学习目标

1．了解常见化学电源的工作原理，能正确写出其电极反应式，培养“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。

2．了解化学反应速率及化学平衡图像的种类及解答技巧，培养“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

专题探究

一、原电池电极反应式的书写技巧

方法一：（1）列物质，标得失，判断电极产物，标出电子得失数量。

（2）看环境，配守恒。依据电解质环境加电荷守恒，添加合理的离子。在水溶液中，若前面添加H⁺或OH^-，则后面生成H₂O，若在后面添加H⁺或OH^-，则前面比添加H₂O。在非水环境中则应依据实际环境添加合理的溶剂离子或分子。（3）两式相加，验总式。

方法二：（1）写出正负电极反应式中相对简单的一个电极反应式；

（2）用总反应式减去较简单的一个电极反应式得到另一个相对复杂的电极反应式。

易错警示：①冷的浓硝酸作电解质溶液，铁或铝与铜作电极时，铁或铝在冷的浓硝酸中钝化，活动性较弱的铜与浓硝酸发生氧化还原反应充当负极。②NaOH溶液作电解质溶液，镁与铝作电极时，因铝能与NaOH溶液反应，充当负极，而活动性较强的镁充当正极。

【名师点拨】判断正极和负极的常见方法

1、根据组成电极的材料判断：一般活动性较强的金属作负极；活动性较弱的金属或能导电的非金属作正极。

2、根据电子的流动方向判断：在原电池中，电子流出的一极是负极，电子流入的一极是正极。

3.根据原电池内离子的定向移动方向判断：在原电池的电解质溶液中，阳极向正极移动，阴离子向负极移动。

4、根据原电池两极发生的反应类型判断：负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应。

5、根据现象判断：溶解的一极是负极，质量增加或放出气体的一极作正极。

6、若两极都是惰性电极（如燃料电池），则可以通过电池反应来分析。如碱性甲醇燃料电池，其总反应为2CH₃OH＋3O₂＋4KOH=2K₂CO₃＋6H₂O,由于CH₃OH被氧化，则甲醇被氧化，则通入甲醇的一极为负极，通入氧气的一极为正极。

【典例1】(1)今有

反应，构成燃料电池，则负极通的应是__，正极通的应是__，电极反应式分别为___________、______。

(2)如把KOH改为稀H₂SO₄作电解质溶液，则电极反应式为______、_____。

(3)如把H₂改为甲烷、KOH作导电物质，则电极反应式为：_____、________。

[解析]　根据电池反应式可知H₂在反应中被氧化，O₂被还原，因此H₂应在负极上反应，O₂应在正极上反应。又因为是碱性溶液，此时应考虑不可能有H^＋参加或生成，故负极反应为2H₂＋4OH^－－4e^－===4H₂O，正极反应为O₂＋2H₂O＋4e^－===4OH^－。若将导电物质换成酸性溶液，此时应考虑不可能有OH^－参加或生成，故负极反应为2H₂－4e^－===4H^＋，正极反应为O₂＋4H^＋＋4e^－===2H₂O。如把H₂改为甲烷，用KOH作导电物质，根据反应CH₄＋2O₂===CO₂＋2H₂O，则负极为发生氧化反应的CH₄，正极为发生还原反应的O₂，由于有KOH存在，此时不会有CO₂放出。

[答案]　(1)H₂　O₂　负极：2H₂＋4OH^－－4e^－===4H₂O

正极：O₂＋2H₂O＋4e^－===4OH^－

(2)负极：2H₂－4e^－===4H^＋

正极：O₂＋4H^＋＋4e^－===2H₂O

(3)负极：CH₄＋10OH^－－8e^－===CO2－3＋7H₂O

正极：2O₂＋4H₂O＋8e^－===8OH^－

【高效训练】

1．锂电池是一种新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到普遍重视，目前已研制成功多种锂电池。某种锂电池的总反应式为Li＋MnO₂===LiMnO₂，下列说法中正确的是(　　)

A．Li是正极，电极反应为Li－e^－===Li^＋

B．Li是负极，电极反应为Li－e^－===Li^＋

C．Li是负极，电极反应为MnO₂＋e^－===MnO－2

D．Li是负极，电极反应为Li－2e^－===Li^2＋

[解析]分析锂电池的总反应式可知：Li发生氧化反应(作负极)，MnO₂发生还原反应(作正极)。

[答案]B

2．MgAgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是(　　)

A．负极反应式为Mg－2e^－===Mg^2＋

B．正极反应式为Ag^＋＋e^－===Ag

C．电池放电时Cl^－由正极向负极迁移

D．负极会发生副反应Mg＋2H₂O===Mg(OH)₂＋H₂↑

[解析]正极反应为AgCl＋e^－===Ag＋Cl^－。

[答案]B

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二、化学反应速率与平衡图像问题的解题方法

(1)借助于化学方程式掌握化学反应的特征；

(2)掌握该化学反应的速率变化与平衡移动的规律；

(3)掌握图中符号的含义，图中符号项目主要包括纵坐标、横坐标和图像，对图像要弄清楚其起点、拐点、交点、终点和走向(即“四点一向”)的含义。

【名师点拨】解答速率平衡图像题的思维流程

【典例2】　某温度时，在一个10 L恒容容器中，X、Y、Z均为气体，三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。根据图中数据填空：

(1)该反应的化学方程式为___________________________。

(2)反应开始至2 min，以气体X表示的平均反应速率为________。

(3)平衡时容器内气体的压强与起始时比________(填“变大”“变小”或“相等”，下同)，混合气体的密度与起始时比________。

(4)a mol X与b mol Y的混合气体发生上述反应，反应到某时刻各物质的量恰好满足：n(X)＝n(Y)＝2n(Z)，则原混合气体中a∶b＝________。

[解析]　(1)根据图像可知，X和Y的物质的量减小，说明是反应物，Z的物质的量增大，说明是生成物，化学反应速率之比等于系数之比，同时间同体积，物质的量变化之比等于系数之比，即三者物质的量的变化为(1－0.7)∶(1－0.9)∶0.2＝0.3∶0.1∶0.2＝3∶1∶2，反应的化学方程式为3X＋Y

2Z。

(2)v(X)＝0.32×10 mol/(L·min)＝0.015 mol/(L·min)。

(3)根据化学方程式可知，平衡时容器内气体的压强与起始时相比变小；组分都是气体，容积不变，气体的质量不变，因此反应前后气体密度不变。

(4)设X的变化量为3x mol，则：

　　　　　　3X　＋　Y

起始量/mol a b 0

变化量/mol 3x x 2x

某时刻量/mol a－3x b－x 2x

因n(X)＝n(Y)＝2n(Z)，则有a－3x＝4x，b－x＝4x，解得a＝7x，b＝5x，因此a∶b＝7x∶5x＝7∶5。

[答案]　(1)3X＋Y

2Z　(2)0.015 mol/(L·min)　(3)变小　不变　(4)7∶5

【高效训练】

1．下图是可逆反应X₂＋3Y₂

2Z₂在反应过程中的反应速率(v)与时间(t)的关系曲线，下列叙述正确的是(　　)

A．t₁时，只发生正反应

B．t₂时，反应达到限度

C．t₂～t₃，反应不再发生

D．t₂～t₃，各物质的浓度不再发生变化

[解析]　t₁时，既发生正反应，又发生逆反应，故A错误；t₂时，反应达到平衡状态，反应达到限度，故B正确；化学平衡是动态平衡，平衡时v_正＝v_逆>0，故C错误；t₂～t₃，反应达到平衡状态，各物质的浓度不再发生变化，故D正确。

[答案]　BD

2．H₂O₂分解速率受多种因素影响。实验测得70 ℃时不同条件下H₂O₂浓度随时间的变化如图所示。下列说法正确的是(　　)

甲　　　　　　　　　乙

丙　　　　　　　　　丁

A．图甲表明，其他条件相同时，H₂O₂浓度越小，其分解速率越快

B．图乙表明，其他条件相同时，溶液碱性越弱，H₂O₂分解速率越快

C．图丙表明，少量Mn^2＋存在时，溶液碱性越强，H₂O₂分解速率越快

D．图丙和图丁表明，碱性溶液中，Mn^2＋对H₂O₂分解速率的影响大

[解析]A错，由甲图可知，过氧化氢浓度越大，分解越快。B错，由乙图可知，溶液碱性越强，H₂O₂分解越快。C错，由丙图可知，有一定浓度的Mn^2＋存在时，并不是溶液碱性越强，H₂O₂分解越快。D对，由丙图可知，碱性溶液中Mn^2＋对过氧化氢分解有影响，丁图说明Mn^2＋浓度越大，过氧化氢分解越快，故由丙图和丁图可知，碱性溶液中，Mn^2＋对H₂O₂分解速率的影响大。 [答案]D

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当堂自测

1．在如图所示的装置中，电流表指针发生偏转。下列说法错误的是(　　)

A．铁是负极，发生氧化反应Fe－2e^－===Fe^2＋

B．溶液中Cu^2＋向银电极移动

C．一段时间后，银电极质量会增加

D．该装置发生的反应为Fe＋2Ag^＋===Fe^2＋＋2Ag

[解析]该装置中Fe失电子作负极，发生氧化反应，电极反应为Fe－2e^－===Fe^2＋，故A正确；Cu^2＋向正极银电极移动，故B正确；Ag作正极，电极反应为Cu^2＋＋2e^－===Cu，一段时间后，银电极质量会增加，故C正确；该装置发生的反应为Fe＋Cu^2＋===Fe^2＋＋Cu，故D错误。

[答案]D

2．纽扣电池可作计算器、电子表等的电源。有一种纽扣电池，其电极分别为Zn和Ag₂O，用KOH溶液作电解质溶液，电池的总反应为Zn＋Ag₂O===2Ag＋ZnO。关于该电池的下列叙述不正确的是(　　)

A．正极反应为Ag₂O＋2e^－＋H₂O===2Ag＋2OH^－

B．Zn极发生氧化反应，Ag₂O极发生还原反应

C．使用时电子由Zn极经外电路流向Ag₂O极，Zn是负极

D．使用时溶液中电流的方向是由Ag₂O极流向Zn极

[解析]银元素的化合价降低被还原，Ag₂O为正极，正极反应为Ag₂O＋H₂O＋2e^－===2Ag＋2OH^－，故A正确；Zn失电子作负极，发生氧化反应，Ag₂O得电子作正极，发生还原反应，故B正确；Zn作负极，Ag₂O作正极，所以电子由Zn极经外电路流向Ag₂O极，C正确；溶液中是离子的定向移动形成电流，使用时溶液中电流的方向是由Zn极流向Ag₂O极，故D不正确。

[答案]D

3．一定条件下，在容积为10 L的固定容器中发生反应N₂(g)＋3H₂(g)

2NH₃(g)，反应过程如图。下列说法正确的是(　　)

A．t min时正、逆反应速率相等

B．X曲线表示NH₃的物质的量随时间的变化关系

C．0～8 min，H₂的平均反应速率v(H₂)＝0.75 mol·L^－1·min^－1

D．10～12 min，N₂的平均反应速率v(N₂)＝0.25 mol·L^－1·min^－1

[解析]t min时，X、Y的浓度相等，此时没有达到平衡状态，正、逆反应速率不相等。根据题给图像，X的物质的量增加，属于生成物，因此X为NH₃的曲线。0～8 min时，v(NH₃)＝0.6 mol10 L×8 min＝0.007 5 mol·L^－1·min^－1，根据化学反应速率之比等于系数之比，则v(H₂)＝vNH32×3＝0.011 25 mol·L^－1·min^－1。10～12 min，v(NH₃)＝0.7 mol－0.6 mol10 L×2 min＝0.005 mol·L^－1·min^－1，v(N₂)＝vNH32＝0.002 5 mol·L^－1·min^－1。

[答案]B

4．对水样中M的分解速率的影响因素进行研究。在相同温度下，M的物质的量浓度[c(M)]随时间(t)的变化如图所示。下列说法错误的是(　　)

A．水样酸性越强，M的分解速率越快

B．水样中添加Cu^2＋，能加快M的分解速率

C．由②③得，反应物浓度越大，M的分解速率越快

D．在0～20 min内，②中M的分解速率为0.015 mol·L^－1·min^－1

[解析]A对，根据①②知，M浓度相同时，pH越小，相同时间内浓度的变化量越大，则M的分解速率越快。B对，根据③④知，pH相同时，含有Cu^2＋的水样相同时间内浓度的变化量大，则M分解速率快。C错，由②③知，反应物浓度、溶液的pH均不同，无法判断反应物的浓度与M分解速率快慢的关系。D对，0～20 min内，②中M的分解速率v＝ΔcΔt＝0.40 mol·L－1－0.10 mol·L－120 min＝0.015 mol·L^－1·min^－1。

[答案]C

5．在2 L的密闭容器中，X、Y、Z三种气体的物质的量随时间变化的曲线如图所示：

(1)写出该反应的化学方程式：_____________________。

(2)0～10 s内，用X表示的反应速率是______________________。

(3)下列叙述中能说明上述反应达到平衡状态的是________。　

a．X与Y的反应速率之比为1∶1

b．混合气体中X的浓度保持不变

c．X、Y、Z的浓度之比为1∶1∶2

(4)为使该反应的反应速率增大，可采取的措施是________。

a．适当降低温度

b．扩大容器的体积

c．充入一定量Z

[解析](1)由题图可知该反应的反应物为X和Y，生成物为Z,0～10 s内，|Δn(X)|＝1.20 mol－0.41 mol＝0.79 mol，|Δn(Y)|＝1.00 mol－0.21 mol＝0.79 mol，Δn(Z)＝1.58 mol，所以|Δn(X)|∶|Δn(Y)|∶Δn(Z)＝1∶1∶2，该反应的化学方程式为X＋Y

2Z。(2)0～10 s内|Δn(X)|＝0.79 mol，用X表示的反应速率为0.79 mol2 L×10 s＝0.039 5 mol·L^－1·s^－1。(3)X与Y的反应速率之比为1∶1，没有说明反应方向，不能说明正反应速率＝逆反应速率，故a错误；混合气体中X的浓度保持不变，能说明反应达到平衡状态，故b正确；X、Y、Z的浓度之比为1∶1∶2，不能说明各组分浓度不再改变，故c错误。(4)适当降低温度，反应速率减小，故a错误；扩大容器的体积，反应物浓度减小，反应速率减小，故b错误；充入一定量Z，增大了Z的浓度，反应速率增大，故c正确。

[答案]　(1)X＋Y

2Z　(2)0.039 5 mol·L^－1·s^－1　(3)b　(4)c

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