方向，再来确定原电池的正、负极

解析　(1)甲池中电池总反应方程式为Mg+H2SO4===MgSO4+H2↑，Mg作负极，电极反应式为Mg-2e-===Mg2+，Al作正极，电极反应式为2H++2e-===H2↑。

(2)乙池中电池总反应方程式为2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑，负极上为Al被氧化生成Al3+后与OH-反应生成AlO-2，电极反应式为2Al-6e-+8OH-===2AlO-2+4H2O;正极产物为H2，电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑。

(3)甲池中Mg为负极，Al为正极;乙池中Al为负极，Mg为正极，若根据负极材料金属比正极活泼，则甲判断Mg活动性强，乙判断Al活动性强。

(4)选AD。Mg的金属活动性一定比Al强，金属活动性顺序表是正确的，应用广泛。

(5)判断正、负极可根据回路中电流方向或电子流向等进行判断，直接利用金属活动性顺序表判断原电池的正、负极是不可靠的。

第2课时　化学电源

[目标要求]　1.了解依据原电池原理开发的技术产品——化学电池。2.了解一次电池、二次电池、燃料电池的基本构造、工作原理、性能和适用范围。3.正确书写原电池的电极反应式和电池反应方程式。

一、化学电池

1.电池的分类

化学电池化学能转变为电能一次电池：如普通锌锰干电池、　碱性锌锰电池、银锌钮扣电池二次电池：如铅蓄电池等燃料电池：如氢氧燃料电池

2.一次电池与二次电池的不同点

(1)一次电池的活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度就不能使用了，如普通的锌锰干电池、碱性锌锰干电池。

(2)二次电池又称充电电池或蓄电池。放电后可以再充电使活性物质获得再生。这类电池可以多次重复使用，如铅蓄电池等。

二、一次电池

1.锌银电池

锌银电池负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH溶液，其电极反应如下：

负极：Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;

正极：Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-;

电池总反应式：Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。

2.碱性锌锰电池

碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH溶液，其电极反应为：

负极：Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2;

正极：2MnO2+2e-+2H2O===2MnOOH+2OH-;

电池总反应式：Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2。

三、燃料电池

1.概念

燃料电池是利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。燃料电池的氧化剂和还原剂不是全部储藏在电池内，而是在工作时不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出电池，因此，燃料电池能连续不断地提供电能。

2.氢氧燃料电池

(1)结构(如图所示)

氢氧燃料电池示意图

(2)工作原理

电解质溶液为KOH溶液时：

负极石墨：2H2+4OH--4e-===4H2O正极石墨：O2+2H2O+4e-===4OH-

电池总反应式：2H2+O2===2H2O

四、铅蓄电池

铅蓄电池是最常见的二次电池，铅蓄电池由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2，负极板上覆盖有Pb，电解质是H2SO4溶液，如图所示。

铅蓄电池的构造

工作原理：负极：Pb(s)+SO2-4(aq)-2e-===PbSO4(s)(氧化反应);正极：PbO2(s)+SO2-4(aq)+4H+(aq)+2e-===PbSO4(s)+2H2O(l)(还原反应);总反应：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l)。铅蓄电池充电的反应是上述反应的逆过程：阴极：PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+SO2-4(aq)(还原反应);阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-===PbO2(s)+4H+(aq)+SO2-4(aq)(氧化反应);总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l)===Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)。

可以把上述反应写成一个可逆反应方程式：

Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。

知识点一　化学电池

1.碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为Zn+MnO2+H2O===ZnO+Mn(OH)2

下列说法中，错误的是(　　)

A.电池工作时，锌失去电子

B.电池正极的电极反应式为

MnO2+2H2O+2e-===Mn(OH)2+2OH-

C.电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极

D.外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量理论上减少6.5 g

答案　C

解析　本题要求利用原电池的原理，分析碱性锌锰电池：锌为负极，在反应中失去电子，故A正确;电池工作时，电流由正极通过外电路流向负极，而电子定向移动方向与电流方向相反，故C错误;由电子守恒知D项正确;由该电池反应的总反应式和原电池的原理写出正极反应式知B正确。

2.最近，科学家研制出一种纸质电池，这种“软电池”采用薄层纸片作为载体和传导体，在一边附着锌，在另一边附着二氧化锰。电池总反应为Zn+2MnO2+H2O===ZnO+2MnOOH。下列说法不正确的是(　　)

A.该电池Zn为负极，MnO2为正极

B.该电池的正极反应为

MnO2+e-+H2O===MnOOH+OH-

C.导电时外电路电子由Zn流向MnO2，内电路电子由MnO2流向Zn

D.电池工作时水分子和OH-都能通过薄层纸片

答案　C

解析　原电池反应中Zn失电子、MnO2得电子，因此该电池负极为Zn，正极为MnO2。由电池总反应式减去负极反应式：Zn-2e-+2OH-===ZnO+H2O即得正极反应式：MnO2+e-+H2O===MnOOH+OH-。电子只能由Zn经外电路流向MnO2，而不能通过内电路。

知识点二　二次电池

3.生产铅蓄电池时，在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是 2PbSO4+2H2O PbO2+Pb+2H2SO4 下列对铅蓄电池的说法错误的是(　　)

A.需要定期补充硫酸

B.工作时铅是负极，PbO2是正极

C.工作时负极上发生的反应是Pb-2e-+SO2-4===PbSO4

D.工作时电解质的密度减小

答案　A

解析　铅蓄电池放电时相当于原电池，Pb是负极，PbO2是正极，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2+，Pb2+与溶液中的SO2-4生成PbSO4沉淀，放电时消耗的硫酸与充电时生成的硫酸相等，在电池制备时，PbSO4的量是一定的，制成膏状，干燥后再安装，说明H2SO4不用补充;放电时，H2SO4被消耗，溶液中的H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。

4.某新型可充电电池，能长时间保持稳定的放电电压。该电池的总反应式为3Zn+2K2FeO4+8H2O 3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH，以下说法不正确的是(　　)

A.放电时负极反应式为Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2

B.放电时正极反应式为FeO2-4+4H2O+3e-===Fe(OH)3+5OH-

C.放电时每转移3 mol电子，正极有1 mol K2FeO4被氧化

D.充电时阳极附近的溶液的碱性减弱

答案　C

解析　选项A，放电时，在碱性条件下，Zn失去电子为电池的负极：Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2;选项B，根据放电时总电池反应式减去负极反应式(电子数需相等)可得放电时正极反应式为FeO2-4+4H2O+3e-===Fe(OH)3+5OH-;选项C，放电时，K2FeO4被还原;选项D，充电是放电的逆向反应，所以充电时，阳极消耗OH-，导致阳极附近的溶液的碱性减弱。

知识点三　燃料电池

5.固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过。该电池的工作原理如下图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。

下列判断正确的是(　　)

A.有O2参加反应的a极为电池的负极

B.b极的电极反应式为H2-2e-+O2-===H2O

C.a极对应的电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-

D.该电池的总反应式为2H2+O2=====高温2H2O

答案　D

解析　因为电子从b电极流向a电极，所以b电极为负极，H2在该极发生氧化反应;a电极为正极，O2在该极发生还原反应。由此推断该原电池的负极反应式为H2-2e-===2H+，正极电极反应式为12O2+2e-===O2-，则电池总反应式为2H2+O2=====高温2H2O。

6.一种新型燃料电池，它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中，然后分别向两极通入乙烷和氧气，则有关此电池推断正确的是(　　)

A.通入乙烷的电极为正极

B.参加反应的乙烷与氧气的物质的量之比为7∶2

C.放电一段时间后，KOH的物质的量浓度减少

D.负极反应式为C2H6+6H2O-14e-===2CO2-3+18H+

答案　C

解析　乙烷燃烧的化学方程式为2C2H6+7O2―→4CO2+6H2O，在该反应中氧气得电子，乙烷失电子，因此通入氧气的电极为正极，而通入乙烷的电极为负极，故A答案错误;反应中参加反应的乙烷与氧气的物质的量之比应为2∶7，故B答案错误;考虑到该电池是以KOH为电解质溶液的，生成的CO2会和KOH反应转化成K2CO3，反应中消耗KOH，KOH的物质的量浓度减少，故C答案正确;由于该电池是以KOH溶液为电解液的，D答案中负极生成的H+显然在溶液中是不能存在的，故D答案错误。考虑到电解质溶液的影响，此时该电池的总反应式应为2C2H6+8KOH+7O2―→4K2CO3+10H2O，正极反应式为14H2O+7O2+28e-===28OH-(正极氧气得电子，理论上形成O2-，但该粒子在水中不稳定，必须以OH-形式存在)，负极反应式可用总反应式减去正极反应式得到：2C2H6+36OH--28e-===4CO2-3+24H2O。

练基础落实

1.电池是人类生产和生活中的重要能量来源，各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是(　　)

A.锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细

B.氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能

C.氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化

D.太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅

答案　C

解析　因为锌锰干电池中锌棒为负极，锌棒变细，碳棒不变，故A错;原电池是将化学能直接转变为电能，所以B错;氢氧燃料电池负极反应为H2-2e-===2H+，所以C正确;太阳能电池采用硅材料制作，故D错。

2.下列有关电池的说法不正确的是(　　)

A.手机上用的锂离子电池属于二次电池

B.铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极

C.甲醇燃料电池可把化学能转化为电能

D.锌锰干电池中，锌电极是负极

答案　B

解析　锂离子电池可以充电后再次使用，属于二次电池，A项正确;铜锌原电池中铜为正极，故外电路中电流为铜流向锌，而电子是由锌流向铜，B项错误;电池的实质是把化学能转化成电能，C项正确;Zn失去电子生成Zn2+，故作为负极，D项正确。

3.氢氧燃料电池用于航天飞机，电极反应产生的水经冷凝后可作为航天员的饮用水，其电极反应式如下：

负极：2H2+4OH--4e-===4H2O

正极：O2+2H2O+4e-===4OH-

当得到1.8 L饮用水时，电池内转移的电子数约为(　　)

A.1.8 mol B.3.6 mol C.100 mol D.200 mol

答案　D

解析　n(H2O)=1.8×103 g18 g•mol-1=100 mol

即每生成1 mol H2O则转移2 mol e-，当生成100 mol H2O时，转移200 mol e-。

4.蓄电池在放电时起原电池的作用，在充电时起电解池的作用。下面是爱迪生蓄电池分别在充电和放电时发生的反应：

Fe+NiO2+2H2O Fe(OH)2+Ni(OH)2

下列有关爱迪生蓄电池的推断错误的是(　　)

A.放电时，Fe是负极，NiO2是正极

B.蓄电池的电极可以浸入某种酸性电解质溶液中

C.放电时，负极上的电极反应为Fe+2OH--2e-===Fe(OH)2

D.放电时，电解质溶液中的阴离子向负极方向移动

答案　B

5.如图是甲醇燃料电池的结构示意图。甲醇在催化剂作用下提供质子(H+)和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应式为2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O。下列说法正确的是(　　)

A.左电极为电池的正极，a处通入的物质是甲醇

B.右电极为电池的负极，b处通入的物质是空气

C.负极反应式为CH3OH+H2O-6e-===CO2↑+6H+

D.正极反应式O2+2H2O+4e-===4OH-

答案　C

解析　据图知，在左电极有电子流出，应为电池的负极，被氧化的物质是甲醇，在酸性电解液中产生CO2，故A错误，C正确;右电极有电子流入，应为电池的正极，B错误;由于氢离子通过质子交换膜进入正极区，所以正极反应式得到OH-是错误的。

6.LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为FePO4+Li LiFePO4，电池的正极材料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li+导电固体为电解质。下列有关LiFePO4电池说法正确的是(　　)

A.可加入硫酸以提高电解质的导电性

B.放电时电池内部Li+向负极移动

C.充电过程中，电池正极材料的质量增加

D.放电时电池正极反应为：FePO4+Li++e-===LiFePO4

答案　D

解析　由于Li能和稀H2SO4、H2O反应，因此电解质不能用硫酸;放电过程为原电池原理，在原电池中，阴离子向着负极移动，阳离子向着正极移动;充电过程是电解的过程，电解池的阳极失电子，即LiFePO4-e-===Li++FePO4，因此阳极材料(LiFePO4)质量会减少;将电解池阳极反应倒过来就是原电池的正极反应。综合上述分析可知D正确。

练方法技巧

7.在下图装置中，通电后可观察到Cu极溶解，则下列说法中不正确的是 ( )?

A.直流电源中，A是正极?

B.两池内CuSO4溶液浓度均不改变?

C.两铁极上最初析出物相同?

D.P池内溶液的质量逐渐减小

答案 B

解析 由于Li能和稀H2SO4、H2O反应，因此电解质不能用硫酸;放电过程为原电池原理，在原电池中，阴离子向着负极移动，阳离子向着正极移动;充电过程是电解的过程，电解池的阳极失电子，即LiFePO4-e-=== Li++FePO4，因此阳极材料(LiFePO4)质量会减少;将电解池阳极反应倒过来就是原电池的正极反应。综合上述分析可知D正确。

8.乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在200℃左右时供电，电池总反应式为C2H5OH+3O2===2CO2+3H2O，电池示意图，下列说法中正确的是(　　)

A.电池工作时，质子向电池的负极迁移

B.电池工作时，电流由b极沿导线流向a极

C.a极上发生的电极反应是 C2H5OH+3H2O+12e-===2CO2+12H+

D.b极上发生的电极反应是 2H2O+O2+4e-===4OH-

答案　B

解析　通入乙醇的一极(a极)为负极，发生氧化反应;通入氧气的一极(b极)为正极，发生还原反应。电池工作时，阳离子(质子)向电池的正极迁移，A项不正确;电流方向与电子流向相反，电流由b极沿导线流向a极，B项正确;a极上乙醇应该失电子被氧化，所以C项不正确;因为电池中使用的是磺酸类质子溶剂，所以电极反应式中不能出现OH-，D项不正确。

练综合拓展

9.科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解质中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：

(1)这种电池放电时发生的化学反应方程式：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)此电池的正极发生的电极反应：

________________________________________________________________________，

负极发生的电极反应：

________________________________________________________________________。

(3)电解液中H+向________极移动，向外电路释放电子的电极是________。

(4)使用该燃料电池的另一个好处是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　(1)2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O

(2)3O2+12H++12e-===6H2O

2CH3OH+2H2O-12e-===2CO2+12H+

(3)正　负极　(4)对环境无污染

解析　(1)燃料电池的电池反应为燃料的氧化反应，在酸性条件下生成的CO2不与H2SO4反应，故电池总反应式为2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O。

(2)电池的正极O2得电子，由于是酸性环境，所以会生成H2O，用电池总反应式减去正极反应式即可得出负极的电极反应式。

(3)H+移向正极，在正极生成水。

(4)产物是CO2和H2O，不会对环境造成污染。

10.氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。下图为电池示意图，该电池电极表面镀了一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定。请回答：

(1)

氢氧燃料电池的能量转化主要形式是______________，在导线中电子流动方向为________(用a、b表示)。

(2)负极反应式为_________________________________________________________。

(3)电极表面镀铂粉的原因为_______________________________________________

________________________________________________________________________。

(4)该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断地提供电能。因此，大量安全储氢是关键技术之一。

金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：

Ⅰ.2Li+H2=====△2LiH

Ⅱ.LiH+H2O===LiOH+H2↑

①反应Ⅰ中的还原剂是__________，反应Ⅱ中的氧化剂是________。

②已知LiH固体密度为0.82 g•cm-3，用锂吸收224 L(标准状况)H2，生成的LiH体积与被吸收的H2体积比为________。

③由②生成的LiH与H2O作用，放出的H2用作电池燃料，若能量转化率为80%，则导线中通过电子的物质的量为________mol。

答案　(1)化学能转变为电能　a到b　(2)2H2+4OH--4e-===4H2O或H2+2OH--2e-===2H2O　(3)增大电极单位面积吸附H2、O2的分子数，加快电极反应速率

(4)①Li　H2O　②1/1 148或8.71×10-4　③32

解析　(1)电池是把化学能转变为电能的装置;在电池中，电子从负极经导线流向正极，而氢氧燃料电池中通入H2的一极是负极，故电子由a流动到b。

(2)H2在负极失电子，因为电解质溶液是KOH溶液，故负极反应式为2H2+4OH--4e-===4H2O。

(3)电极表面镀铂粉可以增大电极单位面积吸附H2、O2的分子数，从而增大反应速率。

(4)LiH中Li为+1价，H为-1价，故反应Ⅰ中还原剂是Li，反应Ⅱ中氧化剂是H2O。由反应Ⅰ可知吸收标准状况下224 L H2时生成160 g LiH，则生成的LiH的体积是160 g0.82 g•cm-3，则生成的LiH的体积与被吸收的H2的体积之比为1600.82×224×103=11 148。由②生成的20 mol LiH与H2O反应，由反应Ⅱ可知生成20 mol H2，H2～2e-，能量转化率为80%，则通过的电子的物质的量为20 mol×2×80%=32 mol。

11.由于Fe(OH)2极易被氧化，所以实验室很难用亚铁盐溶液与烧碱反应制得白色纯净的Fe(OH)2沉淀，应用右图电解实验可以制得白色的纯净的Fe(OH)2沉淀，两电极材料分别为石墨和铁。

?

(1)a电极材料应为 ，电极反应式为 。?

(2)电解液d可以是 (填编号)。?

A.纯水 B.NaCl溶液? C.NaOH溶液 D.CuCl2?

(3)c为苯，其作用是 ，在加入苯之前对d应作何简单处理 。

(4)为了在较短时间内看到白色沉淀，可采取的措施是(填编号) 。?

A.改用稀硫酸作电解液? B.适当增大电源电压?

C.适当减小两电极间的距离? D.适当降低电解液的温度?

(5)若d中用Na2SO4溶液，当电解一段时间看到白色Fe(OH)2沉淀后，再反接电源电

解，除了电极上看到气泡外，混合物中另一明显现象为 。

答案 (1)铁 Fe-2e- === Fe2+? (2)BC?

(3)液封，防止Fe(OH)2 被氧化 加热煮沸?

(4)BC?

(5)白色沉淀迅速变成灰绿色，最后变成红褐色?

解析 (1)a极应该用铁，电极反应：Fe-2e-=== Fe2+?;在反应中提供Fe2+。?

(2)要生成Fe(OH)2,必须使溶液显碱性，可以通过电解使溶液显碱性，所以可以选用NaCl溶液，也可直接选用NaOH作电解液。?

(3)在液体表面加一层苯的目的是起液封的作用，防止生成的Fe(OH)2被氧化;而在加入苯之前，应该对溶液d进行加热煮沸，赶出其中溶解的空气。??

(4)为了加快反应速率，可以增大电源电压和适当减小两极间的距离，即B、C项措施。

(5)若用Na2SO4溶液，则会产生氧气，将生成的Fe(OH)2氧化，会看到白色沉淀迅速变成灰绿色，最后变成红褐色。

第3课时　电解池的工作原理

[目标要求]　1.理解电解原理，初步掌握一般电解反应产物的判断方法。2.掌握电解电极反应方程式的书写。3.了解电解反应的一般规律。

一、电解

1.概念

使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。

2.特点

(1)电解是最强有力的氧化还原手段，是不可逆(填“可逆”或“不可逆”)的。

(2)电解质溶液的导电过程，就是电解质溶液的电解过程。

二、电解池

1.定义

把电能转化成化学能的装置。

2.形成条件

(1)直流电源;

(2)两个电极：与电源正极相连的一极是阳极;与电源负极相连的一极是阴极;

(3)电解质溶液或熔融电解质;

(4)形成闭合回路。

3.装置及电极反应

以电解CuCl2溶液为例

(1)装置

(2)电极反应

阴极 Cu2++2e-===Cu发生还原反应

阳极 2Cl--2e-===Cl2发生氧化反应

总反应 CuCl2=====电解Cu+Cl2↑

4.电子流向和离子流向

(1)电子流向

电源负极―→电解池阴极

电解池阳极―→电源正极

(2)离子流向

阳离子―→电解池阴极

阴离子―→电解池阳极

5.电解熔融NaCl时的电极反应式为

阳极：2Cl--2e-===Cl2↑(氧化反应);

阴极：2Na++2e-===2Na(还原反应)。

知识点一　电解池

1.下列有关电解池的说法正确的是(　　)

A.在电解池中与外接电源负极相连的电极是阳极

B.无论电解何种物质，阳极上失电子数都与阴极上得电子数相等

C.电解氯化铜溶液时，在阴极上有气体生成

D.电解NaCl、CuCl2两种溶液，参加反应的物质是相同的

答案　B

解析　与负极相连的是阴极。电解氯化铜时，阳极上有氯气生成，阴极上有铜析出;电解NaCl溶液时，水参加了反应，而电解CuCl2溶液时，水没有参加反应。

2.学生欲完成反应Cu+H2SO4===CuSO4+H2↑而设计了下列四个实验，你认为可行的是(　　)

答案　C

知识点二　电解原理

3.

上图是电解CuCl2溶液的装置，两个电极是石墨电极，则下列有关判断正确的是(　　)

A.a为负极、b为正极 B.a为阳极、b为阴极

C.电解过程中，Cl-浓度不变 D.电解过程中，d电极质量增加

答案　D

解析　电流的方向是从正极到负极，根据图中电流方向，可知a为电源的正极，b为电源的负极，所以A项错误;在电解池中c、d才称为阳、阴极，所以B项错误;在电解过程中，阳极：2Cl--2e-===Cl2↑，阴极：Cu2++2e-===Cu，所以溶液中的Cl-浓度减小，C项错误;c与电源正极相接是阳极，d与电源的负极相接是阴极，所以c电极上析出氯气，d电极上析出金属铜，质量增加，所以D项正确。

4.Cu2O是一种半导体材料，基于绿色化学理念设计的制取Cu2O的电解池示意图如图所示，电解总反应为2Cu+H2O Cu2O+H2↑。下列说法正确的是(　　)

A.石墨电极上产生氢气

B.铜电极发生还原反应

C.铜电极接直流电源的负极

D.当有0.1 mol电子转移时，有0.1 mol Cu2O生成

答案　A

解析　由电解总反应可知，Cu参加了反应，所以Cu作电解池的阳极，发生氧化反应，B选项错误;石墨作阴极，阴极上是溶液中的H+放电，电极反应为 2H++2e-===H2↑，A选项正确;阴极与电源的正极相连，C选项错误;阳极反应为2Cu+2OH--2e-===Cu2O+H2O，当有0.1 mol电子转移时，有0.05 mol Cu2O生成，D选项错误。

5.如图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置。通电后在石墨电极a和b附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列实验现象中正确的是(　　)

A.逸出气体的体积，a电极的小于b电极的

B.一电极逸出无味气体，另一电极逸出刺激性气味气体

C.a电极附近呈红色，b电极附近呈蓝色

D.a电极附近呈蓝色，b电极附近呈红色

答案　D

解析　Na2SO4===2Na++SO2-4，H2O??H++OH-，SO2-4和OH-移向b电极，Na+和H+移向a电极，在b电极上：4OH--4e-===2H2O+O2↑，在a电极上：2H++2e-===H2↑，所以产生的气体体积a电极的大于b电极的;两种气体均为无色无味的气体;由于a电极上H+放电，所以a电极附近的c(OH-)>c(H+)，滴加石蕊溶液，a电极附近呈蓝色，同理b电极附近呈红色。

知识点三　电解规律应用

6.用惰性电极电解下列溶液一段时间后再加入一定量的某种纯净物(方括号内的物质)，能使溶液恢复到原来的成分和浓度的是(　　)

A.AgNO3[AgNO3] B.NaOH[H2O]

C.KCl[KCl] D.CuSO4[Cu(OH)2]

答案　B

解析　A项：4AgNO3+2H2O=====电解4Ag+O2↑+4HNO3

脱离反应体系的物质是4Ag+O2，相当于2Ag2O，所以应当加入适量Ag2O才能复原。(加入AgNO3，会使NO-3的量增加);B项：2H2O=====电解2H2↑+O2↑　脱离反应体系的是2H2+O2，相当于2H2O，加入适量水可以复原。C项：2KCl+2H2O=====电解2KOH+H2↑+Cl2↑　脱离反应体系的是H2+Cl2，相当于2HCl，应通入适量HCl气体才能复原。(加入盐酸时，同时也增加了水)　D项：2CuSO4+2H2O=====电解2H2SO4+2Cu+O2↑　脱离反应体系的是2Cu+O2，相当于2CuO，加入适量CuO可以复原。

7.用铂作电极电解某种溶液，通电一段时间后，溶液的pH变小，并且在阳极得到0.56 L气体，阴极得到1.12 L气体(两种气体均在相同条件下测定)。由此可知溶液可能是(　　)

A.稀盐酸 B.KNO3溶液 C.CuSO4溶液 D.稀硫酸

答案　D

解析　阳极与阴极产生的气体体积比为0.56 L1.12 L=12，相当于电解水，pH变小说明电解了含氧酸。

练基础落实

1.如图中x、y分别是直流电源的两极，通电后发现，a极板质量增加，b极板处有无色无味气体放出，符合这一情况的是(　　)

a极板 b极板 x电极 z溶液

A 锌 石墨 负极 CuSO4

B 石墨 石墨 负极 NaOH

C 银 铁 正极 AgNO3

D 铜 石墨 负极 CuCl2

答案　A

2.在水中加等物质的量的Ag+、Pb2+、Na+、SO2-4、NO-3、Cl-，该溶液放在用惰性电极作电极的电解槽中，通电片刻，则氧化产物与还原产物质量比为(　　)

A.35.5∶108 B.16∶207 C.8∶1 D.108∶35.5

答案　C

解析　溶液中的六种离子，有四种发生反应生成沉淀，Ag++Cl-===AgCl↓、Pb2++SO2-4===PbSO4↓，最后溶液就成了NaNO3溶液;而电解NaNO3溶液，实质上就是电解水，电解方程式为2H2O=====电解2H2↑+O2↑。氧化产物和还原产物的质量之比为m(O2)∶m(H2)=(1 mol×32 g•mol-1)∶(2 mol×2 g•mol-1)=8∶1，即C项正确。

3.在100 mL H2SO4和CuSO4的混合液中，用石墨作电极电解，两极上均收集到2.24 L气体(标准状况下)，则原混合液中，Cu2+的物质的量浓度为(　　)

A.1 mol•L-1 B.2 mol•L-1 C.3 mol•L-1 D.4 mol•L-1

答案　A

解析　两极均收集到气体时，阴极是Cu2+放电后，H+又放电生成氢气;阳极是OH-放电生成氧气。n(H2)=n(O2)=2.24 L/22.4 L•mol-1=0.1 mol，由电子守恒得n(Cu2+)×2+n(H2)×2=n(O2)×4，即：c(Cu2+)×0.1 L×2+0.1 mol×2=0.1 mol×4，解得：c(Cu2+)=1 mol•L-1，本题考查在阳离子阴极的放电顺序，Cu2+>H+。

4.用惰性电极电解一定浓度的硫酸铜溶液，通电一段时间后，向所得的溶液中加入0.1 mol Cu(OH)2后恰好恢复到电解前的浓度和pH。则电解过程中转移的电子的物质的量为(　　)

A.0.1 mol B.0.2 mol C.0.3 mol D.0.4 mol

答案　D

解析　由电解CuSO4溶液的反应的化学方程式2CuSO4+2H2O=====电解2Cu+O2↑+2H2SO4知，电解过程中只析出Cu和放出O2，故电解后加入CuO就可以复原。但本题提示加入0.1 mol Cu(OH)2可以复原，说明电解过程中不仅有CuSO4被电解，还有H2O被电解。0.1 mol Cu(OH)2相当于0.1 mol CuO和0.1 mol H2O，由电子守恒0.1 mol CuO～0.1 mol Cu～0.2 mol e-，0.1 mol H2O～0.1 mol H2～0.2 mol e-，共计0.4 mol e-。

练方法技巧

5.在25 ℃时，将铜电极插入一定量的饱和硫酸钠溶液中进行电解，通电一段时间后，阴极逸出a mol气体，同时有b g Na2SO4•10H2O晶体析出。若温度不变，剩余溶液中溶质的质量分数是(　　)

A.bb+18a×100% B.bb+36a×100%

C.71b161b+36a×100% D.71b161b+18a×100%

答案　C

解析　用铜作电极时，阳极上铜失去电子被氧化，电极反应为Cu-2e-===Cu2+;阴极上生成H2，电极反应为2H++2e-===H2↑，阴极区产生的OH-与阳极区产生的Cu2+结合生成Cu(OH)2沉淀。总反应为Cu+2H2O=====通电Cu(OH)2+H2↑，即阴极每生成a mol H2，就有2a mol水被电解，发生电解的水与析出的Na2SO4•10H2O晶体可以组成该温度下的饱和溶液。该饱和溶液的质量为b g+2a mol×18 g•mol-1=(b+36a) g，溶质的质量为142322×b g。故w(Na2SO4)=142b322b+36a×100%=71b161b+36a×100%。

6.铅蓄电池的工作原理为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。研读下图，下列判断不正确的是(　　)

A.K闭合时，d电极反应式：PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO2-4

B.当电路中转移0.2 mol电子时，Ⅰ中消耗的H2SO4为0.2 mol

C.K闭合时，Ⅱ中SO2-4向c电极迁移

D.K闭合一段时间后，Ⅱ可单独作为原电池，d电极为正极

答案　C

解析　当K闭合时，装置Ⅰ中的电极为Pb和PbO2，应为原电池，b极(Pb)作负极，a极(PbO2)作正极;Ⅱ中的电极均为PbSO4，应为电解池，c极为阴极，d极为阳极。A项：K闭合时，d极发生氧化反应：PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO2-4，正确;B项：电路中转移0.2 mol电子时，Ⅰ中消耗0.2 mol H2SO4和0.1 mol Pb，正确;C项：Ⅱ中SO2-4向阳极(d极)迁移，错误;D项：K闭合一段时间后，c极表面生成Pb，d极表面生成PbO2，装置Ⅱ可单独作为原电池，d电极为正极，正确。

7.在25 ℃时，用石墨电极电解2.0 L 0.5 mol•L-1 CuSO4溶液。5 min后，在一个石墨电极上有6.4 g Cu生成。试回答下列问题：

(1)发生氧化反应的是________极，电极反应式为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)若电解后溶液的体积不变，则电解后溶液的pH为________。

(3)若将溶液恢复到与电解前一样，则需加入________ mol的________。

(4)若用等质量的两块铜片代替石墨作电极，电解后两铜片的质量相差________g，电解液的pH________。(填“变小”、“变大”或“不变”)

答案　(1)阳　4OH--4e-===2H2O+O2↑

(2)1　(2)0.1　CuO　(4)12.8　不变

解析　(1)n(CuSO4)=2.0 L×0.5 mol•L-1=1.0 mol，而在阴极析出的Cu为6.4 g64 g•mol-1=0.1 mol，故CuSO4未完全电解，阳极发生氧化反应，电极反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑。

(2)总反应为

2CuSO4+2H2O=====通电2Cu　+　O2↑　+　2H2SO4

2　 　 　 2　　　　2　 　　　1　　　　　2

0.1 mol　0.1 mol　 0.1 mol　0.05 mol　　0.1 mol

所以电解后c(H+)=0.1 mol×22.0 L=0.1 mol•L-1，

故pH=-lg 0.1=1。

(3)电解后生成的0.1 mol Cu和0.05 mol O2脱离该体系，即相当于0.1 mol CuO，因此若将溶液复原，则应加入0.1 mol CuO。

(4)此时成为电镀池，阳极：Cu-2e-===Cu2+，阴极：Cu2++2e-===Cu，因此若阴极上析出6.4 g铜，则阳极溶解6.4 g铜，电解后两铜片质量差为6.4 g+6.4 g=12.8 g，而电解液的pH不变。

练综合拓展

8.在50 mL 0.2 mol•L-1 CuSO4溶液中插入两个电极，通电电解(不考虑水分蒸发)。则：

(1)若两极均为铜片，试说明电解过程中CuSO4溶液的浓度________(填“增大”、“减小”或“不变”)。

(2)若阳极为纯锌，阴极为铜片，阳极反应式是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)若阳极为纯锌，阴极为铜片，如不考虑H+在阴极上放电，当电路中有0.04 mol e-通过时，阴极增重________g，阴极上的电极反应式是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　(1)不变　(2)Zn-2e-===Zn2+

(3)1.28　Cu2++2e-===Cu

解析　(1)两极均为铜片，电解液为CuSO4溶液，这是一个电镀装置，电解过程中电解质溶液的浓度不变。

(2)阳极为纯锌，为活泼金属，通电电解时，锌发生氧化反应：Zn-2e-===Zn2+。

(3)若阳极为纯锌，阴极为铜片，不考虑H+在阴极上放电，则阴极反应为Cu2+得电子的还原反应：Cu2++2e-===Cu。当电路中有0.04 mol电子通过时，有0.04 mol/2×64 g•mol-1=1.28 g铜析出。

第4课时　电解原理的应用

[目标要求]　1.了解氯碱工业、电镀、精炼铜的原理。2.掌握电解原理及其应用。

电解原理的应用

1.氯碱工业：电解饱和食盐水，制取烧碱、氯气和氢气。

电极的反应式(并注明反应类型)

阳极：2Cl--2e-===Cl2↑　(氧化反应);

阴极：2H++2e-===H2↑　(还原反应)。

总反应式：2NaCl+2H2O=====电解2NaOH+Cl2↑+H2↑。

其中阴极反应中的H+是由水电离产生的。

2.电镀

(1)电镀是应用电解的原理在金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法。

(2)电镀阳极：镀层金属，电极本身发生氧化反应阴极：待镀金属制品电镀溶液：含有镀层金属离子的溶液

在电镀过程中，电镀液的浓度不变。

3.电解精炼(如电解精炼铜，杂质为铁、锌、金、银)

(1)粗铜作阳极，电极反应Cu-2e-===Cu2+;

精铜作阴极，电极反应Cu2++2e-===Cu;

电解质溶液CuSO4溶液。

(2) 活泼性较强的铁、锌以离子形式进入溶液，活泼性较差的金、银形成阳极泥。

4.电冶金制取金属

Na、Ca、Mg、Al等活泼金属，很难用还原剂从它们的化合物中还原得到单质，因此必须通过电解熔融的化合物的方法得到。如电解熔融的氯化钠可以得到金属钠：

阴极：2Na++2e-===2Na，阳极：2Cl--2e-===Cl2↑，

总反应式：2NaCl(熔融)=====电解2Na+Cl2↑。

知识点一　氯碱工业

1.某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，通电时，为使Cl2被完全吸收制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如图所示的装置，以下对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是(　　)

A.a为正极，b为负极;NaClO和NaCl

B.a为负极，b为正极;NaClO和NaCl

C.a为阳极，b为阴极;HClO和NaCl

D.a为阴极，b为阳极;HClO和NaCl

答案　B

解析　电解饱和食盐水的方程式为2NaCl+2H2O电解,2NaOH+H2↑+Cl2↑，NaOH在阴极区生成，Cl2在阳极区生成。按照该学生制作的竖直的家用环保型消毒装置，若将阳极置于上方，则氯气一生成即逸出，不能完全与NaOH反应。显然，应将阳极置于下方，阴极置于上方，下方阳极生成的氯气通过溶液时即可很好地被阴极生成的NaOH吸收。反应为Cl2+2NaOH===NaCl+NaClO+H2O。还应注意的是图中电极a、b是电源的电极而非电解池的电极。与电解装置上方阴极相连的a为电源的负极，则b为正极。

2.如图Ⅰ所示是用石墨和铁作电极电解饱和食盐水的装置，请填空：

(1)X的电极名称是__________极，发生的电极反应式为______________，Y极的电极材料是____________，检验X极产物的方法是________________________________。

(2)某同学在实验时误将两种电极材料接反，导致X极上未收集到预期产物，一段时间后又将两极的连接方式纠正过来，发现X极附近出现了白色沉淀，此沉淀是________(填化学式)，其形成原因是___________________________________________________________

________________________________________________________________________，

该沉淀在空气中放置，现象是______________________。

(3)

工业上电解饱和食盐水的方法之一是将两个电极室用离子交换膜隔开(如图Ⅱ所示)，其目的是________________，阳极室(A处)加入____________，阴极室(B处)加入__________，离子交换膜只许__________离子通过。

答案　(1)阳　2Cl--2e-===Cl2↑　Fe　用湿润的淀粉碘化钾试纸放在X极附近，若试纸变蓝，说明生成了Cl2

(2)Fe(OH)2　铁作阳极时被氧化为Fe2+，纠正错误后，这一端又变为阴极，2H++2e-===H2↑，生成的OH-与Fe2+结合成Fe(OH)2　先变灰绿色，后变红褐色

(3)防止H2与Cl2混合发生爆炸，防止Cl2与NaOH反应生成NaClO，使NaOH不纯　饱和食盐水　纯水(或NaOH稀溶液)　Na+

解析　与电源正极相接的为电解池的阳极，与电源负极相接的为电解池的阴极，若接反则金属Fe失去电子而产生Fe(OH)2沉淀。

知识点二　电镀池与精炼铜

3.在铁制品上镀上一层锌层，以下电镀方案中合理的是(　　)

A.锌作阳极，铁制品作阴极，溶液中含Fe2+

B.锌作阴极，铁制品作阳极，溶液中含Zn2+

C.锌作阴极，铁制品作阳极，溶液中含Fe3+

D.锌作阳极，铁制品作阴极，溶液中含Zn2+

答案　D

解析　要在铁制品上镀锌，应该用锌作阳极，铁制品作阴极，含有Zn2+的溶液作电镀液，所以D项正确。

4.金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是(已知：氧化性Fe2+

A.阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni2++2e-===Ni

B.电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等

C.电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2+和Zn2+

D.电解后，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt

答案　D

解析　此题考查的是电解的基本原理。在电解池中，阳极失去电子，化合价升高，发生氧化反应，而阴极得到电子，化合价降低，发生还原反应。题目中已经告诉氧化性：Fe2+Fe>Ni>Cu>Pt(惰性金属不放电)，阴极的放电顺序为：Zn2+阴极质量的增加。C：溶液中除了Fe2+和Zn2+还有Ni2+、H+等。

5.火法炼铜得到的粗铜中含多种杂质(如锌、金和银等)，其性能远不能达到电气工业的要求，工业上常使用电解精炼法将粗铜提纯。在电解精炼时(　　)

A.粗铜接电源负极

B.纯铜作阳极

C.杂质都将以单质形式沉积到池底

D.纯铜片增重2.56 g，电路中通过电子为0.08 mol

答案　D

解析　电解精炼铜时，用粗铜作阳极，用精铜作阴极，所以A、B不正确;锌比铜活泼，失电子变成锌离子进入溶液中，金、银不活泼，以单质形式沉淀到池底，C不正确;n(e-)=2.56 g64 g•mol-1×2=0.08 mol，D正确。

知识点三　电化学计算

6.有三个烧杯，分别盛有氯化铜、氯化钾和硝酸银三种溶液，均以Pt作电极，将它们串联在一起电解一定时间，测得电极增重总和2.8 g，这时产生的有色气体与无色气体的物质的量之比为(　　)

A.4∶1 B.1∶1 C.4∶3 D.3∶4

答案　C

解析　串联电路中，相同时间内各电极得或失的电子的物质的量相同，各电极上放出气体的物质的量之比为定值。不必注意电极增重是多少，只要判断出生成何种气体及生成该气体一定物质的量所得失电子的物质的量，就可以通过得失电子守恒，判断气体体积之比，第一个烧杯中放出Cl2，第二个烧杯中放出Cl2和H2，第三个烧杯中放出O2。在有1 mol电子转移时，生成的气体的物质的量分别是0.5 mol、0.5 mol、0.5 mol和0.25 mol。所以共放出有色气体(Cl2)0.5 mol+0.5 mol=1 mol，无色气体(O2和H2)0.5 mol+0.25 mol=0.75 mol。

7.将含有0.4 mol Cu(NO3)2和0.4 mol KCl的水溶液1 L，用惰性电极电解一段时间后，在一电极上析出19.2 g Cu;此时，在另一电极上放出气体的体积在标准状况下为(不考虑产生的气体在水中的溶解)(　　)

A.3.36 L B.5.6 L C.6.72 L D.13.44 L

答案　B

解析　根据电解原理，阴、阳两极发生的电极反应为阴极：Cu2++2e-===Cu，阳极：2Cl--2e-===Cl2↑。

由题意知，在阴极上析出Cu：19.2 g64 g•mol-1=0.3 mol，则转移电子0.6 mol，根据电子得失守恒分析，阳极上除Cl-放电外，OH-也会放电产生O2，即4OH--4e-===2H2O+O2↑，经计算可知得到Cl2 0.2 mol，得到O2 0.05 mol，故阳极放出气体的体积为 (0.2 mol+0.05 mol)×22.4 L•mol-1=5.6 L。

练基础落实

1.关于电解NaCl水溶液，下列叙述正确的是(　　)

A.电解时在阳极得到氯气，在阴极得到金属钠

B.若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液，溶液呈棕色

C.若在阴极附近的溶液中滴入酚酞试液，溶液呈无色

D.电解一段时间后，将全部电解液转移到烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性

答案　B

解析　电解食盐水时发生的反应：阳极：2Cl--2e-===Cl2↑

阴极：2H2O+2e-===H2↑+2OH-

总反应：2NaCl+2H2O=====通电2NaOH+H2↑+Cl2↑

对照分析选项，A错误;阳极附近的溶液中会溶有少量的Cl2，滴加KI溶液后发生反应：Cl2+2I-===I2+2Cl-，溶液呈棕色，B正确;阴极附近产生大量的OH-，滴加酚酞后变红色，C错误;电解后生成NaOH，溶液呈碱性，D错误。

2.下列关于电解法精炼粗铜的叙述中不正确的是(　　)

A.粗铜板作阳极

B.电解时，阳极发生氧化反应，而阴极发生的反应为 Cu2++2e-===Cu

C.粗铜中所含Ni、Fe、Au、Ag等金属杂质，电解后以单质形式沉积槽底，形成阳极泥

D.电解铜的纯度可达99.95%～99.98%

答案　C

3.用惰性电极电解M(NO3)x的水溶液，当阴极上增重a g时，在阳极上同时产生b L氧气(标准状况)，从而可知M的相对原子质量为(　　)

A.22.4 axb B.11.2 axb C.5.6 axb D.2.5 axb

答案　C

解析　根据得失电子守恒列出物质间的对应关系，设M的相对原子质量为Mr。

Mx+　～xe-　～　x4O2

Mr g　　　　　22.4•x4 L

a g　　　　　　　b L

解得Mr=22.4ax4b=5.6axb。

4.依据下图判断，下列叙述正确的是(　　)

A.Ⅰ是原电池，Ⅱ是电镀装置

B.Ⅰ、Ⅱ装置中锌极上均发生氧化反应

C.Ⅱ、Ⅲ装置中，铜极均发生氧化反应而溶解

D.Ⅱ、Ⅲ装置中Cu2+浓度基本不变

答案　A

解析　仔细观察三个装置，Ⅰ为原电池，电极反应式为

负极(Zn)：Zn-2e-===Zn2+，正极(Cu)：Cu2++2e-===Cu，

Ⅱ为电镀池，电极反应式为

阳极(Cu)：Cu-2e-===Cu2+，阴极(Zn)：Cu2++2e-===Cu，

Ⅲ为电解池，电极反应式为

阳极(Zn)：Zn-2e-===Zn2+，阴极Cu：Cu2++2e-===Cu。

练方法技巧

5.电解CuSO4溶液时，若要达到以下三点要求：①阳极质量减少;②阳极质量增加;③电解液中c(Cu2+)不变，则可选用的电极是(　　)

A.含Zn、Ag的铜合金作阳极，纯铜作阴极

B.纯铜作阳极，含Zn、Ag的铜合金作阴极

C.用纯铁作阳极，用纯铜作阴极

D.用石墨作阳极，用惰性电极(Pt)作阴极

答案　B

解析　根据①，须选择非惰性电极(除石墨、金、铂外的电极)作阳极;根据③，须选择纯铜为阳极，含有Cu2+的盐(如硫酸铜溶液)作电解液。至于阴极材料则选择的余地较大，如B选项中用含Zn、Ag的铜合金作阴极，当然也可用纯铜、石墨、铂等作阴极。

6.请按要求回答下列问题。

(1)根据图1回答①②：

①打开K2，合并K1。

A电极可观察到的现象是________;B极的电极反应式为________。

②打开K1，合并K2。

A电极可观察到的现象是________;B电极的电极反应式为________;

(2)根据图2回答③④：

③将较纯净的CuSO4溶液放入如图所示的装置中进行电解，石墨电极上的电极反应式为________________________________________________________________________，

电解反应的离子方程式为__________________________________________________;

④实验完成后，铜电极增重a g，石墨电极产生标准状况下的气体体积为________L。

答案　(1)①锌不断溶解　Cu2++2e-===Cu

②A镀上一层红色的铜　Cu-2e-===Cu2+

(2)③4OH--4e-===2H2O+O2↑

2Cu2++2H2O=====通电2Cu+O2↑+4H+

④22.4a128

解析　(1)①此时为原电池，锌为负极，不断溶解，B极为正极，反应为Cu2++2e-===Cu。

②此时为电解池，A极为阴极，反应为Cu2++2e-===Cu，故A极上镀上一层红色的铜，B极为阳极，反应为Cu-2e-===Cu2+。

(2)此时为惰性电极电解CuSO4，石墨极上的反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑，总反应的离子方程式为2Cu2++2H2O=====通电2Cu+O2↑+4H+，

V(O2)=a64×12×22.4 L=22.4a128 L。

7.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：

(1)电源中X极是________(填“正”或“负”)极。

(2)通电5 min时，B中共收集到224 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=________。

答案　(1)负　(2)0.025 mol•L-1　(3)13

解析　①要注意电解的阶段性。如含Cl-的溶液中Cl-电解完后继续通电会使OH-放电，Cu2+在阴极上被电解完全后H+又会放电等。②电极反应式和总反应方程式、电解产物物质的量与得失电子数之间的关系式是电化学计算的主要依据。

(1)铜极增重，说明银在铜极析出，则铜极为阴极，X为负极。

(2)C中铜极增重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112 mL H2，则通过0.01 mol电子时，Cu2+已被电解完。由2e-～Cu，可知n(Cu2+)=0.005 mol，则：

c(CuSO4)=0.005 mol÷0.2 L=0.025 mol•L-1。

(3)由4e-～4OH-知，A中生成0.02 mol OH-，则：c(OH-)=0.1 mol•L-1，pH=13。

练综合拓展

8.电解原理在化学工业中有着广泛的应用。如图所示表示一个电

解池，装有电解液a;X、Y是两块电极板，通过导线与直流电源相连。请回答以下问题：

(1)若X、Y都是惰性电极，a是饱和NaCl溶液，实验开始时，同时在两边各滴入几滴酚酞试液，则电解池中X极上的电极反应式为________。在X极附近观察到的现象是________。Y极上的电极反应式为________，检验该电极反应产物的方法是________。

(2)如果用电解方法精炼粗铜，电解液a选用CuSO4溶液，则X电极的材料是________，电极反应式为________。Y电极的材料是________，电极反应式为________(说明：杂质发生的电极反应不必写出)。

答案　(1)2H++2e-===H2↑　有气泡冒出，溶液变红　2Cl--2e-===Cl2↑　把湿润的淀粉碘化钾试纸放在Y电极附近，试纸变蓝

(2)纯铜　Cu2++2e-===Cu　粗铜　Cu-2e-===Cu2+

解析　(1)与电源负极相连的为阴极，因此，X极为阴极，2H++2e-===H2↑，反应过程中消耗了水电离出来的H+，溶液呈碱性，加入酚酞试液变成红色;Y极为阳极，2Cl--2e-===Cl2↑，产生的Cl2能使湿润的淀粉KI试纸变蓝。(2)电解精炼粗铜时，用含杂质的Cu作为阳极，纯Cu为阴极。反应过程中阳极上的Cu失去电子，成为离子进入溶液，在阴极Cu2+得电子。

9.如图，X和Y均为石墨电极。

(1)若电解液为滴有酚酞的饱和食盐水，电解反应的离子方程式为_______________;

电解过程中______极(填“阴”或“阳”)附近会出现红色。

(2)若电解液为500 mL含A溶质的某蓝色溶液，电解一段时间后，观察到X电极表面有红色的固态物质生成，Y电极有无色气体生成;溶液中原有溶质完全电解后，停止电解，取出X电极，洗涤、干燥、称量，电极增重1.6 g。

①电解后溶液的pH为________________;要使电解后溶液恢复到电解前的状态，需加入一定量的________________________(填加入物质的化学式)。(假设电解前后溶液的体积不变)

②Y电极产生气体的体积为______________L。

③请你推测原溶液中所含的酸根离子可能是__________________;并设计实验验证你的推测，写出实验的操作步骤、现象和结论：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　(1)2Cl-+2H2O=====通电2OH-+Cl2↑+H2↑　阴

(2)①1　CuO或CuCO3(仅答1种即可)　②0.28

③硫酸根离子　取少量待测液于试管中，滴加盐酸无明显现象，继续加入氯化钡溶液，若有白色沉淀产生，则证明是硫酸根离子(或：硝酸根离子　取少量待测液于试管中，加热浓缩后滴加浓硫酸和铜粉，若有红棕色气体产生，则证明是硝酸根离子)

解析　(1)电解饱和食盐水的离子方程式：2Cl-+2H2O=====通电2OH-+Cl2↑+H2↑，在阴极区生成NaOH，使酚酞溶液变红。

(2)蓝色溶液中可能含有Cu2+，并且在电解过程中析出红色固体，进一步验证析出的是铜;Y电极上析出无色气体，应该是O2，电解离子方程式：2Cu2++2H2O=====通电2Cu+O2↑+4H+。

①根据电解离子方程式得：n(H+)=2n(Cu2+)=2×1.6 g64 g•mol-1=0.05 mol，故溶液中c(H+)=0.05 mol0.5 L=0.1 mol•L-1，溶液的pH=1。要使溶液恢复到以前，可以加入CuO或CuCO3。

②根据电解离子方程式得：n(O2)=12×n(Cu)=0.012 5mol，在标准状况下的体积V(O2)=22.4 L•mol-1×0.012 5 mol=0.28 L。

③溶液中存在的必须是含氧酸根离子，可以是SO2-4或NO-3;然后利用实验进行检验。

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