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　　專題7　電化學　
課標要求 命題角度
1.能分析、解釋原電池和電解池的工作原理,能設計簡單的原電池和電解池。 2.能列舉常見的化學電源,并能利用相關信息分析化學電源的工作原理。能利用電化學原理解釋金屬腐蝕現象,選擇并設計防腐措施。 3.能舉例說明化學在解決能源危機中的重要作用,能分析能源的利用對自然環境和社會發展的影響。能綜合考慮化學變化中的物質變化和能量變化來分析、解決實際問題,如煤炭的綜合利用、新型電池的開發等。 1.電極的判斷; 2.電極或總反應方程式的書寫; 3.電子或離子移動方向; 4.電解質溶液及電極的現象或變化及相關計算; 5.交換膜的有關判斷及原因分析; 6.金屬腐蝕的現象及防腐措施。
考點1　原電池　化學電源
角度1新型化學電源
1.(2022·湖南選擇考)海水電池在海洋能源領域備受關注,一種鋰-海水電池構造示意圖如圖。下列說法錯誤的是 (　　)
A.海水起電解質溶液作用
B.N極僅發生的電極反應:2H2O+2e-2OH-+H2↑
C.玻璃陶瓷具有傳導離子和防水的功能
D.該鋰-海水電池屬于一次電池
解析:選B。鋰-海水電池的總反應為2Li+2H2O2LiOH+H2↑,M極上Li失去電子發生氧化反應,則M電極為負極,電極反應為Li-e-Li+,N極為正極,電極主要反應為2H2O+2e-2OH-+H2↑。海水中含有豐富的電解質,如氯化鈉、氯化鎂等,可作為電解質溶液,A正確;N為正極,發生還原反應,海水是一個復雜的體系,里面存在的其他金屬離子有可能放電,如錳離子等,B錯誤;Li為活潑金屬,易與水反應,玻璃陶瓷能防止水和Li反應,也具有傳導離子的功能,C正確;該電池不可充電,屬于一次電池,D正確。
2.(2021·廣東選擇考)火星大氣中含有大量CO2,一種有CO2參加反應的新型全固態電池有望為火星探測器供電。該電池以金屬鈉為負極,碳納米管為正極,放電時 (　　)
A.負極上發生還原反應
B. CO2在正極上得電子
C.陽離子由正極移向負極
D. 將電能轉化為化學能
解析:選B。根據題干信息可知,放電時總反應為4Na+3CO22Na2CO3+C。放電時負極上Na發生氧化反應失去電子生成Na+,故A錯誤;放電時正極為CO2得到電子生成C,故B正確;放電時陽離子由負極移向正極,故C錯誤;放電時裝置為原電池,能量轉化關系為化學能轉化為電能,故D錯誤。
結合上題有關信息,分析下列說法錯誤的是 (　　)
A.由碳納米管形成的氣體通道會促進CO2的擴散
B.放電時,電子會通過固態電解質移向負極
C.該電池在能源存儲和“碳中和”應用方面有“一石二鳥”的效果
D.用此電池電解飽和NaCl溶液,當消耗4.6 g鈉時,陰極產生氣體的體積為2.24 L(標準狀況下)
解析:選B 。碳納米管形成氣體通道,增大接觸面積,加快反應速率,促進CO2擴散,A正確;放電時,電子由負極經外電路流向正極,陰離子會通過固態電解質移向負極,B錯誤;該電池利用CO2為正極材料,一方面提高了CO2捕獲的經濟性,另一方面可以減少CO2的積累,能夠實現能源存儲和“碳中和”,C正確;電解飽和NaCl溶液陰極的電極反應式是2H2O+2e-2OH-+H2↑,反應每生成1 mol H2,轉移2 mol電子,由得失電子數目守恒可知,消耗4.6 g鈉時,陰極產生氣體的體積是××22.4 L·mol-1=2.24 L,D正確。
【自主總結】解答新型化學電源的步驟
角度2二次電池
3.(2022·廣東選擇考)科學家基于Cl2易溶于CCl4的性質,發展了一種無需離子交換膜的新型氯流電池,可作儲能設備。充電時電極a的反應為
NaTi2(PO4)3+2Na++2e-Na3Ti2(PO4)3
下列說法正確的是 (　　)
A.充電時電極b是陰極
B.放電時NaCl溶液的pH減小
C.放電時NaCl溶液的濃度增大
D.每生成1 mol Cl2,電極a質量理論上增加23 g
解析:選C。充電時,電極a的反應為NaTi2(PO4)3+2Na++2e-Na3Ti2(PO4)3,由圖可知,a電極得電子為陰極,b電極為陽極,電極反應式為2Cl--2e-Cl2↑,放電時,a電極為負極,b電極為正極,故A錯誤;NaCl溶液顯中性,pH不變,故B錯誤;放電時,a電極為負極,電極反應式為Na3Ti2(PO4)3-2e-NaTi2(PO4)3+2Na+,b電極為正極,電極反應式為Cl2+2e-2Cl-,NaCl溶液的濃度增大,故C正確;每生成1 mol Cl2,電路中轉移2 mol電子,電極a質量理論上增加2 mol鈉離子的質量,則增加的質量為2 mol×23 g·mol-1=46 g,故D錯誤。
4.(2021·遼寧選擇考)如圖,某液態金屬儲能電池放電時產生金屬化合物Li3Bi。下列說法正確的是 (　　)
A.放電時,M電極反應為Ni-2e-Ni2+
B.放電時,Li+由M電極向N電極移動
C.充電時,M電極的質量減小
D.充電時,N電極反應為Li3Bi+3e-3Li++Bi
解析:選B。由題干信息可知,放電時,M極由于Li比Ni更活潑,也比N極上的Sb、Bi、Sn更活潑,故M極作負極,電極反應為Li-e-Li+,N極為正極,電極反應為3Li++3e-+BiLi3Bi,據此分析解題。A.由分析可知,放電時,M電極反應為Li-e-Li+,A錯誤;B.由分析可知,放電時,M極為負極,N極為正極,故Li+由M電極向N電極移動,B正確;C.由二次電池的原理可知,充電時和放電時同一電極上發生的反應互為逆過程,M電極的電極反應為Li++e-Li,故電極質量增大,C錯誤;D.由二次電池的原理可知,充電時和放電時同一電極上發生的反應互為逆過程,充電時,N電極反應為Li3Bi-3e-3Li++Bi,D錯誤。
角度3燃料電池
5.(2021·山東等級考)以KOH溶液為離子導體,分別組成CH3OH-O2、N2H4-O2、(CH3)2NNH2-O2清潔燃料電池,下列說法正確的是 (　　)
A.放電過程中,K+均向負極移動
B.放電過程中,KOH物質的量均減小
C.消耗等質量燃料,(CH3)2NNH2-O2燃料電池的理論放電量最大
D.消耗1 mol O2時,理論上N2H4-O2燃料電池氣體產物的體積在標準狀況下為11.2 L
解析:選C。堿性環境下,甲醇燃料電池總反應為2CH3OH+3O2+4KOH2K2CO3+6H2O;N2H4-O2清潔燃料電池總反應為N2H4+O2N2+2H2O;(CH3)2NNH2中C和N的化合價均為-2價,H元素化合價為+1價,所以根據氧化還原反應原理可推知其燃料電池的總反應為(CH3)2NNH2+4O2+4KOH2K2CO3+N2+6H2O,據此結合原電池的工作原理分析解答。A.根據放電過程為原電池工作原理,鉀離子均向正極移動,A錯誤;B.根據上述分析可知,N2H4-O2清潔燃料電池的產物為氮氣和水,其總反應中未消耗KOH,所以KOH的物質的量不變,其他兩種燃料電池根據總反應可知,KOH的物質的量減小,B錯誤;C.理論放電量與燃料的物質的量和轉移電子數有關,設消耗燃料的質量均為m g,則甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放電量(物質的量表達式)分別是×6、×4、×16,通過比較可知(CH3)2NNH2理論放電量最大,C正確;D.根據轉移電子數守恒和總反應式可知,消耗1 mol O2生成的氮氣的物質的量為1 mol,在標準狀況下為22.4 L,D錯誤。
(1)原電池工作時,陽離子向正極移動。
(2)堿性溶液中,CH3OH-O2燃料電池的總反應為2CH3OH+3O2+4KOH===2K2CO3+6H2O,放電過程中,KOH物質的量減小(填“增大”“減小”或“不變”);N2H4-O2燃料電池的總反應為N2H4+O2===N2+2H2O,放電過程中,KOH物質的量不變(填“增大”“減小”或“不變”);(CH3)2NNH2-O2燃料電池的總反應為(CH3)2NNH2+4O2+4KOH===2K2CO3+N2+6H2O,放電過程中,KOH物質的量減小(填“增大”“減小”或“不變”)。即據電池總反應是否消耗KOH判斷放電過程中KOH物質的量如何變化。
(3)1 g燃料燃燒耗氧量越大,電池的理論放電量越大。
6.(2022·河北選擇考節選)氫能是極具發展潛力的清潔能源,以氫燃料為代表的燃料電池有良好的應用前景。
(1)氫氧燃料電池中氫氣在　　　　(填“正”或“負”)極發生反應。
(2)在允許O2-自由遷移的固體電解質燃料電池中,CnH2n+2放電的電極反應式為　　　　　　　　。
解析:(1)燃料電池中的燃料在負極發生氧化反應,因此,氫氧燃料電池中氫氣在負極發生反應。(2)在允許O2-自由遷移的固體電解質燃料電池中,CnH2n+2在負極發生氧化反應生成CO2和H2O,電極反應式為CnH2n+2-(6n+2)e-+ (3n+1) O2-nCO2+(n+1) H2O。
答案:(1)負　(2)CnH2n+2-(6n+2)e-+(3n+1)O2-nCO2+(n+1) H2O
【自主總結】燃料電池常見的四種正極反應式
不同電解質環境中O2得電子產物不同。
(1)酸性溶液:O2+4H++4e-2H2O
(2)中性或堿性溶液:O2+2H2O+4e-4OH-
(3)熔融碳酸鹽:O2+2CO2+4e-2C
(4)熔融氧化物:O2+4e-2O2-
1.原電池基礎模型
2.二次電池解題模型
3.電極反應式的書寫方法
角度1　新型化學電源
1.(2022·長沙模擬)“太陽水”電池裝置如圖所示,該電池由三個電極組成,其中a為TiO2電極,b為Pt電極,c為WO3電極,電解質溶液為pH=3的Li2SO4-H2SO4溶液。鋰離子交換膜將電池分為A、B兩個區,A區與大氣相通,B區為封閉體系并有N2保護。下列關于該電池的說法正確的是(　　)
A.若用導線連接b、c,b電極附近pH增大,可實現太陽能向電能轉化
B.若用導線連接b、c,c電極為正極,可實現HxWO3轉化為WO3
C.若用導線連接a、c,則a為負極,該電極附近pH減小
D.若用導線連接a、c,則c電極的電極反應式為HxWO3-xe-WO3+xH+
解析:選C。用導線連接b、c,b電極發生O2→H2O,為正極,電極反應式為O2+4H++4e-2H2O,b電極附近pH增大,可實現化學能向電能轉化, A項錯誤;c電極為正極,則W的價態降低,發生WO3→HxWO3轉化,B項錯誤;連接a、c時,a電極上H2O→O2,發生失電子的氧化反應,則a電極為負極,電極反應式為2H2O-4e-O2↑+4H+,生成H+,a電極附近pH減小,C項正確; c電極為正極,正極上發生得電子的還原反應,電極反應式為WO3+xH++xe-HxWO3,D項錯誤。
2.(2022·包頭一模)一種釕(Ru)基配合物光敏染料敏化太陽能電池,其工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是 (　　)
A.電池工作時,將太陽能轉化為電能
B.X電極為電池的負極
C.Y電極發生的電極反應為+2e-3I-
D.當電池工作從開始到結束時,電解質溶液中I-和的濃度分別會發生很大變化
解析:選D。電池工作時,太陽光使Ru(Ⅱ)失電子轉化為Ru(Ⅲ),發生氧化反應,將太陽能轉化為電能,選項A正確;X電極電子流岀,發生氧化反應,為電池的負極,選項B正確;Y電極電子流入,發生還原反應,電極反應為+2e-3I-,選項C正確; 電池工作時,+2e-3I-,生成的I-又可與Ru(Ⅲ)反應重新生成,整個過程電解質溶液中I-和的濃度基本不變,選項D錯誤。
角度2　二次電池
3.(2022·臨沂二模)一種新型無隔膜可充電電池Zn/MnO2,水系電池以鋅箔、石墨氈為集流體,ZnSO4和MnSO4的混合液作電解質溶液,工作原理如圖所示。
下列說法正確的是 (　　)
A.過程Ⅰ為充電過程,A接電源的正極
B.為增強電池效率,可向電解液中加入硫酸以增強溶液的導電性
C.過程Ⅱ為放電過程,石墨氈極的電極反應式為Mn2+-2e-+2H2OMnO2+4H+
D.放電時,當外電路轉移2 mol e-時,兩電極質量變化的差值為22 g
解析:選D。過程Ⅰ為充電過程,A為電源負極,充電時接電源的負極,A項錯誤;向電解液中加入硫酸,硫酸與鋅反應,消耗電極材料,B項錯誤;過程Ⅱ為放電過程,石墨氈為正極,電極反應式為MnO2+4H++2e-Mn2++2H2O ,C項錯誤;放電時即過程Ⅱ,鋅箔作負極,電極反應式為Zn-2e-Zn2+,石墨氈為正極,電極反應式為MnO2+4H++2e-Mn2++2H2O,當外電路有2 mol電子轉移時,負極減少65 g,正極減少87 g,兩極質量變化差為87 g-65 g=22 g,D項正確。
4.(2022·菏澤一模)第一代鈉離子電池的工作原理為Na1-mMnO2+NamCnNaMnO2+Cn,其裝置如圖所示,負極為碳基材料(NamCn),利用鈉離子在正負極之間嵌脫過程實現充放電,下列說法正確的是 (　　)
A.放電時,電子由a極經過導線移向b極
B.充電時,若轉移1 mol e-,碳基材料電極將增重23m g
C.放電時a極反應式為Na1-mMnO2+mNa++me-NaMnO2
D.用該電池電解精煉銅,當電池中遷移1 mol Na+時,理論上可獲得64 g純銅
解析:選C。由題干信息可知,碳基材料為負極b,放電時,電子由負極b極經過導線移向正極a極,A錯誤;充電時,碳基材料電極反應為Cn+mNa++me-NamCn,則若轉移1 mol e-,碳基材料電極將增重23 g,B錯誤;放電時a極反應式為Na1-mMnO2+mNa++me-NaMnO2 ,C正確;用該電池電解精煉銅,根據Cu2++2e-Cu可知,當電池中遷移1 mol Na+時,即電路上將轉移1 mol e-,理論上可獲得0.5 mol×64 g·mol-1=32 g純銅,D錯誤。
角度3　燃料電池
5.(2022·南京二模) 電廠尾氣經處理得到較純的SO2,可用于原電池法生產硫酸,其工作原理如圖所示。電池工作時,下列說法不正確的是 (　　)
A.電極b為正極
B.溶液中H+由a極區向b極區遷移
C.電極a的電極反應式:SO2-2e-+2H2O4H++S
D.a極消耗SO2與b極消耗O2兩者物質的量相等
解析:選D。該裝置為原電池,根據裝置圖,SO2轉化成較濃硫酸,S元素的化合價升高,電極a為負極,電極b為正極,A項正確;H+從a極移向b極區,B項正確;SO2轉化成較濃硫酸,S元素的化合價升高,電極反應式為SO2-2e-+2H2O4H++S,C項正確;負極反應式為SO2-2e-+2H2O4H++S,正極反應式為O2+4e-+4H+2H2O,根據電荷守恒,a極消耗SO2與b極消耗O2兩者物質的量之比為2∶1,D項錯誤。
6.(2022·惠州一模)可用于檢測CO的某氣敏傳感器的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是(　　)
A.工作過程中化學能轉化為電能
B.工作一段時間后溶液的pH幾乎不變
C.電極Ⅰ上發生反應:CO-2e-+H2OCO2+2H+
D.電極Ⅱ上發生反應:O2+2H2O+4e-4OH-
解析:選D。該裝置屬于原電池裝置,工作過程中化學能轉化為電能,故A正確;電池的總反應為2CO+O22CO2,工作一段時間后溶液的pH幾乎不變,故B正確; 由圖可知,CO在負極上失去電子生成二氧化碳,則通CO的電極反應式為CO-2e-+H2OCO2+2H+,故C正確;氧氣在正極上得電子,電極Ⅱ為正極,酸性環境中電極反應式為O2+4H++4e-2H2O,故D錯誤。
加固訓練
　　(2022·石家莊二模)電致變色材料在飛機的舷窗和智能太陽鏡等方面具有廣泛應用。一種新一代集電致變色功能和儲能功能于一體的電子器件的工作原理如圖所示,放電時該器件的透光率逐漸增強。
　下列說法錯誤的是 (　　)
A.放電時,Li+移向a極
B.充電時,b極接外電源的負極
C.充電時,a極的電極反應式:LiFePO4-e-FePO4+Li+
D.以該器件為電源精煉銅,當a、b兩極質量變化差為14 g時,理論上可生成64 g精銅
解析:選D。電池放電時器件的透光率逐漸增強,說明a電極由FePO4轉化為透明的LiFePO4,陽離子向正極移動,即Li+移向a極,A項正確;充電時b接外電源的負極,B項正確;充電時,a極物質由LiFePO4轉化為FePO4,電極方程式為LiFePO4-e-FePO4+Li+,C項正確;以該電源精煉銅,當生成64 g精銅時,反應中轉移了2 mol電子,則原電池a極質量增加2 mol鋰,即增加14 g,b極質量減少2 mol鋰,即減少14 g,a、b兩極質量變化差為28 g,D項錯誤。
考點2　電解原理及應用
角度1 電解原理
1.(2022·廣東選擇考)以熔融鹽為電解液,以含Cu、Mg和Si等的鋁合金廢料為陽極進行電解,實現Al的再生。該過程中 (　　)
A.陰極發生的反應為Mg-2e-Mg2+
B.陰極上Al被氧化
C.在電解槽底部產生含Cu的陽極泥
D.陽極和陰極的質量變化相等
解析:選C。以熔融鹽為電解液,以含Cu、Mg和Si等的鋁合金廢料為陽極進行電解,電極反應式為Al-3e-Al3+,Mg-2e-Mg2+,Cu活潑性比Al差,不能失電子,在電解槽底部產生含Cu的陽極泥,Al作陰極,電極反應式為Al3++3e-Al,故A錯誤;陰極鋁離子得電子被還原生成Al,故B錯誤;Cu活潑性比Al差,不能失電子,在電解槽底部產生含Cu的陽極泥,故C正確;陽極Al、Mg等放電,同時產生含Cu的陽極泥,陰極鋁離子得電子生成Al,兩極質量變化不相等,故D錯誤。
2.(2021·海南等級考)液氨中存在平衡:2NH3N+N。如圖所示為電解池裝置,以KNH2的液氨溶液為電解液,電解過程中a、b兩個惰性電極上都有氣泡產生。下列有關說法正確的是 (　　)
A.b電極連接的是電源的負極
B.a電極的反應為2NH3+2e-H2↑+2N
C.電解過程中,陰極附近K+濃度減小
D.理論上兩極產生的氣體物質的量之比為1∶1
解析:選B。根據圖示可知:在b電極上產生N2,N元素化合價升高,失去電子,發生氧化反應,所以b電極為陽極,連接電源的正極,A錯誤;電極a上產生H2,H元素化合價降低得到電子,發生還原反應,所以a電極為陰極,電極反應式為2NH3+2e-H2↑+2N,B正確;電解過程中,陰極附近產生N,使附近溶液中陰離子濃度增大,為維持溶液電中性,陽離子K+會向陰極區定向移動,最終導致陰極附近K+濃度增大,C錯誤;每反應產生1 mol H2,轉移2 mol電子,每反應產生1 mol N2,轉移6 mol電子,故陰極產生H2與陽極產生的N2的物質的量的比是3∶1,D錯誤。
(1)b極產物為N2,N元素化合價升高,發生氧化反應,b是陽極,b電極連接電源的正極,N在b極放電,電極反應為6N-6e-===N2↑+4NH3。
(2)a為陰極,發生還原反應,NH3在陰極放電,電極反應為2NH3+2e-===H2↑+2N。
(3)電解過程中陽離子向陰極區移動。
角度2　電解原理的應用
3.(2021·全國甲卷)乙醛酸是一種重要的化工中間體,可采用如圖所示的電化學裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-,并在直流電場作用下分別向兩極遷移,下列說法正確的是 (　　)
A.KBr在上述電化學合成過程中只起電解質的作用
B.陽極上的反應式為:+2H++2e-+H2O
C.制得2 mol乙醛酸,理論上外電路中遷移了1 mol電子
D.雙極膜中間層中的H+在外電場作用下向鉛電極方向遷移
解析:選D。A.根據圖示,石墨電極發生反應:2Br--2e-Br2、OHC—CHO+Br2+H2OHOOC—CHO+2HBr,總反應為OHC—CHO-2e-+H2OHOOC—CHO+2H+,因此KBr不只是起到電解質的作用,還參與了電極反應,故A錯誤;B.石墨電極為陽極,陽極上發生氧化反應,電極反應為OHC—CHO-2e-+H2OHOOC—CHO+2H+,故B錯誤;C.根據陽極反應:OHC—CHO-2e-+H2OHOOC—CHO+2H+、陰極反應:HOOC—COOH+2e-+2H+HOOC—CHO+H2O,可得總反應OHC—CHO+HOOC—COOH2HOOC—CHO(轉移電子數為2e-),故制得2 mol乙醛酸,理論上外電路中遷移了2 mol電子,故C錯誤;D.根據陰極(鉛電極)反應,雙極膜中間層的H+在外電場作用下向陰極(鉛電極)遷移,故D正確。
結合上題信息及電池裝置圖,分析下列說法錯誤的是 (　　)
A.石墨電極與電源正極相連
B.OH-向鉛電極移動
C.該電解裝置的總反應為OHC—CHO+
　HOOC—COOH2HOOC—CHO
D.若用鉛酸蓄電池提供電源,當制得2 mol乙醛酸時鉛酸蓄電池的正極將產生 2 mol水
解析:選B。由題意和圖示可知,在石墨電極發生氧化反應,石墨電極為陽極且與電源的正極相連,A正確;陰極反應為HOOC—COOH+2e-+2H+HOOC—CHO+H2O,雙極膜中間層的H+在外電場作用下向陰極(鉛電極)遷移,結合題意OH-向石墨電極移動, B錯誤;由圖示可得該電化學裝置的總反應為OHC—CHO+HOOC—COOH2HOOC—CHO, C正確;由總反應可知制備2 mol乙醛酸時需轉移2 mol電子,則結合鉛酸蓄電池正極反應 PbO2+4H++S+2e- PbSO4+2H2O,轉移2 mol電子時將產生 2 mol水,D正確。
4.(2021·廣東選擇考)鈷(Co)的合金材料廣泛應用于航空航天、機械制造等領域。如圖為水溶液中電解制備金屬鈷的裝置示意圖。下列說法正確的是 (　　)
A.工作時,Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大
B.生成1 mol Co,Ⅰ室溶液質量理論上減少16 g
C.移除兩交換膜后,石墨電極上發生的反應不變
D.電解總反應:2Co2++2H2O2Co+O2↑+4H+
解析:選D。由圖可知,該裝置為電解池,石墨電極為陽極,水在陽極失去電子發生氧化反應生成氧氣和氫離子,電極反應式為2H2O-4e-O2↑+4H+,Ⅰ室中陽離子電荷數大于陰離子電荷數,放電生成的氫離子通過陽離子交換膜由Ⅰ室向Ⅱ室移動,鈷電極為陰極,鈷離子在陰極得到電子發生還原反應生成鈷,電極反應式為Co2++2e-Co,Ⅲ室中陰離子電荷數大于陽離子電荷數,氯離子通過陰離子交換膜由Ⅲ室向Ⅱ室移動,電解的總反應的離子方程式為2Co2++2H2O2Co +O2↑+4H+。由分析可知,放電生成的氫離子通過陽離子交換膜由Ⅰ室向Ⅱ室移動,使Ⅱ室中氫離子濃度增大,溶液pH減小,故A錯誤;由分析可知,陰極生成1 mol鈷,陽極有1 mol水放電,則Ⅰ室溶液質量減少18 g,故B錯誤;移除離子交換膜,氯離子的放電能力強于水,氯離子會在陽極失去電子發生氧化反應生成氯氣,則移除離子交換膜,石墨電極的電極反應會發生變化,故C錯誤;由分析可知,電解的總反應的離子方程式為2Co2++2H2O2Co+O2↑+4H+,故D正確。
5.(2021·山東等級考17(4))利用膜電解技術(裝置如圖所示),以Na2CrO4為主要原料制備Na2Cr2O7的總反應方程式為4Na2CrO4+4H2O2Na2Cr2O7+4NaOH+2H2↑+O2↑。則Na2Cr2O7在　　　　(填“陰”或“陽”)極室制得,電解時通過膜的離子主要為　　　　　　　　。
解析:由4Na2CrO4+4H2O2Na2Cr2O7+4NaOH+2H2↑+O2↑可知,電解過程中實質是電解水,陽極上OH-失去電子生成H2O和O2,陰極上H+得到電子生成H2,由+H2OCr2+2OH-可知,Cr2在c(OH-)減小的電極室中制得,即Na2Cr2O7在陽極室產生;電解過程中,陽極室中c(OH-)減小,Cr水解平衡正向移動,c(Cr)減小,c(Cr2)增大,故Na+通過離子交換膜移向陰極。
答案:陽　Na+
1.電解池基礎模型
2.電極反應式及總反應方程式的書寫步驟[以惰性電極電解Cu(NO3)2溶液為例]
3.有關電解的一般四大規律
(1)電解后溶液復原的“一個原則”
遵循“少什么加什么、少多少加多少”原則。
(2)電解精煉過程中的“兩不等”
①濃度不等:電解質溶液濃度電解前后不等;
②質量不等:陰極增重與陽極減重不等。
(3)電鍍過程中的“三個一”
①一多:陰極上有鍍層金屬沉積;
②一少:陽極上有鍍層金屬溶解;
③一不變:電鍍液的濃度不變。
(4)電解后電極附近溶液變化的“三種情況”
①堿性:產物只有H2無O2,陰極生成堿;
②酸性:產物只有O2無H2,陽極生成酸;
③濃度變大:產物n(O2)∶n(H2)=1∶2,溶液濃度可能變大。
角度1電解原理
1.一種新型電解水制氫氣技術采用全固態電池結構體系。在電解水時,水蒸氣(混有少量H2)從電解池的氫電極通入,其裝置原理如圖所示。下列說法正確的是 (　　)
A.氫電極、氧電極分別連接電源正極、負極
B.氫電極發生的反應:2H2O+2e-H2↑+2OH-
C.多孔電極的結構有利于氣體的擴散和傳輸
D.當電解2 mol H2O時,則電解質中1 mol O2-由氫電極向氧電極遷移
解析:選C。電解水時產生氫氣發生在氫電極,應是得電子的反應,為電解池陰極,與電源的負極連接,相反氧電極與電源的正極連接,A錯誤;固體電解質傳導O2-,因此氫電極的電極反應為H2O+2e-H2↑+O2-,B錯誤;兩側多孔氫電極和氧電極有利于氣體的擴散和傳輸,C正確;當電解2 mol H2O時,轉移4 mol e-,則電解質中2 mol O2-由氫電極向氧電極遷移,D錯誤。
2.(2022·泰安一模)氨氣是一種優良的小分子儲氫載體。利用太陽能電池電解NH3得到高純H2的裝置如圖所示。下列說法正確的是 (　　)
A.該裝置工作時,只發生兩種形式能量的轉化
B.電解過程中OH-由b極區向a極區遷移
C.電解時b極區溶液中n(KOH)減少
D.電解過程中1 mol NH3參與反應,得到3×6.02×1023個電子
解析:選B。該裝置工作時,實現了光能轉化為電能,電能轉化為化學能,化學能轉化為熱能等,故A錯誤;電解池中,左側消耗NH3生成N2,發生氧化反應是陽極,消耗了OH-,右側水中H+得電子生成H2,發生還原反應,是陰極,電極反應中生成OH-,故OH-從右向左移動,由b極區向a極區遷移,故B正確;b是陰極,電極反應中生成OH-,電解時b極區溶液中n(KOH)不變,故C錯誤;陽極是NH3失電子發生氧化反應生成N2,則電極反應式為6OH-+2NH3-6e-N2+6H2O,電解過程中1 mol NH3參與反應,失去3×6.02×1023個電子,故D錯誤。
角度2　電解原理的應用
3.(2022·棗莊一模)我國科學家設計如圖裝置實現了分步電解制氫、制氧,下列說法正確的是 (　　)
A.c接電源正極,b接電源負極
B.閉合K2,Y極發生氧化反應,H+向Y電極移動
C.閉合K1,Y極電極反應式為PTO+4e-+4H+PTOH4
D.該電池實現了PTO、PTOH4的循環利用,且硫酸的濃度保持不變
解析:選C。當閉合K1,Y極為陰極,c接電源負極,則當閉合K2,Y極作陽極, b接電源正極,A項錯誤;閉合K2,Y極作陽極,電極反應式為PTOH4-4e-PTO+4H+,Y極發生氧化反應,電解池中陽離子移向陰極,即H+向RuO2/IrO2-Ti電極移動,B項錯誤;當閉合K1,Y極為陰極,電極反應式為PTO+4H++4e-PTOH4,C項正確;該電池實現了PTO、PTOH4的循環利用,同時電解了H2O,即水少了,則硫酸的濃度增大,D項錯誤。
4.次磷酸(H3PO2)是一種在精細磷化工中發揮重要作用的產品,它可作為還原劑用于化學電鍍,也可用于阻止磷酸樹脂的變色,還可用作酯化的催化劑等。一種以次磷酸鈉為原料通過電滲析法制備次磷酸的裝置如圖所示,下列說法錯誤的是 (　　)
A.M極與電源的正極相連
B.離子交換膜2為陰離子交換膜
C.當M、N兩極共產生氣體224 mL(標準狀況下)時,產品室增重0.66 g
D.離子交換膜1可有效防止次磷酸的氧化
解析:選C。電解過程中左側生成的H+透過陽膜進入產品室,原料室中H2P透過陰膜進入產品室,所以M極與電源的正極相連,故A正確;原料室中H2P透過陰膜進入產品室,離子交換膜2為陰離子交換膜,故B正確;氣體1為陽極產物,反應式為2H2O-4e-O2↑+4H+,氣體2為陰極產物,反應式為2H2O+2e-H2↑+2OH-,相同時間內,兩極產生的氣體1與氣體2的體積比為1∶2,共產生224 mL(標準狀況下)氣體,產品室增重××4×66 g=0.88 g,故C錯誤;陽極反應式為2H2O-4e-O2↑+4H+ ,生成的氧氣被離子交換膜1隔開,防止次磷酸的氧化,故D正確。
加固訓練
　　1.(2022·廣州二模)四甲基氫氧化銨[(CH3)4NOH]常用作光刻顯影劑。以四甲基碳酸氫銨[(CH3)4NHCO3]水溶液為原料,電解制備(CH3)4NOH的裝置如圖所示。下列說法不正確的是 (　　)
A.工作時原料室(CH3)4N+向Ⅱ室遷移
B.Ⅰ室可得到H2和CO2
C.當外電路中有1 mol電子通過時,理論上能生成1 mol (CH3)4NOH
D.電解總反應:4(CH3)4NHCO3+2H2O4(CH3)4NOH+2H2↑+O2↑+4CO2↑
解析:選B。Ⅱ室中負電荷增多,(CH3)4N+向Ⅱ室遷移,與氫氧根離子結合生成(CH3)4NOH, A項正確;左側惰性電極為陽極,電極反應式為2H2O-4e-O2↑+4H+,原料室中碳酸氫根離子向Ⅰ室中遷移,氫離子與碳酸氫根離子反應生成二氧化碳,Ⅰ室中得到氧氣和二氧化碳,B項錯誤;由陰極反應可知,轉移1 mol電子,生成1 mol氫氧根離子,1 mol (CH3)4N+向Ⅱ室遷移,與氫氧根離子結合生成1 mol(CH3)4NOH,C項正確;由兩極反應可知,電解時的總反應為4(CH3)4NHCO3+2H2O4(CH3)4NOH+2H2↑+O2↑+4CO2↑,D項正確。
2.(2022·濟寧二模) 1,5-戊二胺()是生產新型聚酰胺產品的重要原料。利用雙極膜(BPM,在直流電場的作用下,雙極膜復合層間的H2O解離成H+和OH-,可透過相應的離子交換膜)電滲析產堿技術可將生物發酵液中的1,5-戊二胺硫酸鹽(含和S)轉換為1,5-戊二胺,實現無害化提取,工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是 (　　)
A.m為陽離子交換膜、n為陰離子交換膜
B.電解過程中,圖中兩處Na2SO4溶液的溶質種類和物質的量均不變
C.a極區產生22.4 L(標準狀況)氣體,理論上產生2 mol 1,5-戊二胺
D.該技術實現了酸性和堿性物質的同時生產
解析:選A。由題意可知生物發酵液中的　應透過n膜進入產品室中與氫氧根離子反應生成 ,因此n膜為陽離子交換膜,生物發酵液中的S透過m膜進入左側與BPM雙極膜生成的氫離子結合生成硫酸,因此m膜應為陰離子交換膜,A項錯誤;圖中兩處Na2SO4溶液中的陰陽離子均不能透過雙極膜,右側雙極膜中生成的氫離子進入右側,在b電極上得電子生成氫氣,左側雙極膜生成的氫氧根離子進入左側,在a極上失電子生成氧氣和水,因此溶質種類和物質的量均不變,B項正確;a極上發生反應:4OH--4e-O2↑+2H2O,產生22.4 L(標準狀況)氣體時轉移的電子為4 mol,同時進入產品室中的氫氧根離子為4 mol,+2OH-+2H2O,消耗4 mol OH-產生的1,5-戊二胺為2 mol,C項正確;該技術同時得到了硫酸和1,5-戊二胺實現了酸性和堿性物質的同時生產,D項正確。
考點3　金屬的腐蝕與防護
1.(2022·廣東選擇考)為檢驗犧牲陽極的陰極保護法對鋼鐵防腐的效果,將鍍層有破損的鍍鋅鐵片放入酸化的3%NaCl溶液中。一段時間后,取溶液分別實驗,能說明鐵片沒有被腐蝕的是 (　　)
A.加入AgNO3溶液產生沉淀
B.加入淀粉碘化鉀溶液無藍色出現
C.加入KSCN溶液無紅色出現
D.加入K3[Fe(CN)6]溶液無藍色沉淀生成
解析:選D。鍍鋅鐵片被腐蝕后一定會有亞鐵離子生成,檢驗鐵片是否腐蝕只需檢驗亞鐵離子。將鍍層有破損的鍍鋅鐵片放入酸化的3%NaCl溶液中,加入硝酸銀溶液一定會生成沉淀,不能說明鐵片沒有被腐蝕,故A錯誤;加入淀粉碘化鉀溶液無藍色出現,說明溶液中沒有氧化性強于碘離子的物質如鐵離子,有可能含有亞鐵離子,不能說明鐵片沒有被腐蝕,故B錯誤;加入KSCN溶液無紅色出現,只能證明溶液中沒有鐵離子,有可能含有亞鐵離子,不能說明鐵片沒有被腐蝕,故C錯誤;加入K3[Fe(CN)6]溶液無藍色沉淀生成,說明溶液中不含有亞鐵離子,說明鐵片沒有被腐蝕,故D正確。
2.(真題組合)下列說法錯誤的是 (　　)
A.(2021·遼寧等級考1A改編)生鐵比純鐵易生銹
B.(2021·湖南選擇考2D)鍍鋅鐵皮的鍍層破損后,鐵皮會加速腐蝕
C.(2021·廣東選擇考4D)公園的鋼鐵護欄涂刷多彩防銹漆是因為鋼鐵與潮濕空氣隔絕可防止腐蝕
D.(2021·浙江6月選考10D)將生鐵進一步煉制減少含碳量,能得到耐腐蝕的鋼
解析:選B。由于生鐵發生電化學腐蝕,而純鐵只能發生化學腐蝕,故生鐵比純鐵易生銹,A正確;鍍鋅的鐵皮鍍層破損后構成原電池,鋅作負極,鐵作正極被保護,鐵皮不易被腐蝕,B錯誤;鋼鐵在潮濕的空氣中易發生吸氧腐蝕,在護欄上涂漆可以隔絕鋼鐵與潮濕空氣,防止鋼鐵腐蝕,C正確;生鐵含碳量高,無論是鐵的吸氧腐蝕還是析氫腐蝕,都會形成原電池結構而加快腐蝕的速率,鋼的含碳量比生鐵低,耐腐蝕性強,因此將生鐵進一步煉制可以減少含碳量,能得到耐腐蝕的鋼,D正確。
1.判斷金屬腐蝕快慢的方法
2.依據“介質”判斷電化學腐蝕類型的方法
1.在金屬Pt、Cu和銥(Ir)的催化作用下,密閉容器中的H2可高效轉化酸性溶液中的硝態氮(N)以達到消除污染的目的。其工作原理的示意圖如圖。下列說法不正確的是 (　　)
A.Ir的表面發生反應:H2+N2ON2+H2O
B.導電基體上的負極反應:H2-2e-2H+
C.若導電基體上只有單原子銅,也能消除含氮污染物
D.若導電基體上的Pt顆粒增多,有利于增大溶液中的含氮量
解析:選C。由原理的示意圖可知,Ir的表面氫氣和N2O發生反應生成N2和H2O,化學方程式為H2+N2ON2+H2O,A項正確;根據圖示可知導電基體上,氫氣為負極發生氧化反應,電極反應式為H2-2e-2H+,B項正確; 若導電基體上只有單原子銅,不能形成原電池,硝酸根離子被還原為一氧化氮,所以不能消除含氮污染物,C項錯誤;若導電基體上的Pt顆粒增多,則N會更多轉化成銨根離子,增大了溶液中的含氮量,D項正確。
2.
利用物質由高濃度向低濃度自發擴散的能量可制成濃差電池。在海水中的不銹鋼制品,縫隙處氧濃度比海水低,易形成濃差電池而發生縫隙腐蝕。縫隙處腐蝕機理如圖所示。下列說法不正確的是 (　　)
A.金屬縫隙內表面為負極,外表面為正極
B.縫隙內溶液pH增大,加快了縫隙內腐蝕速率
C.為了維持電中性,海水中大量Cl-進入縫隙
D.正極的電極反應為O2+2H2O+4e-4OH-
解析:選B。根據氧氣得電子發生還原反應生成氫氧根離子,所以金屬縫隙外表面為正極,金屬縫隙內表面為負極,A項正確;金屬縫隙外表面為正極,生成氫氧根離子,縫隙外溶液pH增大,加快了縫隙內腐蝕速率,B項錯誤;陰離子由正極向負極移動,所以大量Cl-進入縫隙維持電中性,C項正確;正極為氧氣得電子發生還原反應生成氫氧根離子,電極反應為O2+2H2O+4e-4OH-,D項正確。
加固訓練
(2022·湛江一模)在船體的鋼鐵外殼上鑲嵌鋅塊可以有效避免船體遭受腐蝕。下列說法不正確的是 (　　)
A.鋅塊作原電池的負極
B.鋼鐵在海水中易發生吸氧腐蝕
C.電子由船體鋼鐵外殼向鋅塊移動
D.在海水中陽離子向船體鋼鐵外殼移動
解析:選C。犧牲陽極法安裝活潑金屬作原電池負極,被保護的鋼鐵作正極,A項正確;海水接近中性,易發生吸氧腐蝕,B項正確;原電池中電子從負極經外電路流向正極,鋅塊為負極,鋼鐵為正極,C項錯誤;原電池電解質中陽離子向正極移動,船體鋼鐵為正極,D項正確。
考點4　“膜”化學
角度1 “單”膜電池
1.(2022·山東等級考改編)設計如圖裝置回收金屬鈷。保持細菌所在環境pH穩定,借助其降解乙酸鹽生成CO2,將廢舊鋰離子電池的正極材料LiCoO2(s)轉化為Co2+,工作時保持厭氧環境,并定時將乙室溶液轉移至甲室。已知電極材料均為石墨材質,右側裝置為原電池。下列說法不正確的是(　　)
A.裝置工作時,甲室溶液pH逐漸減小
B.裝置工作一段時間后,乙室應補充鹽酸
C.乙室電極反應式為LiCoO2+2H2O+e-Li++Co2++4OH-
D.若甲室Co2+減少200 mg,乙室Co2+增加300 mg,則此時已進行過溶液轉移
解析:選C。右側裝置為原電池,則左側裝置為電解池,右側乙室發生轉化:LiCoO2(s)→Co2+,發生還原反應,故乙室為正極室,乙室電極反應式為LiCoO2+4H++e-Li++Co2++2H2O,則左側細菌電極室為負極室,可知左池甲室為陰極室、細菌電極室為陽極室,陰極室電極反應式為Co2++2e-Co,陽極室電極反應式為CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,氫離子、金屬陽離子通過陽膜移向甲室,根據電子轉移守恒可知,甲室Co2+減少a g,則乙室Co2+增加2a g。甲室電極反應式為Co2++2e-Co,陽極室電極反應式為CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,氫離子、金屬陽離子通過陽膜移向甲室,甲室溶液pH逐漸減小,故A正確;乙室中負極反應式為CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,總反應為8LiCoO2+25H++CH3COO-8Li++8Co2++14H2O+2CO2↑,裝置工作一段時間后,乙室應補充鹽酸,故B正確;電解質溶液為酸性,不可能生成氫氧根離子,乙室電極反應式為LiCoO2+4H++e-Li++Co2++2H2O,故C錯誤;甲室電極反應式為Co2++2e-Co,乙室電極反應式為2LiCoO2+8H++2e-2Li++2Co2++4H2O,根據電子轉移守恒,可知沒有進行溶液轉移時,乙室Co2+增加質量是甲室Co2+減少質量的2倍,而實際二者倍數為 =1.5<2,故此時已進行過溶液轉移,故D正確。
角度2 “多”膜電池
2.(2021·湖南選擇考)鋅/溴液流電池是一種先進的水溶液電解質電池,廣泛應用于再生能源儲能和智能電網的備用電源等。三單體串聯鋅/溴液流電池工作原理如圖所示:
下列說法錯誤的是 (　　)
A.放電時,N極為正極
B.放電時,左側貯液器中ZnBr2的濃度不斷減小
C.充電時,M極的電極反應式為Zn2++2e-Zn
D.隔膜允許陽離子通過,也允許陰離子通過
解析:選B。由圖可知,放電時,N電極為電池的正極,溴在正極上得到電子發生還原反應生成溴離子,電極反應式為Br2+2e-2Br-,M電極為負極,鋅失去電子發生氧化反應生成鋅離子,電極反應式為Zn-2e-Zn2+,正極放電生成的溴離子通過隔膜進入左側,同時鋅離子通過隔膜進入右側,維持兩側溴化鋅溶液的濃度保持不變;充電時,M電極與直流電源的負極相連,作電解池的陰極,N電極與直流電源的正極相連,作陽極。由分析可知,放電時,N電極為電池的正極,故A正確;由分析可知,放電或充電時,左側貯液器和右側貯液器中溴化鋅的濃度維持不變,故B錯誤;由分析可知,充電時,M電極與直流電源的負極相連,作電解池的陰極,鋅離子在陰極上得到電子發生還原反應生成鋅,電極反應式為Zn2++2e-Zn,故C正確;由分析可知,放電或充電時,隔膜允許鋅離子和溴離子通過,維持兩側溴化鋅溶液的濃度保持不變,故D正確。
解含離子交換膜電化學裝置題的步驟
角度1 “單”膜電池
1.(2022·石家莊一模)我國科學家研究出一種新型水系Zn-C2H2電池(結構如圖),既能實現乙炔加氫又能發電,其開路電位、峰值功率密度和能量密度均遠高于Zn-CO2電池,同時這種電池設計可廣泛適用于其他炔烴。已知放電時Zn轉化為ZnO,電池工作時下列說法正確的是 (　　)
A.電流由b極經外電路流向a電極
B.右側極室中c(KOH)增大
C.a極的電極反應式為C2H2+2e-+2H2OC2H4+2OH-
D.每有0.2 mol OH-通過陰離子交換膜,a極消耗2.24 L C2H2
解析:選C。b極材料為Zn,b為電池負極,a為電池正極,電流由正極a極經外電路流向負極b電極,A項錯誤; b電極反應式為Zn-2e-+2OH-ZnO+H2O,故右側極室中c(KOH)減小,選項B項錯誤; 根據上述分析可知,a極的電極反應式為C2H2+2e-+2H2OC2H4+2OH-,C項正確; 根據反應C2H2+2e-+2H2OC2H4+2OH-可知,每有0.2 mol OH-通過陰離子交換膜,a極消耗0.1 mol C2H2,但沒說明標準狀況下,不一定為2.24 L,D項錯誤。
2.微生物燃料電池技術是一種集污水凈化和能源轉化于一體的新型污水處理與能源回收技術,體現了環保理念,其基本原理如圖所示,下列說法正確的是 (　　)
A.a電極電勢高于b電極電勢
B.電池工作時,b極區N發生的反應為2N+10e-+12H+N2↑+6H2O
C.電池工作時,電流由a極沿導線流向b極
D.電池工作時,a極區發生還原反應
解析:選B。該裝置為原電池,a極上有機物發生失電子的氧化反應生成CO2,a電極為負極,b極為正極,則b電極電勢高于a電極電勢,電流由b極沿導線流向a極,A、C項錯誤;正極上O2得電子生成水、N得電子生成N2,b極區發生的反應為2N+10e-+12H+N2↑+6H2O、O2+4H++4e-2H2O,B項正確; 由圖可知,電池工作時a極上有機物發生失電子的氧化反應生成CO2,D項錯誤。
角度2 “多”膜電池
3.一種電解法制備Ca(H2PO4)2并得到NaOH等副產物的示意裝置如圖,下列說法錯誤的是 (　　)
A.與a、b相連的分別是電源的正極、負極
B.NaOH溶液中石墨電極上的反應為2H2O+2e-H2↑+2OH-
C.A膜、C膜均為陽離子交換膜,B膜為陰離子交換膜
D.產品室中的Ca2+和原料室中的Na+物質的量濃度同等程度增大
解析:選D。由圖可知,產品Ca(H2PO4)2在產品室生成,左側石墨電極作陽極,氯離子放電,電極反應式為2Cl--2e-Cl2↑,陽極室的Ca2+透過A膜進入產品室,A膜為陽離子交換膜,H2P透過B膜進入產品室與Ca2+結合生成Ca(H2PO4)2,B膜為陰離子交換膜,右側石墨電極為陰極,水放電,電極反應式為2H2O+2e-H2↑+2OH-,Na +透過C膜進入陰極室,C膜為陽離子交換膜。經以上分析可知左側電極為陽極,應連接電源正極,即與a、b相連的分別是電源的正極、負極, A正確;右側石墨電極為陰極,水放電,電極反應式為2H2O+2e-H2↑+2OH-,故B正確; A膜、C膜均為陽離子交換膜,B膜為陰離子交換膜,故C正確;陽極室的Ca2+透過A膜進入產品室,產品室中的Ca2+濃度增大,Na+透過C膜進入陰極室,原料室中的Na+濃度減小,D錯誤。
4.一種Zn-PbO2電池工作原理如裝置圖所示。下列說法正確的是 (　　)
A.電池工作時電能轉化為化學能
B.放電過程中電極a區溶液的pH增大
C.電池工作一段時間后K2SO4濃度增大
D.b極區的電極反應式為PbO2+4H++4e-Pb2++2H2O
解析:選C。電池工作時化學能轉化為電能,A項錯誤;放電過程中電極a的電極反應式為Zn-2e-+4OH-Zn(OH,消耗OH-,pH變小,B項錯誤;陽離子(K+)向正極移動,陰離子(S)向負極移動,因為存在陰、陽離子交換膜,致使K+、S留在兩個交換膜之間,電池工作一段時間后K2SO4濃度增大,C項正確;b極區的電極反應式為PbO2+4H++2e-+SPbSO4+2H2O,D項錯誤。
5.(2022·淄博三模)濃差電池是利用物質的濃度差產生電勢的一種裝置。將兩個完全相同的電極浸入兩個溶質相同但濃度不同的電解質溶液中構成的濃差電池,稱為雙液濃差電池。模擬工業上電滲析法實現海水(用氯化鈉溶液代替)淡化的裝置如圖所示。下列說法錯誤的是 (　　)
A.S向Cu(1)極區域遷移
B.C(2)極發生還原反應
C.膜1為陽離子交換膜
D.C(2)極反應為2H2O+2e-2OH-+H2↑
解析:選C。Cu(1)極為負極,Cu(2)極為正極,原電池中陰離子流向負極,則S向Cu(1)極區域遷移,A項正確;Cu(1)極為負極,則C(2)極為陰極,電解池中陰極發生還原反應,B項正確; Cu(2)極為正極,則C(1)極為陽極,電極反應為2Cl--2e-Cl2↑,故NaCl中的Cl-通過膜1進入陽極室,故膜1為陰離子交換膜,C項錯誤;由B項分析可知,C(2)極為陰極,發生還原反應,電極反應為2H2O+2e-2OH-+H2↑,D正確。
加固訓練
(2022·徐州二模)一種鋅釩超級電池的工作原理如圖所示,電解質為(CH3COO)2Zn溶液,電池總反應為Zn+NaV2(PO4)3ZnNaV2(PO4)3。下列說法正確的是 (　　)
A.放電時,b電極為電池的負極
B.放電后,負極區c(Zn2+)增大
C.充電時,Zn2+向a電極移動
D.充電時,b電極發生的電極反應為ZnNaV2(PO4)3+2e-Zn2++NaV2(PO4)3
解析:選C。放電時,Zn失去電子變為Zn2+,a電極為電池的負極,A項錯誤;放電后,負極區c(Zn2+)穿過陽離子交換膜進入正極區,故c(Zn2+)不會增大,B項錯誤;充電時,Zn極為陰極,Zn2+得電子析出,電解池中陽離子移向陰極,Zn2+向a電極移動,C項正確;充電時,b電極為陽極,發生的電極反應為ZnNaV2(PO4)3-2e-Zn2++NaV2(PO4)3,故D項錯誤。　　專題7　電化學　
課標要求 命題角度
1.能分析、解釋原電池和電解池的工作原理,能設計簡單的原電池和電解池。 2.能列舉常見的化學電源,并能利用相關信息分析化學電源的工作原理。能利用電化學原理解釋金屬腐蝕現象,選擇并設計防腐措施。 3.能舉例說明化學在解決能源危機中的重要作用,能分析能源的利用對自然環境和社會發展的影響。能綜合考慮化學變化中的物質變化和能量變化來分析、解決實際問題,如煤炭的綜合利用、新型電池的開發等。 1.電極的判斷; 2.電極或總反應方程式的書寫; 3.電子或離子移動方向; 4.電解質溶液及電極的現象或變化及相關計算; 5.交換膜的有關判斷及原因分析; 6.金屬腐蝕的現象及防腐措施。
考點1　原電池　化學電源
角度1新型化學電源
1.(2022·湖南選擇考)海水電池在海洋能源領域備受關注,一種鋰-海水電池構造示意圖如圖。下列說法錯誤的是 (　　)
A.海水起電解質溶液作用
B.N極僅發生的電極反應:2H2O+2e-2OH-+H2↑
C.玻璃陶瓷具有傳導離子和防水的功能
D.該鋰-海水電池屬于一次電池
2.(2021·廣東選擇考)火星大氣中含有大量CO2,一種有CO2參加反應的新型全固態電池有望為火星探測器供電。該電池以金屬鈉為負極,碳納米管為正極,放電時 (　　)
A.負極上發生還原反應
B. CO2在正極上得電子
C.陽離子由正極移向負極
D. 將電能轉化為化學能
結合上題有關信息,分析下列說法錯誤的是 (　　)
A.由碳納米管形成的氣體通道會促進CO2的擴散
B.放電時,電子會通過固態電解質移向負極
C.該電池在能源存儲和“碳中和”應用方面有“一石二鳥”的效果
D.用此電池電解飽和NaCl溶液,當消耗4.6 g鈉時,陰極產生氣體的體積為2.24 L(標準狀況下)
【自主總結】解答新型化學電源的步驟
角度2二次電池
3.(2022·廣東選擇考)科學家基于Cl2易溶于CCl4的性質,發展了一種無需離子交換膜的新型氯流電池,可作儲能設備。充電時電極a的反應為
NaTi2(PO4)3+2Na++2e-Na3Ti2(PO4)3
下列說法正確的是 (　　)
A.充電時電極b是陰極
B.放電時NaCl溶液的pH減小
C.放電時NaCl溶液的濃度增大
D.每生成1 mol Cl2,電極a質量理論上增加23 g
4.(2021·遼寧選擇考)如圖,某液態金屬儲能電池放電時產生金屬化合物Li3Bi。下列說法正確的是 (　　)
A.放電時,M電極反應為Ni-2e-Ni2+
B.放電時,Li+由M電極向N電極移動
C.充電時,M電極的質量減小
D.充電時,N電極反應為Li3Bi+3e-3Li++Bi
角度3燃料電池
5.(2021·山東等級考)以KOH溶液為離子導體,分別組成CH3OH-O2、N2H4-O2、(CH3)2NNH2-O2清潔燃料電池,下列說法正確的是 (　　)
A.放電過程中,K+均向負極移動
B.放電過程中,KOH物質的量均減小
C.消耗等質量燃料,(CH3)2NNH2-O2燃料電池的理論放電量最大
D.消耗1 mol O2時,理論上N2H4-O2燃料電池氣體產物的體積在標準狀況下為11.2 L
(1)原電池工作時,陽離子向
極移動。
(2)堿性溶液中,CH3OH-O2燃料電池的總反應為
,放電過程中,KOH物質的量
(填“增大”“減小”或“不變”);N2H4-O2燃料電池的總反應為
,放電過程中,KOH物質的量
(填“增大”“減小”或“不變”);(CH3)2NNH2-O2燃料電池的總反應為
,放電過程中,KOH物質的量
(填“增大”“減小”或“不變”)。即據電池總反應是否消耗KOH判斷放電過程中KOH物質的量如何變化。
(3)1 g燃料燃燒耗氧量越大,電池的理論放電量越大。
6.(2022·河北選擇考節選)氫能是極具發展潛力的清潔能源,以氫燃料為代表的燃料電池有良好的應用前景。
(1)氫氧燃料電池中氫氣在　　　　(填“正”或“負”)極發生反應。
(2)在允許O2-自由遷移的固體電解質燃料電池中,CnH2n+2放電的電極反應式為　　　　　　　　。
【自主總結】燃料電池常見的四種正極反應式
不同電解質環境中O2得電子產物不同。
(1)酸性溶液:O2+4H++4e-2H2O
(2)中性或堿性溶液:O2+2H2O+4e-4OH-
(3)熔融碳酸鹽:O2+2CO2+4e-2C
(4)熔融氧化物:O2+4e-2O2-
角度1　新型化學電源
1.(2022·長沙模擬)“太陽水”電池裝置如圖所示,該電池由三個電極組成,其中a為TiO2電極,b為Pt電極,c為WO3電極,電解質溶液為pH=3的Li2SO4-H2SO4溶液。鋰離子交換膜將電池分為A、B兩個區,A區與大氣相通,B區為封閉體系并有N2保護。下列關于該電池的說法正確的是(　　)
A.若用導線連接b、c,b電極附近pH增大,可實現太陽能向電能轉化
B.若用導線連接b、c,c電極為正極,可實現HxWO3轉化為WO3
C.若用導線連接a、c,則a為負極,該電極附近pH減小
D.若用導線連接a、c,則c電極的電極反應式為HxWO3-xe-WO3+xH+
2.(2022·包頭一模)一種釕(Ru)基配合物光敏染料敏化太陽能電池,其工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是 (　　)
A.電池工作時,將太陽能轉化為電能
B.X電極為電池的負極
C.Y電極發生的電極反應為+2e-3I-
D.當電池工作從開始到結束時,電解質溶液中I-和的濃度分別會發生很大變化
角度2　二次電池
3.(2022·臨沂二模)一種新型無隔膜可充電電池Zn/MnO2,水系電池以鋅箔、石墨氈為集流體,ZnSO4和MnSO4的混合液作電解質溶液,工作原理如圖所示。
下列說法正確的是 (　　)
A.過程Ⅰ為充電過程,A接電源的正極
B.為增強電池效率,可向電解液中加入硫酸以增強溶液的導電性
C.過程Ⅱ為放電過程,石墨氈極的電極反應式為Mn2+-2e-+2H2OMnO2+4H+
D.放電時,當外電路轉移2 mol e-時,兩電極質量變化的差值為22 g
4.(2022·菏澤一模)第一代鈉離子電池的工作原理為Na1-mMnO2+NamCnNaMnO2+Cn,其裝置如圖所示,負極為碳基材料(NamCn),利用鈉離子在正負極之間嵌脫過程實現充放電,下列說法正確的是 (　　)
A.放電時,電子由a極經過導線移向b極
B.充電時,若轉移1 mol e-,碳基材料電極將增重23m g
C.放電時a極反應式為Na1-mMnO2+mNa++me-NaMnO2
D.用該電池電解精煉銅,當電池中遷移1 mol Na+時,理論上可獲得64 g純銅
角度3　燃料電池
5.(2022·南京二模) 電廠尾氣經處理得到較純的SO2,可用于原電池法生產硫酸,其工作原理如圖所示。電池工作時,下列說法不正確的是 (　　)
A.電極b為正極
B.溶液中H+由a極區向b極區遷移
C.電極a的電極反應式:SO2-2e-+2H2O4H++S
D.a極消耗SO2與b極消耗O2兩者物質的量相等
6.(2022·惠州一模)可用于檢測CO的某氣敏傳感器的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是(　　)
A.工作過程中化學能轉化為電能
B.工作一段時間后溶液的pH幾乎不變
C.電極Ⅰ上發生反應:CO-2e-+H2OCO2+2H+
D.電極Ⅱ上發生反應:O2+2H2O+4e-4OH-
加固訓練
　　(2022·石家莊二模)電致變色材料在飛機的舷窗和智能太陽鏡等方面具有廣泛應用。一種新一代集電致變色功能和儲能功能于一體的電子器件的工作原理如圖所示,放電時該器件的透光率逐漸增強。
　下列說法錯誤的是 (　　)
A.放電時,Li+移向a極
B.充電時,b極接外電源的負極
C.充電時,a極的電極反應式:LiFePO4-e-FePO4+Li+
D.以該器件為電源精煉銅,當a、b兩極質量變化差為14 g時,理論上可生成64 g精銅
考點2　電解原理及應用
角度1 電解原理
1.(2022·廣東選擇考)以熔融鹽為電解液,以含Cu、Mg和Si等的鋁合金廢料為陽極進行電解,實現Al的再生。該過程中 (　　)
A.陰極發生的反應為Mg-2e-Mg2+
B.陰極上Al被氧化
C.在電解槽底部產生含Cu的陽極泥
D.陽極和陰極的質量變化相等
2.(2021·海南等級考)液氨中存在平衡:2NH3N+N。如圖所示為電解池裝置,以KNH2的液氨溶液為電解液,電解過程中a、b兩個惰性電極上都有氣泡產生。下列有關說法正確的是 (　　)
A.b電極連接的是電源的負極
B.a電極的反應為2NH3+2e-H2↑+2N
C.電解過程中,陰極附近K+濃度減小
D.理論上兩極產生的氣體物質的量之比為1∶1
(1)b極產物為N2,N元素化合價
,發生
,b是
,b電極連接電源的
,
在b極放電,電極反應為
。
(2)a為陰極,發生
,
在陰極放電,電極反應為
。
(3)電解過程中陽離子向
極區移動。
角度2　電解原理的應用
3.(2021·全國甲卷)乙醛酸是一種重要的化工中間體,可采用如圖所示的電化學裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-,并在直流電場作用下分別向兩極遷移,下列說法正確的是 (　　)
A.KBr在上述電化學合成過程中只起電解質的作用
B.陽極上的反應式為:+2H++2e-+H2O
C.制得2 mol乙醛酸,理論上外電路中遷移了1 mol電子
D.雙極膜中間層中的H+在外電場作用下向鉛電極方向遷移
結合上題信息及電池裝置圖,分析下列說法錯誤的是 (　　)
A.石墨電極與電源正極相連
B.OH-向鉛電極移動
C.該電解裝置的總反應為OHC—CHO+
　HOOC—COOH2HOOC—CHO
D.若用鉛酸蓄電池提供電源,當制得2 mol乙醛酸時鉛酸蓄電池的正極將產生 2 mol水
4.(2021·廣東選擇考)鈷(Co)的合金材料廣泛應用于航空航天、機械制造等領域。如圖為水溶液中電解制備金屬鈷的裝置示意圖。下列說法正確的是 (　　)
A.工作時,Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大
B.生成1 mol Co,Ⅰ室溶液質量理論上減少16 g
C.移除兩交換膜后,石墨電極上發生的反應不變
D.電解總反應:2Co2++2H2O2Co+O2↑+4H+
5.(2021·山東等級考17(4))利用膜電解技術(裝置如圖所示),以Na2CrO4為主要原料制備Na2Cr2O7的總反應方程式為4Na2CrO4+4H2O2Na2Cr2O7+4NaOH+2H2↑+O2↑。則Na2Cr2O7在　　　　(填“陰”或“陽”)極室制得,電解時通過膜的離子主要為　　　　　　　　。
(1)電解后溶液復原的“一個原則”
遵循“少什么加什么、少多少加多少”原則。
(2)電解精煉過程中的“兩不等”
①濃度不等:電解質溶液濃度電解前后不等;
②質量不等:陰極增重與陽極減重不等。
(3)電鍍過程中的“三個一”
①一多:陰極上有鍍層金屬沉積;
②一少:陽極上有鍍層金屬溶解;
③一不變:電鍍液的濃度不變。
(4)電解后電極附近溶液變化的“三種情況”
①堿性:產物只有H2無O2,陰極生成堿;
②酸性:產物只有O2無H2,陽極生成酸;
③濃度變大:產物n(O2)∶n(H2)=1∶2,溶液濃度可能變大。
角度1電解原理
1.一種新型電解水制氫氣技術采用全固態電池結構體系。在電解水時,水蒸氣(混有少量H2)從電解池的氫電極通入,其裝置原理如圖所示。下列說法正確的是 (　　)
A.氫電極、氧電極分別連接電源正極、負極
B.氫電極發生的反應:2H2O+2e-H2↑+2OH-
C.多孔電極的結構有利于氣體的擴散和傳輸
D.當電解2 mol H2O時,則電解質中1 mol O2-由氫電極向氧電極遷移
2.(2022·泰安一模)氨氣是一種優良的小分子儲氫載體。利用太陽能電池電解NH3得到高純H2的裝置如圖所示。下列說法正確的是 (　　)
A.該裝置工作時,只發生兩種形式能量的轉化
B.電解過程中OH-由b極區向a極區遷移
C.電解時b極區溶液中n(KOH)減少
D.電解過程中1 mol NH3參與反應,得到3×6.02×1023個電子
角度2　電解原理的應用
3.(2022·棗莊一模)我國科學家設計如圖裝置實現了分步電解制氫、制氧,下列說法正確的是 (　　)
A.c接電源正極,b接電源負極
B.閉合K2,Y極發生氧化反應,H+向Y電極移動
C.閉合K1,Y極電極反應式為PTO+4e-+4H+PTOH4
D.該電池實現了PTO、PTOH4的循環利用,且硫酸的濃度保持不變
4.次磷酸(H3PO2)是一種在精細磷化工中發揮重要作用的產品,它可作為還原劑用于化學電鍍,也可用于阻止磷酸樹脂的變色,還可用作酯化的催化劑等。一種以次磷酸鈉為原料通過電滲析法制備次磷酸的裝置如圖所示,下列說法錯誤的是 (　　)
A.M極與電源的正極相連
B.離子交換膜2為陰離子交換膜
C.當M、N兩極共產生氣體224 mL(標準狀況下)時,產品室增重0.66 g
D.離子交換膜1可有效防止次磷酸的氧化
加固訓練
　　1.(2022·廣州二模)四甲基氫氧化銨[(CH3)4NOH]常用作光刻顯影劑。以四甲基碳酸氫銨[(CH3)4NHCO3]水溶液為原料,電解制備(CH3)4NOH的裝置如圖所示。下列說法不正確的是 (　　)
A.工作時原料室(CH3)4N+向Ⅱ室遷移
B.Ⅰ室可得到H2和CO2
C.當外電路中有1 mol電子通過時,理論上能生成1 mol (CH3)4NOH
D.電解總反應:4(CH3)4NHCO3+2H2O4(CH3)4NOH+2H2↑+O2↑+4CO2↑
2.(2022·濟寧二模) 1,5-戊二胺()是生產新型聚酰胺產品的重要原料。利用雙極膜(BPM,在直流電場的作用下,雙極膜復合層間的H2O解離成H+和OH-,可透過相應的離子交換膜)電滲析產堿技術可將生物發酵液中的1,5-戊二胺硫酸鹽(含和S)轉換為1,5-戊二胺,實現無害化提取,工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是 (　　)
A.m為陽離子交換膜、n為陰離子交換膜
B.電解過程中,圖中兩處Na2SO4溶液的溶質種類和物質的量均不變
C.a極區產生22.4 L(標準狀況)氣體,理論上產生2 mol 1,5-戊二胺
D.該技術實現了酸性和堿性物質的同時生產
考點3　金屬的腐蝕與防護
1.(2022·廣東選擇考)為檢驗犧牲陽極的陰極保護法對鋼鐵防腐的效果,將鍍層有破損的鍍鋅鐵片放入酸化的3%NaCl溶液中。一段時間后,取溶液分別實驗,能說明鐵片沒有被腐蝕的是 (　　)
A.加入AgNO3溶液產生沉淀
B.加入淀粉碘化鉀溶液無藍色出現
C.加入KSCN溶液無紅色出現
D.加入K3[Fe(CN)6]溶液無藍色沉淀生成
2.(真題組合)下列說法錯誤的是 (　　)
A.(2021·遼寧等級考1A改編)生鐵比純鐵易生銹
B.(2021·湖南選擇考2D)鍍鋅鐵皮的鍍層破損后,鐵皮會加速腐蝕
C.(2021·廣東選擇考4D)公園的鋼鐵護欄涂刷多彩防銹漆是因為鋼鐵與潮濕空氣隔絕可防止腐蝕
D.(2021·浙江6月選考10D)將生鐵進一步煉制減少含碳量,能得到耐腐蝕的鋼
1.在金屬Pt、Cu和銥(Ir)的催化作用下,密閉容器中的H2可高效轉化酸性溶液中的硝態氮(N)以達到消除污染的目的。其工作原理的示意圖如圖。下列說法不正確的是 (　　)
A.Ir的表面發生反應:H2+N2ON2+H2O
B.導電基體上的負極反應:H2-2e-2H+
C.若導電基體上只有單原子銅,也能消除含氮污染物
D.若導電基體上的Pt顆粒增多,有利于增大溶液中的含氮量
2.
利用物質由高濃度向低濃度自發擴散的能量可制成濃差電池。在海水中的不銹鋼制品,縫隙處氧濃度比海水低,易形成濃差電池而發生縫隙腐蝕。縫隙處腐蝕機理如圖所示。下列說法不正確的是 (　　)
A.金屬縫隙內表面為負極,外表面為正極
B.縫隙內溶液pH增大,加快了縫隙內腐蝕速率
C.為了維持電中性,海水中大量Cl-進入縫隙
D.正極的電極反應為O2+2H2O+4e-4OH-
加固訓練
(2022·湛江一模)在船體的鋼鐵外殼上鑲嵌鋅塊可以有效避免船體遭受腐蝕。下列說法不正確的是 (　　)
A.鋅塊作原電池的負極
B.鋼鐵在海水中易發生吸氧腐蝕
C.電子由船體鋼鐵外殼向鋅塊移動
D.在海水中陽離子向船體鋼鐵外殼移動
考點4　“膜”化學
角度1 “單”膜電池
1.(2022·山東等級考改編)設計如圖裝置回收金屬鈷。保持細菌所在環境pH穩定,借助其降解乙酸鹽生成CO2,將廢舊鋰離子電池的正極材料LiCoO2(s)轉化為Co2+,工作時保持厭氧環境,并定時將乙室溶液轉移至甲室。已知電極材料均為石墨材質,右側裝置為原電池。下列說法不正確的是(　　)
A.裝置工作時,甲室溶液pH逐漸減小
B.裝置工作一段時間后,乙室應補充鹽酸
C.乙室電極反應式為LiCoO2+2H2O+e-Li++Co2++4OH-
D.若甲室Co2+減少200 mg,乙室Co2+增加300 mg,則此時已進行過溶液轉移
角度2 “多”膜電池
2.(2021·湖南選擇考)鋅/溴液流電池是一種先進的水溶液電解質電池,廣泛應用于再生能源儲能和智能電網的備用電源等。三單體串聯鋅/溴液流電池工作原理如圖所示:
下列說法錯誤的是 (　　)
A.放電時,N極為正極
B.放電時,左側貯液器中ZnBr2的濃度不斷減小
C.充電時,M極的電極反應式為Zn2++2e-Zn
D.隔膜允許陽離子通過,也允許陰離子通過
解含離子交換膜電化學裝置題的步驟
角度1 “單”膜電池
1.(2022·石家莊一模)我國科學家研究出一種新型水系Zn-C2H2電池(結構如圖),既能實現乙炔加氫又能發電,其開路電位、峰值功率密度和能量密度均遠高于Zn-CO2電池,同時這種電池設計可廣泛適用于其他炔烴。已知放電時Zn轉化為ZnO,電池工作時下列說法正確的是 (　　)
A.電流由b極經外電路流向a電極
B.右側極室中c(KOH)增大
C.a極的電極反應式為C2H2+2e-+2H2OC2H4+2OH-
D.每有0.2 mol OH-通過陰離子交換膜,a極消耗2.24 L C2H2
2.微生物燃料電池技術是一種集污水凈化和能源轉化于一體的新型污水處理與能源回收技術,體現了環保理念,其基本原理如圖所示,下列說法正確的是 (　　)
A.a電極電勢高于b電極電勢
B.電池工作時,b極區N發生的反應為2N+10e-+12H+N2↑+6H2O
C.電池工作時,電流由a極沿導線流向b極
D.電池工作時,a極區發生還原反應
角度2 “多”膜電池
3.一種電解法制備Ca(H2PO4)2并得到NaOH等副產物的示意裝置如圖,下列說法錯誤的是 (　　)
A.與a、b相連的分別是電源的正極、負極
B.NaOH溶液中石墨電極上的反應為2H2O+2e-H2↑+2OH-
C.A膜、C膜均為陽離子交換膜,B膜為陰離子交換膜
D.產品室中的Ca2+和原料室中的Na+物質的量濃度同等程度增大
4.一種Zn-PbO2電池工作原理如裝置圖所示。下列說法正確的是 (　　)
A.電池工作時電能轉化為化學能
B.放電過程中電極a區溶液的pH增大
C.電池工作一段時間后K2SO4濃度增大
D.b極區的電極反應式為PbO2+4H++4e-Pb2++2H2O
5.(2022·淄博三模)濃差電池是利用物質的濃度差產生電勢的一種裝置。將兩個完全相同的電極浸入兩個溶質相同但濃度不同的電解質溶液中構成的濃差電池,稱為雙液濃差電池。模擬工業上電滲析法實現海水(用氯化鈉溶液代替)淡化的裝置如圖所示。下列說法錯誤的是 (　　)
A.S向Cu(1)極區域遷移
B.C(2)極發生還原反應
C.膜1為陽離子交換膜
D.C(2)極反應為2H2O+2e-2OH-+H2↑
加固訓練
(2022·徐州二模)一種鋅釩超級電池的工作原理如圖所示,電解質為(CH3COO)2Zn溶液,電池總反應為Zn+NaV2(PO4)3ZnNaV2(PO4)3。下列說法正確的是 (　　)
A.放電時,b電極為電池的負極
B.放電后,負極區c(Zn2+)增大
C.充電時,Zn2+向a電極移動
D.充電時,b電極發生的電極反應為ZnNaV2(PO4)3+2e-Zn2++NaV2(PO4)3

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