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电化学高考命题的探究


专题讲座九

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电化学高考命题的探究

电化学知识是历年来的命题重点,几乎每年每套化学试卷 中都有所涉及,有时出现在选择题中,有时出现在非选择 题中。在考查电化学基础知识的前提下,命题题材及角度 出现新的变化特点,现主要以近几年电化学试题为例说 明。

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一、关注新型化学电源的高考命题角度 新型电池一般具有高能环保,经久耐用,电压稳定,比能 量高等特点,取材于这些新型电池的试题,既能体现化学 的实用性,又能体现化学命题的时代性、新颖性,使试题 在考查电化学知识的同时,又能较好地考查学生分析、灵 活解答问题的能力,预测该种命题情景趋势将会继续。

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1.可充电电池放电时电极极性判断及充电时与电源的连接
?元素化合价升高的物质 ? ?负极材料? ? ?发生氧化反应的物质 ? (1)放电时新型 ? ? ?元素化合价降低的物质 电池中 ? ? ?正极材料?发生还原反应的物质 ? ? ?

(2)可充电电池用完后充电时,原电池的负极与外电源的负 极相连,原电池的正极与外电源的正极相连。

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2.可充电电池电极反应式的书写方法 书写可充电电池电极反应式,一般都是先书写放电的电极 反应式。书写放电的电极反应式时,一般要遵守三步:第 一,先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目,指出 参与负极和正极反应的物质;第二,写出一个比较容易书 写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质 溶液共存);第三,在电子守恒的基础上,总反应式减去写 出的电极反应式即得另一电极反应式。 充电的电极反应与放电的电极反应过程相反,充电的阳极 反应为放电正极反应的逆过程,充电的阴极反应为放电负 极反应的逆过程。

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3.对溶液中离子的移动方向判断 放电时,阴离子移向负极,阳离子移向正极;充电时,阴 离子移向阳极,阳离子移向阴极。

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【例1】

(2011· 安徽理综,12)研究人员最近发明了一种

“水”电池,这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别 进行发电,在海水中电池总反应可表示为5MnO2+2Ag+ 2NaCl===Na2Mn5O10+2AgCl 下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是( A.正极反应式:Ag+Cl--e-===AgCl B.每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子 C.Na+不断向“水”电池的负极移动 D.AgCl是还原产物 )

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解析

由电池总反应式可知,Ag在负极失去电子,生成氧化

产物AgCl,每生成2 mol AgCl,即生成1 mol Na2Mn5O10,转 移2 mol电子,故A、D错误,B正确; Na 应向电池的正极移动,C错误。


答案 B

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【例2】

(2011· 新课标全国卷,11)铁镍蓄电池又称爱迪生电

池,放电时的总反应为Fe+Ni2O3+3H2O===Fe(OH)2+ 2Ni(OH)2 下列有关该电池的说法不正确的是 ( ) A.电池的电解液为碱性溶液,正极为Ni2O3、负极为Fe B.电池放电时,负极反应为Fe+2OH--2e-===Fe(OH)2 C.电池充电过程中,阴极附近溶液的pH降低 D.电池充电时,阳极反应为2Ni(OH)2+2OH--2e-=== Ni2O3+3H2O

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解析

由铁镍蓄电池放电时的产物全部是碱可知,电解液为

碱性溶液,放电时负极发生氧化反应,正极发生还原反应, 故Fe为负极,Ni2O3为正极,A正确; 放电时,Fe失电子被氧化,负极反应式为Fe+2OH -2e ===Fe(OH)2,B正确; 充电时,阴极发生还原反应,电极反应式为Fe(OH)2+2e ===Fe+2OH ,pH增大,C错误; 充电时,阳极发生氧化反应,电极反应式为2Ni(OH)2+2OH -2e ===Ni2O3+3H2O,D正确。
- - - - - -

答案 C

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【例 3】

(2010· 江苏,11)下图是一种航天器能量储存系统原 ( )

理示意图。下列说法正确的是

A.该系统中只存在 3 种形式的能量转化 B.装置 Y 中负极的电极反应式为:O2+2H2O+4e === 4OH- C.装置 X 能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生 D.装置 X、Y 形成的子系统能实现物质的零排放,并能实现 化学能与电能间的完全转化


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解析

太阳能电池利用光能转化为电能可直接作用于工作马

达实现了电能与机械能的转化;在装置X中,电解水生成H2、 O2,实现了光能与化学能的转化;在装置Y中构成燃料电池, 化学能转化为电能,作用于马达实现了电能与机械能的转 化,A、D错误; 氢氧燃料电池的负极上应是H2参加反应,B错误; 装置X能利用光能实现H2、O2、H2O的循环再生,C正确。
答案 C

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二、电化学与化学实验知识有机融合 由于电化学在电极反应分析及电极反应式等知识中,要涉 及到电极材料、电解液中离子等性质的分析,因而在电化 学考查中就容易与化学实验融合在一起,如电解液的制备、 净化、电极反应产物的检验、电化学装置的设计等等,这样 就提高了试题的综合度,利于全面考查学生的基础知识及 灵活解答问题的能力。在崇尚知识立意、能力考查的命题 原则下,相信该类试题将继续受到推崇。

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【例4】

(2009· 山东理综,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.NaOH b.Zn c.Fe d.NH3· 2O H (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2 mol电子,MnO2的理论产量为____g。


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解析

本题考查电化学原理。(1)由原电池原理可知,负极材

料是Zn,电池工作时,电子由负极经外电路流向正极。 (2)在金属活动性顺序表中,Cu排在Zn的后面,Cu2 能将Zn氧 化为Zn2 ,从而使Zn电极受到腐蚀,利用反应Cu2 +Zn=== Cu+Zn2 ,可用Zn除去Cu2 ,另外几种试剂在除Cu2 时会引 入杂质。 (3)电解时阴极发生还原反应,溶液中的 H 在阴极得电子被还 原。由关系式 Mn2 ―→MnO2―→2e 可得电路中通过 2 mol 电 子时,MnO2 的理论产量为 87 g。
+ - + + + + + + +

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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↑
+ -

87

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【例5】

(2010· 大纲全国卷Ⅱ,29)右图是

一个用铂丝作电极,电解稀的MgSO4溶 液的装置,电解液中加有中性红指示剂, 此时溶液呈红色。(指示剂的pH变色范 围:6.8~8.0,酸色—红色,碱色—黄色)

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回答下列问题: (1)下列关于电解过程中电极附近溶液颜色变化的叙述正确的 是________(填编号); ①A管溶液由红变黄;② B管溶液由红变黄;③ A管溶液不变 色;④B管溶液不变色 (2)写出A管中发生反应的反应式:__________________; (3)写出B管中发生反应的反应式:___________________; (4)检验a管中气体的方法是__________________________; (5)检验b管中气体的方法是__________________________; (6)电解一段时间后,切断电源,将电解液倒入烧杯内观察到 的现象是__________________________________________。

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解析

(1)由于 MgSO4 是强酸弱碱盐,在水溶液中存在 Mg2




+2H2O? ? Mg(OH)2+2H 水解平衡,因此水溶液呈酸性, 电解前 A、B 管均显红色。铂丝是惰性电极,电解池中阴离子 在阳极发生氧化反应,阳离子在阴极发生还原反应,在 A 管 溶液中,铂丝作阴极,由于 H 的氧化性大于 Mg2 的氧化性, H+先得电子被还原为 H2,Mg2+与 OH-生成 Mg(OH)2 沉淀, 酸性减弱,随着水的电解,OH-浓度增大,颜色由红变黄。而 在 B 管溶液中铂丝作阳极,OH-的还原性大于 SO2-,OH-失 4 电子,随着电解的进行,酸性增大,溶液不变色(始终为红色)。
+ +

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(2)(3)由(1)可知,在A管中发生: 2H +2e ===H2↑(或2H2O+2e ===2OH +H2↑) Mg2 +2OH ===Mg(OH)2↓ 在B管中:4OH -4e ===2H2O+O2↑(或2H2O-4e ===4H +O2↑) (4)(5)H2的常用检验方法是“爆鸣”法,即用拇指按住管口, 取出试管a,管口靠近火焰,放开拇指,有爆鸣声,管口有淡 蓝色火焰;O2的常用检验方法是木条复燃法,用拇指按住管 口,取出试管b正立,放开拇指,将带有火星的木条伸入试管 内,木条复燃。
- - - + + - + - - -

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(6)电解一段时间后,将电解液倒入烧杯时,由于两极产生的 H 和OH [后生成Mg(OH)2]恰好中和,故溶液基本恢复电解 前状态(MgSO4浓度增大),故溶液仍显红色,同时白色的 Mg(OH)2沉淀溶解。
+ -

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答案


(1)①④
- - -

(2)2H +2e ===H2↑(或 2H2O+2e ===2OH +H2↑) Mg2 +2OH ===Mg(OH)2↓
(3)4OH -4e ===2H2O+O2↑(或2H2O-4e ===4H +O2↑)
(4)用拇指按住管口,取出试管,管口靠近火焰,放开拇指, 有爆鸣声,管口有淡蓝色火焰
(5)用拇指按住管口,取出试管正立,放开拇指,将带有火星 的木条伸入试管内会复燃
(6)溶液呈红色,白色沉淀溶解(或大部分溶解)
- - - +





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三、在元素推断等知识中渗透电化学内容 元素推断、物质推断、氧化还原反应、反应速率影响等知识 也是命题考查的重点内容。为了拓展知识考查的宽度,体现 学科知识的密切相关性, 故在该类问题中常设计一些简单的 电化学知识考查,以提高试题的综合性,但难度不大。

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【例6】

X、Y、Z、W为按原子序数由小到大排列的四种短

周期元素。 已知:①X可分别与Y、W形成X2Y、X2Y2、XW等共价化 合物; ②Z可分别与Y、W形成Z2Y、Z2Y2、ZW等离子化合物。 请回答: (1)Z2Y的化学式是____________。 (2)Z2Y2与X2Y反应的化学方程式是_________________。

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(3)如下图所示装置,两玻璃管中盛满滴有酚酞溶液的ZW饱 和溶液,C(Ⅰ)、C(Ⅱ)为多孔石墨电极。

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接通S1后,C(Ⅰ)附近溶液变红,两玻璃管中有气体生成。一 段时间后(两玻璃管中液面未脱离电极),断开S1,接通S2,电 流表的指针发生偏转。此时:C(Ⅰ)的电极名称是_______(填 “正极”或“负极”),C(Ⅱ)的电极反应式是__________。 (4)铜屑放入稀H2SO4中不发生反应,若在稀H2SO4中放入 X2Y2,铜屑可逐渐溶解,该反应的离子方程式是________。

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解析

由X、Y、Z、W为原子序数由小到大的四种短周期元

素和①②知,X为H,Y为O,Z为Na,W为Cl。则Z2Y为Na2O, Z2Y2与X2Y的反应方程式为2Na2O2+2H2O===4NaOH+ O2↑;接通S1后电解饱和NaCl溶液,C(Ⅰ)附近变红说明发生 反应2H +2e ===H2↑,c(OH )增大。而C(Ⅱ)极应为2Cl - 2e-===Cl2↑。当断开S1接通S2后,构成了由H2和Cl2及溶液形 成的原电池,H2失电子为负极,Cl2所在极C(Ⅱ)为正极,电极 反应式为Cl2+2e-===2Cl-;铜屑与稀H2SO4不反应,加入 X2Y2即H2O2后,由于H2O2具有强氧化性,所以铜屑溶解。
+ - - -

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答案

(1)Na2O

(2)2Na2O2+2H2O===4NaOH+O2↑ (3)负极 Cl2+2e-===2Cl-

(4)Cu+H2O2+2H+===Cu2++2H2O

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教师用书备选题 1.某蓄电池的原理如图所示,以 28%的硫酸为电解质溶液,a、 b 均为惰性电极,充电过程中左槽离子变化情况为 VO2 ―→VO+。下列叙述不正确的是 2 (


)

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A.充电过程中,a 极的反应式为 VO2 -e +H2O===VO2 +2H 为化学能转化为电能 C.放电时,H+从右槽迁移进入左槽









B. 当右槽离子变化情况为 V3+―→V2+时, 电池中能量转化形式

D.充电时,a 与外接电源的正极相接,b 与外接电源的负极相 连

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解析

充电时左槽中,VO ―→VO2 ,其中V ―→V ,发生

2+



+4

+5

氧化反应,说明充电时,a为阳极,b为阴极,此时右槽发生 还原反应,V3+―→V2+,从能量转化角度来看,应为电能转 化为化学能,B不正确,A、D正确; 放电时,a为正极,b为负极,阳离子向原电池的正极移动(右 槽―→左槽),C正确。 答案 B

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2.如图所示(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,该电池工作的化学方程式为 2K2S2+ KI3 正确的是 K2S4+3KI,(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。则闭合 K 时,下列说法


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2 A.电极 A 上发生的反应为 2S2 -2e ===S2 4







B.K 从右到左通过离子交换膜 C.电极 X 上发生的反应为 2Cl -2e ===Cl2↑ D.当有 0.1 mol K 通过离子交换膜时,Y 电极上产生 2.24 L (标准状况)气体
+ - -



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解析

闭合开关K时,电极X附近溶液先变红,说明电极A是

原电池的负极,电子流出,A对; 随着电池工作的进行,负极区阳离子转移到正极区,故K 从 左到右通过离子交换膜,B错; 电极X上是氢离子放电,C错; 有0.1 mol K 通过离子交换膜即电路上通过0.1 mol电子,则Y 电极上产生1.12 L(标准状况)气体,D错。
+ +

答案 A

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3.如图所示,NaS电池是当前开发的一种高性能可充电电 池,它所贮存的能量为常用铅蓄电池的5倍(按相同质量计), n 电池反应为2Na(l)+ S8(l) Na2Sn。下列说法不正确的 8 是 ( )

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A.外室熔融硫中添加石墨粉主要是为了增强导电性 B.放电时 Na 向正极移动 C.充电时阳极反应式为 8S2 -16e ===nS8 n D.充电时钠极与外接电源的正极相连 解析 由于硫是绝缘体,故在外室填充石墨粉以保证良好的 导电性,A正确; 在原电池中,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,形成 闭合回路,B正确; 充电时阳极发生氧化反应,C正确; 充电时钠极发生还原反应,应与外接电源的负极相连,D错。 答案 D
- - +

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4.据报道,以硼氢化合物 NaBH4 (B 元素的化合价为+3)和 H2O2 为 原料的燃料电池,负极材料采用 Pt/C,正极材料采用 MnO2,可用 作空军通信卫星电源,其工作原理如图所示。下列说法错误 的是 A.电池放电时 Na+从 a 极区移向 b 极区 B.电极 b 采用 MnO2,MnO2 既作电极材料又有催化作用
- - C.该电池的 a 极反应式为 BH4 +8OH--8e-===BO2 +

(

)

6H2O D.每消耗 3 mol H2O2 时转移电子 3 mol

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解析

由图知,a极区发生氧化反应,a是负极,b极区发生还


原反应,b是正极。Na 由负极区移向正极区,A项正确; b是正极,正极材料为MnO2,MnO2能促进双氧水分解,B项 正确; 负极上,氢由-1价升至+1价,负极反应式为BH 4 +8OH - 8e ===BO2 +6H2O,C项正确; 在电池反应中,双氧水只作氧化剂,氧由-1价降至-2价, 每消耗3 mol H2O2时转移电子6 mol,D项错误。 答案 D
- - - -

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5.有甲、乙两位学生均想利用原电池反应验证金属的活动性 顺序,并探究产物的有关性质,分别设计了如下图所示的 原电池,请完成下列问题:

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(1)甲池中正极上的实验现象是______________________。 (2)乙池中总反应的离子方程式为____________________。 (3)上述实验证明了“利用金属活动性顺序表直接判断原电池 正负极”这种做法________(填“可靠”或“不可靠”),如 不可靠,请你提出另一种判断原电池正、负极的可行的方案 ___________________________________________________。 (若你认为可靠,此空可不作答) (4)一段时间后,乙学生将乙池两极取出,然后取少许乙池溶 液逐滴滴加6 mol· -1 H2SO4直至过量,可能观察到的现象是 L ________________________________________________; 各阶段对应的离子方程式分别是_____________________。

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解析

(1)当稀硫酸是电解液时,Mg作负极(活动性Mg>Al),

Al作正极,Al电极上产生气泡; (2)当NaOH溶液是电解液时,Al作负极(Mg不与NaOH溶液反 应),总反应为2Al+2OH +6H2O===2[Al(OH)4] +3H2↑。 (4)乙学生将乙池两极取出,电解液是NaOH和Na[Al(OH)4]的 混合溶液,所以逐滴滴加稀硫酸,应该先中和掉NaOH,再与 Na[Al(OH)4]反应生成沉淀,当稀硫酸过量时,Al(OH)3沉淀逐 渐溶解。
- -

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答案

(1)产生气泡

(2)2Al+2OH-+6H2O===2[Al(OH)4]-+3H2↑
(3)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,从而判断电子流动方向,由此确定 原电池的正、负极 (4)开始无明显现象,过一段时间产生白色沉淀,然后沉淀逐 渐溶解,最后消失 H +OH ===H2O,[Al(OH)4] +H ===
+ - - +

Al(OH)3↓+H2O,Al(OH)3+3H+===Al3++3H2O

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6.稀土元素(包括钇、钪和镧系等金属元素)是能源、信息等 领域的关键材料,我国稀土产量占世界的85%以上。镧 (La)、镍(Ni)的某种合金可表示为LaNi5,它具有神奇的吸 氢能力(最大储氢量达到6.02×1022个氢原子/cm3),反应如 下:LaNi5H6===LaNi5+3H2,其中固体LaNi5H6具有导电 性,被称为金属型氢化物。

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试回答: (1)氢位于周期表的________族,该族元素的金属性随原子序 数递增而__________。 (2)对于反应:LaNi5H6? ? LaNi5+3H2,保持温度不变,当 平衡________(填“正向移动”或“逆向移动”)时,LaNi5的 吸氢量会增加。温度升高后,若平衡常数K值变大,平衡 ________(填“不移动”、“正向移动”或“逆向移动”)。 LaNi5吸氢的适宜条件是____________。 (3)镍可用于制镉镍电池,但镉元素对环境有污染,为此,人 们开发了碱性氢镍电池,它利用LaNi5良好的吸氢能力,用固 体LaNi5H6作负极反应物,其中氢元素的化合价为________, 电池放电时,发生氧化反应的电极反应式为_____________。 电池充电时,每转移2 mol电子,最多形成_____cm3 LaNi5H6。

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解析

(1)根据元素周期律可知,氢位于周期表的第ⅠA族,

同主族元素的金属性随原子序数递增而增强。 (2)分析可逆反应可知平衡左移时LaNi5的吸氢量会增加。根据 平衡常数定义可以推出该平衡右移。综合推断出LaNi5吸氢的 适宜条件是加压、低温(该反应为体积增大、吸热反应)。 (3)因为LaNi5具有吸氢能力,氢元素并没有与其生成化合物, 所以氢元素的化合价为0;电池放电时,发生氧化反应的电极 反应式为LaNi5H6-6e +6OH ===LaNi5+6H2O;计算得出电 池充电时,每转移2 mol电子,最多形成20 cm3 LaNi5H6。
- -

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答案

(1)ⅠA

增强
正向移动


(2)逆向移动

加压、低温


(3)0

LaNi5H6-6e +6OH ===LaNi5+6H2O 20


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