2021高考化学鲁科版一轮复习教师用书第六章第6课时　电化学原理的综合应用

第6课时　电化学原理的综合应用

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考点一　串联装置识别与分析

1.有外加电源电池类型的判断方法

有外加电源的均为电解池,与电源负极相连的是阴极,或根据“电解池串联时阴、阳极交替出现”的原则正推电极,也可以通过装置中某极的变化、现象反推电极。电极位置相同,作用也相同。若电池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同,则该装置为电镀池。

则甲为电镀池,乙、丙均为电解池。

2.无外加电源电池类型的直接判断方法

一种为原电池,其余为电解池。

(1)直接判断

燃料电池、铅蓄电池等在电路中作电源,则其他装置为电解池。如图,A为原电池,B为电解池。

(2)根据电池中的电极材料和电解质溶液判断

①一般是两种不同的金属电极或一种金属电极一个碳棒,其中较活泼的金属为原电池的负极,另一极为正极,其余为电解池。

②电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应,构成原电池作电源,电极材料不能和电解质溶液自发反应则是电解池。如图,B为原电池,A为电解池。

③光电池只需确定电子或阴、阳离子的移动方向即可判断阴、阳极。

(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先判断电极类型,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,A应为阳极而不是负极(负极金属溶解),则可知乙是原电池;甲是电解池,A是阳极,B是阴极。

3.“串联”类电池的解题流程

题型一　有外加电源型

[典例1] (2019·吉林长春质检)如图装置中a、b、c、d均为Pt电极。电解过程中,电极b和d上没有气体逸出,但质量均增大,且增重b>d。符合上述实验结果的盐溶液是(　　)

解析:A项,当X为MgSO4时,b极上生成H2,电极质量不增加,错误;C项,X为FeSO4,Y为Al2(SO4)3,b、d极上均产生气体,错误;D项,b极上析出Cu,d极上析出Ag,其中d极增加的质量大于b极增加的质量,错误。

答案:B

[对点精练1] 如图,乙是甲电解池进行电解时某个量(纵坐标x)随时间变化的曲线(各电解池都用石墨作电极,不考虑电解过程中溶液浓度变化对电极反应的影响),则x表示(　C　)

A.各电解池析出气体体积总数的变化

B.各电解池阳极质量的增加

C.各电解池阴极质量的增加

D.各电极上放电的离子总数的变化

解析:用排除法解答,乙图中曲线③表示电解NaCl溶液时,随着电解的进行x值始终为0,可排除A、D项;对于B项,三个电解池的阳极上都是阴离子放电,不可能有质量的增加,所以也不正确。故选C。

题型二　无外接电源型

[典例2] (2019·山东临沂冲刺练)某同学组装了如图所示的电化学装置,电极Ⅰ为Al,其他电极均为Cu,则(　　)

A.电极Ⅱ逐渐溶解

B.电极Ⅰ发生还原反应

C.电流方向:电极Ⅳ→→电极Ⅰ

D.电极Ⅲ的电极反应为Cu2++2e-Cu

解析:当多池串联时,两电极材料活动性相差大的作原电池,由此可知图示中左边两池组成原电池,右边组成电解池。原电池正极为电极Ⅱ,铜离子得电子生成铜单质,该电极质量逐渐增大,A项错误;原电池负极在工作中失电子,被氧化,发生氧化反应,B项错误;电子移动方向:电极Ⅰ→→电极Ⅳ,电流方向与电子移动方向相反,C项正确;电解池中阳极为铜电极时,电极本身失电子,形成离子进入溶液中,Cu-2e-Cu2+,D项错误。

答案:C

[对点精练2] 如图所示,甲池的总反应式为2CH3OH+3O2+4KOH2K2CO3+6H2O。下列说法正确的是(　C　)

A.甲池通入CH3OH的电极反应式为CH3OH+6e-+2H2OC+8H+

B.反应一段时间后,向乙池中加入一定量Cu(OH)2固体,能使CuSO4溶液恢复到原浓度

C.甲池中消耗224 mL(标准状况)O2,此时丙池中理论上产生1.16 g固体

D.若将乙池电解质溶液换成AgNO3溶液,则可以实现在石墨棒上镀银

解析:甲池通入CH3OH的电极发生氧化反应:CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O,A项错误;乙池中石墨作阳极,Ag作阴极,电解总反应式为2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4,由于CuSO4溶液过量,溶液中减少的是“2Cu+O2↑”,因此加入CuO或CuCO3能使原溶液恢复到原浓度,B项错误;丙池中的总反应为MgCl2+2H2OMg(OH)2↓+H2↑+Cl2↑,根据各电极上转移电子数相同,可得关系式:O2～4e-～2Mg(OH)2,丙池中产生Mg(OH)2固体的质量为×2×58 g· mol-1=1.16 g,C项正确;乙池中石墨棒作阳极,Ag作阴极,只能在银极上析出银,D项错误。

考点二　含离子交换膜电池的应用

1.离子交换膜的类型及作用

2.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、电流流向等,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,结合题意中给出的制备、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,从而推知离子交换膜的种类。

3.三步法解答有关“膜”装置题

如电析法可将含有AnBm的废水再生为HnB和A(OH)m,已知A为金属活动性顺序表中H前金属,Bn-为含氧酸根离子。

考向一　用于物质的分离和提纯

[典例1] (2016·全国Ⅰ卷)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和S可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。

下列叙述正确的是(　　)

A.通电后中间隔室的S离子向正极迁移,正极区溶液pH增大

B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品

C.负极反应为2H2O-4e-O2+4H+,负极区溶液pH降低

D.当电路中通过1 mol电子的电量时,会有0.5 mol的O2生成

解析:正极区水电离出的OH-放电,溶液中c(H+)增大,pH减小,中间隔室的S透过cd膜移到正极区可得产品H2SO4;负极区水电离出的H+放电:2H++2e-H2↑,溶液中c(OH-)增大,溶液pH增大,中间隔室的Na+透过ab膜移入负极区,可得产品NaOH;由电子守恒,结合电极反应4OH--4e-2H2O+O2可知,通过1 mol e-会有0.25 mol O2产生。

答案:B

[对点精练1] 一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化,其工作原理如图所示,图中有机废水中有机物可用 C6H10O5表示。下列有关说法不正确的是(　C　)

A.Cl-由中间室移向左室

B.X气体为CO2

C.处理后的含N废水的pH降低

D.电路中每通过4 mol电子,产生X气体的体积在标准状况下为22.4 L

解析:该原电池中,N得电子发生还原反应,则装置中右边电极是正极,电极反应为2N+10e-+12H+N2↑+6H2O,装置左边电极是负极,负极上有机物失电子发生氧化反应生成X为二氧化碳。放电时,电解质溶液中阴离子Cl-移向负极室(左室),A、B项正确;根据正极反应式可知H+参加反应导致溶液酸性减小,溶液的pH增大,C项不正确;负极上有机物在厌氧菌作用下生成二氧化碳,电极反应为C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+,电路中每通过4 mol电子,产生标准状况下X气体的体积为×6×22.4 L=22.4 L,D项正确。

考向二　用于物质的制备

[典例2] (2018·全国Ⅰ卷节选)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术,装置如图所示,其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为　。 

电解后,　　　　室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水,可得到Na2S2O5。 

解析:阳极上阴离子OH-放电,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,电解过程中H+透过阳离子交换膜进入a室,故a室中NaHSO3浓度增加。

答案:2H2O-4e-4H++O2↑　a

[对点精练2] (2018·浙江卷节选)以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]水溶液为原料,通过电解法可以制备四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH],装置如图所示。

(1)收集到(CH3)4NOH的区域是　　　　　(填“a”“b”“c”或“d”)。 

(2)写出电池总反应 

　。 

解析:(1)根据题给信息及题图,阴极的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,阳极的电极反应式为2Cl--2e-Cl2↑;根据阳离子交换膜只允许阳离子通过,所以收集到(CH3)4NOH的区域是d。

(2)根据题意,参与电极反应的物质实际上是(CH3)4NCl和水,产物是(CH3)4NOH、Cl2和H2,由此可写出电池的总反应为2(CH3)4NCl+2H2O2(CH3)4NOH+H2↑+Cl2↑。

答案:(1)d

(2)2(CH3)4NCl+2H2O2(CH3)4NOH+H2↑+Cl2↑

考点三　电化学定量计算

1.解题关键

(1)电极名称要区分清楚;

(2)电极产物要判断准确;

(3)各产物间量的关系遵循电子得失守恒。

2.计算方法

如以通过4 mol e-为桥梁可构建如下关系式:

～

(式中M为金属,n为其离子的化合价数值,涉及气体体积时一定要注意气体的状态为标准状况)

3.计算步骤

(1)根据现象或其他条件(如果是电解池,可以根据与电源正负极的连接情况),准确判定电极上发生氧化还原反应的类型和电极名称;

(2)准确写出电极反应式;

(3)根据题目所给条件和所要求解的问题,使用上述合适的方法建立等量关系求解。

[典例] (2019·广东肇庆二模)如图是利用一种微生物将废水中的有机物(如淀粉)和废气NO的化学能直接转化为电能,下列说法中一定正确的是(　　)

A.质子透过阳离子交换膜由右向左移动

B.电子流动方向为N→Y→X→M

C.M电极反应式:(C6H10O5)n+7nH2O-24ne-6nCO2↑+24nH+

D.当M电极微生物将废水中16.2 g淀粉转化掉时,N电极产生134.4 L N2(标准状况下)

解析:由题意利用一种微生物将废水中有机物[主要成分是(C6H10O5)n]的化学能转化为电能的装置,即为原电池,质子透过阳离子交换膜,从左向右移动,A错误;电子流动方向从负极经过导线到正极,为M→X→Y→N,B错误;M极为有机物,M极为负极,发生氧化反应,负极的电极反应为(C6H10O5)n+7nH2O-24ne-6nCO2↑+24nH+,C正确;当M电极微生物将废水中16.2 g淀粉转化掉时,物质的量为 mol,故转移电子的物质的量为 mol×24n=2.4 mol,而生成1 mol的氮气转移电子的物质的量为4 mol,故生成0.6 mol的氮气,标准状况下的体积为13.44 L,D错误。

答案:C

[对点精练] (2019·全国Ⅲ卷节选)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上,科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案,主要包括电化学过程和化学过程,如图所示:

负极区发生的反应有 

(写反应方程式)。电路中转移1 mol电子,需消耗氧气　　　　L(标准状况)。 

解析:电解过程中,负极连接的阴极上发生得电子反应,元素化合价降低,属于还原反应,则图中左侧为负极反应,根据图示信息知电极反应为Fe3++e-Fe2+和4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O;根据电极方程式可知4Fe2+～4e-～O2,V= mol×22.4 L/mol=5.6 L。

答案:Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O　5.6