2024届高考化学一轮复习课件 第六章 化学反应与能量 热点强化练7 电解原理在工农业生产中的应用

热点强化练7　电解原理在工农业生产中的应用

1.(2022·浙江重点中学联考)电解精炼法提纯镓(Ga)是工业上常用的方法,具体原理如图所示。已知:金属活动性顺序为Zn>Ga>Fe,镓的化学性质与铝相似。下列说法错误的是(　C　)

A.该装置中电流方向为N极→粗Ga→NaOH溶液→高纯Ga→M极

B.电解精炼镓时产生阳极泥的主要成分为Fe、Cu

C.阴极发生的电极反应为Ga3++3e-Ga

D.电解过程中需控制合适的条件,否则阴极可能会产生H2导致电解效率下降

解析:题图中粗Ga作阳极,纯Ga作阴极,N极为正极,M极为负极。电解池中电流由电源正极流向电解池阳极,经过电解质溶液到达电解池阴极,再由阴极流向电源负极,A项正确;根据题中给出的金属活动性顺序,镓比铁、铜活泼,故铁、铜在电解精炼过程中形成阳极泥,B项正确;镓的化学性质与铝相似,说明镓具有两性,结合电解质溶液显碱性,可知阴极反应为Ga+3e-+2H2OGa+4OH-,C项错误;电解池中,若电解质溶液为水溶液,阴极上会存在H+(或水电离出的H+)得电子被还原为H2的竞争反应,若没控制合适的条件,该竞争反应可能会更明显,导致电解效率下降,D项正确。

2.(2023·辽宁六校期中)对氨基苯甲酸()是一种用途广泛的化工产品和医药中间体,以对硝基苯甲酸()为原料,采用电解法合成对氨基苯甲酸的装置如图。

下列说法错误的是(　C　)

A.b为直流电源正极

B.少量气体X为H2

C.质子交换膜中H+由左向右迁移

D.阴极的主要电极反应式为

+6e-+6H++2H2O

解析:题给电池右侧为阳极,失电子发生氧化反应,则b为直流电源正极,A正确;阴极还会电解一部分水,H+得电子产生氢气,B正确;阳离子向阴极移动,则H+向阴极移动,即应从右向左移动,C错误。

3.(2022·河南郑州二模)钛铁合金具有优异的性能,在航天和生物医学等领域有广泛的应用。如图是以二氧化钛、氧化亚铁混合粉末压制的块体和石墨坩埚分别作电极材料,以CaCl2熔盐为离子导体(不参与电极反应)制备钛铁合金的电解装置示意图。下列相关说法正确的是(　D　)

A.石墨坩埚连接直流电源的负极

B.通入Ar气主要是为了保护石墨坩埚不被氧化

C.TiO2发生的电极反应为TiO2-4e-Ti+2O2-

D.每生成16.0 g TiFe2时,流出气体在标准状况下的体积大于4.48 L

解析:题给装置的目的是制备钛铁合金,所以需要Fe2+、Ti4+发生还原反应,而CaCl2熔盐不参与电极反应,所以阳极应是O2-被氧化生成氧气,所以以二氧化钛、氧化亚铁混合粉末压制的块体应为阴极,连接电源的负极,A错误;Ti、Fe性质活泼,容易被生成的氧气氧化,所以通入Ar气主要是为了保护钛铁合金不被氧化,B错误;TiO2得电子发生还原反应,电极反应为TiO2+4e-Ti+2O2-,C错误;16.0 g TiFe2为=0.1 mol,需生成0.1 mol Ti、0.2 mol Fe,根据电极反应TiO2+4e-Ti+2O2-、FeO+2e-Fe+O2-可知,共转移0.8 mol电子,O2-在阳极被氧化,电极反应为2O2--4e-O2↑,所以生成 0.2 mol 氧气,标准状况下体积为0.2 mol×22.4 L/mol=4.48 L,但同时流出的气体还有Ar气,所以流出气体在标准状况下的体积大于4.48 L,D正确。

4.(2022·四川绵阳二模)科学家利用质子导体反应器实现了电化学合成NH3,证明了H2O作为氢源的可行性。以H2O替换H2作为氢源,可以免除H2的生产和提纯成本,进一步降低氨的生产成本,且可以以最小的成本生产纯O2,其工作原理如图所示。下列说法错误的是(　C　)

A.氨电极为阴极,电极反应为N2+6H++6e-2NH3

B.在外电场作用下,H+由氢电极经固体电解质移向氨电极

C.每制得1 mol NH3,理论上消耗1.5 mol H2同时得到48 g氧气

D.若在氢电极通入水蒸气和甲烷,电极反应为CH4+2H2O-8e-CO2+8H+

解析:阳极反应不消耗氢气,C错误;氢电极为阳极,通入水蒸气和甲烷,C元素化合价升高,电极反应为CH4+2H2O-8e-CO2+8H+,D正确。

5.(2022·河南洛阳三模)我国科研团队开发了一种新型铠甲催化剂Ni/Co@石墨烯,可以高效去除合成气中的H2S杂质并耦合产氢,其工作原理如图所示。下列说法错误的是(　B　)

A.M电极为阴极,电极上发生还原反应

B.生成H2和Sx的物质的量之比为1∶x

C.阳极的电极反应式为xH2S-2xe-Sx+2xH+

D.铠甲催化剂表面的石墨烯可以保护内部金属核免受环境的影响

解析:由题干电解池装置图可知,Na+由右侧电极室进入左侧电极室,说明n为电源的正极,铠甲催化剂电极为阳极,发生氧化反应,电极反应式为xH2S-2xe-Sx+2xH+,m为电源的负极,M电极为阴极,发生还原反应,电极反应式为2H++2e-H2↑。根据得失电子守恒并结合两极反应式可知,生成H2和Sx的物质的量之比为x∶1,B错误。

6.(2022·湖南衡阳联考)用“吸收—电解”循环法脱除烟气中的SO2,可减少对大气的污染。室温下,电解液K再生的装置如图所示,其中电解液的pH随n(S)∶n(HS)变化的关系见下表。下列对此判断正确的是(　D　)

A.当电解液呈中性时,溶液中:c(Na+)>c(S)>c(HS)>c(OH-)

B.再生液M吸收SO2主要反应的离子方程式为SO2+OH-HS

C.HS在b极发生的电极反应式为HS+H2O-2e-S+3H+

D.若产生标准状况下2.24 L气体N,则d膜上共通过0.2 mol阳离子

解析:根据装置图知,阴离子通过c膜向a极移动,则a极为阳极,发生的反应为HS-2e-+H2OS+3H+;b极为阴极,发生的反应为2H++2e-H2↑,气体N为H2。n(S)∶)=9∶91时,电解液pH=6.2,n(S)∶n(HS)=1∶1时,电解液pH=7.2,由此推知当电解液呈中性时,c(HS)>c(S),A项错误;M吸收SO2主要发生的反应为S+SO2+H2O2HS,B项错误;若产生标准状况下2.24 L气体N(0.1 mol H2),阴极消耗0.2 mol H+,减少0.2 mol正电荷,需要补充0.2 mol正电荷以达到平衡,则d膜上会通过 0.2 mol 阳离子,D项正确。

7.一种生物电化学方法脱除水体中N的原理如图所示:

下列说法正确的是(　B　)

A.装置工作时,化学能转变为电能

B.装置工作时,电极a周围溶液pH减小

C.装置内工作温度越高,N脱除率一定越高

D.电极b上发生的反应之一是2N-2e-N2↑+3O2↑

解析:题给装置是把电能转化为化学能,A错误;电极a为阳极,电极反应为N+2H2O-6e-N+8H+,所以电极a周围溶液的pH减小,B正确;题给装置是在细菌生物作用下进行的,所以温度过高,导致细菌死亡,N脱除率会降低,C错误;电极b上发生的反应为2N+12H++10e-N2+6H2O,D错误。

8.(不定项)(2022·山东聊城一中期末)以X()为原料用电化学法制备K(),可以克服副产物多、原料利用率低等缺点,装置工作原理如图所示。为维持装置工作的稳定性,一般保持两侧电极室溶液的pH基本不变。下列说法正确的是(　AD　)

A.有机钠盐起传导离子的作用

B.电源c极的电势低于d极的电势

C.装置中的离子交换膜可允许Na+和H+通过

D.电极a的反应为-2e-+2H+

解析:根据装置图可知,右侧电极室中电解质溶液为盐酸,氢离子转化为氢气,发生了还原反应,电极b为阴极,此极溶液的酸性减弱;电极a为阳极,发生氧化反应,电极反应为-2e-+2H+,此极溶液的酸性增强;为维持装置工作的稳定性,一般保持两侧电极室溶液的pH基本不变,所以阳极产生氢离子通过离子交换膜进入阴极室,有机钠盐没有参与反应,起传导离子的作用,A正确;电极a为阳极,所以电源c极为正极,d极为负极,则c极的电势高于d极的电势,B错误;装置中的离子交换膜只允许H+通过,C错误。

9.(不定项)硼酸(H3BO3)为一元弱酸,已知H3BO3与足量NaOH溶液反应的离子方程式为H3BO3+OH-[B(OH)4]-,H3BO3可以通过电解的方法制备。电解Na[B(OH)4]溶液制备H3BO3的原理如图所示。下列叙述正确的是(　D　)

A.通电一段时间后,M室、N室的pH依次增大、减小

B.a膜、c膜为阴离子交换膜,b膜为阳离子交换膜

C.理论上每生成1 mol H3BO3,两极室共产生标准状况下22.4 L气体

D.保持电流为3 A,电解60 min,制得H3BO36.2 g,则电流效率约为89%(法拉第常数为96 500 C·mol-1;电流效率η=×100%)

解析:M室中石墨电极为阳极,电解时阳极上水失电子生成O2和H+,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,N室中石墨电极为阴极,电解时阴极上水得电子生成H2和OH-,电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,原料室中的[B(OH)4]-通过b膜进入产品室、Na+通过c膜进入N室,M室中氢离子通过a膜进入产品室且通过a膜的H+的量与M室中电极反应产生的H+的量相同,即通电一段时间后M室中稀硫酸浓度变大,则a膜、c膜为阳离子交换膜,b膜为阴离子交换膜,通电一段时间后,M室pH减小,N室pH增大,A、B项错误。产品室中发生的反应为[B(OH)4]-+H+H3BO3+H2O,理论上每生成1 mol H3BO3,M室生成1 mol H+,转移电子1 mol,N室生成0.5 mol H2,M室生成0.25 mol O2,两极室共产生标准状况下16.8 L气体,C项错误。6.2 g H3BO3的物质的量为=0.1 mol,则消耗的电荷量为0.1 mol×1×96 500 C·mol-1=9 650 C,而电极上通过的总电荷量为3 A×60×60 s=10 800 C,故η=×100%≈89%,D项正确。

10.电解法在物质制备和废水、废气处理等领域有广泛应用。

(1)由于直接歧化制备高锰酸钾的产率不高,且后续分离纯化步骤较多,目前工业上较多采用电解K2MnO4水溶液法制备,试写出该电解过程总反应的化学方程式:            　。 

(2)SO2和NOx是主要大气污染物,利用如图装置可同时吸收SO2和NO。

①a极为直流电源的　　　　,与其相连的电极发生　　　　反应。 

②阳极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　         　

　　　　　　　　　　,吸收池中发生反应的离子方程式为　  。 

③阴极得到2 mol电子时,通过阳离子交换膜的H+为　　　　mol。 

解析:(1)由题意可知,电解K2MnO4水溶液制备KMnO4,Mn元素化合价升高,则阳极为锰酸根离子放电,阴极为水电离的氢离子放电产生氢气和氢氧根离子,则总反应为2K2MnO4+2H2O2KMnO4+2KOH+H2↑。

(2)①亚硫酸氢根离子得电子生成S2,发生还原反应,则a极是直流电源的负极;②阳极发生失去电子的氧化反应,反应式为 SO2-2e-+2H2OS+4H+;吸收池中S2与一氧化氮发生氧化还原反应,生成氮气,离子方程式为 2NO+2S2+2H2ON2+4HS;③阴极发生还原反应,电极反应式为2HS+2e-+2H+S2+2H2O,阴极得到2 mol电子时,通过阳离子交换膜的H+为2 mol。

答案:(1)2K2MnO4+2H2O2KMnO4+2KOH+H2↑

(2)①负极　还原　②SO2-2e-+2H2OS+4H+　2NO+2S2+2H2ON2+4HS

③2