2019-2020年高中化學(xué) 專題二 第三單元《化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化》知識(shí)點(diǎn)匯總 蘇教版必修2.doc

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2019-2020年高中化學(xué) 專題二 第三單元《化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化》知識(shí)點(diǎn)匯總 蘇教版必修2 一．電解的原理 1．電解：在直流電的作用下，電解質(zhì)在兩個(gè)電極上分別發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過(guò)程。 2．電解是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的一種重要的方法。通過(guò)電解，可以使許多在通常條件下不能發(fā)生的反應(yīng)得以進(jìn)行。 3．電解質(zhì)電解的過(guò)程就是電解質(zhì)導(dǎo)電的過(guò)程。所以，電解質(zhì)導(dǎo)電與導(dǎo)體導(dǎo)電不同，電解質(zhì)導(dǎo)電是化學(xué)變化，金屬導(dǎo)體導(dǎo)電是物理變化。 4．電解池的工作原理 （1）連接電源負(fù)極的電極成為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)；連接電源正極的電極稱為陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)。 （2）溶液中的陽(yáng)離子移向陰極，陰離子移向陽(yáng)極。 （3）電子從電源負(fù)極出發(fā)，沿導(dǎo)線到陰極，陽(yáng)離子在陰極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)；陰離子在陽(yáng)極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。電子沿導(dǎo)線回到電源的正極而構(gòu)成閉合回路。 5．電極上離子放電的規(guī)律 （1） 陰極----發(fā)生還原反應(yīng) 陰極材料本身一般不參加反應(yīng)，溶液中的陽(yáng)離子在陰極上得電子: K+ ＜Ca2+ ＜ Na+ ＜ Mg2+ ＜ Al3+ ＜ H+水中 ＜ Zn2+ ＜ Fe2+ ＜Pb2+ ＜ H+（酸中） ＜ Cu2+ ＜ Fe 3+ ＜ Hg2+ ＜ Ag+ （2）陽(yáng)極-----發(fā)生氧化反應(yīng) 若陽(yáng)極為活性材料(金屬活動(dòng)順序表Ag以前的金屬)時(shí)，則陽(yáng)極材料本身失電子被氧化。 若陽(yáng)極為惰性材料（常指Pt、C、金）時(shí)，陽(yáng)極本身不參加反應(yīng)，溶液中的陰離子在陽(yáng)極上失電子： S2-> SO32-> I－ > Br－> Cl－> OH－ > 含氧酸根離子> F－ 注意：電極上離子放電的規(guī)律還受離子濃度的影響。 ①當(dāng)金屬電極做陽(yáng)極時(shí),一般是金屬電極溶解。 ②當(dāng)溶液中〔OH-〕≈〔Cl-〕時(shí),OH-比Cl-先失去電子。所以，要電解NaCl的飽和溶液。 6．分析一個(gè)電解過(guò)程的思維步驟（以惰性電極電解飽和CuSO4溶液為例）： （1）通電前，存在著CuSO4和H2O的電離，溶液中有：Cu2+、H+、SO42-、OH-。 （2）通電后，Cu2+、H+移向陰極，Cu2+首先在陰極上得電子還原成Cu；OH-、SO42-移向陽(yáng)極，OH-首先失去電子被氧化，陽(yáng)極上析出O2。 電極反應(yīng)式為： 陰極：Cu2++2e-=Cu（還原反應(yīng)） 陽(yáng)極：4OH—4e-=2H2O+O2↑（氧化反應(yīng)） （3）寫出電解方程式：寫電解方程式時(shí)，先看電極反應(yīng)式，電極上何種離子放電，電離產(chǎn)生這種離子的物質(zhì)就要寫進(jìn)電解方程式。溶液中沒(méi)有放電的離子結(jié)合成新的物質(zhì)。 電解CuSO4溶液的化學(xué)方程式和離子方程式分別為： 2CuSO4+2H2O=2Cu+O2↑+H2SO4 2Cu2++2H2O=2Cu+O2↑+2H+ （4）電解后溶液的變化：CuSO4溶液的濃度減小，溶液的酸性增強(qiáng)，pH減小。 （5）溶液恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的措施 原則是：兩極析出什么加什么。對(duì)于CuSO4溶液，就要加入適量的CuO、CuCO3，但不能加入Cu（OH）2。 7．電解的規(guī)律 （1）電解質(zhì)本身電解：無(wú)氧酸溶液和不活潑金屬的無(wú)氧酸鹽溶液電解屬于這一類。如：HCl、HBr、HI、CuCl2、CuBr2等。 電解方程式為：2HCl=H2↑+Cl2↑ CuCl2=Cu+Cl2↑ 電解后，電解質(zhì)溶液減小，無(wú)氧酸溶液的酸性減弱，pH增大；加入適量的這種電解質(zhì)可以使溶液恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。 （2）電解H2O：含氧酸、強(qiáng)堿、活潑金屬的含氧酸鹽溶液電解屬于這種類型。如：H2SO4、HNO3、NaOH、KOH、Ba（OH）2、Na2SO4、KNO3等。 電解方程式為：2H2O=2H2↑+O2↑ 特點(diǎn)是：陰、陽(yáng)兩極產(chǎn)生的氣體體積比為：2:1。 電解后，對(duì)于含氧酸，酸性增強(qiáng)，pH減??；對(duì)于強(qiáng)堿，堿性增強(qiáng)，pH增大；對(duì)于活潑金屬的含氧酸鹽，pH一般認(rèn)為不變。電解一段時(shí)間后，加入適量的H2O可使溶液恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。 （3）電解質(zhì)和水電解：活潑金屬的無(wú)氧酸鹽、不活潑金屬的無(wú)氧酸鹽的水溶液電解屬于這種類型。如：NaCl、KCl、CuSO4、Cu（NO3）2、AgNO3等。 電解活潑金屬的無(wú)氧酸鹽溶液時(shí)（以NaCl為例），電解方程式為： 2NaCl+2H2O=2NaOH+H2↑+Cl2↑ 特點(diǎn)是：陰極附近溶液顯堿性，滴入酚酞顯紅色。 電解后溶液的pH增大，溶液的堿性增強(qiáng)，加入適量HCl可使溶液恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。 電解不活潑金屬含氧鹽溶液（以AgNO3為例）時(shí)，電解方程式為： 4AgNO3+2H2O=4ag+O2↑+4HNO3 電解后溶液的酸性增強(qiáng)，pH減小，加入適量的Ag2O可使溶液恢復(fù)到原來(lái)狀況。 8．有關(guān)電解的計(jì)算 有關(guān)電解的計(jì)算題，解題方法是守恒法。陰極上得到的電子數(shù)=陽(yáng)極上失去的電子數(shù)。 還有些情況下，也可根據(jù)電解方程式計(jì)算。 二．電解原理的應(yīng)用 1．電解飽和食鹽水制燒堿、氫氣和氯氣（即氯堿工業(yè)） （1）裝置：陽(yáng)離子交換膜電解槽。膜的作用是允許陽(yáng)離子通過(guò)，而不允許陰離子通過(guò)，能使NaOH在陰極附近富集，防止H2和Cl2混合劇烈反應(yīng)發(fā)生爆炸。 （2）飽和食鹽水的精制： 粗食鹽中含有Mg2+、Ca2+、SO42-等雜質(zhì)離子，如不除去，會(huì)在電解過(guò)程中產(chǎn)生 Mg（OH）2、Ca（OH）2等沉淀堵塞隔膜。 除去這些雜質(zhì)離子的試劑和順序是：①加過(guò)量的NaOH除Mg2+：Mg2++2OH-=Mg（OH）2↓；②加過(guò)量的BaCl2除SO42-：Ba2++SO42-=BaSO4↓；③加過(guò)量的Na2CO3除Ca2+和過(guò)量的Ba2+：Ca2++CO32-=CaCO3↓，Ba2++CO32-=BaCO3↓；④加適量的鹽酸除過(guò)量的CO32-、OH-，調(diào)節(jié)溶液的pH接近7，H++OH-=H2O，CO32-+2H+=CO2↑+H2O。 （3）電解過(guò)程 通電后，Na+、H+移向陰極，Cl-、OH-移向陽(yáng)極。 陰極：2H++2e-=H2↑ （還原） 陽(yáng)極：2Cl—2e-=Cl2↑（氧化） 陰極上H+放電后，打破了H2O的電離平衡，促使H2O不斷典禮出H+和OH-，而H+不斷放電，最后溶液中OH-濃度大于H+濃度，溶液顯堿性，Na+、OH-形成NaOH溶液。 電解方程式為：2NaCl+2H2O=2NaOH+H2↑+Cl2↑。陽(yáng)極產(chǎn)物為Cl2，陰極產(chǎn)物為H2和NaOH。 2．電鍍 （1）電鍍：應(yīng)用電解原理，在金屬表面鍍上一層金屬或合金的過(guò)程稱為電鍍。進(jìn)行電鍍的裝置稱為電鍍池。 （2）電鍍的原理：鍍件（待鍍的金屬）作陰極，鍍層金屬作陽(yáng)極，含有鍍層金屬離子的溶液作電解質(zhì)溶液。電極反應(yīng)式為： 陽(yáng)極：M-ne-=Mn+ （氧化） 陰極：Mn++ne-=M（還原） 由得失電子相等的原理可知，電解質(zhì)溶液中Mn+的濃度不會(huì)發(fā)生改變。 例如：鐵表面鍍銅時(shí)，鐵作陰極，銅作陽(yáng)極，CuSO4溶液作電解質(zhì)溶液。 （3）電鍍時(shí)電解原理的應(yīng)用，電鍍池是一種特殊的電解池，電鍍的特點(diǎn)是電解質(zhì)溶液中的離子濃度保持不變。 3．銅的電解精練 （1）粗銅常含有：Zn、Fe、Ni、Ag、Au、Pt等雜質(zhì)，精練的方法是電解。 （2）電解精練銅的裝置：粗銅作陽(yáng)極，純銅作陰極，CuSO4溶液作電解質(zhì)溶液。 （3）電極反應(yīng)式為： 陽(yáng)極：Zn-2e-=Zn2+；Fe-2e-=Fe2+；Ni-2e-=Ni2+；Cu-2e-=Cu2+ 陰極：Cu2++2e-=Cu Zn2+、Fe2+、Ni2+由于氧化性比Cu2+弱，留在溶液中，；Ag、Au、Pt由于還原性弱不易失去電子，而以單質(zhì)的形式與泥沙一起沉落到陽(yáng)極附近形成陽(yáng)極泥。 電解精練銅類似于電鍍銅，但不同的是，電解精練銅的電解質(zhì)溶液中Cu2+濃度要略為減少。 4．電解冶煉鋁 工業(yè)上用電解熔融的Al2O3的方法冶煉鋁。由于Al2O3的熔點(diǎn)很高，必須加入冰晶石（Na3AlF6）作熔劑，其作用是降低Al2O3的熔點(diǎn)。 陽(yáng)極：6O2—12e-=3O2↑ 陰極：4Al3++12e-=4Al 陽(yáng)極材料是石墨，高溫下伴隨發(fā)生反應(yīng)：C+O2=CO2，因此，電解過(guò)程中要定期補(bǔ)充電極。 5．電解冶煉鈉和電解冶煉鎂。 2NaCl（熔融）=2Na+Cl2↑ MgCl2（熔融）=Mg+Cl2↑。 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能---電池 知識(shí)要點(diǎn) 一、原電池的工作原理 1、原電池：借助氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置稱為原電池。 2、構(gòu)成原電池的條件 （1）有活動(dòng)性不等的兩個(gè)電極 （2）電極要與電解質(zhì)溶液接觸 （3）要形成閉合回路 三個(gè)條件要同時(shí)滿足，否則不構(gòu)成原電池。一般說(shuō)來(lái)，氧化還原反應(yīng)都可在一定條件下設(shè)計(jì)成原電池。 構(gòu)成原電池后，一般說(shuō)來(lái)化學(xué)反應(yīng)速率要加快。實(shí)驗(yàn)室不用純鋅與稀硫酸反應(yīng)制氫氣而要用粗鋅與稀硫酸反應(yīng)制氫氣，就是利用原電池的原理。 在原電池中，電極并不一定要與電解質(zhì)溶液直接反應(yīng)。當(dāng)電極不與電解質(zhì)溶液直接反應(yīng)時(shí)，正極上得電子的物質(zhì)一般為溶解在水溶液中的氧氣，正極上的電極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e- = 4OH-。 3、原電池的工作原理 （1）相對(duì)活潑的金屬作負(fù)極，負(fù)極上一定發(fā)生氧化反應(yīng)；相對(duì)不活潑的金屬（或非金屬）作正極，正極上一定發(fā)生還原反應(yīng)。 （2）電子從負(fù)極流向正極，電流從正極流向負(fù)極。 （3）溶液中的陰離子移向負(fù)極，陽(yáng)離子移向正極。 但是，有一些特例：將鎂和鋁插到NaOH溶液中，用導(dǎo)線連接后構(gòu)成原電池，鋁是負(fù)極，鎂是正極。 負(fù)極：2Al+8OH- -6e- = 2AlO2- +4H2O 正極：6H2O+6e- = 3H2↑+6OH- 總反應(yīng)：2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑ 還有，將鐵和銅插到濃硝酸中，用導(dǎo)線連接構(gòu)成原電池，由于鐵在濃硝酸中鈍化不能繼續(xù)反應(yīng)，而銅可與濃硝酸反應(yīng)，所以，銅時(shí)負(fù)極，鐵是正極。 負(fù)極：Cu-2e- = Cu2+ 正極：2NO3- +4H+ + 2e- = 2NO2↑+2H2O 由此可見(jiàn)，并不一定是活潑性強(qiáng)的金屬作負(fù)極。金屬作負(fù)極還是作正極，要看電解質(zhì)溶液而定。 4、電極反應(yīng)式的書寫 （1）書寫電極反應(yīng)式的方法是--------疊加法。即將兩個(gè)電極反應(yīng)疊加一定得到電池總反應(yīng)。 在推寫電極反應(yīng)時(shí)，一般先寫出電池總反應(yīng)，然后再寫出負(fù)極反應(yīng)式或正極反應(yīng)式，將總反應(yīng)減去負(fù)極反應(yīng)式或正極反應(yīng)式就可得到正極反應(yīng)式或負(fù)極反應(yīng)式。 例如：將兩個(gè)Pt電極插入KOH溶液中，用導(dǎo)線連接，分別往兩極上通入CH4和O2，則可構(gòu)成一個(gè)燃料電池。 該電池的總反應(yīng)的離子方程式為：CH4+2O2+2OH- = CO32- +3H2O 可以知道通CH4的一極是負(fù)極，通入O2的一極是正極。正極反應(yīng)式是：2O2+8e- +4H2O =8OH-。將總反應(yīng)減去正極反應(yīng)得負(fù)極反應(yīng)式：CH4+10OH- -8e- = CO32- +7 H2O。 （2）在推寫電極反應(yīng)式還必須注意到介質(zhì)（環(huán)境）的種類。例如，當(dāng)正極參與反應(yīng)的物質(zhì)是O2時(shí)，如果在堿性環(huán)境或中性環(huán)境中，電極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e- = 4OH-；如果在酸性環(huán)境中，電極反應(yīng)式為：O2+4H++4e- = 2H2O。 又如：當(dāng)負(fù)極上反應(yīng)的物質(zhì)為H2時(shí)，如果在酸性環(huán)境中，電極反應(yīng)式為：H2+2e- = 2H+；當(dāng)在堿性環(huán)境中，電極反應(yīng)式為：H2+2OH- +2e- = 2H2O。 二、化學(xué)電源 1、一次電池：即只能放電不能充電的電池。這種電池使用后隨即棄去，因此可造成環(huán)境污染。常見(jiàn)的一次電池有干電池，即鋅錳電池。其負(fù)極是鋅殼，正極是中間的碳棒，電解質(zhì)是NH4Cl和MnO2的糊狀物。其工作原理如下： 負(fù)極：（Zn） Zn-2e- = Zn2+ 正極：（C） 2NH4+ +2e- = 2NH3↑+H2↑ MnO2的作用是吸收產(chǎn)生的H2，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2MnO2+H2=Mn2O3+H2O。反應(yīng)產(chǎn)生的NH3是被負(fù)極產(chǎn)生的Zn2+吸收，二者形成穩(wěn)定的鋅氨絡(luò)離子。反應(yīng)的離子方程式為：Zn2++4NH3=[Zn（NH3）4]2+。 由于NH4Cl溶液顯酸性，對(duì)鋅殼有腐蝕作用，即使不使用也可漏液失效。為了延長(zhǎng)電池的使用壽命和提高其性能，人們將電池內(nèi)的NH4Cl溶液換成KOH溶液制成堿性鋅錳電池。 電池的總反應(yīng)為：Zn+2MnO2+H2O=Zn（OH）2+Mn2O3。 負(fù)極：Zn-2e- +2OH-=Zn（OH）2 正極：2MnO2+H2O+2e- = Mn2O3+2OH- 2、二次電池：即可充電電池或蓄電池。它是利用可逆的氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)的?？沙潆婋姵卦诜烹姇r(shí)是一個(gè)原電池，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；在充電時(shí)是一個(gè)電解池，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。二次電池常見(jiàn)的有鉛蓄電池。其工作原理如下： （1）放電時(shí)： 負(fù)極（Pb）Pb+SO42- -2e- = PbSO4 正極（PbO2）PbSO2+4H++SO42- = PbSO4+2H2O （2）充電時(shí)： 陰極（Pb）PbSO4+2e- = Pb+SO42- 陽(yáng)極（PbO2）PbSO4+2H2O-2e- = PbO2+4H++SO42- 總反應(yīng)為：Pb+PbO2+2H2SO4 === 2PbSO4+2H2O 該電池在放電過(guò)程中，每消耗1 mol H2SO4轉(zhuǎn)移 1 mol 電子。 3、燃料電池：通過(guò)燃料氣體與氧氣分別在兩個(gè)電極上發(fā)生電極反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池的總反應(yīng)是與燃料燃燒時(shí)發(fā)生的反應(yīng)相同的反應(yīng)。一般說(shuō)來(lái)，燃料氣是通入負(fù)極，助燃?xì)馔ㄈ胝龢O。 例如：一種以H2為燃料氣，O2為助燃?xì)?，KOH溶液為電解質(zhì)溶液的燃料電池，其總反應(yīng)為：2H2+O2==2H2O。電極反應(yīng)分別為： 正極：O2+2H2O+4e-=4OH- 負(fù)極：2H2+4OH—4e- = 4H2O 但是，如果是H2SO4作電解質(zhì)溶液，則電極反應(yīng)分別為： 負(fù)極：2H2-4e- = 4H+ 正極：O2+4H++4e- = 2H2O 三、金屬的腐蝕與防護(hù) 1、金屬的腐蝕：金屬的表面與周圍的物質(zhì)接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或因電化學(xué)作用而遭到破壞的過(guò)程稱為金屬的腐蝕。因此，金屬的腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化腐蝕兩種。其中，電化腐蝕的危害更大。 2、金屬的電化腐蝕：當(dāng)兩種互相接觸的金屬或一種合金暴露在潮濕的空氣中或與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，形成原電池而發(fā)生的腐蝕。 3、 電化腐蝕的原理（以鋼鐵的腐蝕為例）： （1）析氫腐蝕：鋼鐵在酸性較強(qiáng)的環(huán)境中發(fā)生的腐蝕。這是一種特殊現(xiàn)象。 負(fù)極：Fe-2e- = Fe2+ 正極：2H+-2e- = H2↑ 被腐蝕的是鐵。 （2）吸氧腐蝕（最普遍發(fā)生的腐蝕） 負(fù)極：Fe → Fe2++2e- 正極：2H2O + O2 + 4e-→ 4OH- 鋼鐵生銹的全過(guò)程為： Fe2++2OH-→Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3 2Fe-4e-→2Fe2+ O2+2H2O+4e-→4OH- 2Fe(OH)3═Fe2O3nH2O+(3-n)H2O 4、金屬的防護(hù) （1）改變金屬內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)金屬耐腐蝕的能力。如不銹鋼。 （2）在金屬表面覆蓋一層保護(hù)層，以斷絕金屬與外界物質(zhì)接觸，達(dá)到耐腐蝕的效果。（油脂、油漆、搪瓷、塑料、電鍍金屬、氧化成致密的氧化膜，例如在鐵表面鍍上鋅或錫，即成白鐵與馬口鐵，但一旦破損，因原電池反應(yīng)，白鐵外面的鋅可進(jìn)一步起保護(hù)作用，而馬口鐵外面的錫反而會(huì)加速腐蝕（鐵作負(fù)極被溶解） （3）電化學(xué)保護(hù)法：犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法、外加電流陰極保護(hù)法。