1.[17 全国Ⅲ,11]全固态锂硫电池能量密度高、成本低,其工作原理如图所示,其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料,电池反应为:16Li+xS8==8Li2Sx(2≤x≤8)。下列说法错误的是( )
A.电池工作时,正极可发生反应:2Li2S6+2Li++2e-==3Li2S4
B.电池工作时,外电路中流过0.02mol电子,负极材料减重0.14g
C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性
D.电池充电时间越长,电池中的Li2S2量越多
2.[15 全国Ⅱ,26]维持酸性锌锰干电池的电流强度为0.5A,电池工作5分钟,理论上消耗锌g。(已知F=96 500C·mol-1)
●协同转化反应
3.[18 全国I,13]最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置,实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示,其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯电极区发生反应为:
①EDTA-Fe2+-e-==EDTA-Fe3+
②2EDTA-Fe3++H2S==2H++S+2EDTA-Fe2+
该装置工作时,下列叙述错误的是( )
A.阴极的电极反应:CO2+2H++2e-==CO+H2O
B.协同转化总反应:CO2+H2S==CO+H2O+S
C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性
1.装置的比较
2.以电子流动为线索的分析
几个注意:分清电极名称与电极反应:“负阳氧失电子,正阴还得电子”。重视电解质溶液和溶液的酸碱性;溶液中离子移动的方向;原电池中阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。电解池中阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动。可充电电池充电,电池的正极与电源的正极相连。写电极反应:还要考虑电解质溶液与产物反应、三个守恒。
强调用电子流动为线索来分析反应,弱化了考题中对原电池还是电解池装置判断,以及电极极性的依赖。
3.考查的主要内容
(1)总反应
正极和负极的电极反应式在得失电子守恒的条件下,相加即为总反应。但如果两极产物的离子还能相互反应,或反应产物还能与电解质溶液反应,则总反应一般也要写成反应后的产物。
写电极反应时,首先考虑反应前后化合价变化的元素,按“升-失-氧-放电作负极或充电作阳极;降-得-还-放电作正极或充电作阴极”的顺序判断,电极反应的简记为:“负极-阳极-氧化,正极-阴极-还原”。
如果是可充电电池,首先必须分清充电与放电的方向,放电方向一般是能量降低的自发反应。充电时,电极反应式是原电池电极反应式的逆过程;燃料电池的电极总反应一般为可燃物的燃烧反应。
(2)电解液
电池反应应该与电解质的酸碱性保持一致,在碱性电解质中,电池反应式中不能出现H+,同理,在酸性溶液中,电池反应不出现OH-,但在电解反应中,由于多数为离子放电,所以,无论是在酸性,碱性还是中性溶液中,都有:阴极:2H++2e-==H2↑ 阳极:4OH--4e-==O2↑+2H2O
对于溶液酸碱性的判断,除了题中直接以信息的形式给出酸碱性之外,还可以通过物质来判断,如有NiO(OH),Ni(OH)2等时,可看成是碱性溶液。
熔融盐电池中不能加水溶液。高考题中也出现了固体电解质的情况。
(3)充电时(即为电解池)的反应
用阴阳极标注电极。
电极由与之相连接的外电源的极性决定,与电源正极相连的称阳极,反之称阴极。
阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应。一般认为电解池中阳离子向阴极移动,阳离子在阴极上放电,反之同理,在特殊情况下也有例外的,例如Fe2+向阳极扩散在阳极被氧化:Fe2+-e-==Fe3+。
二次电池在充电时,其电池的正极与外电源的正极相连,反之同理(记“正接正、负接负”),不能接反。
二次电池中,将放电时的负极反应逆向书写即是充电时的阴极反应,另一极同理。
(4)放电时(即为原电池)的反应
用正极负极标注电极。
电极由自身材料与反应决定。还原性物质作负极反应物(例如Al、Li、Pb、Zn等活泼金属;H2、CH3OH等可燃性气体)发生氧化反应。
氧化性物质作正极反应物(例如H+、Cu2+、Pb2+等金属离子,O2)发生还原反应。
(5)电极及溶液变化
一般金属作电极的电池,电极质量变化是“正增负减”,正极一般增重(金属析出,或生成气体H2),负极减轻(金属溶解)。
一般溶液pH值变化是“正增负减,阴盛阳衰”,即正极或阴极附近溶液,pH值将增加,阳极或负极近附近溶液,pH值将降低。(www.xing528.com)
(6)带电粒子的移动方向
原电池中:电子由负极经外线路流向正极,与电流方向相反。电池内部的电解质溶液中,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。电解池中:阳离子向阴极移动,反之同理。
形成闭合回路,在金属导体中靠电子移动导电,在溶液中,靠移动离子导电,“电子不下水,离子不上岸”。
(7)电子转移计算等
电路中,流过某截面的电子数=电极上得失电子的数目=电解质溶液中离子传输的电荷数。
由得失电子守恒建立各量间的关系。
①根据电子守恒法计算:串联电路各电极上得失电子数目相等。
②根据电解方程式或电极反应式计算。
③根据关系式计算,由得失电子守恒关系建立各量间的关系,如串联电池各电极产物的关系:O2-2Cl2-2Br2-4H+-(4e-)-2H2-2Cu-4Ag-4OH-
涉及到气体体积,首先看一下有没有标准状况,然后再进行计算。
【考型1】多池电化学
1.[14 广东,11]某同学组装了如图所示的电化学装置,电极Ⅰ为Al,其他均为Cu,则( )
A.电流方向:电极Ⅳ→A→电极Ⅰ
B.电极Ⅰ发生还原反应
C.电极Ⅱ逐渐溶解
D.电极Ⅲ的电极反应:Cu2++2e-==Cu
【考型2】电化学原理与化学原理
2.[15 安徽,25]常温下,将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入浓硝酸中组成原电池(图1),测得原电池的电流强度(I)随时间(t)的变化如图2所示。反应过程中有红棕色气体产生。
图1
图2
0～t1时,原电池的负极是Al片,此时,正极的电极反应式是_____________________,溶液中的H+向_____极移动。t1时,原电池中电子流动方向发生改变,其原因是__________________________________。
【考型3】电极协同反应的情况(电极反应后再反应)
3-1.[17.11 浙江,选30]科学家发现,以H2O和N2为原料,熔融NaOH-KOH为电解质,纳米Fe2O3作催化剂,在250℃和常压下可实现电化学合成氨。阴极区发生的变化可视为按两步进行。请补充完整。
电极反应式:____________________________和2Fe+3H2O+N2==2NH3+Fe2O3。
3-2.[重庆高考]人工肾脏可采用间接电化学方法除去代谢产物中的尿素,原理如下图所示。
(1)电源的负极为________(填“A”或“B”)。
(2)阳极室中发生的反应依次为_____、_____。
(3)电解结束后,阴极室溶液的pH与电解前相比将________;若两极共收集到气体13.44L(标准状况),则除去的尿素为____g(忽略气体的溶解)。
＊【考型4】法拉弟定律的运用
4.[13 全国Ⅰ,28]二甲醚(CH3OCH3)直接燃料电池具有启动快、效率高等优点,其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93kW·h·kg-1)。若电解质为酸性,二甲醚直接燃电池的负极反应为,一个二甲醚分子经过电化学氧化,可以产生___个电子的电量;该电池的理论输出电压为1.20V,能量密度E=_______________________________(列式计算。能量密度=电池输出电能/燃料质量,1kW·h=3.6×106J)。
一、多池电化学
1.先分析电化学装置有无外接电源,有外接电源的为电解池,无外接电源的为原电池。多池相连又无外接电源装置,一般两极活泼性差异最大的电极所在的装置,或由氧化性物质与还原性物质所组成的两个电极的装置为原电池,原电池装置一定不是对称图形的装置,其他各池可看作电解池。
二、几种电极反应的新情况
1.电解池一般用“阳极和阴极”表示电极，但高考中也有混用的，把阴极称为负极区，阳极称为正极区的。
2.电极协同反应：电极反应的产物,再与电解质溶液反应的情况,形成电极反应与协同反应的多步反应，通常发生在电极的一个区域。
如在碱性条件下电解NaCl溶液,阳极反应:2Cl--2e-==Cl2;电极产物再与电解质溶液反应:Cl2+2OH-==Cl-+ClO-+H2O;得总反应:Cl-+2OH--2e-==ClO-+H2O。
又如用铁作阳极,除去废水中的Cr2O72-；阳极Fe-2e-==Fe2+,然后Fe2+还原Cr2O72-起到除杂的作用。
3.由于反应过程中,物质浓度的变化,出现新的反应。
如:[17 全国Ⅲ,11]全固态锂硫电池:由分步反应
4.电解FeSO4的歧化反应。3Fe2+==2Fe3++Fe,该反应阳离子扩散到阳极在阳极氧化放电。
三、法拉弟定律及其运用。
法拉第定律的运用:Q=It=ne-F
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