专题六　氧化还原反应与电化学课件PPT

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高考总复习
GAO KAO ZONG FU XI
第一编
2022
内容索引
考点一　氧化还原反应
考点二　原电池　新型化学电源
考点三　电解原理及其应用
专项模块　素养培优
五年高考 命题研究
考点一　氧化还原反应
要点归纳•再提升
1.两条概念线索
特别提醒氧化还原反应的几个误区(1)误认为有单质参与或生成的反应一定是氧化还原反应。如O2与O3的转化为非氧化还原反应。(2)误认为元素由化合态变为游离态一定被还原,其实不一定。如HCl→Cl2,氯元素被氧化,CuO→Cu,铜元素被还原。(3)误认为氧化还原反应中有一种元素被氧化,则一定有另一种元素被还原,其实不一定。如Cl2+H2O HCl+HClO中,被氧化和被还原的都是氯元素。
(4)误认为具有氧化性的物质和具有还原性的物质一定都能发生化学反应,其实不一定。如SO2具有还原性,浓硫酸具有氧化性,但二者不发生氧化还原反应。(5)误认为同种元素的高价态的物质一定比低价态物质的氧化性强,其实不一定。如HClO的氧化性高于HClO4。
2.氧化还原反应中的“四大规律”
3.新情境下氧化还原反应方程式的书写与配平根据题目所给信息提炼反应物、生成物,进而分析反应中电子的得失情况,其流程为:
4.应用电子守恒解题的三步骤
高价-低价
5.三步解答氧化还原反应的题目
经典对练•得高分
考向1　氧化还原反应的概念及相互关系真题示例1-1.(2020浙江卷,10)反应MnO2+4HCl(浓) MnCl2+Cl2↑+2H2O中,氧化产物与还原产物的物质的量之比是(　　)A.1∶2 B.1∶1C.2∶1 D.4∶1
答案 B　
解析 ,还原产物是MnCl2,氧化产物是Cl2,二者的物质的量之比为1∶1,B项正确。
1-2.(2020北京卷,3)水与下列物质反应时,水表现出氧化性的是(　　)A.Na B.Cl2C.NO2 D.Na2O
答案 A　
解析 Na与H2O发生反应,2Na+2H2O==2NaOH+H2↑,H2O中H元素化合价由+1价降为0价,得电子被还原,在反应中表现出氧化性,故A符合题意;Cl2与H2O发生反应Cl2+H2O HCl+HClO,H2O中的元素没有发生化合价的变化,水在反应中既不是氧化剂也不是还原剂,既不表现氧化性也不表现还原性,故B不符合题意;NO2与水发生反应3NO2+H2O==2HNO3+NO,H2O中的元素没有发生化合价的变化,水在反应中既不是氧化剂也不是还原剂,既不表现氧化性也不表现还原性,故C不符合题意;Na2O与H2O发生反应Na2O+H2O==2NaOH,该反应没有元素化合价变化,不是氧化还原反应,水在反应中既不表现氧化性也不表现还原性,故D不符合题意。
对点演练
1.(2021湖南永州重点中学联考)下列水环境修复过程中未发生氧化还原反应的是(　　)A.用Na2S处理含Hg2+的废水B.用NaClO处理氨氮废水C.用漂白粉处理含NaCN的提金废水D.用纳米零价铁处理含Cr2 、Cu2+等的酸性废水
答案 A　
解析 A项,用Na2S处理含Hg2+的废水,S2-与Hg2+发生反应生成HgS沉淀,即Hg2++S2-==HgS↓,该反应无化合价变化,属于非氧化还原反应;B项,用NaClO处理氨氮废水,ClO-将水中的氨氮氧化为N2,发生了氧化还原反应;C项,用漂白粉处理含NaCN的提金废水,漂白粉将CN-氧化,发生了氧化还原反应;D项,用纳米零价铁处理含Cr2 、Cu2+等的酸性废水,在纳米零价铁表面,Fe与Cu2+发生氧化还原反应生成Fe2+和Cu,Cr2 又与生成的Fe2+发生氧化还原反应。
考向2　氧化还原反应化学方程式、离子方程式的书写和配平真题示例2.(2019江苏卷,16节选)N2O、NO和NO2等氮氧化物是空气污染物,含有氮氧化物的尾气需处理后才能排放。(1)N2O的处理。N2O是硝酸生产中氨催化氧化的副产物,用特种催化剂能使N2O分解。NH3与O2在加热和催化剂作用下生成N2O的化学方程式为 　 。 
(2)NO的氧化吸收。用NaClO溶液吸收硝酸尾气,可提高尾气中NO的去除率。其他条件相同,NO转化为N 的转化率随NaClO溶液初始pH(用稀盐酸调节)的变化如图所示。
①在酸性NaClO溶液中,HClO氧化NO生成Cl-和N ,其离子方程式为　。 ②NaClO溶液的初始pH越小,NO转化率越高。其原因是 　　　　　　。 
答案 (1)2NH3+2O2 N2O+3H2O(2)①3HClO+2NO+H2O==3Cl-+2N +5H+②溶液pH越小,溶液中HClO的浓度越大,氧化NO的能力越强
解析 本题以氮氧化物的处理为载体,考查有关化学方程式或离子方程式的书写。
(2)①在酸性条件下,氧化剂HClO+2e-→Cl-,还原剂NO-3e-→N ,根据电子守恒和原子守恒,写出离子方程式:2NO+3HClO+H2O==2N +3Cl-+5H+。②溶液pH越小,c(HClO)越大,氧化NO的能力越强。
对点演练
B.反应过程中溶液的pH减小C.生成1 mol NaNO3需消耗0.4 mol KMnO4D.　中的粒子是OH-
答案 C　
解析 根据原子守恒和电荷守恒可推出离子方程式左边缺正电荷和H元素,所以　内应填H+,配平离子方程式为
A.反应Ⅰ中Cu2S只是还原剂B.反应Ⅰ中每生成1 mol S ,转移电子的物质的量为10 molC.反应Ⅱ中氧化剂与还原剂的物质的量之比为3∶1D.若反应Ⅰ和反应Ⅱ中消耗KMnO4的物质的量相同,则反应Ⅰ和反应Ⅱ中消耗还原剂的物质的量之比为2∶3
答案 D　
技法点拨氧化还原反应方程式的配平方法
考向3　氧化还原反应的规律及其应用真题示例3.(2019浙江卷,24)聚合硫酸铁[Fe(OH)SO4]n能用作净水剂(絮凝剂),可由绿矾(FeSO4·7H2O)和KClO3在水溶液中反应得到。下列说法不正确的是(　　)A.KClO3作氧化剂,每生成1 mol [Fe(OH)SO4]n消耗 mol KClO3B.生成聚合硫酸铁后,水溶液的pH增大C.聚合硫酸铁可在水中形成氢氧化铁胶体而净水D.在相同条件下,Fe3+比[Fe(OH)]2+的水解能力更强
答案 A　
解析 A项,Fe的化合价由+2价变为+3价,每生成1 mol聚合硫酸铁失去n mol电子,Cl的化合价由+5价变为-1价,1 mol 氯酸钾可以得到6 mol电子,因此每生成1 mol聚合硫酸铁消耗 mol 氯酸钾,所以错误,符合题意;B项,该反应为6nFeSO4+nKClO3+3nH2O==6[Fe(OH)SO4]n+nKCl,原溶液中Fe2+水解使溶液呈弱酸性,生成聚合硫酸铁后,水解产生的氢离子浓度减小,溶液的pH增大,所以正确,不符合题意;C项,聚合硫酸铁在水中可以发生水解反应生成氢氧化铁胶体,能吸附水中的杂质而达到净水的目的,所以正确,不符合题意;D项,Fe3+第一步水解的程度应大于第二步水解的程度,因此相同条件下,Fe3+比[Fe(OH)]2+的水解能力更强,所以正确,不符合题意。
对点演练
3-1.(2021湖南郴州质量监测)将浓盐酸滴入KMnO4溶液中,产生黄绿色气体,溶液的紫红色褪去,向反应后的溶液中加入NaBiO3,溶液又变为紫红色,Bi 反应后变为无色的Bi3+。下列说法错误的是(　　)A.滴加盐酸时,KMnO4是氧化剂,Cl2是氧化产物B.此实验条件下,还原性:Cl->Mn2+>Bi3+C.若有0.2 mol NaBiO3参加了反应,则整个过程转移电子为0.8NAD.已知Bi为第ⅤA族元素,上述实验说明Bi具有较强的非金属性
答案 D　
3-2.(2021山东聊城模拟)工业上从含硒的废液中提取硒的方法之一是用硫酸和硝酸处理废料,获得亚硒酸和少量硒酸,再与盐酸共热,硒酸转化为亚硒酸(2HCl+H2SeO4==H2SeO3+Cl2↑+H2O),在亚硒酸溶液中通入SO2,有单质硒析出。下列说法错误的是(　　)A.氧化性:H2SeO4>Cl2>H2SO3B.酸性:H2SO4>H2SeO4C.析出1 mol硒需要消耗标准状况下22.4 L SO2D.亚硒酸理论上既有氧化性,又有还原性,但还原性不及亚硫酸
答案 C　
解析 在反应2HCl+H2SeO4==H2SeO3+Cl2↑+H2O中,氧化剂是H2SeO4,氧化产物是Cl2,所以氧化性:H2SeO4>Cl2;在Cl2+H2SO3+H2O==2HCl+H2SO4中,氯气是氧化剂,H2SO3是还原剂,则氧化性:Cl2>H2SO3,A正确;同一主族的元素,元素的非金属性越强,其最高价含氧酸的酸性就越强,元素的非金属性:S>Se,所以酸性:H2SO4>H2SeO4,B正确;根据氧化还原反应中电子转移数目相等可知,析出1 mol硒转移4 mol电子,则需要消耗标准状况下44.8 L SO2,C错误;在亚硒酸中Se元素的化合价为+4价,介于该元素的最高化合价和最低化合价之间,理论上既有氧化性,又有还原性,根据化学反应:2HCl+H2SeO4==H2SeO3+Cl2↑+H2O、Cl2+H2SO3+H2O==2HCl+H2SO4,则还原性:亚硫酸>亚硒酸,D正确。
技法点拨根据影响因素判断氧化性、还原性强弱的方法
易错防范•不失分
判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”)。(1)若不同的氧化剂与同一还原剂发生反应时,所需温度高低不同,则温度低的氧化性弱。(　　)(2)含最高价元素的化合物,一定具有强氧化性。(　　)(3)有单质参加或生成的化学反应一定是氧化还原反应。(　　)
答案 (1)×　(2)×　(3)×
考点二　原电池　新型化学电源
要点归纳•再提升
1.构建原电池思维模型
2.把握可充电电池题目的解答思路
微点拨可充电电池原理示意图
3.燃料电池题目的解答(1)解答燃料电池题目的思维模型
(2)燃料电池电极反应式的书写步骤①“6”步突破燃料电池负极反应式的书写
②熟记常见氧气在正极反应电极反应式
负极电极反应式=总反应的方程式-正极电极反应式。
4.新型化学电源中电极反应式的书写方法(1)书写步骤
(2)不同介质在电极反应式中的“去留”
5.离子交换膜的功能、类型与作用
1-1.(2021湖南卷,10)锌—溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池,广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等。三单体串联锌—溴液流电池工作原理如图所示:
考向1　可充电电池真题示例
经典对练•得高分
下列说法错误的是(　　)A.放电时,N极为正极B.放电时,左侧贮液器中ZnBr2的浓度不断减小C.充电时,M极的电极反应式为Zn2++2e-==ZnD.隔膜允许阳离子通过,也允许阴离子通过
答案 B　
解析 本题考查新型化学电源工作原理。该电池放电反应总方程式:Zn+Br2==ZnBr2,放电时,Zn在负极反应,Br2在正极反应,A项正确,根据原电池中离子的移动规律可知,左侧贮液器中ZnBr2的浓度不会减小,B项错误;充电时,锌极为阴极发生还原反应:Zn2++2e-==Zn,C项正确;放电时,Br2得电子产生Br-,通过隔膜迁移向负极区,形成ZnBr2回流至左侧贮液器,Zn失电子产生Zn2+,通过隔膜迁移至正极区,形成ZnBr2回流至右侧贮液器,充电时,Zn2+得电子生成Zn在M极放电,部分Zn2+在隔膜上生成沉积锌,而Br-在贮液器处转化为Br2复合物贮存,该过程中Zn2+、Br-都可以通过隔膜,D项正确。
1-2.(2020全国Ⅰ卷,12)科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如图,电极为金属锌和选择性催化材料。放电时,温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等,为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是(　　)
思路点拨
答案 D　
对点演练
1-1.(双选)(2021湖南郴州质量监测)2019年诺贝尔化学奖颁给了为锂离子电池发展作出突出贡献的三位科学家,他们创造了一个可充电的世界。Garnet型固态电解质被认为是锂电池最佳性能固态电解质。某Garnet型可充电锂电池放电时工作原理如图所示,下列说法正确的是(　　)(电池总反应为LixC6+Li1-xLaZrTaO LiLaZrTaO+6C)
A.放电时,b极为负极B.充电时,固态电解质中Li+移向a极C.放电时,a极反应为LiLaZrTaO-xe-==xLi++Li1-xLaZrTaOD.充电时,若转移0.01 mol电子,b极质量减少0.07 g
答案 BD　
解析 电池放电时,阳离子向正极移动,根据放电时Li+的移动方向可知,b极为正极,则a极为负极,A错误;充电时,a极为阴极,b极为阳极,Li+移向阴极,B正确;放电时a极为负极,a电极上发生反应LixC6-xe-==xLi++6C,C错误;充电时,b为阳极,b极反应为LiLaZrTaO-xe-==xLi++Li1-xLaZrTaO,若转移0.01 mol电子,则有0.01 mol Li+从b电极中脱去,电极减重0.01 mol×7 g·mol-1=0.07 g,D正确。
1-2.(2021河南开封模拟)某课题组以纳米Fe2O3作为电极材料制备锂离子电池(另一极为金属锂和石墨的复合材料),通过在室温条件下对锂离子电池进行循环充放电,成功地实现了对磁性的可逆调控(如图)。下列说法错误的是(　　)
A.放电时,负极的电极反应式为Li-e-==Li+B.放电时,电子通过电解质从Li流向Fe2O3C.充电时,Fe作阳极,电池逐渐摆脱磁铁吸引D.充电时,阳极的电极反应式为2Fe+3Li2O-6e-==Fe2O3+6Li+
答案 B　
解析 该电池在充、放电时的总反应为6Li+Fe2O3 3Li2O+2Fe;放电时,Li为负极,失去电子,发生氧化反应,电极反应式是Li-e-==Li+,选项A正确;放电时,电子通过外电路从负极Li流向正极Fe2O3,不能经过电解质,选项B错误;充电时,Fe作阳极,失去电子,发生氧化反应,被氧化为Fe2O3,Fe2O3不能被磁铁吸引,故电池逐渐摆脱磁铁吸引,选项C正确;充电时,阳极失去电子,发生氧化反应,该电极反应式为2Fe-6e-+3Li2O==Fe2O3+6Li+,选项D正确。
技法点拨充电电池的电极反应式的书写先判断电池放电时的正、负极,根据电池充电时阳极接电源正极,阴极接电源负极的原理,将电池放电时负极反应反着写,则为充电时阴极的反应式,而正极反应式反着写为充电时的阳极反应式。
考向2　燃料电池真题示例
A.负载通过0.04 mol电子时,有0.224 L(标准状况)O2参与反应B.正极区溶液的pH降低,负极区溶液的pH升高
D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
思路点拨第一步,根据图示判断电化学装置的类型。该装置为原电池装置。第二步,根据微粒变化,判断电池的正负极。由题给VB2电极反应可知,该电极上发生失电子的氧化反应,故该电极为负极,复合碳电极为正极。
答案 B　
点睛本题考查的关键能力侧重两个方面:一是理解与辨析能力,能够从题给电化学装置中提取有效信息,根据物质变化过程判断正负极、离子浓度变化、电子移动方向等;二是分析与推测能力,能够根据原电池的工作原理,利用题干提供的信息分析正负极反应及微粒的变化、判断电池总反应的正误等。
2-2.(2019江苏卷,11)氢气与氧气生成水的反应是氢能源应用的重要途径。下列有关说法正确的是(　　)A.一定温度下,反应2H2(g)+O2(g)==2H2O(g)能自发进行,该反应的ΔH<0B.氢氧燃料电池的负极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-C.常温常压下,氢氧燃料电池放电过程中消耗11.2 L H2,转移电子的数目为6.02×1023D.反应2H2(g)+O2(g) ==2H2O(g)的ΔH可通过下式估算:ΔH=反应中形成新共价键的键能之和-反应中断裂旧共价键的键能之和
答案 A　
解析 氢气与氧气反应生成水是可自发进行的放热的反应,ΔH<0,A项正确;氢氧燃料电池的负极反应为氧化反应,应是氢气在负极放电,B项错误;常温常压下,Vm大于22.4 L·mol-1,若常温常压下氢氧燃料电池消耗的氢气体积为11.2 L,则n(H2)<0.5 mol,转移电子数目小于6.02×1023,C项错误;反应2H2(g)+O2(g) ==2H2O(g)的ΔH=反应中断裂旧共价键的键能之和-反应中形成新共价键的键能之和,D项错误。
对点演练
2-1.(2021湖南名校3月联考)HCOOH燃料电池的装置如下图,两电极间用允许K+和H+通过的半透膜隔开。下列说法错误的是(　　)
A.电池工作时,电子由a电极经外电路流向b电极B.负极的电极反应式为HCOO-+2OH--2e-==HC +H2OC.理论上每消耗标准状况下22.4 L O2,有2 mol K+通过半透膜
D.通入O2发生的反应为4Fe2++4H++O2==4Fe3++2H2O
答案 C　
解析 根据题意分析可知,a电极上HCOO-转化为HC ,C元素化合价升高,失去电子发生氧化反应,a电极是负极;b电极上Fe3+转化为Fe2+,化合价降低,得到电子发生还原反应,b电极是正极。电池工作时,电子由a电极(负极)经外电路流向b电极(正极),A项正确;负极是HCOO-转化为HC ,电极反应式为HCOO-+2OH--2e-==HC +H2O,B项正确;生成的Fe2+又发生反应4Fe2++O2+4H+==4Fe3++2H2O,每消耗标准状况下22.4 L O2(O2的物质的量为1 mol),转移电子为4 mol,应有4 mol K+通过离子交换膜,C项错误;通入O2发生的反应为4Fe2++4H++O2==4Fe3++2H2O,D项正确。
2-2.(2020山东济南模拟)锂—铜空气燃料电池容量高、成本低,具有广阔的发展前景。该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”产生电力,其中放电过程为2Li+Cu2O+H2O==2Cu+2Li++2OH-。下列说法不正确的是(　　)
A.放电时,正极的电极反应式为Cu2O+H2O+2e-==2OH-+2CuB.放电时,电子透过固体电解质向Li极移动C.通空气时,铜电极被腐蚀,表面产生Cu2OD.整个反应过程中,氧化剂为O2
答案 B　
解析 题给电池放电过程为2Li+Cu2O+H2O==2Cu+2Li++2OH-,正极上Cu2O反应,碱性条件下通空气时,铜被氧化表面产生Cu2O,故A、C正确;放电时,阳离子向正极移动,则Li+透过固体电解质向Cu极移动,但电子不能在电解质中流动,故B错误;通空气时,铜被腐蚀,表面产生Cu2O,放电时Cu2O转化为Cu,则整个反应过程中氧化剂为O2,故D正确。
考向3　新型化学电源真题示例3-1.(2019全国Ⅰ卷,12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意图如下所示。下列说法错误的是(　　)
A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+==2H++2MV+C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
思路点拨第一步:根据图示判断电化学装置的类型。该装置为化学能转化为电能的装置,所以为原电池。第二步:根据物质变化,判断得失电子情况,确定电极名称。根据题给示意图,左室电极上MV+失电子发生氧化反应生成MV2+,所以左室为负极区,右室为正极区。第三步:根据电极反应原理确定各电极上发生的反应。负极失电子,电极反应式为MV+-e-==MV2+;正极得电子,电极反应式为MV2++e-==MV+。第四步:逐项分析判断。
答案 B　
3-2.(2021河北卷,9)K-O2电池结构如图,a和b为两个电极,其中之一为单质钾片。关于该电池,下列说法错误的是(　　)
A.隔膜允许K+通过,不允许O2通过B.放电时,电流由b电极沿导线流向a电极;充电时,b电极为阳极C.产生1 Ah电量时,生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为2.22D.用此电池为铅酸蓄电池充电,消耗3.9 g钾时,铅酸蓄电池消耗0.9 g水
答案 D　
解析 a电极的材料是钾片,为原电池的负极,b电极为原电池的正极,则充电时a电极为阴极、b电极为阳极。O2在正极得电子后结合K+生成KO2,所以K+通过隔膜,A项正确;放电时,电子从负极通过外电路流向正极,而电流方向与电子流向相反,即电流由b电极沿导线流向a电极,充电时b电极作阳极,B项正确;每生成1 mol KO2需要消耗1 mol O2,即生成KO2的质量与消耗O2的质量比约为71 g∶32 g≈2.22,C项正确;消耗3.9 g钾时,转移电子的物质的量为0.1 mol,依据铅酸蓄电池反应式Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O,此时消耗0.1 mol水,即1.8 g水,D项错误。
对点演练
3-1.(2021湖南永州三模)“太阳水”电池装置如图所示,该电池由三个电极组成,其中a为TiO2电极,b为Pt电极,c为WO3电极,电解质溶液为pH=3的Li2SO4-H2SO4溶液。锂离子交换膜将电池分为A、B两个区,A区与大气相通,B区为封闭体系并有N2保护。下列关于该电池的说法错误的是(　　)
A.若用导线连接a、c,则a为负极,该电极附近pH减小B.若用导线连接a、c,则c电极的电极反应式为HxWO3-xe-==WO3+xH+C.若用导线连接b、c,b电极的电极反应式为O2+4H++4e-==2H2OD.利用该装置,可实现太阳能向电能转化
答案 B　
解析 a与c相连后,a电极发生失电子的氧化反应,所以作负极,考虑到电解质溶液为pH=3的Li2SO4-H2SO4溶液,所以a极的电极反应式为2H2O-4e-==O2↑+4H+;由于生成H+,所以a极附近的pH减小,A项正确;a与c相连后,c为正极,c极发生得电子的还原反应,电极反应式应为WO3+xH++xe-==HxWO3,B项错误;若b与c相连,b极为正极发生还原反应,考虑到电解质溶液为pH=3的Li2SO4-H2SO4溶液,所以电极反应式为O2+4H++4e-==2H2O,C项正确;连接a与c后,可将太阳能转变成B中的化学能,再连接b、c后,就可将化学能再转变成电能,最终实现了太阳能向电能的转化,D项正确。
3-2.(2021河北邢台模拟)一种新型太阳光电化学电池贮能时电解质溶液中离子在两极发生如图所示的转化。下列说法正确的是(　　)
A.贮能时,电能转变为化学能和光能B.贮能和放电时,电子在导线中流向相同C.贮能时,氢离子由a极区迁移至b极区
答案 D　
解析 A项,贮能时,太阳能转化为化学能,错误;B项,贮能过程相当于电解,放电时是原电池原理,电子在导线中流向相反,错误;C项,贮能时,a极发生反应V3++e-==V2+,b极发生反应VO2+-e-+H2O==V +2H+,H+由b极区迁移到a极区,错误。
易错防范•不失分
判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”)。(1)原电池工作时,正极表面一定有气泡产生。(　　)(2)Mg、Al形成的原电池,Mg一定是负极。(　　)(3)铁、铜及稀硫酸构成的原电池中,负极的电极反应式为Fe-3e-==Fe3+。(　　)(4)用稀硫酸和锌粒制取H2时,加入几滴CuSO4溶液可以加快反应速率。(　　)(5)原电池工作时,溶液中的阳离子向负极移动。(　　)
答案 (1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×
易错警示规避原电池工作原理的3个失分点
考点三　电解原理及其应用
要点归纳•再提升
1.图解电解池工作原理(阳极为惰性电极)
微点拨电解是在电解质电离的基础上完成的。电解需要外加直流电源,是化学过程,电离一般在水溶液或熔融状态下完成,为物理过程。
2.明确电解池的电极反应及其放电顺序
3.电化学计算的基本方法
4.电解池中电极反应式的书写方法(1)书写步骤①首先注意阳极是活性材料还是惰性材料。②分析确定溶液中所有的阴阳离子并明确放电顺序。③根据放电顺序分析放电产物。④根据电解质溶液的酸碱性确定电极反应式中是否有H+、OH-或H2O参与;最后配平电极反应式。
(2)介质对电极反应式的影响①在电解池电极反应式中,如果是H+或OH-放电,则电解质溶液的酸碱性对电极反应式没有影响。②酸性溶液反应物或生成物中均没有OH-。③碱性溶液反应物或生成物中均没有H+。
微点拨做到“三看”,正确书写电极反应式:(1)一看电极材料,若是金属(Au、Pt除外)作阳极,则金属一定被电解(注意Fe生成Fe2+)。(2)二看介质,分析介质是否参与电极反应。(3)三看电解质状态,若是熔融状态,一般是金属的电冶炼。
5.金属的腐蚀与防护(1)两种腐蚀:析氢腐蚀、吸氧腐蚀(主要区别在于电解质溶液的pH)。(2)金属电化学防护的两种方法
(3)金属腐蚀的快慢比较
经典对练•得高分
考向1　电解池的工作原理及应用真题示例1-1.(2020全国Ⅱ卷,12)电致变色器件可智能调控太阳光透过率,从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时,Ag+注入到无色WO3薄膜中,生成AgxWO3,器件呈现蓝色。对于该变化过程,下列叙述错误的是(　　)
A.Ag为阳极B.Ag+由银电极向变色层迁移C.W元素的化合价升高D.总反应为WO3+xAg==AgxWO3
思路点拨第一步,根据图示判断电化学装置的类型。该装置为电解装置。第二步,根据微粒变化,判断阴、阳极。由通电产生Ag+可知,通电时Ag极失电子,作阳极;透明导电层作阴极。第三步,根据电极反应原理确定各电极上发生的反应。阳极反应为Ag-e-==Ag+;阴极反应为xAg++WO3+xe-==AgxWO3第四步,逐项分析判断。
答案 C　
1-2.(2021全国乙卷,12)沿海电厂采用海水为冷却水,但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率。为解决这一问题,通常在管道口设置一对惰性电极(如图所示),通入一定的电流。
下列叙述错误的是(　　)A.阳极发生将海水中的Cl-氧化生成Cl2的反应B.管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClOC.阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气D.阳极表面形成的Mg(OH)2等积垢需要定期清理
答案 D　
解析 根据装置示意图以及阴、阳极都是惰性电极可知,阳极反应为2Cl--2e-==Cl2↑,即Cl-被氧化生成Cl2,A项正确;阴极生成氢气,溶液碱性增强,海水中存在大量的Na+,故Cl2参与反应生成NaClO,NaClO具有强氧化性,可以杀灭附着生物,B项正确;阴极生成的氢气易燃,与空气的混合气体遇明火易发生爆炸,所以应将生成的氢气及时通风稀释安全地排出,C项正确;阴极上H+得电子生成氢气,溶液中c(OH-)增大,海水中的Mg2+向阴极移动,在阴极表面形成Mg(OH)2沉淀,故在阴极表面形成积垢,需要定期处理,D项错误。
对点演练1-1.(2021广东湛江模拟)金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制备高纯度的镍,下列叙述正确的是(已知:氧化性Fe2+答案 D　
解析 阳极应发生氧化反应,A错误;由于Fe、Zn的还原性强于镍,所以阳极发生的反应有Zn-2e-==Zn2+、Fe-2e-==Fe2+、Ni-2e-==Ni2+,阴极反应为Ni2++2e-==Ni,比较两电极反应,因Fe、Zn、Ni的相对原子质量不等,当两极通过的电量相等时,阳极减少的质量与阴极增加的质量不相等,B错误;Cu、Pt还原性弱于镍,所以不反应,D正确;电解后溶液中的阳离子主要是Ni2+,C错误。
1-2.(2021安徽淮北模拟)可从铅蓄电池中回收铅,实现铅的再生。在工艺中得到含Na2PbCl4的电解质溶液,电解Na2PbCl4溶液后生成Pb,如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.阳极区会有气泡冒出,产生O2B.一段时间后,阳极附近pH明显增大C.阴极的电极反应式为PbC +2e-==Pb+4Cl-D.Na2PbCl4浓度下降后可在阴极区加入PbO,实现电解液的继续使用
答案 B　
解析 阳极的电极反应式为2H2O-4e-==4H++O2↑,阳极区会有气泡冒出,A项正确;阳极的电极反应式为2H2O-4e-==4H++O2↑,一段时间后,阳极附近氢离子浓度增大,pH明显减小,B项错误;阴极发生还原反应,阴极的电极反应式为PbC +2e-==Pb+4Cl-,C项正确;电解一段时间后阴极溶液为HCl和NaCl的混合溶液,将PbO溶解在HCl和NaCl的混合溶液中可得到含Na2PbCl4的电解液,则继续向阴极区加PbO可恢复其浓度且实现电解液的继续使用,D项正确。
考向2　离子交换膜在电解池中的应用真题示例2-1.(2021全国甲卷,13)乙醛酸是一种重要的化工中间体,可采用如下图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-,并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是(　　)
A.KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用
C.制得2 mol乙醛酸,理论上外电路中迁移了1 mol 电子D.双极膜中间层中的H+在外电场作用下向铅电极方向迁移
答案 D　
2-2.(2021广东卷,16)钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是(　　)
A.工作时,Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B.生成1 mol Co,Ⅰ室溶液质量理论上减少16 gC.移除两交换膜后,石墨电极上发生的反应不变D.电解总反应:2Co2++2H2O 2Co+O2↑+4H+
答案 D　
解析 本题考查电解原理。电解装置工作时,Ⅰ室反应为2H2O-4e-==4H++O2↑,Ⅲ室反应:Co2++2e-==Co,形成闭合回路,H+移向Ⅱ室,Cl-移向Ⅱ室。Ⅰ室中H2SO4的物质的量不变,H2O的物质的量减小,H2SO4浓度增大,溶液pH减小,A项错误;生成1 mol Co转移2 mol e-,Ⅰ室减少1 mol H2O,质量为18 g,B项错误;移除两交换膜,石墨电极放电的是Cl-,C项错误;根据电子守恒,该电解过程的总反应为2Co2++2H2O 2Co+O2↑+4H+,D项正确。
2-1.(2021湖南常德模拟)相同金属在其不同浓度的盐溶液中可形成浓差电池。如图所示装置利用浓差电池电解Na2SO4溶液(a、b电极均为石墨电极),可以制得O2、H2、H2SO4和NaOH。下列说法不正确的是(　　)
A.a电极的电极反应为4H2O+4e-==2H2↑+4OH-B.c、d离子交换膜依次为阳离子交换膜和阴离子交换膜C.电池放电过程中,Cu(1)电极上的电极反应式为Cu2++2e-==CuD.电池从开始工作到停止放电,电解池理论上可制得320 g NaOH
答案 D　
解析 浓差电池放电时,两个电极区的浓度差会逐渐减小,当两个电极区硫酸铜溶液的浓度完全相等时,放电停止。电池放电过程中,Cu(1)电极上发生使Cu2+浓度降低的还原反应,Cu(1)电极为正极,Cu(2)电极上发生使Cu2+浓度升高的氧化反应,Cu(2)电极为负极,则在右边的电解池中,a极为电解池的阴极,H2O电离的H+得到电子发生还原反应生成H2,b为电解池的阳极,H2O电离的OH-失去电子发生氧化反应生成O2。电池从开始工作到停止放电,正极区硫酸铜溶液的浓度同时由2.5 mol·L-1降低到1.5 mol·L-1,负极区硫酸铜溶液同时由0.5 mol·L-1升到1.5 mol·L-1,正极反应可还原Cu2+的物质的量为2 L×(2.5-1.5) mol·L-1=2 mol,电路中转移4 mol电子,电解池的阴
极生成4 mol OH-,即阴极区可得4 mol氢氧化钠,其质量为160 g。a极为电解池的阴极,H2O电离的H+得到电子发生还原反应生成H2,a极电极反应式为4H2O+4e-==2H2↑+4OH-,A项正确;因溶液为电中性,a电极附近产生了阴离子,必须让阳离子发生移动,则c为阳离子交换膜,b电极附近阴离子减少,必须让阴离子发生移动,则d为阴离子交换膜,B项正确;由上述分析可知,Cu(1)电极得到电子,电极反应式为Cu2++2e-==Cu,C项正确;由上述分析可知,电池从开始工作到停止放电,阴极区可得4 mol氢氧化钠,其质量为160 g,D选项错误。
2-2.(2021福建福州模拟)应对新冠肺炎疫情时所采取的措施是对环境进行彻底消毒,二氧化氯(ClO2,黄绿色易溶于水的气体)是一种安全稳定、高效低毒的消毒剂。工业上通过惰性电极电解氯化铵和盐酸的方法制备ClO2的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.a与电源的负极连接,在b极区流出的Y溶液是浓盐酸B.当有0.3 mol阴离子通过离子交换膜时,二氧化氯发生器中产生1.12 L NH3C.电解池a极上发生的电极反应式为N -6e-+3Cl-==NCl3+4H+D.二氧化氯发生器内,发生的氧化还原反应中,氧化剂与还原剂的物质的量之比为6∶1
答案 C　
解析 在b极区有H+得到电子生成H2,电极反应式为2H++2e-==H2↑,在b极区流出的Y溶液是稀盐酸,则b极为电解池的阴极,b极与电源的负极相连接,则a极与电源的正极相连接,故A错误;没有指明条件为标准状况,不能准确计算产生NH3的体积,故B错误;a极为电解池的阳极,N 在阳极失去电子生成NCl3,电极反应式为N -6e-+3Cl-==NCl3+4H+,故C正确;在二氧化氯发生器内,发生反应3H2O+NCl3+6NaClO2==6ClO2↑+NH3↑+3NaCl+3NaOH,其中NCl3为氧化剂,NaClO2为还原剂,氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶6,故D错误。
技法点拨阴、阳离子交换膜的判断①看清图示,是否在交换膜上标注了阴、阳离子,是否标注了电源的正、负极,是否标注了电子流向等,明确阴、阳离子的移动方向。②根据原电池、电解池中阴、阳离子的移动方向,结合题目中给出的相关信息,找出物质生成或消耗的电极区域,确定移动的阴、阳离子,从而推知离子交换膜的种类。
考向3　金属的腐蚀与防护真题示例3-1.(2017全国Ⅰ卷,11)支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流的阴极保护法进行防腐,工作原理如图所示,其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是(　　)
A.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整
答案 C　
解析 外加电流的阴极保护法,使被保护的钢管桩上无腐蚀电流,A项正确;通电后,高硅铸铁为惰性阳极,钢管桩为阴极,外电路电子从阳极流向阴极,B项正确;由于高硅铸铁为惰性阳极,因此应是海水中的OH-失电子,2H2O-4e-==O2↑+4H+,因此阳极材料不被损耗,C项错误;在外加电流的阴极保护法中,应依据环境条件变化调整电流大小。
3-2.(2020江苏卷,11)将金属M连接在钢铁设施表面,可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在如图所示的情境中,下列有关说法正确的是(　　)
A.阴极的电极反应式为Fe-2e-==Fe2+B.金属M的活动性比Fe的活动性弱C.钢铁设施表面因积累大量电子而被保护D.钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快
答案 C　
解析 所示装置是牺牲阳极的阴极保护法,阳极材料M比Fe活泼,M失电子,发生氧化反应,电子通过导线流向钢铁设施被保护的一极,阴极的电极反应式(一般)为O2+2H2O+4e-==4OH-,A、B两项错误,C项正确;海水比河水中电解质的浓度大,钢铁更易腐蚀,D项错误。
对点演练3-1.(2021山东德州模拟)某同学利用如图所示装置探究金属的腐蚀与防护条件。(已知Fe2+遇K3[Fe(CN)6]溶液呈蓝色)
下列说法不合理的是(　　)A.①区Cu电极上产生气泡,Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液后出现蓝色,Fe被腐蚀B.②区Cu电极附近滴加酚酞溶液后变成红色,Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色,Fe被腐蚀C.③区Zn电极的电极反应式为Zn-2e-==Zn2+,Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液未出现蓝色,Fe被保护D.④区Zn电极的电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色,Fe被腐蚀
答案 A　
解析 ①区发生吸氧腐蚀,Cu为正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-==4OH-,Cu电极上不产生气泡,A项错误;②区Cu为阴极,电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,Cu电极附近溶液碱性增强,滴加酚酞溶液后变成红色,Fe为阳极,被腐蚀,电极反应式为Fe-2e-==Fe2+,Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色,B项正确;③区Zn为负极,电极反应式为Zn-2e-==Zn2+,Fe为正极,得到保护,C项正确;④区Zn为阴极,电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,Fe为阳极,被腐蚀,电极反应式为Fe-2e-==Fe2+,Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色,D项正确。
3-2.(2021河南三门峡模拟)在日常生活中,我们经常看到铁制品生锈、铝制品表面出现白斑等众多的金属腐蚀现象。可以通过下列装置所示实验进行探究。下列说法正确的是(　　)
A.按图Ⅰ装置实验,为了更快更清晰地观察到液柱上升,可采用酒精灯加热具支试管的方法B.图Ⅱ是图Ⅰ所示装置的原理示意图,图Ⅱ的正极材料是铁C.铝制品表面出现白斑可以通过图Ⅲ装置进行探究,Cl-由活性炭区向铝箔表面迁移,并发生电极反应:2Cl--2e-==Cl2↑D.图Ⅲ装置的总反应为4Al+3O2+6H2O==4Al(OH)3,生成的Al(OH)3进一步脱水形成白斑
答案 D　
解析 具支试管内气体受热体积增大,不能更快更清晰地观察到液柱上升,A项错误;在铁腐蚀的原电池反应中,铁作负极,B项错误;铝制品腐蚀时负极电极反应式为Al-3e-==Al3+,正极电极反应式为O2+2H2O+4e-==4OH-,总反应方程式为4Al+3O2+6H2O==4Al(OH)3,生成的Al(OH)3进一步脱水形成白斑,C项错误,D项正确。
判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”)。(1)电解时,经过溶液的电子与电路中电子数目相同。(　　)(2)电解盐酸、硫酸等溶液时H+放电,溶液的pH均增大。(　　)(3)工业上可用电解MgCl2溶液、AlCl3溶液的方法制备Mg和Al。 (　　)(4)用惰性电极电解CuSO4溶液,若加入0.1 mol Cu(OH)2固体可使电解质溶液复原,则整个电路中转移电子数为0.4NA。(　　)
易错防范•不失分
答案 (1)×　(2)×　(3)×　(4)√
易错警示书写电解池中电极反应式应规避“三个”失分点(1)书写电解池中电极反应式时,一般以实际放电的离子表示,但书写总电解反应方程式时,弱电解质要写成分子式,且应注明条件“电解”(或“通电”)。(2)要确保两极电子转移数目相同。(3)电解水溶液时,应注意放电顺序中H+、OH-之后的离子一般不参与放电。
专项模块　素养培优
(七)　电化学装置的综合应用
热点专攻
电化学的有关知识是每年高考必考内容,题型有选择题和非选择题。以前沿的电化学装置图为载体,考查电极反应式的正误判断与书写,电池正、负极的判断,电池充、放电时离子移动方向的判断,电极附近离子浓度的变化,电解的应用与计算,金属的腐蚀与防护等。同时离子交换膜的作用、性质已成为高考命题的新动向。
(一)读题干　抓信息审题的关键点:(1)弄清是原电池还是电解池,判断电极名称。(2)根据电极名称判断离子的移动方向和交换膜的种类。(3)根据放电顺序写出电极反应式。(4)根据电极反应式和离子的移动方向确定其他反应产物。
(二)审要点　抓关键解答该类试题时的关键是装置种类的判断,其次判断离子交换膜的类型,判断离子的迁移方向,书写电极反应式,判断电极产物,最后根据整个电路中各个电池工作时电子守恒进行数据处理和相关计算。1.多个串联装置中电池类型的判断(1)直接判断:非常直观明显的装置,如燃料电池、铅蓄电池等在电路中,则其他装置为电解池。如下图中A为原电池,B为电解池。
(2)根据电池中的电池材料和电解质溶液判断原电池一般是两种不同的金属电极或一个金属电极和一个碳棒电极;而电解池则一般都是两个惰性电极,如两个铂电极或两个碳棒。原电池中的电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应,电解池的电极材料一般不能和电解质溶液发生自发反应。如下图中B为原电池,A为电解池。
(3)根据电极反应现象判断
在某些装置中根据电极反应或反应现象可判断电极,并由此判断电池类型,如图:若C极溶解,D极上析出Cu,B极附近溶液变红,A极上放出黄绿色气体,则可知乙是原电池,D是正极,C是负极,甲是电解池,A是阳极,B是阴极。B、D极发生还原反应,A、C极发生氧化反应。
2.多室交换膜的分析(1)两室电解池如图是利用一种微生物将废水中的有机化合物(如淀粉)和废气NO的化学能直接转化为电能。
(2)三室电解池用电渗析法可将含硝酸钠的废水再生为硝酸和氢氧化钠。
(3)四室电解池H3PO2可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)
(三)规范答　思拓展1.有“膜”条件下离子移动方向的判断有“膜”条件下离子的定向移动,仍是由“同性电荷相排斥、异性电荷相吸引”的规律决定的,只是阳离子交换膜会阻断阴离子的定向移动,阴离子交换膜会阻断阳离子的定向移动。
2.防范失分点(1)看清图示,是否说明了交换膜的类型,是否标注了电源的正、负极,是否标注了电子流向等,从而明确阴、阳离子的移动方向。(2)根据原电池和电解池中阴、阳离子的移动方向,结合题目中给出的制备、电解物质等信息,找出物质生成或消耗的电极区域,确定移动的阴、阳离子,从而推断离子交换膜的类型。
题型突破
1.(2020全国Ⅱ卷,28节选)天然气的主要成分为CH4,一般还含有C2H6等烃类,是重要的燃料和化工原料。CH4和CO2都是比较稳定的分子,科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化,其原理如下图所示:
①阴极上的电极反应式为　。 ②若生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1,则消耗的CH4和CO2体积比为　　　　。 
思路点拨第一步:分析装置——由装置图知为电解装置
第二步:解答①电极反应式的书写。第一步,明确反应物和生成物。由图知电极A为阴极,由球棍模型可知反应物为CO2,产物为CO;第二步,写电极反应式。固体电解质传递O2-,则电极反应式为CO2+2e-==CO+O2-。②根据原子、电子守恒进行求算:由球棍模型知,阳极的反应物为甲烷,生成物为乙烷、乙烯和水。生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1,即物质的量之比为2∶1,设乙烯、乙烷的物质的量分别为2 mol、1 mol,由原子守恒知消耗的CH4的物质的量为(2 mol+1 mol)×2=6 mol,转移电子的物质的量为2 mol×2×2+1 mol×2×1=10 mol,则消耗CO2的物质的量为10 mol÷2=5 mol,则消耗的CH4和CO2的物质的量之比为6∶5,即体积比为6∶5。
答案 ①CO2+2e-==CO+O2-　②6∶5
2.(2019全国Ⅱ卷,27节选)环戊二烯( )是重要的有机化工原料,广泛用于农药、橡胶、塑料等生产。回答下列问题:
环戊二烯可用于制备二茂铁[Fe(C5H5)2,结构简式为 ],后者广泛应用于航天、化工等领域中。二茂铁的电化学制备原理如图所示,其中电解液为溶解有溴化钠(电解质)和环戊二烯的DMF溶液(DMF为惰性有机溶剂)。该电解池的阳极为　　　　　　,总反应为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。电解制备需要在无水条件下进行,原因为　 。 
思路点拨第一步:分析装置——由“电源”知该装置为电解池
第二步:确定电极反应式和总反应式
第三步:分析原因中间产物Na能与水反应,且水会电解生成OH-,OH-与Fe2+反应生成Fe(OH)2,故电解制备需要在无水条件下进行。
水会阻碍中间物Na的生成;水会电解生成OH-,进一步与Fe2+反应生成Fe(OH)2
应考训练
1.(2021湖南永州重点中学联考)聚合硫酸铁{PFS,[Fe4(OH)2n(SO4)(6-n)]m}是一种性能优越的无机高分子混凝剂,利用双极膜(BP)(由一张阳膜和一张阴膜复合制成,在直流电场作用下将水分子解离成OH-和H+,作为H+和OH-的离子源)电渗析法制备PFS的装置如图所示,下列说法不正确的是(　　)
A.X极上发生的电极反应为4OH--4e-==O2↑+2H2OB.“室1”和“室3”得到H2SO4和K2SO4的混合溶液C.“室2”和“室4”产品为浓PFSD.双极膜向“室2”和“室4”中提供OH-
答案 B　
解析 根据图示,稀硫酸进入“室3”,Fe2(SO4)3溶液进入“室4”,且“室3”和“室4”之间有阴膜,则说明PFS在“室4”内产生;双极膜将水解离成OH-和H+,即双极膜产生的H+向“室3”移动,产生的OH-向“室4”移动,S 向“室3”移动,由于“室3”和“室4”是重复单元,故H+向“室1”和“室3”移动,OH-向“室2”和“室4”移动,S 向“室1”和“室3”移动,故“室1”和“室3”得到的是H2SO4溶液,“室2”和“室4”得到的是PFS。在电解装置的左侧,由于双极膜产生的H+向“室1”移动,则X极上发生的电极反应为4OH--4e-==O2↑+2H2O,A正确;H+向“室1”和“室3”移动,S 向“室1”和“室3”移动,故“室1”和“室3”得到的是H2SO4溶液,B错误;Fe2(SO4)3溶液进入“室2”和“室4”,且OH-向“室2”和“室4”移动,故“室2”和“室4”得到的是PFS,C正确;OH-向“室2”和“室4”移动,说明双极膜向“室2”和“室4”中提供OH-,D正确。
2.(2020陕西咸阳模拟)碳酸二甲酯[(CH3O)2CO]是一种具有发展前景的“绿色”化工产品。电化学法合成碳酸二甲酯的工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.石墨Ⅰ与直流电源正极相连B.H+由石墨Ⅱ通过质子交换膜向石墨Ⅰ移动C.石墨Ⅰ上发生的电极反应式为2CH3OH+CO-2e-== (CH3O)2CO+2H+D.电解过程中,阴极和阳极消耗气体的物质的量之比为1∶2
答案 B　
解析 题给装置有外接电源,属于电解池,由图可知甲醇和一氧化碳失电子反应生成碳酸二甲酯,则石墨Ⅰ电极为阳极,阳极的电极反应式为2CH3OH+CO-2e-== (CH3O)2CO+2H+,石墨Ⅱ电极为阴极,阳极产生的氢离子通过质子交换膜移向阴极,氧气在阴极得电子与氢离子反应生成水,电极反应式为O2+4e-+4H+==2H2O。石墨Ⅰ电极为阳极,与直流电源正极相连,故A、C正确;电解池工作时,阳离子向阴极移动,即H+由石墨Ⅰ通过质子交换膜向石墨Ⅱ移动,故B错误;常温常压下甲醇是液体,电解池工作时转移电子守恒,根据关系式2CO~4e-~O2可知,阴极消耗的氧气与阳极消耗的一氧化碳的物质的量之比为1∶2,故D正确。
3.(2020东北三省四市联合模拟)我国科学家研发出一种新型的锌—碘单液流电池,其原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.放电时B极的电极反应式为I2+2e-== 2I-B.放电时电解质储罐中离子总浓度增大C.M为阳离子交换膜,N为阴离子交换膜D.充电时,A极增重65 g时,C区增加的离子数为4NA
答案 C　
解析 由装置图可知,放电时,A极是负极,负极的电极反应式为Zn-2e-==Zn2+,B极是正极,电极反应式为I2+2e-==2I-,外电路中电流由正极经过导线流向负极,充电时,阳极的电极反应式为2I--2e-==I2,阴极反应式为Zn2++2e-==Zn。放电时,B电极为正极,I2得到电子生成I-,电极反应式为I2+2e-==2I-,A正确;放电时,A极为负极,电极反应式为Zn-2e-==Zn2+,所以电解质储罐中的离子总浓度增大,B正确;离子交换膜是防止正、负极的I2、Zn接触发生反应,负极区生成Zn2+、正电荷增加,正极区生成I-、负电荷增加,所以Cl-通过M膜进入负极区,K+通过N膜进入正极区,所以M为阴离子交换膜,N为阳离子交换膜,C错误;充电时,A极的电极反应式为Zn2++2e-==Zn,A极增重65 g转移2 mol电子,所以C区增加2 mol K+、2 mol Cl-,离子总数为4NA,D正确。
4.(2021河北邯郸模拟)某研究机构使用Li-SO2Cl2电池作为电源电解制备Ni(H2PO2)2,其工作原理如图所示。已知电池反应为2Li+SO2Cl2== 2LiCl+SO2↑,下列说法错误的是(　　)
A.电池中C电极的电极反应式为SO2Cl2+2e-== 2Cl-+SO2↑B.电池的e极连接电解池的g极C.膜a、膜c是阳离子交换膜,膜b是阴离子交换膜D.电解池中不锈钢电极附近溶液的pH增大
答案 B　
解析 由图示可知,Li电极为负极,发生氧化反应,则C电极为正极,发生得电子的还原反应,电极反应式为SO2Cl2+2e-==2Cl-+SO2↑,故A正确;原电池中Li电极为负极,C电极为正极,电解池中,Ni电极失去电子生成Ni2+,即g电极为阳极,则h电极为阴极,h电极与原电池的负极e电极相接,故B错误;电解池中,Ni电极失去电子生成Ni2+,通过膜a进入产品室,H2P 由Ⅲ室通过膜b进入产品室,在产品室中与Ni2+生成Ni(H2PO2)2,Na+通过膜c进入Ⅳ室,形成闭合回路,所以膜a、c是阳离子交换膜,膜b是阴离子交换膜,故C正确;电解池中不锈钢电极即h电极为阴极,电极上H2O发生得电子的还原反应,电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,所以电极附近溶液的pH增大,故D正确。
5.(2021贵州贵阳模拟)三室式电渗析法处理含NH4NO3废水的原理如图所示,工作一段时间后,在两极区均得到副产品NH4NO3。下列叙述错误的是(　　)
A.a极为电源负极,b极为电源正极B.c膜是阳离子交换膜,d膜是阴离子交换膜C.阳极电极反应式为4OH--4e-== O2↑+2H2OD.Ⅱ室溶液的pH保持不变
答案 D　
6.(1)(2020山西大同模拟)现有一种新型锂离子二次电池——磷酸铁锂(LiFePO4)电池。作为正极材料的磷酸铁锂在充、放电时的局部放大示意图如图,写出该电池充电时的阳极电极反应式:　　　　　　　　　　　。 
(2)(2021湖南长沙模拟)由于共生工程的应用,利用发电厂产生的SO2制成自发电池,其电池反应方程式为2SO2+O2+2H2O== 2H2SO4,该电池电动势为1.06 V。实际过程中,将SO2通入电池的　　(填“正”或“负”)极,写出负极的电极反应式:　 　。 
(3)(2020湖北武汉模拟)三甲胺是鱼腥臭的主要来源,是判断海水鱼类鲜度的化学指标之一。通过传感器产生的电流强度可以监测水产品中三甲胺的含量,一种燃料电池型三甲胺气体传感器的原理如图所示。外电路的电流方向为　　　　　(填“a→b”或“b→a”),负极的电极反应式为　　　　　　　　　　　。 
答案 (1)LiFePO4-xe-==Li(1-x)FePO4+xLi+　(2)负　SO2+2H2O-2e-==S +4H+　(3)a→b　2N(CH3)3-42e-+12H2O==N2↑+6CO2↑+42H+
解析 (1)由图可知,充电时LiFePO4失去电子,可生成Li+,故充电时阳极电极反应式为LiFePO4-xe-==Li(1-x)FePO4+xLi+。(2)利用发电厂产生的SO2制成自发电池,其电池反应方程式为2SO2+O2+2H2O==2H2SO4,原电池反应是负极发生氧化反应,正极发生还原反应,依据元素化合价变化可知,二氧化硫中硫元素化合价升高,失去电子发生氧化反应,将SO2通入电池的负极,电极反应式为SO2+2H2O-2e-==S +4H+。
(3)该电池为燃料电池,a电极上氧气得电子发生还原反应,b电极上三甲胺失电子发生氧化反应,则a为正极,b为负极,原电池中电子从负极流向正极即从b流向a,电流的方向与电子的移动方向相反,则外电路电流的方向为a→b;电解质溶液为酸性,结合图示,负极的电极反应式为2N(CH3)3-42e-+12H2O==N2↑+6CO2↑+42H+。
7.(1)(2021山东潍坊模拟)CO2资源化利用受到越来越多的关注,研究CO2对资源综合利用有重要意义。利用电化学装置可用CO2制CH4。
如图表示以KOH溶液作为电解质溶液进行电解的示意图,阴极的电极反应方程式为　　　　　　　　　,电解一段时间后,阳极区KOH溶液的质量分数减小,其原因是　　　　　　　　　　　　　　。 
(2)(2021辽宁丹东模拟)某种利用垃圾渗透液实现发电装置示意图如下,当该装置工作时,盐桥中K+向　　　　　　(填“X”或“Y”)极移动,Y极的电极反应式为　　　　　　。 
答案 (1)CO2+8e-+6H2O==CH4+8OH-　OH-在阳极被氧化,钾离子从右室往左室移动(2)Y　2N +10e-+6H2O==N2↑+12OH-
解析 (1)根据以KOH溶液作为电解质溶液进行电解的示意图,CO2在Cu电极上可以转化为CH4,根据电子转移、电荷守恒可得电极反应式为CO2+8e-+6H2O==CH4+8OH-,由于OH-在阳极被氧化,阳离子移向阴极,钾离子从右室往左室移动,使得电解一段时间后,阳极区KOH溶液的质量分数减小。(2)X电极上氨气失去电子生成氮气,说明X极为负极,Y极为正极,盐桥中K+向正极(Y极)移动,Y极发生还原反应,电极反应式为2N +10e-+6H2O==N2↑+12OH-。
8.(2021湖北武汉模拟)人们应用原电池原理制作了多种电池以满足不同的需要。电池发挥着越来越重要的作用,如在宇宙飞船、人造卫星、电脑、照相机等方面都离不开各式各样的电池,同时废弃的电池随便丢弃也会对环境造成污染。请根据题中提供的信息,回答下列问题:(1)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的差别进行发电,在海水中电池反应可表示为5MnO2+2Ag+2NaCl==Na2Mn5O10+2AgCl
①该电池的负极反应式是　; ②在电池中,Na+不断移动到“水”电池的　　　(填“正”或“负”)极; ③外电路每通过4 mol电子时,生成Na2Mn5O10的物质的量是　　　　。 
(2)中国科学院应用化学研究所在甲醇(CH3OH,是一种可燃物)燃料电池技术方面获得新突破。甲醇燃料电池的工作原理如图所示。
①该电池工作时,b口通入的物质为　; ②写出该电池负极的电极反应式:　; ③工作一段时间后,当6.4 g甲醇完全反应生成CO2时,有　　　个电子转移(设NA为阿伏加德罗常数的值)。 
(3)Ag2O2是银锌碱性电池的正极活性物质,当银锌碱性电池的电解质溶液为KOH溶液,电池放电时正极的Ag2O2转化为Ag,负极的Zn转化为K2Zn(OH)4,写出该电池反应方程式:　。 (4)O2辅助的Al-CO2电池工作原理如图所示。该电池电容量大,能有效利用CO2,电池反应产物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。
电池的负极反应式:　。 电池的正极反应式:反应过程中O2的作用是　　　　　　　　　　　。 该电池的总反应式:　　　　　　　　　　　。 
答案 (1)①Ag+Cl--e-==AgCl　②正　③2 mol(2)①CH3OH　②CH3OH-6e-+H2O==CO2+6H+　③1.2NA(3)Ag2O2+2Zn+4KOH+2H2O==2K2Zn(OH)4+2Ag(4)Al-3e-==Al3+(或2Al-6e-==2Al3+)　催化剂2Al+6CO2==Al2(C2O4)3
解析 (1)①根据电池总反应:5MnO2+2Ag+2NaCl==Na2Mn5O10+2AgCl可知,Ag元素的化合价由0价升高到+1价,发生氧化反应,Ag应为原电池的负极,负极发生反应的电极反应式为Ag+Cl--e-==AgCl;②在原电池中阴离子向负极移动,阳离子向正极移动,所以钠离子向正极移动;③根据方程式中5 mol MnO2生成1 mol Na2Mn5O10,每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子,则外电路每通过4 mol电子时,生成Na2Mn5O10的物质的量是2 mol。
(2)①根据氢离子移动方向可知,阳离子向正极移动,则右侧电极为正极,左侧电极为负极,负极上通入燃料甲醇;②正极上氧气得电子和氢离子反应生成水,电极反应式为O2+4H++4e-==2H2O,负极上甲醇失电子和水反应生成二氧化碳和氢离子,电极反应式为CH3OH-6e-+H2O==CO2+6H+;③根据CH3OH-6e-+H2O==CO2+6H+反应知,消耗1 mol甲醇要转移6 mol电子,当6.4 g甲醇完全反应生成CO2时,转移电子的物质的量n= ×6=1.2 mol,则转移电子个数为1.2 NA。
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