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2022高三化学一轮复习优化探究 第六章 核心素养提升(六) 电化学转化效率问题的解答策略课件PPT
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这是一份2022高三化学一轮复习优化探究 第六章 核心素养提升(六) 电化学转化效率问题的解答策略课件PPT，共56页。PPT课件主要包含了答案005，答案804%，答案857%等内容，欢迎下载使用。
装置、过程和效率是电化学研究的三驾马车，作为电化学重要组成的效率问题，教材中出现了比能量和比功率的定义，但很少引起关注，思则有备，有备无患，及时修复知识体系的漏洞，避免失分是非常重要的。
一 理清法拉第常数与阿伏加德罗常数的关系 电化学中传递电子的数量是计算的核心，宏观测量的电流强度和时间，通过法拉第常数或阿伏加德罗常数都能获得电子的物质的量。1个电子电量是1.6×10－19 C,1 ml电子数约为6.02×1023,1 ml电子所带电量的绝对值即F＝6.02×1023 ml－1×1.6×10－19 C＝96 320 C/ml，试题中经常提供的数值为F＝96 500 C/ml。
利用题中新定义信息逆向求解1．比能量：电池单位质量或单位体积所输出电能的多少[单位：(W·h)/kg或(W·h)/L]。单位质量或单位体积指表达式中质量或体积处在分母位置，从单位看是kg或L。电池理论产生的电能处在表达式的分子位置，计算公式W＝U·I·t＝U·Q＝P·t，其中W是电功，单位为焦耳(J)；U是电压，单位为伏特(V)；I是电流，单位为安培(A)；t是时间，单位为秒(s)；Q是电量，单位为库仑(C)；P是功率，单位为瓦(W)，1 kW·h＝3.6×106 J。
三 物质与能量两大角度题型归纳训练 化学变化过程同时存在着物质和能量变化，同时遵守质量守恒和能量守恒。原电池和电解池电极反应式直接计算属于理想状态，不考虑效率问题，若用实际析出物质数据计算，因存在其他副反应，要考虑电流效率问题。
1．理论物质消耗和析出的相关计算[典例3] 酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是由碳粉、二氧化锰、氯化锌和氯化铵等组成的糊状填充物。该电池在放电过程中产生MnO(OH)，维持电流强度为0.5 A，电池工作5 min，理论消耗Zn________________g。(已知F＝96 500 C/ml)
[素养专项练]1．利用甲烷的燃烧反应设计一个燃料电池，用氢氧化钾溶液作电解质溶液，多孔石墨作电极，在电极上分别通入甲烷和氧气，通入甲烷气体的电极上发生的电极反应是_______，当电路中转移12 ml电子时，实际提供的电能是890.0 kJ，则该电池的能量转化效率是____________。
2．甲醇直接燃料电池具有启动快、效率高、能量密度高等优点。(已知二甲醚直接燃料电池能量密度E＝8.39 kW·h· kg－1)。(1)若电解质为酸性，甲醇直接燃料电池的负极反应为_____________；(2)该电池的理论输出电压为1.20 V，列式计算能量密度E＝？________________________________________________________________________________________________________________________(能量密度＝电池输出电能/燃料质量，1 kW·h＝3.6×106 J，一个电子的电量＝1.6×10－19 C)。
解析：逆向求解，首先求算阴极生成目标产物环己烷转移的电子数，阴极除生成环己烷外，还生成H2：2H＋＋2e－===H2↑，设阴极生成的环己烷为n(C6H12)，生成氢气为n(H2)，生成的环己烷与消耗苯的物质的量相等，剩余苯的物质的量为2.4 ml－n(C6H12)，根据剩余的苯所占的物质的量分数列出等式：[n(H2)＋n(C6H12)＋2.4 ml－n(C6H12)]×25%＝2.4 ml－n(C6H12)。阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，生成2.8 ml氧气，失去11.2 ml电子。电解过程中通过阴、阳极转移的电子
4．有一个铅蓄电池最初有100 g Pb和100 g PbO2，加入过量的硫酸，发生如下反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。理论上，一个电池可以放电到其中一个电极完全耗尽为止。假如不再充电，电池工作到反应完全，若该电池放电电流为1.00 A。通过计算求：(1)正、负极的电极材料中，哪个电极先消耗完。(2)理论上该电池放电最长时间是多少小时？(已知F＝96 500 C/ml)
5．在宇宙飞船和其他航天器上经常使用的氢氧燃料电池是一种新型电源，其构造如图所示：a、b两个电极均由多孔的碳块组成，通入的氢气和氧气由孔隙中逸入，并在电极表面发生反应而放电。
(1)a电极是电源的________极；(2)若该电池为航天员提供了360 kg的水，则电路中通过了________ml电子。(3)已知H2的燃烧热为285.8 kJ·ml－1，则该燃料电池工作产生36 g H2O时，实际上产生了468.8 kJ的电能，则该燃料电池的能量转化率是___。 (准确到0.01) (能量转化率是实际上释放的电能和理论上反应放出的热能的比率)
解析：(1)a电极通入氢气，a是负极；(2)a、b两个电极均由多孔的碳块组成，通入的氢气和氧气由孔隙中逸入，并在电极表面发生反应而放电，是氢氧燃料电池，燃料氢气在负极失电子发生氧化反应，依据发生反应的化学方程式为2H2＋O2===2H2O，计算电子转移数；依据化学方程式可知生成360 000 g水转移电子40 000 ml；(3)已知H2的燃烧热为285.8 kJ·ml－1，则该燃料电池工作产生36 g H2O即2 ml水时，理论上放出571.6 kJ，实际上产生了468.8 kJ的电能，则该燃料电池的能量转化率是468.8 kJ÷571.6 kJ≈0.82。答案：(1)负 (2)40 000 (3)0.82
电极反应式或总反应式书写与新素材命题(六)01 原电池电极反应式或总反应式的书写1.铁镍电池(负极为Fe，正极为NiO2，电解液为KOH溶液)已知：Fe＋NiO2＋2H2O Fe(OH)2＋Ni(OH)2则：负极：______________________________________________________；正极：______________________________________________________；阴极：______________________________________________________；阳极：______________________________________________________。
答案：Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2 NiO2＋2H2O＋2e－===Ni(OH)2＋2OH－ Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－ Ni(OH)2－2e－＋2OH－===NiO2＋2H2O
2．LiFePO4电池(正极为LiFePO4，负极为Li，含Li＋导电固体为电解质)已知：FePO4＋Li LiFePO4则负极：___________________________________________________；正极：___________________________________________________；阴极：___________________________________________________；阳极：___________________________________________________。答案：Li－e－===Li＋ FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4 Li＋＋e－===Li LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋
3．高铁电池(负极为Zn，正极为石墨，电解质为浸湿的固态碱性物质)已知：3Zn＋2K2FeO4＋8H2O 3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，则：负极：_____________________________________________________；正极：_____________________________________________________；阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________。
4．氢氧燃料电池(1)电解质是KOH溶液(碱性电解质)负极：_____________________________________________________；正极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。(2)电解质是H2SO4溶液(酸性电解质)负极：_____________________________________________________；正极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。
答案：(1)2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 2H2＋O2===2H2O (2)2H2－4e－===4H＋ O2＋4H＋＋4e－===2H2O 2H2＋O2===2H2O
(3)电解质是NaCl溶液(中性电解质)负极：______________________________________________________；正极：______________________________________________________；总反应式：__________________________________________________。答案：(3)2H2－4e－===4H＋ O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 2H2＋O2===2H2O
5．甲烷燃料电池(铂为两极，正极通入O2和CO2，负极通入甲烷，电解液有三种)(1)电解质是熔融碳酸盐(K2CO3或Na2CO3)正极：______________________________________________________；负极：______________________________________________________；总反应式：__________________________________________________。
(2)酸性电解质(电解液为H2SO4溶液)正极：______________________________________________________；负极：______________________________________________________；总反应式：__________________________________________________。(3)碱性电解质(电解液为KOH溶液)正极：______________________________________________________；负极：______________________________________________________；总反应式：__________________________________________________。
6．甲醇燃料电池(1)碱性电解质(铂为两极，电解液为KOH溶液)正极：______________________________________________________；负极：______________________________________________________；总反应式：__________________________________________________。(2)酸性电解质(铂为两极，电解液为H2SO4溶液)正极：______________________________________________________；负极：______________________________________________________；总反应式：__________________________________________________。
7．CO燃料电池(总反应方程式均为2CO＋O2===2CO2)(1)熔融盐(铂为两极，Li2CO3和Na2CO3的熔融盐做电解质，CO为负极燃气，空气与CO2的混合气为正极助燃气)正极：_____________________________________________________；负极：_____________________________________________________。(2)酸性电解质(铂为两极，电解液为H2SO4溶液)正极：_____________________________________________________；负极：_____________________________________________________。
02 电解池电极反应式和总反应式的书写1.用惰性电极电解下列溶液(1)NaCl溶液阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。(2)CuSO4溶液阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。
2．用惰性电极电解下列熔融态物质(1)MgCl2阳极：____________________________________________________；阴极：____________________________________________________；总反应式：________________________________________________。(2)Al2O3阳极：____________________________________________________；阴极：____________________________________________________；总反应式：________________________________________________。
3．用铜做电极电解下列溶液(1)H2SO4溶液阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。(2)NaOH溶液阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。
4．用Al做电极电解下列溶液(1)H2SO4溶液阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。(2)NaOH溶液阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。
03 新素材命题[命题新素材]材料一 氢脆是金属腐蚀的一种类型。金属材料特别是钛材一旦吸氢，就会析出脆性氢化物，使机械强度劣化。在腐蚀介质中，金属因腐蚀反应析出的氢及制造过程中吸收的氢，是金属中氢的主要来源。金属的表面状态对吸氢有明显的影响，研究表明，钛材的研磨表面吸氢量最多，其次为原始表面，而真空退火和酸洗表面最难吸氢。钛材在大气中氧化处理能有效防止吸氢。
[设题新角度]问题1.阅读材料分析，金属钛在酸性介质还是碱性介质中更易发生氢脆？(素养角度——宏观辨识与微观探析)问题2.怎样防止金属钛发生氢脆腐蚀？(素养角度——宏观辨识与微观探析)问题1 提示：酸性介质。问题2 提示：钛材在大气中氧化处理能有效防止吸氢。
[设题新角度]问题1.根据材料分析电解除磷时为什么将铝板或铁板作阳极？(素养角度——宏观辨识与微观探析)问题2.用铁作电极，利用如图所示装置除去含CN－、Cl－废水中的CN－时，控制溶液pH为9～10，CN－与阳极产生的ClO－反应生成无污染的气体。思考在该装置中铁应该做什么电极？(素养角度——证据推理与模型认知)
问题1 提示：阳极在直流电源作用下电解产生Fe2＋或Al3＋，提供能与磷酸根结合生成沉淀的阳离子。问题2 提示：阳极产生ClO－，发生的反应为Cl－＋2OH－－2e－=== ClO－＋H2O，所以阳极一定是石墨电极，铁电极作阴极。
装置、过程和效率是电化学研究的三驾马车，作为电化学重要组成的效率问题，教材中出现了比能量和比功率的定义，但很少引起关注，思则有备，有备无患，及时修复知识体系的漏洞，避免失分是非常重要的。
一 理清法拉第常数与阿伏加德罗常数的关系 电化学中传递电子的数量是计算的核心，宏观测量的电流强度和时间，通过法拉第常数或阿伏加德罗常数都能获得电子的物质的量。1个电子电量是1.6×10－19 C,1 ml电子数约为6.02×1023,1 ml电子所带电量的绝对值即F＝6.02×1023 ml－1×1.6×10－19 C＝96 320 C/ml，试题中经常提供的数值为F＝96 500 C/ml。
利用题中新定义信息逆向求解1．比能量：电池单位质量或单位体积所输出电能的多少[单位：(W·h)/kg或(W·h)/L]。单位质量或单位体积指表达式中质量或体积处在分母位置，从单位看是kg或L。电池理论产生的电能处在表达式的分子位置，计算公式W＝U·I·t＝U·Q＝P·t，其中W是电功，单位为焦耳(J)；U是电压，单位为伏特(V)；I是电流，单位为安培(A)；t是时间，单位为秒(s)；Q是电量，单位为库仑(C)；P是功率，单位为瓦(W)，1 kW·h＝3.6×106 J。
三 物质与能量两大角度题型归纳训练 化学变化过程同时存在着物质和能量变化，同时遵守质量守恒和能量守恒。原电池和电解池电极反应式直接计算属于理想状态，不考虑效率问题，若用实际析出物质数据计算，因存在其他副反应，要考虑电流效率问题。
1．理论物质消耗和析出的相关计算[典例3] 酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是由碳粉、二氧化锰、氯化锌和氯化铵等组成的糊状填充物。该电池在放电过程中产生MnO(OH)，维持电流强度为0.5 A，电池工作5 min，理论消耗Zn________________g。(已知F＝96 500 C/ml)
[素养专项练]1．利用甲烷的燃烧反应设计一个燃料电池，用氢氧化钾溶液作电解质溶液，多孔石墨作电极，在电极上分别通入甲烷和氧气，通入甲烷气体的电极上发生的电极反应是_______，当电路中转移12 ml电子时，实际提供的电能是890.0 kJ，则该电池的能量转化效率是____________。
2．甲醇直接燃料电池具有启动快、效率高、能量密度高等优点。(已知二甲醚直接燃料电池能量密度E＝8.39 kW·h· kg－1)。(1)若电解质为酸性，甲醇直接燃料电池的负极反应为_____________；(2)该电池的理论输出电压为1.20 V，列式计算能量密度E＝？________________________________________________________________________________________________________________________(能量密度＝电池输出电能/燃料质量，1 kW·h＝3.6×106 J，一个电子的电量＝1.6×10－19 C)。
解析：逆向求解，首先求算阴极生成目标产物环己烷转移的电子数，阴极除生成环己烷外，还生成H2：2H＋＋2e－===H2↑，设阴极生成的环己烷为n(C6H12)，生成氢气为n(H2)，生成的环己烷与消耗苯的物质的量相等，剩余苯的物质的量为2.4 ml－n(C6H12)，根据剩余的苯所占的物质的量分数列出等式：[n(H2)＋n(C6H12)＋2.4 ml－n(C6H12)]×25%＝2.4 ml－n(C6H12)。阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，生成2.8 ml氧气，失去11.2 ml电子。电解过程中通过阴、阳极转移的电子
4．有一个铅蓄电池最初有100 g Pb和100 g PbO2，加入过量的硫酸，发生如下反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。理论上，一个电池可以放电到其中一个电极完全耗尽为止。假如不再充电，电池工作到反应完全，若该电池放电电流为1.00 A。通过计算求：(1)正、负极的电极材料中，哪个电极先消耗完。(2)理论上该电池放电最长时间是多少小时？(已知F＝96 500 C/ml)
5．在宇宙飞船和其他航天器上经常使用的氢氧燃料电池是一种新型电源，其构造如图所示：a、b两个电极均由多孔的碳块组成，通入的氢气和氧气由孔隙中逸入，并在电极表面发生反应而放电。
(1)a电极是电源的________极；(2)若该电池为航天员提供了360 kg的水，则电路中通过了________ml电子。(3)已知H2的燃烧热为285.8 kJ·ml－1，则该燃料电池工作产生36 g H2O时，实际上产生了468.8 kJ的电能，则该燃料电池的能量转化率是___。 (准确到0.01) (能量转化率是实际上释放的电能和理论上反应放出的热能的比率)
解析：(1)a电极通入氢气，a是负极；(2)a、b两个电极均由多孔的碳块组成，通入的氢气和氧气由孔隙中逸入，并在电极表面发生反应而放电，是氢氧燃料电池，燃料氢气在负极失电子发生氧化反应，依据发生反应的化学方程式为2H2＋O2===2H2O，计算电子转移数；依据化学方程式可知生成360 000 g水转移电子40 000 ml；(3)已知H2的燃烧热为285.8 kJ·ml－1，则该燃料电池工作产生36 g H2O即2 ml水时，理论上放出571.6 kJ，实际上产生了468.8 kJ的电能，则该燃料电池的能量转化率是468.8 kJ÷571.6 kJ≈0.82。答案：(1)负 (2)40 000 (3)0.82
电极反应式或总反应式书写与新素材命题(六)01 原电池电极反应式或总反应式的书写1.铁镍电池(负极为Fe，正极为NiO2，电解液为KOH溶液)已知：Fe＋NiO2＋2H2O Fe(OH)2＋Ni(OH)2则：负极：______________________________________________________；正极：______________________________________________________；阴极：______________________________________________________；阳极：______________________________________________________。
答案：Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2 NiO2＋2H2O＋2e－===Ni(OH)2＋2OH－ Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－ Ni(OH)2－2e－＋2OH－===NiO2＋2H2O
2．LiFePO4电池(正极为LiFePO4，负极为Li，含Li＋导电固体为电解质)已知：FePO4＋Li LiFePO4则负极：___________________________________________________；正极：___________________________________________________；阴极：___________________________________________________；阳极：___________________________________________________。答案：Li－e－===Li＋ FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4 Li＋＋e－===Li LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋
3．高铁电池(负极为Zn，正极为石墨，电解质为浸湿的固态碱性物质)已知：3Zn＋2K2FeO4＋8H2O 3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，则：负极：_____________________________________________________；正极：_____________________________________________________；阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________。
4．氢氧燃料电池(1)电解质是KOH溶液(碱性电解质)负极：_____________________________________________________；正极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。(2)电解质是H2SO4溶液(酸性电解质)负极：_____________________________________________________；正极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。
答案：(1)2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 2H2＋O2===2H2O (2)2H2－4e－===4H＋ O2＋4H＋＋4e－===2H2O 2H2＋O2===2H2O
(3)电解质是NaCl溶液(中性电解质)负极：______________________________________________________；正极：______________________________________________________；总反应式：__________________________________________________。答案：(3)2H2－4e－===4H＋ O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 2H2＋O2===2H2O
5．甲烷燃料电池(铂为两极，正极通入O2和CO2，负极通入甲烷，电解液有三种)(1)电解质是熔融碳酸盐(K2CO3或Na2CO3)正极：______________________________________________________；负极：______________________________________________________；总反应式：__________________________________________________。
(2)酸性电解质(电解液为H2SO4溶液)正极：______________________________________________________；负极：______________________________________________________；总反应式：__________________________________________________。(3)碱性电解质(电解液为KOH溶液)正极：______________________________________________________；负极：______________________________________________________；总反应式：__________________________________________________。
6．甲醇燃料电池(1)碱性电解质(铂为两极，电解液为KOH溶液)正极：______________________________________________________；负极：______________________________________________________；总反应式：__________________________________________________。(2)酸性电解质(铂为两极，电解液为H2SO4溶液)正极：______________________________________________________；负极：______________________________________________________；总反应式：__________________________________________________。
7．CO燃料电池(总反应方程式均为2CO＋O2===2CO2)(1)熔融盐(铂为两极，Li2CO3和Na2CO3的熔融盐做电解质，CO为负极燃气，空气与CO2的混合气为正极助燃气)正极：_____________________________________________________；负极：_____________________________________________________。(2)酸性电解质(铂为两极，电解液为H2SO4溶液)正极：_____________________________________________________；负极：_____________________________________________________。
02 电解池电极反应式和总反应式的书写1.用惰性电极电解下列溶液(1)NaCl溶液阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。(2)CuSO4溶液阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。
2．用惰性电极电解下列熔融态物质(1)MgCl2阳极：____________________________________________________；阴极：____________________________________________________；总反应式：________________________________________________。(2)Al2O3阳极：____________________________________________________；阴极：____________________________________________________；总反应式：________________________________________________。
3．用铜做电极电解下列溶液(1)H2SO4溶液阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。(2)NaOH溶液阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。
4．用Al做电极电解下列溶液(1)H2SO4溶液阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。(2)NaOH溶液阴极：_____________________________________________________；阳极：_____________________________________________________；总反应式：_________________________________________________。
03 新素材命题[命题新素材]材料一 氢脆是金属腐蚀的一种类型。金属材料特别是钛材一旦吸氢，就会析出脆性氢化物，使机械强度劣化。在腐蚀介质中，金属因腐蚀反应析出的氢及制造过程中吸收的氢，是金属中氢的主要来源。金属的表面状态对吸氢有明显的影响，研究表明，钛材的研磨表面吸氢量最多，其次为原始表面，而真空退火和酸洗表面最难吸氢。钛材在大气中氧化处理能有效防止吸氢。
[设题新角度]问题1.阅读材料分析，金属钛在酸性介质还是碱性介质中更易发生氢脆？(素养角度——宏观辨识与微观探析)问题2.怎样防止金属钛发生氢脆腐蚀？(素养角度——宏观辨识与微观探析)问题1 提示：酸性介质。问题2 提示：钛材在大气中氧化处理能有效防止吸氢。
[设题新角度]问题1.根据材料分析电解除磷时为什么将铝板或铁板作阳极？(素养角度——宏观辨识与微观探析)问题2.用铁作电极，利用如图所示装置除去含CN－、Cl－废水中的CN－时，控制溶液pH为9～10，CN－与阳极产生的ClO－反应生成无污染的气体。思考在该装置中铁应该做什么电极？(素养角度——证据推理与模型认知)
问题1 提示：阳极在直流电源作用下电解产生Fe2＋或Al3＋，提供能与磷酸根结合生成沉淀的阳离子。问题2 提示：阳极产生ClO－，发生的反应为Cl－＋2OH－－2e－=== ClO－＋H2O，所以阳极一定是石墨电极，铁电极作阴极。
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