2023屆增分小專題：電化學轉化效率問題的解答策略知識梳理裝置、過程和效率是電化學研究的三駕馬車，作為電化學重要組成的效率問題，教材中出現了比能量和比功率的定義，但很少引起關注，思則有備，有備無患，及時修復知識體系的漏洞，避免失分是非常重要的。一、理清法拉第常數與阿伏加德羅常數的關系電化學中傳遞電子的數量是計算的核心，宏觀測量的電流強度和時間，通過法拉第常數或阿伏加德羅常數都能獲得電子的物質的量。1個電子電量是1.6×10－19C,1mol電子數約為6.02×1023,1mol電子所帶電量的絕對值即F＝6.02×1023mol－1×1.6×10－19C＝96320C/mol，試題中經常提供的數值為F＝96500C/mol。電源或電池提供電量Q＝I·t(注意單位：電流強度為A，時間為s)，n(e－)＝eq\f(I·t,F)。若試題中沒有提供法拉第常數，可以將電量除以1個電子所帶的電量得到電子個數，再除以阿伏加德羅常數得到電子物質的量，即n(e－)＝eq\f(I·t,1.6×10－19C×6.02×1023mol－1)。例1：以石墨為電極，用電流強度為I(安培)的直流電電解足量RCly的水溶液，tmin后，精確測得電極上析出ng金屬R，設金屬R的摩爾質量為Mg/mol，則阿伏加德羅常數的計算式可表示為(每個電子電量：1.6×10－19C)()A．NA＝eq\f(MIt,2n×1.6×10－19)B．NA＝eq\f(60tIM,n×1.6×10－19)C．NA＝eq\f(60tIM,yn×1.6×10－19)D．NA＝eq\f(MIt,yn×1.6×10－19)二、利用題中新定義信息逆向求解1．比能量：電池單位質量或單位體積所輸出電能的多少[單位：(W·h)/kg或(W·h)/L]。單位質量或單位體積指表達式中質量或體積處在分母位置，從單位看是kg或L。電池理論產生的電能處在表達式的分子位置，計算公式W＝U·I·t＝U·Q＝P·t，其中W是電功，單位為焦耳(J)；U是電壓，單位為伏特(V)；I是電流，單位為安培(A)；t是時間，單位為秒(s)；Q是電量，單位為庫侖(C)；P是功率，單位為瓦(W)，1kW·h＝3.6×106J。2．比功率：電池單位質量或單位體積所輸出功率的大小(單位：W/kg或W/L)，P＝UI。3．電流利用效率＝eq\f(負載利用電量,電池輸出電量)×100%，負載利用電量是通過電解計算出轉移電子的物質的量，電池輸出電量是電流表和鐘表測定值Q＝I·t，再通過法拉第常數將Q轉化為電子物質的量。例2：二甲醚直接燃料電池具有啟動快、效率高等優(yōu)點，其能量密度高于甲醇直接燃料電池(5.93kW·h·kg－1)。電解質為酸性，該電池的理論輸出電壓為1.20V，則能量密度E＝？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(列式計算。能量密度＝eq\f(電池輸出電能,燃料質量)，已知F＝96500C/mol1kW·h＝3.6×106J)。三、物質與能量兩大角度題型歸納訓練化學變化過程同時存在著物質和能量變化，同時遵守質量守恒和能量守恒。原電池和電解池電極反應式直接計算屬于理想狀態(tài)，不考慮效率問題，若用實際析出物質數據計算，因存在其他副反應，要考慮電流效率問題。1．理論物質消耗和析出的相關計算例3：酸性鋅錳干電池是一種一次性電池，外殼為金屬鋅，中間是碳棒，其周圍是由碳粉、二氧化錳、氯化鋅和氯化銨等組成的糊狀填充物。該電池在放電過程中產生MnO(OH)，維持電流強度為0.5A，電池工作5min，理論消耗Zn________________g。(已知F＝96500C/mol)2．能量轉化效率的相關計算例4：若用放電電流強度I＝2.0A的電池工作10min，電解精煉銅得到銅0.32g，則電流利用效率為__________(保留小數點后一位)。(已知：F＝96500C/mol，電流利用效率＝eq\f(負載利用電量,電池輸出電量)×100%)電極反應式或總反應式書寫與新素材命題01原電池電極反應式或總反應式的書寫1.鐵鎳電池(負極為Fe，正極為NiO2，電解液為KOH溶液)已知：Fe＋NiO2＋2H2Oeq\o(,\s\up8(放電),\s\do8(充電))Fe(OH)2＋Ni(OH)2則：負極：_______________________________________________________；正極：_______________________________________________________；陰極：_______________________________________________________；陽極：_______________________________________________________。2．LiFePO4電池(正極為LiFePO4，負極為Li，含Li＋導電固體為電解質)已知：FePO4＋Lieq\o(,\s\up8(放電),\s\do8(充電))LiFePO4則負極：_________________________________________________________；正極：_________________________________________________________；陰極：_________________________________________________________；陽極：_________________________________________________________。3．高鐵電池(負極為Zn，正極為石墨，電解質為浸濕的固態(tài)堿性物質)已知：3Zn＋2K2FeO4＋8H2Oeq\o(,\s\up8(放電),\s\do8(充電))3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，則：負極：__________________________________________________________；正極：__________________________________________________________；陰極：__________________________________________________________；陽極：__________________________________________________________。4．氫氧燃料電池(1)電解質是KOH溶液(堿性電解質)負極：______________________________________________________________；正極：______________________________________________________________；總反應式：__________________________________________________________。(2)電解質是H2SO4溶液(酸性電解質)負極：______________________________________________________________；正極：______________________________________________________________；總反應式：__________________________________________________________。(3)電解質是NaCl溶液(中性電解質)負極：______________________________________________________________；正極：______________________________________________________________；總反應式：__________________________________________________________。5．甲烷燃料電池(鉑為兩極，正極通入O2和CO2，負極通入甲烷，電解液有三種)(1)電解質是熔融碳酸鹽(K2CO3或Na2CO3)正極：_____________________________________________________________；負極：_____________________________________________________________；總反應式：_________________________________________________________。(2)酸性電解質(電解液為H2SO4溶液)正極：______________________________________________________________；負極：______________________________________________________________；總反應式：__________________________________________________________。(3)堿性電解質(電解液為KOH溶液)正極：______________________________________________________________；負極：______________________________________________________________；總反應式：__________________________________________________________。6．甲醇燃料電池(1)堿性電解質(鉑為兩極，電解液為KOH溶液)正極：_____________________________________________________________；負極：_____________________________________________________________；總反應式：_________________________________________________________。(2)酸性電解質(鉑為兩極，電解液為H2SO4溶液)正極：_____________________________________________________________；負極：_____________________________________________________________；總反應式：_________________________________________________________。7．CO燃料電池(總反應方程式均為2CO＋O2=2CO2)(1)熔融鹽(鉑為兩極，Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽做電解質，CO為負極燃氣，空氣與CO2的混合氣為正極助燃氣)正極：_____________________________________________________________；負極：_____________________________________________________________。(2)酸性電解質(鉑為兩極，電解液為H2SO4溶液)正極：____________________________________________________________；負極：____________________________________________________________。02電解池電極反應式和總反應式的書寫1.用惰性電極電解下列溶液(1)NaCl溶液陰極：_______________________________________________________________；陽極：_______________________________________________________________；總反應式：___________________________________________________________。(2)CuSO4溶液陰極：_____________________________________________________________；陽極：_____________________________________________________________；總反應式：_________________________________________________________。2．用惰性電極電解下列熔融態(tài)物質(1)MgCl2陽極：_____________________________________________________________；陰極：_____________________________________________________________；總反應式：_________________________________________________________。(2)Al2O3陽極：_____________________________________________________________；陰極：_____________________________________________________________；總反應式：_________________________________________________________。3．用銅做電極電解下列溶液(1)H2SO4溶液陰極：_______________________________________________________________；陽極：_______________________________________________________________；總反應式：___________________________________________________________。(2)NaOH溶液陰極：_______________________________________________________________；陽極：_______________________________________________________________；總反應式：___________________________________________________________。4．用Al做電極電解下列溶液(1)H2SO4溶液陰極：_______________________________________________________________；陽極：_______________________________________________________________；總反應式：___________________________________________________________。(2)NaOH溶液陰極：_______________________________________________________________；陽極：_______________________________________________________________；總反應式：___________________________________________________________。03新素材命題[命題新素材]材料一氫脆是金屬腐蝕的一種類型。金屬材料特別是鈦材一旦吸氫，就會析出脆性氫化物，使機械強度劣化。在腐蝕介質中，金屬因腐蝕反應析出的氫及制造過程中吸收的氫，是金屬中氫的主要來源。金屬的表面狀態(tài)對吸氫有明顯的影響，研究表明，鈦材的研磨表面吸氫量最多，其次為原始表面，而真空退火和酸洗表面最難吸氫。鈦材在大氣中氧化處理能有效防止吸氫。[設題新角度]問題1.閱讀材料分析，金屬鈦在酸性介質還是堿性介質中更易發(fā)生氫脆？(素養(yǎng)角度——宏觀辨識與微觀探析)問題2.怎樣防止金屬鈦發(fā)生氫脆腐蝕？(素養(yǎng)角度——宏觀辨識與微觀探析)問題1提示：酸性介質。問題2提示：鈦材在大氣中氧化處理能有效防止吸氫。[命題新素材]材料二目前電解除磷裝置多采用鐵板或鋁板作為電極，電極板浸沒在水中，陽極在直流電源作用下電解產生Fe2＋或Al3＋，Fe2＋可進一步被氧化生成Fe3＋，這些離子能與污水中的POeq\o\al(3－,4)反應生成不溶性化合物，可通過固液分離被去除。此外，在不同pH條件下，部分金屬離子會與污水中的OH－生成鐵或鋁的羥基化合物及沉淀物，污水中的POeq\o\al(3－,4)會吸附在這些沉淀物的表面并隨其一起被去除。同時，陰極生成的H2在污水中會產生氣浮現象，使污水中的顆粒物漂浮到表面而得以去除。目前國內已有不少關于電解除磷裝置的研究，但由于其短時間內處理的污水量有限及存在的其他一些技術問題限制了其在生活污水處理裝置末端上的連續(xù)應用。[設題新角度]問題1.根據材料分析電解除磷時為什么將鋁板或鐵板作陽極？(素養(yǎng)角度——宏觀辨識與微觀探析)問題2.用鐵作電極，利用如圖所示裝置除去含CN－、Cl－廢水中的CN－時，控制溶液pH為9～10，CN－與陽極產生的ClO－反應生成無污染的氣體。思考在該裝置中鐵應該做什么電極？(素養(yǎng)角度——證據推理與模型認知)問題3.根據所學知識分析，電解法除去廢水中的磷元素，可能會面臨哪些技術難題？(素養(yǎng)角度——科學探究與創(chuàng)新意識)問題1提示：陽極在直流電源作用下電解產生Fe2＋或Al3＋，提供能與磷酸根結合生成沉淀的陽離子。問題2提示：陽極產生ClO－，發(fā)生的反應為Cl－＋2OH－－2e－=ClO－＋H2O，所以陽極一定是石墨電極，鐵電極作陰極。問題3提示：金屬陽極易發(fā)生鈍化現象，導致通過穩(wěn)壓電解系統(tǒng)的電流逐漸減小，進而影響電解除磷的效率；電解反應后的出水無法達到色度指標：一方面，電解過程中溶出較多Fe3＋，會使水體呈現黃棕色甚至棕紅色；另一方面，Fe2＋與水中成色物質形成難以絮凝沉降的有機鐵化合物，使原水變色。

題組強化訓練1.(2022年北京卷節(jié)選)煤中硫的存在形態(tài)分為有機硫和無機硫(CaSO4、硫化物及微量單質硫等)。庫侖滴定法是常用的快速檢測煤中全硫含量的方法，其主要過程如下圖所示。已知：在催化劑作用下，煤在管式爐中燃燒，出口氣體中主要含O2、CO2、H2O、N2、SO2。(1)煤樣需研磨成細小粉末，目的是。(2)高溫下，煤中的CaSO4完全轉化為SO2，該反應的化學方程式為。(3)通過干燥裝置后，待測氣體進入庫侖測硫儀進行測定。已知：庫侖測硫儀中電解原理示意圖如下。檢測前，電解質溶液中c(I3-)/c(I-)保持定值時，電解池不工作。待測氣體進入電解池后，SO2溶解并將I3-還原，測硫儀便立即自動進行電解到c(I3-)/c(I-)又回到原定值，測定結束。通過測定電解消耗的電量可以求得煤中含硫量。①SO2在電解池中發(fā)生反應的離子方程式為。②測硫儀工作時電解池的陽極反應式為。(4)煤樣為ag，電解消耗的電量為x庫侖。煤樣中硫的質量分數為___________。已知：電解中轉移1mol電子所消耗的電量為96500庫侖。(5)條件控制和誤差分析。①測定過程中，需要控制電解質溶液的pH。當pH＜1時，非電解生成的I3-使測得的全硫含量偏小，生成Ieq\o\al(－,3)的離子方程式為。②管式爐中煤樣燃燒時會有少量SO3產生，使測得的全硫含量___________（填“偏大”或“偏小”），該測量結果可進行校正。2．甲醇直接燃料電池具有啟動快、效率高、能量密度高等優(yōu)點。(已知二甲醚直接燃料電池能量密度E＝8.39kW·h·kg－1)。(1)若電解質為酸性，甲醇直接燃料電池的負極反應為____________________________；(2)該電池的理論輸出電壓為1.20V，列式計算能量密度E＝？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(能量密度＝電池輸出電能/燃料質量，1kW·h＝3.6×106J，一個電子的電量＝1.6×10－19C)。3．儲氫可借助有機物，如利用環(huán)己烷和苯之間的可逆反應來實現脫氫和加氫：(g)eq\o(,\s\up7(FeSO4/Al2O3),\s\do7(高溫))(g)＋3H2(g)，一定條件下，如圖所示裝置可實現有機物的電化學儲氫(忽略其他有機物)。該儲氫裝置的電流效率η＝__________________________________(η＝eq\f(生成目標產物消耗的電子數,轉移的電子總數)×100%，計算結果保留小數點后一位)。4．有一個鉛蓄電池最初有100gPb和100gPbO2，加入過量的硫酸，發(fā)生如下反應：Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O。理論上，一個電池可以放電到其中一個電極完全耗盡為止。假如不再充電，電池工作到反應完全，若該電池放電電流為1.00A。通過計算求：(1)正、負極的電極材料中，哪個電極先消耗完。(2)理論上該電池放電最長時間是多少小時？(已知F＝96500C/mol)5．在宇宙飛船和其他航天器上經常使用的氫氧燃料電池是一種新型電源，其構造如圖所示：a、b兩個電極均由多孔的碳塊組成，通入的氫氣和氧氣由孔隙中逸入，并在電極表面發(fā)生反應而放電。(1)a電極是電源的________極；(2)若該電池為航天員提供了360kg的水，則電路中通過了________mol電子。(3)已知H2的燃燒熱為285.8kJ·mol－1，則該燃料電池工作產生36gH2O時，實際上產生了468.8kJ的電能，則該燃料電池的能量轉化率是________。(準確到0.01)(能量轉化率是實際上釋放的電能和理論上反應放出的熱能的比率)6．按要求回答下列問題(1)用如圖1裝置電解含CO2的某酸性廢水溶液，陰極產物中含有乙烯。該分離膜為________(填“陽”或“陰”)離子選擇性交換膜；生成乙烯的電極反應式為_______________________________________________________________________________。(2)從環(huán)境保護的角度看，制備K2FeO4較好的方法為電解法，其裝置如圖2，電解過程中陽極的電極反應式為_______________________________________________________________。(3)有人研究了用電化學方法把CO2轉化為CH3OH，其原理如圖3所示：則圖中A電極接電源________極。已知B電極為惰性電極，則在水溶液中，該極的電極反應為_____________________________________________________________________________。(4)以連二亞硫酸鹽(S2Oeq\o\al(2－,4))為還原劑脫除煙氣中的NO，并通過電解再生，裝置如圖4。陰極的電極反應式為_____________________________________，電解槽中的隔膜為________(填“陽”或“陰”)離子交換膜。(5)甲醛超標會危害人體健康，需對甲醛進行含量檢測及污染處理。某甲醛氣體傳感器的工作原理如圖5所示，b極的電極反應式為_______________________________________，當電路中轉移4×10－4mol電子時，傳感器內參加反應的甲醛(HCHO)為________mg。(6)氨氣與氧氣在催化劑條件下會生成大氣污染物NO，下圖是間接電化學法除NO，其原理如圖6所示。寫出陰極的電極反應式(陰極室溶液呈酸性)：__________________；吸收池中除去NO的離子方程式為_________________________________________________________。7．如圖所示，通電5min后，電極5的質量增加2.16g，請回答下列問題：(1)a為電源的________(填“正”或“負”)極，C池是______________池。A池陽極的電極反應為____________，C池陰極的電極反應為____________。(2)如果B池中共收集到224mL氣體(標準狀況)且溶液體積為200mL(設電解過程中溶液體積不變)，則通電前溶液中Cu2＋的物質的量濃度為________。(3)如果A池溶液是200mL足量的食鹽水(電解過程溶液體積不變)，則通電后，溶液的pH為______________。8．(2021年1月八省聯考河北)我國科學家最近發(fā)明了一種Zn－PbO2電池，電解質為K2SO4、H2SO4和KOH，由a和b兩種離子交換膜隔開，形成A、B、C三個電解質溶液區(qū)域，結構示意圖如下：回答下列問題：(1)電池中，Zn為________極，B區(qū)域的電解質為________(填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)。(2)電池反應的離子方程式為____________________________________________________。(3)陽離子交換膜為圖中的________膜(填“a”或“b”)。(4)此電池中，消耗6.5gZn，理論上可產生的容量(電量)為________毫安時(mAh)(1mol電子的電量為1F，F＝96500C·mol－1，結果保留整數)。(5)已知E為電池電動勢(電池電動勢即電池的理論電壓，是兩個電極電位之差，E＝E(＋)－E(－))，ΔG為電池反應的自由能變，則該電池與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池相比較，_____；________(填“>”或“<”)。(6)Zn是一種重要的金屬材料，工業(yè)上一般先將ZnS氧化，再采用熱還原或者電解法制備。利用H2還原ZnS也可得到Zn，其反應式如下：ZnS(s)＋H2(g)eq\o(========,\s\up7(催化劑),\s\do7(高溫))Zn(s)＋H2S(g)727℃時，上述反應的平衡常數Kp＝2.24×10－6。此溫度下，在盛有ZnS的剛性容器內通入壓強為1.01×105Pa的H2，達平衡時H2S的分壓為________Pa(結果保留兩位小數)。9．(1)微生物燃料電池是指在微生物的作用下將化學能轉化為電能的裝置。某微生物燃料電池的工作原理如下圖所示：①HS－在硫氧化菌作用下轉化為SOeq\o\al(2－,4)的電極反應式是______________________________。②若維持該微生物電池中兩種細菌的存在，則電池可以持續(xù)供電，原因是______________。(2)PbSO4熱激活電池可用作火箭、導彈的工作電源。基本結構如圖所示，其中作為電解質的無水LiCl－KCl混合物受熱熔融后，電池即可瞬間輸出電能。該電池總反應為PbSO4＋2LiCl＋Ca=CaCl2＋Li2SO4＋Pb。①放電過程中，Li＋向________(填“負極”或“正極”)移動。②負極反應式為__________________________________。③電路中每轉移0.2mol電子，理論上生成________gPb。(3)氨氧燃料電池具有很大的發(fā)展?jié)摿Α０毖跞剂想姵毓ぷ髟砣缦聢D所示。①a電極的電極反應式是_______________________________________________________；②一段時間后，需向裝置中補充KOH，請依據反應原理解釋原因是_________________。10．按要求回答下列問題(1)有人研究了用電化學方法把CO2轉化為CH3OH，其原理如圖1所示：則圖中A電極接電源________極。已知B電極為惰性電極，則在水溶液中，該極的電極反應式為___________________________________________________________________________。(2)以連二亞硫酸鹽(S2Oeq\o\al(2－,4))為還原劑脫除煙氣中的NO，并通過電解再生，裝置如圖2所示。陰極的電極反應式為_____________________________，電解槽中的隔膜為____________(填“陽”或“陰”)離子交換膜。(3)電解法轉化CO2可實現CO2資源化利用。電解CO2制HCOOH的原理示意圖如圖3。①寫出陰極CO2還原為HCOO－的電極反應式：___________________________________。②電解一段時間后，陽極區(qū)的KHCO3溶液濃度降低，其原因是____________________。(4)甲醛超標會危害人體健康，需對甲醛進行含量檢測及污染處理。某甲醛氣體傳感器的工作原理如圖4所示，b極的電極反應式為_____________________，當電路中轉移4×10－4mol電子時，傳感器內參加反應的甲醛(HCHO)為________mg。11．某實驗小組同學對電化學原理進行了一系列探究活動。圖1(1)如圖1為某實驗小組依據氧化還原反應：(用離子方程式表示)設計的原電池裝置，反應前，電極質量相等，一段時間后，兩電極質量相差12g，導線中通過________mol電子。(2)