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电化学知识是中学化学理论部分的一个重要内容,也是历年高考考查的一个重点。电化学知识既可以综合学科内的知识,也可以涉及到学科间的知识运用,试题可以多种形式出现,以选择题居多,也有以简答、实验、计算、设计等形式命题,考查内容主要为原电池和电解池的装置、工作原理、电极反应、实际应用等。下面以2009年高考试题为例分类解析,以供参考。
一、电极反应及电极产物的判断
例1(2009安徽卷12)Cu2O是一种半导体材料,基于绿色化学理念设计的制取Cu2O的电解池示意图如下,电解总反应:2Cu+H2O=Cu2O+H2O↑。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0.1mol电子转移时,有0.1molCu2O生成。
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+反应,电极反应为:2H++2e-=H2↑,A选项正确;阳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0.1mol电子转移时,有0.05molCu2O生成,D选项错误。答案:A
例2(2009福建卷11)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固定,乙中石墨电极为负极
解析:乙中I-失去电子放电,故为氧化反应,A项正确;由总反应方程式知,Fe3+被还原成Fe2+,B项正确;当电流计为零时,即说明没有电子发生转移,可证明反应达平衡,C项正确;加入Fe2+,导致平衡逆向移动,则Fe2+失去电子生成Fe3+,而作为负极,D项错。答案:D
【点评】此类试题应首先判断是电解池还是原电池。电解池:和电源正极相连的电极为阳极,阳极发生氧化反应,电解时阳极电极产物的确定首先要看电极,如果是活泼性电极(金属活动顺序表中Ag以前),则电极材料失电子;如果是惰性电极(Pt、Au、石墨)则要看溶液中的阴离子的失电子能力。和电源负极相连的是阴极,阴极发生还原反应,阴极产物所含元素的化合价降低。原电池:负极发生还原反应,产物中所含元素化合价降低,正极发生氧化反应,产物中所含元素化合价升高。
二、新型燃料电池
例3(2009广东化学14)可用于电动汽车的铝-空气燃料电池,通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液,铝合金为负极,空气电极为正极。下列说法正确的是:
A.以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时,正极反应都为:O2+2H2O+4e-=4OH-
B.以NaOH溶液为电解液时,负极反应为:Al+3OH--3e-=Al(OH)3↓
C.以NaOH溶液为电解液时,电池在工作过程中电解液的pH保持不变
D.电池工作时,电子通过外电路从正极流向负极
解析:电解质溶液显碱性或中性,该燃料电极的正极发生反应为:O2+2H2O+4e-=4OH-,A对;铝作负极,负极反应应该是铝失去电子变为铝离子,在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸根,因此负极反应为:Al+4OH--3e-
=AO2-+2H2O,B错;该电池在碱性条件下消耗了碱,反应式为:4Al+3O2+4OH-=4AlO2-+2H2O,溶液PH降低,C错;电池工作时,电子从负极出来经过外电路流到正极,D错。答案:A
例4(2009江苏卷12)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是:
A.该电池能够在高温下工作
B.电池的负极反应为:C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2↑+24H+
C.放电过程中,H+从正极区向负极区迁移
D.在电池反应中,每消耗1mol氧气,理论上能生成标准状况下CO2气体L
解析:高温条件下微生物会变性,所以A错;负极是葡萄糖失电子生成二氧化碳,所以B对;原电池内部阳离子应向正极移动,所以C错;消耗1mol氧气生成1mol二氧化碳,标准状况下体积是22.4L,D错。答案:B
【点评】解答此类试题要特别注意电解质溶液的酸碱性,所有的可燃物都发生氧化反应,书写电极反应式时要考虑电极产物在该电解质溶液中的存在形式。
三、电化学腐蚀基本原理的应用
例5(2009广东化学10)出土的锡青铜(铜锡合金)文物常有Cu2(OH)3Cl覆盖在其表面。下列说法正确的是:
A.锡青铜的熔点比纯铜高
B.在自然环境中,锡青铜中的锡对铜起保护作用
C.锡青铜文物在潮湿环境中的腐蚀比干燥环境中快
D.生成Cu2(OH)3Cl覆盖物是电化学腐蚀过程,但不是化学反应过程
解析:锡青铜属于合金,根据合金的特性,即熔点比任何一种纯金属的低,判断A错;由于锡比铜活泼,故在发生电化学腐蚀时,锡失电子保护铜,B正确;潮湿的环境将会加快金属的腐蚀速率,C正确;电化学腐蚀过程实质是有电子的转移,属于化学反应过程,D错。答案:BC
例6(2009广东理科基础25)钢铁生锈过程发生如下反应:
①2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2;
②4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3;
③2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O。
下列说法正确的是:
A.反应①、②中电子转移数目相等
B.反应①中氧化剂是氧气和水
C.与铜质水龙头连接处的钢质水管不易发生腐蚀
D.钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀
解析:①②反应中消耗O2的量相等,两个反应也仅有O2作为氧化剂,故转移电子数是相等的,A项正确。①中H2O的H、O两元素的化合价没有变,故不作氧化剂,B项错;铜和钢构成原电池,腐蚀速度加快,C项错;钢铁是铁和碳的混合物,在潮湿的空气中易发生吸氧腐蚀,属于电化学腐蚀,故D项错。答案:A
【点评】金属的腐蚀主要发生电化学腐蚀,水膜呈弱酸性或中性环境中发生吸氧腐蚀,水膜呈较强酸性环境中发生析氢腐蚀,无论哪一种腐蚀负极都是较活泼金属失去电子被氧化,所以可以采取改变金属的组成结构,覆盖保护层及电化学保护法等防护方法。
四、原电池原理及其应用
例7(2009山东卷29)Zn-MnO2干电池应用广泛,其电解质溶液是ZnCl2-NH4Cl混合溶液。
(1)该电池的负极材料是。电池工作时,电子流向 (填“正极”或“负极”)。
(2)若ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+,会加速某电极的腐蚀,其主要原因是。欲除去Cu2+,最好选用下列试剂中的(填代号)。
a.NaOHb.Znc.Fed.NH3·H2O
(3)MnO2的生产方法之一是以石墨为电极,电解酸化的MnSO4溶液。阴极的电极反应式是。若电解电路中通过2mol电子,MnO2的理论产量为。
解析:(1)负极上是失电子的一极,Zn失电子由负极经外电路流向正极。
(2)锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。除杂的基本要求是不能引入新杂质,所以应选Zn将Cu2+置换为单质而除去。
(3)阴极上得电子,发生还原反应,H+得电子生成氢气。因为MnSO4～MnO2～2e-,通过2mol电子产生1molMnO2,质量为87g。
答案:(1)Zn(或锌) 正极
(2)锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀 b
(3)2H++2e-→H2 87g
【点评】本题以干电池为命题背景,融合了物理和化学知识,考查了原电池的原理及电极反应式的书写、化学能与电能的转变及产量的计算。要求学生能够将所学知识与新信息结合并运用于全新的解题情境,考查了学生的综合素质。
五、电解原理及应用
例8(2009全国卷Ⅰ28)下图所示装置中,甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100g 5.00%的NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和100g 10.00%的K2SO4溶液,电极均为石墨电极。
(1)接通电源,经过一段时间后,测得丙中K2SO4浓度为10.47%,乙中c电极质量增加。据此回答问题:
①电源的N端为极;
②电极b上发生的电极反应为;
③列式计算电极b上生成的气体在标准状态下的体积:
;
④电极c的质量变化是 g;
⑤电解前后各溶液的酸、碱性大小是否发生变化,简述其原因:
甲溶液 ;
乙溶液 ;
丙溶液 ;
(2)如果电解过程中铜全部析出,此时电解能否继续进行,为什么?
解析:(1)①乙中C电极质量增加,则c处发生的反应为:Cu2++2e-=Cu,即C处为阴极,由此可推出b为阳极,a为阴极,M为负极,N为正极。丙中为K2SO4,相当于电解水,设电解的水的质量为xg。由电解前后溶质质量相等有,100×10%=(100-x)×10.47%,得x=4.5g,故为0.25mol。由方程式2H2+O2=2H2O可知,生成2molH2O,转移4mol电子,所以整个反应中转化0.5mol电子,而整个电路是串联的,故每个烧杯中的电极上转移电子数是相等的。②甲中为NaOH,相当于电解H2O,阳极b处为阴离子OH-放电,即4OH--4e-=2H2O+O2↑。③转移0.5mol电子,则生成O2为0.5/4=0.125mol,标况下的体积为0.125×22.4=2.8L。④Cu2++2e-=Cu,转移0.5mol电子,则生成的m(Cu)=0.5/2×64=16g。⑤甲中相当于电解水,故NaOH的浓度增大,pH变大。乙中阴极为Cu2+放电,阳极为OH-放电,所以H+增多,故pH减小。丙中为电解水,对于K2SO4而言,其pH几乎不变。(2)铜全部析出,可以继续电解H2SO4,有电解液即可电解。
答案:(1)①正极 ②4OH--4e-=2H2O+O2↑ ③2.8L④16g ⑤甲碱性增大,因为相当于电解水;乙减小,OH-放电,H+增多。丙不变,相当于电解水。
(2)可以 因为CuSO4溶液已转变为H2SO4溶液,反应也就变为水的电解反应
【点评】分析电解问题的一般思路:⑴确定阴、阳两极; ⑵看阳极材料是否为惰性电极;⑶分析电解质溶液内存在的离子;⑷根据放电顺序确定两极反应及产物;⑸根据两极变化和产物分析电解质溶液的变化;⑹遵循守恒定律。
综合命题的趋势要求宽而不是求难,历年的高考试题印证了这一点。学生的高考成绩更证明了基础知识的融合也是难度加大的一个重要因素。因此,对相关基础知识应扎实掌握。展望今后,高考命题会继续在上述几个方面进行,同时也会涉及新能源、环境保护、工业生产等热点问题,以及利用电解原理实现通常方法难以制备的物质的制备等方面的内容。将电化学有关知识与元素化合物、化学实验、化学计算等学科内知识综合在一起进行考查,是高考命题的一个新变化,应引起足够的重视。
一、电极反应及电极产物的判断
例1(2009安徽卷12)Cu2O是一种半导体材料,基于绿色化学理念设计的制取Cu2O的电解池示意图如下,电解总反应:2Cu+H2O=Cu2O+H2O↑。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0.1mol电子转移时,有0.1molCu2O生成。
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+反应,电极反应为:2H++2e-=H2↑,A选项正确;阳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0.1mol电子转移时,有0.05molCu2O生成,D选项错误。答案:A
例2(2009福建卷11)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固定,乙中石墨电极为负极
解析:乙中I-失去电子放电,故为氧化反应,A项正确;由总反应方程式知,Fe3+被还原成Fe2+,B项正确;当电流计为零时,即说明没有电子发生转移,可证明反应达平衡,C项正确;加入Fe2+,导致平衡逆向移动,则Fe2+失去电子生成Fe3+,而作为负极,D项错。答案:D
【点评】此类试题应首先判断是电解池还是原电池。电解池:和电源正极相连的电极为阳极,阳极发生氧化反应,电解时阳极电极产物的确定首先要看电极,如果是活泼性电极(金属活动顺序表中Ag以前),则电极材料失电子;如果是惰性电极(Pt、Au、石墨)则要看溶液中的阴离子的失电子能力。和电源负极相连的是阴极,阴极发生还原反应,阴极产物所含元素的化合价降低。原电池:负极发生还原反应,产物中所含元素化合价降低,正极发生氧化反应,产物中所含元素化合价升高。
二、新型燃料电池
例3(2009广东化学14)可用于电动汽车的铝-空气燃料电池,通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液,铝合金为负极,空气电极为正极。下列说法正确的是:
A.以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时,正极反应都为:O2+2H2O+4e-=4OH-
B.以NaOH溶液为电解液时,负极反应为:Al+3OH--3e-=Al(OH)3↓
C.以NaOH溶液为电解液时,电池在工作过程中电解液的pH保持不变
D.电池工作时,电子通过外电路从正极流向负极
解析:电解质溶液显碱性或中性,该燃料电极的正极发生反应为:O2+2H2O+4e-=4OH-,A对;铝作负极,负极反应应该是铝失去电子变为铝离子,在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸根,因此负极反应为:Al+4OH--3e-
=AO2-+2H2O,B错;该电池在碱性条件下消耗了碱,反应式为:4Al+3O2+4OH-=4AlO2-+2H2O,溶液PH降低,C错;电池工作时,电子从负极出来经过外电路流到正极,D错。答案:A
例4(2009江苏卷12)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是:
A.该电池能够在高温下工作
B.电池的负极反应为:C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2↑+24H+
C.放电过程中,H+从正极区向负极区迁移
D.在电池反应中,每消耗1mol氧气,理论上能生成标准状况下CO2气体L
解析:高温条件下微生物会变性,所以A错;负极是葡萄糖失电子生成二氧化碳,所以B对;原电池内部阳离子应向正极移动,所以C错;消耗1mol氧气生成1mol二氧化碳,标准状况下体积是22.4L,D错。答案:B
【点评】解答此类试题要特别注意电解质溶液的酸碱性,所有的可燃物都发生氧化反应,书写电极反应式时要考虑电极产物在该电解质溶液中的存在形式。
三、电化学腐蚀基本原理的应用
例5(2009广东化学10)出土的锡青铜(铜锡合金)文物常有Cu2(OH)3Cl覆盖在其表面。下列说法正确的是:
A.锡青铜的熔点比纯铜高
B.在自然环境中,锡青铜中的锡对铜起保护作用
C.锡青铜文物在潮湿环境中的腐蚀比干燥环境中快
D.生成Cu2(OH)3Cl覆盖物是电化学腐蚀过程,但不是化学反应过程
解析:锡青铜属于合金,根据合金的特性,即熔点比任何一种纯金属的低,判断A错;由于锡比铜活泼,故在发生电化学腐蚀时,锡失电子保护铜,B正确;潮湿的环境将会加快金属的腐蚀速率,C正确;电化学腐蚀过程实质是有电子的转移,属于化学反应过程,D错。答案:BC
例6(2009广东理科基础25)钢铁生锈过程发生如下反应:
①2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2;
②4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3;
③2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O。
下列说法正确的是:
A.反应①、②中电子转移数目相等
B.反应①中氧化剂是氧气和水
C.与铜质水龙头连接处的钢质水管不易发生腐蚀
D.钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀
解析:①②反应中消耗O2的量相等,两个反应也仅有O2作为氧化剂,故转移电子数是相等的,A项正确。①中H2O的H、O两元素的化合价没有变,故不作氧化剂,B项错;铜和钢构成原电池,腐蚀速度加快,C项错;钢铁是铁和碳的混合物,在潮湿的空气中易发生吸氧腐蚀,属于电化学腐蚀,故D项错。答案:A
【点评】金属的腐蚀主要发生电化学腐蚀,水膜呈弱酸性或中性环境中发生吸氧腐蚀,水膜呈较强酸性环境中发生析氢腐蚀,无论哪一种腐蚀负极都是较活泼金属失去电子被氧化,所以可以采取改变金属的组成结构,覆盖保护层及电化学保护法等防护方法。
四、原电池原理及其应用
例7(2009山东卷29)Zn-MnO2干电池应用广泛,其电解质溶液是ZnCl2-NH4Cl混合溶液。
(1)该电池的负极材料是。电池工作时,电子流向 (填“正极”或“负极”)。
(2)若ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+,会加速某电极的腐蚀,其主要原因是。欲除去Cu2+,最好选用下列试剂中的(填代号)。
a.NaOHb.Znc.Fed.NH3·H2O
(3)MnO2的生产方法之一是以石墨为电极,电解酸化的MnSO4溶液。阴极的电极反应式是。若电解电路中通过2mol电子,MnO2的理论产量为。
解析:(1)负极上是失电子的一极,Zn失电子由负极经外电路流向正极。
(2)锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。除杂的基本要求是不能引入新杂质,所以应选Zn将Cu2+置换为单质而除去。
(3)阴极上得电子,发生还原反应,H+得电子生成氢气。因为MnSO4～MnO2～2e-,通过2mol电子产生1molMnO2,质量为87g。
答案:(1)Zn(或锌) 正极
(2)锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀 b
(3)2H++2e-→H2 87g
【点评】本题以干电池为命题背景,融合了物理和化学知识,考查了原电池的原理及电极反应式的书写、化学能与电能的转变及产量的计算。要求学生能够将所学知识与新信息结合并运用于全新的解题情境,考查了学生的综合素质。
五、电解原理及应用
例8(2009全国卷Ⅰ28)下图所示装置中,甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100g 5.00%的NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和100g 10.00%的K2SO4溶液,电极均为石墨电极。
(1)接通电源,经过一段时间后,测得丙中K2SO4浓度为10.47%,乙中c电极质量增加。据此回答问题:
①电源的N端为极;
②电极b上发生的电极反应为;
③列式计算电极b上生成的气体在标准状态下的体积:
;
④电极c的质量变化是 g;
⑤电解前后各溶液的酸、碱性大小是否发生变化,简述其原因:
甲溶液 ;
乙溶液 ;
丙溶液 ;
(2)如果电解过程中铜全部析出,此时电解能否继续进行,为什么?
解析:(1)①乙中C电极质量增加,则c处发生的反应为:Cu2++2e-=Cu,即C处为阴极,由此可推出b为阳极,a为阴极,M为负极,N为正极。丙中为K2SO4,相当于电解水,设电解的水的质量为xg。由电解前后溶质质量相等有,100×10%=(100-x)×10.47%,得x=4.5g,故为0.25mol。由方程式2H2+O2=2H2O可知,生成2molH2O,转移4mol电子,所以整个反应中转化0.5mol电子,而整个电路是串联的,故每个烧杯中的电极上转移电子数是相等的。②甲中为NaOH,相当于电解H2O,阳极b处为阴离子OH-放电,即4OH--4e-=2H2O+O2↑。③转移0.5mol电子,则生成O2为0.5/4=0.125mol,标况下的体积为0.125×22.4=2.8L。④Cu2++2e-=Cu,转移0.5mol电子,则生成的m(Cu)=0.5/2×64=16g。⑤甲中相当于电解水,故NaOH的浓度增大,pH变大。乙中阴极为Cu2+放电,阳极为OH-放电,所以H+增多,故pH减小。丙中为电解水,对于K2SO4而言,其pH几乎不变。(2)铜全部析出,可以继续电解H2SO4,有电解液即可电解。
答案:(1)①正极 ②4OH--4e-=2H2O+O2↑ ③2.8L④16g ⑤甲碱性增大,因为相当于电解水;乙减小,OH-放电,H+增多。丙不变,相当于电解水。
(2)可以 因为CuSO4溶液已转变为H2SO4溶液,反应也就变为水的电解反应
【点评】分析电解问题的一般思路:⑴确定阴、阳两极; ⑵看阳极材料是否为惰性电极;⑶分析电解质溶液内存在的离子;⑷根据放电顺序确定两极反应及产物;⑸根据两极变化和产物分析电解质溶液的变化;⑹遵循守恒定律。
综合命题的趋势要求宽而不是求难,历年的高考试题印证了这一点。学生的高考成绩更证明了基础知识的融合也是难度加大的一个重要因素。因此,对相关基础知识应扎实掌握。展望今后,高考命题会继续在上述几个方面进行,同时也会涉及新能源、环境保护、工业生产等热点问题,以及利用电解原理实现通常方法难以制备的物质的制备等方面的内容。将电化学有关知识与元素化合物、化学实验、化学计算等学科内知识综合在一起进行考查,是高考命题的一个新变化,应引起足够的重视。