热点强化19 整合物理学科的电池知识，计算电化学转化效率-【优化探究】2025年高考化学一轮复习高考总复习配套课件（苏教版2019）

第三单元 电能转化为化学能 热点强化19 整合物理学科的电池知识，计算电化学转化效率 优化探究 大单元四　化学反应原理 　专题9　化学反应与能量变化 　方法指导：电化学计算的三种方法 技法指导 4e－～ ～ (式中 M 为金属， n 为其离子的化合价数值) 该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值，熟记电极反应，灵活运用 关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。 装置、过程和效率是电化学研究的三驾马车，效率问题作为电化学重要 的组成之一，教材中出现了比能量和比功率的定义，但很少引起关注。 如以电路中通过4 mol e－为桥梁可构建以下关系式： 化学变化过程又存在着物质变化和能量变化，同时遵守质量守恒定律和 能量守恒定律。原电池和电解池的电极反应直接计算，不考虑效率问题 属于理想状态；若用实际析出物质的数据计算，因存在其他副反应，要 考虑电流效率问题。 此类计算在命题中一般会涉及两个角度：一是理论消耗量或析出量的相 关计算；二是能量转化效率的相关计算。 解答此类问题时需要注意如下几点： 1. 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1.6×10－19C，1 mol电子数约为6.02×1023，1 mol电子所 带电量的绝对值即 F ＝6.02×1023 mol－1×1.6×10－19 C＝96 320 C/mol， 试题中经常提供的数值为 F ＝96 500 C/mol。 电源或电池提供电量 Q ＝ I · t (注意单位：电流强度单位为A，时间单位 为s)， n (e－)＝ 。 若试题中没有提供法拉第常数，可以将电量除以1个电子所带的电量得 到电子个数，再除以阿伏加德罗常数得到电子的物质的量，即 n (e－)＝ 。 2. 充分利用题中的新定义信息 (1)比能量：电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少[单位： (W·h)/kg或(W·h)/L]。 (2)比功率：电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小[单位：W/kg 或W/L]， P ＝ UI 。 (3)电流利用效率＝ ×100％，负载利用电量是通过电解计 算出转移电子的物质的量，电池输出电量是电流表和钟表测定值 Q ＝ I · t ，再通过法拉第常数将 Q 转化为电子的物质的量。 1. 以石墨为电极，用电流强度为 I (安培)的直流电电解足量RCl y 的水溶 液， t min后，精确测得电极上析出 n g 金属R，设金属R的摩尔质量为 M g·mol－1，则阿伏加德罗常数的计算式可表示为(每个电子电量：1.6×10 －19 C)(　C　) A. N A＝ B. N A＝ C. N A＝ D. N A＝ C 热点训练 阴极析出金属，电极反应为 R y ＋＋ y e－ R M g y mol n g n (e－) 将 n (e－)＝ 代入 ＝ ， 整理得 N A＝ 。 2. 二甲醚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[5.93 (kW·h)/kg]。电解质为酸性溶液，该电池的理论输 出电压为1.20 V，能量密度 E ＝ (已知能量密度＝ ， F ＝96 500 C/mol，1 kW·h＝3.6×106 J)。 8.39 (kW·h)/kg　 假设消耗1 kg的CH3OCH3，依据 W ＝ U × Q ，1 mol CH3OCH3中有2 mol 的－2价碳被氧化为＋4价CO2，转移12 mol电子，1 kg CH3OCH3反应产 生的电量 Q ＝ ×12×96 500 C/mol， W ＝ U × Q ＝1.20 V× ×12×96 500 C/mol，所得电功单位是J，需要换算成kW·h， W ＝ ，能量密度＝ ＝ ≈8.39(kW·h)/kg。 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的质量为 g。(已知 F ＝96 500 C/mol) 0.05　 锌是活泼金属，为负极，电极反应： Zn － 2e－ Zn2＋ 65 g 2 mol m n (e－) ＝ ，将 n (e－)＝ ＝ ＝ 代入，解得 m ≈0.05 g。 4. 若用放电电流强度 I ＝2.0 A的电池工作10 min，电解精炼铜得到铜 0.32 g，则电流利用效率为 (保留小数点后一位)(已知 F ＝96 500 C/mol，电流利用效率＝ ×100％)。 80.4％　 通过电流利用效率表达式可知，负载利用电量用来电解精炼铜，电池输 出电量是电流表和钟表测定值。电解精炼铜得到铜0.32 g时， n (Cu)＝ ＝0.005 mol， n (e－)＝2 n (Cu)＝0.01 mol，电解消耗的电量 Q 1＝ 0.01 mol×96 500 C/mol＝965 C。根据放电的电流强度 I ＝2.0 A，电池工 作10 min，计算得电池的输出电量 Q ＝ I × t ＝2.0 A×10×60 s＝1 200 C，电流利用效率＝ ×100％≈80.4％。 5. (2024·江苏常州检测)用电化学方法还原CO2将其转化为其他化学 产品可以实现对CO2的综合利用。图1是在酸性条件下电化学还原 CO2的装置。 已知：法拉第效率( FE )表示为 FE (B)％＝ ×100％。 控制pH＝1、电解液中存在KCl时，电化学还原CO2过程中CH4(其他含碳产物未标出)和H2的法拉第效率变化如图2所示。 (1)写出阴极生成CH4的电极反应： ⁠ ⁠。 CO2＋8H＋＋8e－ CH4＋ 2H2O　 (1)由图1可知，酸性条件下，阴极生成CH4的电极反应为CO2＋8H＋＋ 8e－ CH4＋2H2O。 (2)结合图2的变化规律，推测KCl的作用可能是 ⁠ ⁠ ⁠。 KCl的存在有利于CO2 还原成CH4，不利于生成氢气(或KCl的浓度大于1 mol·L－1时，抑制阴极 生成氢气，提高了CO2电化学还原生成CH4的选择性) (2)图2中变化规律是随KCl的浓度的增大， FE (CH4)％增大， FE (H2)％ 减小，说明KCl的存在有利于CO2还原成CH4，不利于生成氢气或KCl的 浓度大于1 mol·L－1时，KCl抑制阴极生成氢气，提高了CO2电化学还原 生成CH4的选择性。 (3) c (KCl)＝3 mol·L－1时，22.4 L(已折合为标准状况，下同)的CO2被完 全吸收并还原为CH4和C2H4，分离H2后，将CH4和C2H4的混合气体通入 图3所示装置(反应完全)，出口处收集到气体8.96 L(不考虑水蒸气)，则 FE (C2H4)％＝ ⁠。 22.5％　 (3)标准状况下22.4 L的CO2的物质的量为1 mol，被完全吸收并还原为 CH4和C2H4，分离H2后，将CH4和C2H4的混合气体通入题图3所示装置 (反应完全)，出口处收集到8.96 L气体，该气体为CH4，则CH4的物质的 量为0.4 mol，根据C原子守恒可知，生成的C2H4的物质的量为 mol＝0.3 mol，生成CH4所用电子 的物质的量为(8×0.4) mol＝3.2 mol，生 成C2H4所用电子的物质的量为(6×0.3× 2) mol＝3.6 mol，当 c (KCl)＝3 mol·L－1 时， FE (CH4)％＝20％，则 FE (C2H4)％＝ 22.5％。 6. (2024·江苏常州检测)煤中硫的存在形态分为有机硫和无机硫(CaSO4、 硫化物及微量单质硫等)。库仑滴定法是常用的快捷检测煤中全硫含量 的方法。其主要过程如图所示。 已知：在催化剂作用下，煤在 管式炉中燃烧，出口气体主要含O2、 CO2、H2O、N2、SO2。 (1)煤样需研磨成细小粉末，其目的是 ⁠ ⁠。 (1)煤样研磨成细小粉末后固体表面积增大，与空气的接触面积增大，反 应更加充分。 增大与空气的接触面积，使反应 更加充分 (2)高温下，煤中CaSO4完全 转化为SO2，该反应的化学方程式 为 ⁠。 (2)由题意可知，在催化剂作用下，硫酸钙高温分解生成氧化钙、二氧化 硫和水，反应的化学方程式为2CaSO4 2CaO＋2SO2↑＋O2↑。 2CaSO4 2CaO＋2SO2↑＋O2↑ (3)通过干燥装置后，待测气体进入库仑测硫仪进行测定。 已知：库仑测硫仪中的电解原理示意图如图。检测前，电解质溶液中 保持定值时，电解池不工作。待测气体进入电解池后，SO2溶解 并将 还原，测硫仪便立即自动进行电解，直 到 又回到原定值，测定结束，通过测定 电解消耗的电量可以求得煤中含硫量。 ①SO2在电解池中发生反应的离子方程式 为 ⁠ ⁠。 (3)①由题意可知，二氧化硫在电解池中与溶液中的 反应生成碘离子、硫酸根离子和氢离子，离子方程式为SO2＋ ＋2H2O 3I－＋S ＋4H＋； SO2＋ ＋2H2O 3I－ ＋S ＋4H＋　 ②测硫仪工作时电解池的阳极反应为 ⁠。 ②由题意可知，测硫仪电解池工作时，碘离子在阳极失去电子发生氧化反应生成碘三离子，电极反应为3I－－2e－ 。 3I－－2e－ 　 (4)煤样为 a g，电解消耗的电量为 x 库仑，煤样中硫的质量分数为 ⁠ (用含 a ， x 的表达式表示)。 (4)由题意可得关系式：S～SO2～ ～2e－，电解消耗的电量为 x 库仑， 则煤样中硫的质量分数为 ×100％＝ ％。 ％　 已知：电解中转移1 mol电子所消耗的电量为 96 500库仑。 (5)条件控制和误差分析。 ①测定过程中，需控制电解质溶液pH，当pH＜1时， 非电解生成的 使测得的全硫含量偏小，生成 的 离子方程式为 ⁠ ⁠。 (5)①当pH＜1时，由于酸性较强，待测气体中混有的氧气可以将I－氧化 为 ：6I－＋O2＋4H＋ 2 ＋2H2O，从而使测得的全硫含量偏小； 6I－＋O2＋4H＋ 2 ＋2H2O ②测定过程中，管式炉内壁上有SO3残留，测得全硫含量结果 ⁠ (填“偏大”或“偏小”)。 ②测定过程中，管式炉内壁上有三氧化硫残留，说明硫元素没有全部转化为二氧化硫，即二氧化硫与碘三离子反应生成的碘离子偏少，电解时转移电子数目偏小，导致测得全硫含量结果偏小。 偏 小　 $$