化学自习室移动版

一、基础知识：

初中电池知识：电子的移动方向与电流的方向相反，负极流出电子，正极流入电子。

背景知识：氧化还原反应的基本理论。

1、对原电池结构、电解池结构的基本理解

(1)对于原电池：

负极：还原剂失去电子给电极，电子从电池内部流出。

还原剂－ne^-＋……=氧化产物＋……

正极：氧化剂从电极得到电子，电子从电池外部流入。

氧化剂＋ne^-＋……=还原产物＋……

原电池主动发生氧化还原反应。

(2)对于电解池：

阴极：与电源负极相连，电子从外部进入，发生得电子反应。

阳离子＋ne^-＋……=还原产物＋……

阳极：与电源正极相连，电子从电极流出，发生失电子反应。

阴离子－ne^-＋……=氧化产物＋……

电解池被动发生氧化还原反应。

2、电解池的电极反应中的特殊问题：

(1)有些离子在水溶液中不能被电解。

阳离子中的K^＋、Ca^2＋、Na^＋、Mg^2＋、Al^3＋、Ba^2＋……

阴离子中的一些含氧酸根、F^－……

(2)阳极是金属时(Pt、Au除外)，金属会反应，溶液中的阴离子不再被电解。

阳极：金属－ne^-＋……=氧化产物＋……

(3)电镀与电解精炼：

电解精炼时，带杂质的金属放在阳极，纯金属放在阴极。

电镀时，镀在表面的金属放在阳极，溶液要用此金属的电解质溶液，被镀的物品放在阴极。

3、充电电池的特殊性

充电时，原电池的电极反应发生逆向反应。

原电池的负极放电时失去电子，充电时得到电子，需要连接外电源的负极。

原电池的正极放电时得到电子，充电时失去电子，需要连接外电源的正极。

充电时，负极接负极，正极接正极。对应电极的反应与放电时相反。

4、溶液环境对反应的影响

酸性、碱性、中性、熔融等，对电极反应的书写有影响。

例如：甲醇燃料电池的负极反应：

(1)在酸性溶液中：CH₃OH－6e^-＋H₂O=CO₂＋6H^＋

(2)在碱性溶液中：CH₃OH－6e^-＋8OH^－=CO₃^2－＋6H₂O

(3)在中性溶液中：CH₃OH－6e^-＋H₂O=CO₂＋6H^＋

(4)在饱和Na₂CO₃溶液中：CH₃OH－6e^-＋2H₂O＋7CO₃^2－=8HCO₃^－

(5)在熔融CaO中：CH₃OH－6e^-＋3O₂^－=CO₂＋2H₂O

(6)在熔融Na₂CO₃中：CH₃OH－6e^-＋3CO₃^2－=2H₂O＋4CO₂

5、离子移动方向的推理技巧

阴离子的移动方向与电子的移动方向保持同向，形成闭合回路。

阳离子的移动方向与电子的移动方向相反。

6、膜的知识

(1)膜的种类

①阳离子交换膜：允许阳离子双向自由穿过。一般以－SO₃－等的盐，如磺酸型钠盐，固定基团是磺酸根，解离离子是钠离子。阳离子交换膜带负电荷，在通电时，带有正电荷的阳离子可以通过阳膜，而阴离子因为同性排斥而不能通过。

②阴离子交换膜：允许阴离子双向自由穿过。一般以－NH₃^＋等的盐。

③质子交换膜：允许H^＋双向自由穿过。

(2)功能：在放电或电解时可以用于分离离子、改善或保持溶液的纯净。

例：可用氨水作为吸收液吸收工业废气中的SO₂，当吸收液失去吸收能力时，可通过电解法使吸收液再生而循环利用(电极均为石墨电极)，并生成化工原料硫酸。其工作示意图如图所示：

阳极反应式为：HSO₃^－－2e^-＋H₂O=3H^＋＋SO₄^2－

阴极反应式为：2H^＋＋2e^-=H₂↑

左侧溶液中继续发生NH₄^＋变为NH₃•H₂O的反应。

7、电极电势的知识

(1)氧化性强的物质所对的电极的电势为高电势，还原性强的物质所对的电极的电势为低电势。

(2)电势的高低既与物质的还原能力高低、氧化能力高低有关，也有溶液的电解质浓度有关。

二、考查难点：

1、增加非水体系

如熔融盐体系、有机溶剂体系、离子液体体系等。

不能用H^＋、OH^－、H₂O的相互变化书写电极方程式，要用电池的电解质中提供的离子书写。

例：某离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系。由有机阳离子、Al₂Cl₇^－和AlCl₄^－组成的离子液体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应。

分析：

阳极反应式为：Al－3e^-＋7AlCl₄^－=4Al₂Cl₇^－

阴极反应式为：4Al₂Cl₇^－＋3e^-=Al ＋7AlCl₄^－

2、考查锂电池的三个特点

①负极是单质Li。

②溶液中一般传导的是Li^＋。

③电解质溶液不能用水、醇、酸等。

3、增加价态判断考查

对于不容易判断价态的元素，可以用整体法或电荷守恒法判断得失电子数。

(1)例：酸性燃料电池的燃料为C₃H₅OH，写出负极的电池方程式。

C₃H₅OH－16e^-＋5H₂O =3CO₂↑＋16H^＋

先根据质量守恒配平，再用电荷守恒可以推理出C₃H₅OH失去16e^-。

(2)例：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，该电池放电时的化学反应方程式为：2K₂S₂＋KI₃=K₂S₄＋3KI。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。

分析：

利用电荷守恒，两个电极方程式分别为：

I₃^－＋2e^-=3I^－、2S₂^2－－2e^-=S₄^2－

可以推理出I₃^－在反应过程中得到2e^-。2个S₂^2－在反应过程中失去2e^-。

(3)例：一种高性能的碱性硼化钒(VB₂)－空气电池如图所示，其中总反应为4VB₂＋11O₂＋20OH^－＋6H₂O=8B(OH)₄－＋4VO₄^3－，写出负极反应。

负极为VB₂电极：VB₂＋16OH^－－11e^-=VO₄^3－＋2B(OH)₄^－＋4H₂O

根据总反应能判断出VB₂的失电子数为11e^-，也可以用电极反应的电荷守恒得到VB₂的失电子数为11e^-。

4、增加电化学反应、化学反应的区分

也称为区分电极反应和电极周围的化学反应。

(1)例：在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上，科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案，主要包括电化学过程和化学过程，如图所示。

阴极反应为：Fe^3＋＋e^-=Fe^2＋

阳极反应为：2HCl－2e^-=Cl₂＋2H^＋

阴极周围的化学反应为：O₂＋4H^＋＋4Fe^2＋= 4Fe^3＋＋2H₂O

(2)例：环戊二烯可用于制备二茂铁(Fe(C₅H₅)₂)，二茂铁的电化学制备原理如下图所示，其中电解液为溶解有溴化钠(电解质)和环戊二烯的DMF溶液(DMF为惰性有机溶剂)。

分析：

电解质中无Fe^2＋，所以阳极为Fe，电极反应为Fe－2e^-=Fe^2＋。

阴极电极反应为Na^＋＋e^-=Na。

溶液中的化学反应为：

2Na＋2C₅H₆=2C₅H₅Na＋H₂↑

2C₅H₅^－＋Fe^2＋= Fe(C₅H₅)₂

5、用纳米材料、多孔材料、纤维材料增加图像复杂度的干扰

这些材料使用的目的是增大反应面积，加快放电、充电、电解的速率。

将反应物放在载体上，并将载体写在反应方程式中。

例：某可充电钴酸锂电池的工作原理如下图所示，该电池放电时，其中一极的电极反应式是LixC₆－xe^-=xLi^＋＋6C，则该极为图中的。

分析：

电极上的复杂图形是指多孔材料。

根据图示，此电池为锂电池，负极为Li金属，C₆为Li的载体。

根据Li^＋的移动方向，a为负极。b为正极，上面附着钴酸锂。

6、增加对工业目的的思考

目的决定反应。

例：H₃PO₂也可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：

分析：

根据电解目的，原料室中的H₂PO₂^－在电场的作用下进入产品室，稀硫酸中的H^＋进入产品室，生成H₃PO₂。推理得a为正极，b为负极。

7、增加有机物分子结构、结构变化的辨认

(1)例：CH₄和CO₂都是比较稳定的分子，科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化，其原理如下图所示。

分析：

通过图示辨识，可以看出阳极是CH₄转化为CH₃CH₃或CH₂=CH₂和H₂O，电极反应为：2CH₄－2e^-＋O^2-=CH₃CH₃＋H₂O或2CH₄－4e^-＋2O^2-=CH₂=CH₂＋2H₂O

阴极是CO₂转化为CO，电极反应为：CO₂＋2e^-=CO＋O^2-。

(2)一种双电子介体电化学生物传感器，用于检测水体急性生物毒性，其工作原理如图所示。

分析：

有机物反应前后的变化是失去了氢，发生了氧化反应。

8、增加不易判断反应物的电化学考查

(1)例：中国科学院深圳研究院成功研发出一种基于二硫化钼／碳纳米复合材料的钠型双离子电池，可充放电，放电时工作原理如图所示。下列说法不正确的是()

A.二硫化钼／碳纳米复合材料为该电池的负极材料

B．放电时正极的反应式为n(PF₆)x＋xe^-=xPF₆^－＋C_n

C．充电时阴极的电极反应式为MOS₂-C＋xNa^＋＋xe^-=NaxMOS₂-C

D充电时石墨端铝箔连接外接电源的负极

分析：

此题只有通过题中的选项，才能判断出两个电极的反应。

放电时

负极反应为NaxMOS₂-C－xe^-=MOS₂-C＋xNa^＋

正极反应为n(PF₆)x＋xe^-=xPF₆^－＋C_n

(2)一种浓差电池如图所示，阴、阳离子交换膜交替放置，中间的间隔交替充以河水和海水，选择性透过Na^＋和Cl^－，在两极板形成电势差，进而在外部形成电流。

分析：

根据电子移动方向，b极为负极，a极为正极。Na^＋向左移动，Cl^－向右移动。

负极Cl^－发生失电子的反应：2Cl^－－2e^-=Cl₂↑。

正极H₂O电离出的H^＋发生得电子的反应：2H^＋＋2e^-=H₂↑。

9、对量的计算分析

(1)利用电子的物质的量计算电极产物的物质的量。

(2)溶液体系内部离子的浓度变化或pH值变化。

(3)膜上穿过的粒子数的计算。

导线中流过的电子数=膜上穿过的离子数╳离子带的电荷数。

然后就可以进行交换膜一侧溶液的浓度、质量的变化计算。

三、综合题

镁稀土合金广泛应用于航空、航天、电子、通讯和汽车制造业等领域。熔盐电解法是一种高效制备镁稀土合金的方法，实验室制取Mg－Gd合金(物质的量比为1∶1)的电解槽示意图如图所示(相对原子质量Mg—24、Gd—157)。下列说法正确的是()

A．添加LiF、BaF₂的作用是催化剂

B．阳极的电极反应式为2F^－－2e^-===F₂↑

C．当电路中通过0.1 mol 电子时，生成Mg－Gd合金的质量为3.62 g

D．电解结束后，铝、碳电极质量不变

此题需要的电化学知识的能力分析：

先进行基础电化学判断：此装置为电解池，阴极为铝电极，阳极为碳电极。

(1)根据题意知道装置的目的：将熔盐电解为镁稀土合金。

(2)根据目的判断出铝阴极将Mg^2＋、Gd^3＋分别电解得到Mg，Gd。

电极反应分别为Mg^2＋＋2e^-=Mg、Gd^3＋＋3e^-=Gd。

(3)根据合金存在于铝阴极的底部，判断电解得到的Mg、Gd呈液态，不会附着在铝阴极上，不会造成铝阴极的质量增加。

(4)根据O^2-的还原能力大于F^－，判断碳阳极上电解O^2-得到O₂。

(5)根据碳阳极上得到O₂和高温环境，判断阳极上会发生C＋O₂=CO₂，阳极的碳会被消耗。

(6)根据电解氧化铝制铝时，需要加入冰晶石，判断加入LiF、BaF₂的目的是MgO、Ga₂O₃在较低的熔点下熔化。

(7)根据导线中电子移动的物质的量等于电极反应得失电子的物质的量，又根据题干中的“Mg－Gd合金(物质的量比为1∶1)”。计算得：

n(Mg)=0.02mol，n(Gd)=0.02mol。质量和为3.62g。

2、(增加辨识困难度的题)我国科学家在天然气脱硫研究方面取得了新进展，利用如图装置可发生反应：H₂S＋O₂===H₂O₂＋S↓。

左侧

电极反应为：AQ＋2H^＋＋2e^-=H₂AQ

溶液反应为：O₂＋H₂AQ = AQ＋H₂O₂

右侧

电极反应为：3I^－＋2e^-=I₃^－

溶液反应为：H₂S＋I₃^－=3I^－＋S↓＋2H^＋

【练习】

1、磷酸铁锂电池放电时的反应为Li_xC₆＋Li_1－xFePO₄=6C＋LiFePO₄。某磷酸铁锂电池的切面如图。下列说法不正确的是(　　)

A．放电时，电池负极反应为LixC₆－xe^-=xLi^＋＋6C

B．充电时，阳极上发生的反应为LiFePO₄－xe^-=Li_1－xFePO₄＋xLi^＋

C．放电时，Li^＋脱离石墨，经电解质嵌入负极

D．充电时，电子从电源负极流出经铜箔流入阴极材料

2、电渗析法淡化海水装置示意图如图所示，电解槽中阴离子交换膜和阳离子交换膜相间排列，将电解槽分隔成多个独立的间隔室，海水充满在各个间隔室中。通电后，一个间隔室的海水被淡化，而其相邻间隔室的海水被浓缩，从而实现了淡水和浓缩海水分离。下列说法正确的是()

A．离子交换膜b为阳离子交换膜

B．各间隔室的排出液中，①③⑤⑦为淡水

C．通电时，电极1附近溶液的pH比电极2附近溶液的pH变化明显

D．淡化过程中，得到的浓缩海水没有任何使用价值

【练习答案】

1、C

2、B