資源簡介

攻難點(二)　電化學(xué)中膜的應(yīng)用
核心考點 三年考情 命題預(yù)測
新型電池 2024河北T13,可充電Mg-CO2電池 [命題特點] 多以選擇題的形式考查電極的判斷、電極反應(yīng)式的書寫、電極附近溶液性質(zhì)的變化、電子(或離子)移動方向的判斷、利用守恒關(guān)系進(jìn)行相關(guān)計算等。 [創(chuàng)新考法] 裝置與原理呈現(xiàn)創(chuàng)新性、前沿性的趨勢,如以新概念、新反應(yīng)為載體等;考點的融合性增強,如結(jié)合反應(yīng)機理圖像、晶胞結(jié)構(gòu)、化學(xué)實驗等。
2023遼寧T11,儲能電池; 2023山東T11,利用熱再生氨電池可實現(xiàn)CuSO4電鍍廢液的濃縮再生
2022全國甲卷T10,水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池; 2022全國乙卷T12,充電Li-O2電池; 2022湖南T8,鋰-海水電池
電解應(yīng)用 2024廣東T16,氯堿工業(yè); 2024湖北T14,雙位點PbCu電催化劑,用H2C2O4和NH2OH電化學(xué)催化合成甘氨酸; 2024黑吉遼T12,耦合HCHO高效制H2
2023廣東T16,“卯榫”結(jié)構(gòu)雙極膜電解池; 2023湖北T10,海水直接制備氫氣技術(shù); 2023浙江T13,氯堿工業(yè)
2022山東T15,利用電解原理和原電池原理回收金屬鈷
　
1.(2024·廣東卷)一種基于氯堿工藝的新型電解池(如圖),可用于濕法冶鐵的研究。電解過程中,下列說法不正確的是(　　)
A.陽極反應(yīng):2Cl--2e-Cl2↑
B.陰極區(qū)溶液中OH-濃度逐漸升高
C.理論上每消耗1 mol Fe2O3,陽極室溶液減少213 g
D.理論上每消耗1 mol Fe2O3,陰極室物質(zhì)最多增加138 g
2.(2023·遼寧卷)某低成本儲能電池原理如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.放電時負(fù)極質(zhì)量減小
B.儲能過程中電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能
C.放電時右側(cè)H+通過質(zhì)子交換膜移向左側(cè)
D.充電總反應(yīng):Pb+S+2Fe3+PbSO4+2Fe2+
3.(2023·河北卷)我國科學(xué)家發(fā)明了一種以和MnO2為電極材料的新型電池,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示,其中①區(qū)、②區(qū)、③區(qū)電解質(zhì)溶液的酸堿性不同。放電時,電極材料轉(zhuǎn)化為。下列說法錯誤的是(　　)
A.充電時,b電極上發(fā)生還原反應(yīng)
B.充電時,外電源的正極連接b電極
C.放電時,①區(qū)溶液中的向②區(qū)遷移
D.放電時,a電極的電極反應(yīng)式為MnO2+4H++2e-Mn2++2H2O
　　交換膜裝置的題很多,重點在避免副反應(yīng)、分離提純、提高電池效率、定量分析計算、反應(yīng)物再生、工業(yè)制備等方面進(jìn)行命題,且從單膜到多膜,單室到多室,漸趨復(fù)雜。
1.常見的離子交換膜
種類 允許通過的離子及移動方向 說明
陽離子 交換膜 陽離子→移向電解池的陰極或原電池的正極 陰離子和氣體不能通過
陰離子 交換膜 陰離子→移向電解池的陽極或原電池的負(fù)極 陽離子和氣體不能通過
質(zhì)子 交換膜 質(zhì)子→移向電解池的陰極或原電池的正極 只允許H+通過
2.離子交換膜的作用
(1)平衡左、右兩側(cè)電荷,得到穩(wěn)定電流。
甲池中發(fā)生反應(yīng):Zn-2e-Zn2+,導(dǎo)致c(Zn2+)增大,乙池中發(fā)生反應(yīng):Cu2++2e-Cu,導(dǎo)致c(Cu2+)減小,而陽離子交換膜只允許陽離子通過,故要得到穩(wěn)定的電流,甲池中的Zn2+通過陽離子交換膜進(jìn)入乙池,保持溶液中的電荷平衡,而陰離子并不通過交換膜,所以c(S)保持不變。
(2)阻隔某些離子或分子,防止某些副反應(yīng)的發(fā)生。
氯堿工業(yè)以電解精制飽和食鹽水的方法制Cl2、H2、NaOH和氯的含氧酸鹽等系列化工產(chǎn)品,利用陽離子交換膜將電解槽隔成陽極室和陰極室;只允許陽離子通過,能阻止陰離子和氣體通過;既能阻止H2和Cl2混合爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成的NaClO影響燒堿質(zhì)量。
(3)制備某些特定產(chǎn)品。
用NaOH溶液吸收煙氣中的SO2,將所得的Na2SO3溶液進(jìn)行電解,可循環(huán)再生NaOH,同時得到H2SO4,其原理如圖所示。
圖中離子移動的方向是Na+(陽離子)穿過陽離子交換膜向左池移動,左池為陰極室,a為陰極;S(陰離子)穿過陰離子交換膜向右池移動,右池為陽極室,b為陽極,左池中陰極電極反應(yīng)式為2H2O+2e-H2↑+2OH-,導(dǎo)致陰極區(qū)域c(OH-)增大,放置陽離子交換膜可讓Na+向陰極定向移動,從而產(chǎn)生高濃度的NaOH溶液。右池中陽極電極反應(yīng)式為S-2e-+H2OS+2H+,陽極室中陰離子交換膜可使S移向陽極,而發(fā)生上述反應(yīng),故在陽極區(qū)產(chǎn)生高濃度的硫酸。
3.離子交換膜類型的判斷
首先判斷隔膜的用途是制取物質(zhì)還是避免電極產(chǎn)物之間發(fā)生反應(yīng),然后根據(jù)電解質(zhì)溶液呈電中性的原則,判斷膜的類型。方法如下:先明確電極產(chǎn)物,寫出陰、陽兩極上的電極反應(yīng);再依據(jù)電極反應(yīng)式判斷該電極附近哪種離子有剩余,結(jié)合溶液呈電中性的原則,判斷離子移動的方向,確定離子交換膜的類型。
例如,確定電解飽和食鹽水裝置(如圖)中離子交換膜類型可使用如下方法。
陰極反應(yīng)式為2H2O+2e-H2↑+2OH-,則陰極區(qū)域破壞了水的電離平衡,OH-濃度增大,陽極區(qū)域的Na+穿過離子交換膜進(jìn)入陰極室,與OH-結(jié)合生成NaOH,故電解食鹽水中的離子交換膜是陽離子交換膜
由圖可知,陽極加入飽和食鹽水,出去的是淡鹽水并生成Cl2,故陽極反應(yīng)式為2Cl--2e-Cl2↑,根據(jù)溶液呈電中性原則,陽極區(qū)Na+多于Cl-,則Na+向陰極區(qū)移動,故電解食鹽水中的離子交換膜是陽離子交換膜
真題例析
[例]　(2024·湖北卷)我國科學(xué)家設(shè)計了一種雙位點PbCu電催化劑,用H2C2O4和NH2OH電化學(xué)催化合成甘氨酸,原理如圖,雙極膜中H2O解離的H+和OH-在電場作用下向兩極遷移。已知在KOH溶液中,甲醛轉(zhuǎn)化為HOCH2O-,存在平衡HOCH2O-+OH-[OCH2O]2-+H2O。Cu電極上發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)為[OCH2O]2--e-HCOO-+H·。下列說法錯誤的是(　　)
A.電解一段時間后陽極區(qū)c(OH-)減小
B.理論上生成1 mol H3N+CH2COOH雙極膜中有4 mol H2O解離
C.陽極總反應(yīng)式為2HCHO+4OH--2e-2HCOO-+H2↑+2H2O
D.陰極區(qū)存在反應(yīng)H2C2O4+2H++2e-CHOCOOH+H2O
[試題分析]　在KOH溶液中HCHO轉(zhuǎn)化為HOCH2O-:HCHO+OH-HOCH2O-,存在平衡HOCH2O-+OH-[OCH2O]2-+H2O,Cu電極上發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)為[OCH2O]2--e-HCOO-+H·,H·結(jié)合成H2,Cu電極為陽極;PbCu電極為陰極,首先HOOC—COOH在Pb上發(fā)生得電子的還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為OHC—COOH:H2C2O4+2e-+2H+OHC—COOH+H2O,OHC—COOH與HO—N+H3反應(yīng)生成HOOC—CHN—OH:OHC—COOH+HO—N+H3HOOC—CHN—OH+H2O+H+,HOOC—CHN—OH發(fā)生得電子的還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化成H3N+CH2COOH:HOOC—CHN—OH+4e-+5H+H3N+CH2COOH+H2O。
[聽課記錄]
1.(2024·長春質(zhì)檢)我國科學(xué)家開發(fā)出一種雙極制氫系統(tǒng),在低電池電壓下的KOH介質(zhì)中,可將醛類物質(zhì)電催化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的羧酸鹽和氫氣,其工作原理如圖所示。下列說法不正確的是(　　)
A.泡沫銅與直流電源的正極相連
B.制得1 mol氫氣,理論上外電路中遷移了2 mol電子
C.高電壓下不能實現(xiàn)雙極制氫的原因可能是Cu被氧化從而使催化劑失活
D.泡沫銅電極上發(fā)生的反應(yīng)可能為2R—CHO+4OH--2e-2R—COO-+H2↑+2H2O
2.中科院大連化物所儲能技術(shù)研究部提出了一種基于Br-輔助MnO2放電的混合型液流電池,裝置如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.充電時,H+向電極A遷移
B.放電時,在該環(huán)境下的氧化性:Cr2+>Mn3+
C.充電時,電極B上還可能發(fā)生反應(yīng):2Br--2e-Br2
D.放電過程中,可利用Br-及時清除電極B上的“死錳”(MnO2),提高充放電過程的可逆性
3.微生物脫鹽電池既可以處理廢水中的乙酸和銨鹽,又可以實現(xiàn)海水淡化,原理如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.離子交換膜a為陽離子交換膜,b為陰離子交換膜
B.出口R處一定為純水
C.生成CO2的電極反應(yīng)式為CH3COOH+2H2O-8e-2CO2↑+8H+
D.M極每生成0.1 mol CO2,理論上可以從模擬海水中除去117 g NaCl
4.羥基自由基(·OH)具有很強的氧化性,能將苯酚氧化為CO2和H2O。我國科學(xué)家開發(fā)出如圖所示裝置,能實現(xiàn)制備氫氣、處理含苯酚廢水二位一體。下列說法正確的是(　　)
A.d電極的電極反應(yīng)式:H2O-e-·OH+H+
B.再生池中發(fā)生的反應(yīng)為V2++H+V3++H2
C.a為電源負(fù)極,m為陰離子交換膜,Na2SO4能增強導(dǎo)電性
D.氣體X與Y在相同條件下的體積比為3∶7
5.(2024·保定模擬)用一種陰、陽離子雙隔膜三室電解槽處理廢液中的,實現(xiàn)其回收利用。a、b分別是一類離子選擇透過膜,模擬裝置如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時,有11.2 L H2生成
B.a是陽離子選擇透過膜
C.最終的處理產(chǎn)物中可能有(NH4)3PO4
D.電解一段時間后,陰極室溶液中的pH先升高后降低
6.(2024·肇慶質(zhì)檢)雙極膜是一種復(fù)合膜,在直流電作用下,能把中間界面內(nèi)的H2O解離為H+和OH-,并使離子定向通過。
以鉛酸蓄電池為電源(放電時總反應(yīng)為Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O),利用雙極膜電解獲得NaOH與H3PO4的原理如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.N膜為陽離子交換膜
B.產(chǎn)品室2中溶液pH逐漸增大
C.產(chǎn)品室1中反應(yīng)為H2+2OH-+2H2O
D.雙極膜共解離4 mol H2O時,理論上鉛酸蓄電池中生成2 mol PbSO4
7.(2024·邯鄲二調(diào))羥基自由基(·OH)是自然界中氧化性僅次于氟的氧化劑。我國科學(xué)家設(shè)計了一種能將苯酚氧化為CO2和H2O的原電池—電解池組合裝置,實現(xiàn)了發(fā)電、環(huán)保兩位一體。下列說法錯誤的是(　　)
A.a是正極,c是陰極
B.氧化1 mol苯酚,理論上NaCl溶液中減少的離子為20NA
C.電池工作時,b極電極反應(yīng)為C6H5OH-28e-+11H2O6CO2↑+28H+
D.d極電極反應(yīng)為H2O-e-H++·OH
8.(2023·湖北卷)我國科學(xué)家設(shè)計如圖所示的電解池,實現(xiàn)了海水直接制備氫氣技術(shù)的綠色化。該裝置工作時陽極無Cl2生成且KOH溶液的濃度不變,電解生成氫氣的速率為x mol·h-1。下列說法錯誤的是(　　)
A.b電極反應(yīng)式為2H2O+2e-H2↑+2OH-
B.離子交換膜為陰離子交換膜
C.電解時海水中動能高的水分子可穿過PTFE膜
D.海水為電解池補水的速率為2x mol·h-1
攻難點2
真題體驗
1.C　解析　左側(cè)電極Fe2O3在堿性條件下轉(zhuǎn)化為Fe,為陰極,右側(cè)電極為陽極,陽極反應(yīng)為2Cl--2e-Cl2↑,A項正確;陰極反應(yīng)為Fe2O3+6e-+3H2O2Fe+6OH-,消耗水產(chǎn)生OH-,陰極區(qū)溶液中OH-濃度逐漸升高,B項正確;理論上每消耗1 mol Fe2O3轉(zhuǎn)移6 mol電子,產(chǎn)生3 mol Cl2,同時有6 mol Na+由陽極轉(zhuǎn)移至陰極,則陽極室溶液減少3×71 g+6×23 g=351 g,C項錯誤;理論上每消耗1 mol Fe2O3轉(zhuǎn)移6 mol電子,有6 mol Na+由陽極轉(zhuǎn)移至陰極,陰極室物質(zhì)最多增加6×23 g=138 g,D項正確。
2.B　解析　該儲能電池放電時,Pb為負(fù)極,失電子結(jié)合硫酸根離子生成PbSO4,則多孔碳電極為正極,正極上Fe3+得電子轉(zhuǎn)化為Fe2+;充電時,多孔碳電極為陽極,Fe2+失電子生成Fe3+,PbSO4電極為陰極,PbSO4得電子生成Pb和S。放電時負(fù)極上Pb失電子結(jié)合硫酸根離子生成PbSO4附著在負(fù)極上,負(fù)極質(zhì)量增大,A項錯誤;儲能過程中,該裝置為電解池,將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,B項正確;放電時,右側(cè)為正極,電解質(zhì)溶液中的陽離子向正極移動,左側(cè)的H+通過質(zhì)子交換膜移向右側(cè),C項錯誤;充電時,總反應(yīng)為PbSO4+2Fe2+Pb+S+2Fe3+,D項錯誤。
3.B　解析　放電時,電極材料轉(zhuǎn)化為,電極反應(yīng)-2ne-+2nK+,是原電池的負(fù)極,陽離子增多需要通過陽離子交換膜進(jìn)入②區(qū),即b電極為負(fù)極;MnO2得到電子變成Mn2+,是原電池的正極,電極反應(yīng)MnO2+4H++2e-Mn2++2H2O,陽離子減少,多余的陰離子需要通過陰離子交換膜進(jìn)入②區(qū),即a電極為正極;③區(qū)為堿性溶液,b電極是電極,①區(qū)為酸性溶液,a電極是二氧化錳電極。充電時,b電極上得到電子,發(fā)生還原反應(yīng),A項正確;充電時,外電源的正極連接a電極,電極失去電子,電極反應(yīng)為Mn2++2H2O-2e-MnO2+4H+,B項錯誤;放電時,①區(qū)溶液中多余的向②區(qū)遷移,C項正確;放電時,a電極的電極反應(yīng)式為MnO2+4H++2e-Mn2++2H2O,D項正確。
真題例析
例　B　解析　電解過程中,陽極區(qū)消耗OH-、同時生成H2O,故電解一段時間后陽極區(qū)c(OH-)減小,A項正確;陰極區(qū)的總反應(yīng)為H2C2O4+HO—N+H3+6e-+6H+H3N+CH2COOH+3H2O,1 mol H2O解離成1 mol H+和1 mol OH-,故理論上生成1 mol H3N+CH2COOH雙極膜中有6 mol H2O解離,B項錯誤;結(jié)合裝置圖,陽極總反應(yīng)為2HCHO-2e-+4OH-2HCOO-+H2↑+2H2O,C項正確;陰極區(qū)的Pb上發(fā)生反應(yīng)H2C2O4+2e-+2H+OHC—COOH+H2O,D項正確。
典題演練
1.B　解析　泡沫銅上醛基轉(zhuǎn)化為羧基,發(fā)生氧化反應(yīng),所以泡沫銅為陽極,與電源的正極相連,A項正確;陽極反應(yīng)為2R—CHO+4OH--2e-2R—COO-+H2↑+2H2O,陰極反應(yīng)為2H2O+2e-2OH-+ H2↑,制得1 mol氫氣,則陽極、陰極各產(chǎn)生0.5 mol氫氣,轉(zhuǎn)移1 mol電子,B項錯誤;銅為金屬,作為陽極,若電壓過高,Cu會被氧化,使催化劑失活,C項正確;泡沫銅上醛基轉(zhuǎn)化為羧基,失電子被氧化,羧酸鹽在堿性環(huán)境中穩(wěn)定存在,根據(jù)電子守恒、元素守恒可得電極反應(yīng)為2R—CHO+4OH--2e-2R—COO-+H2↑+2H2O,D項正確。
2.B　解析　由裝置圖可知充電時電極A上發(fā)生反應(yīng)Cr2++2e-Cr,發(fā)生還原反應(yīng),所以電極A為陰極,H+向陰極移動,A項正確;放電時總反應(yīng)方程式為2Mn3++CrCr2++2Mn2+,所以氧化性Mn3+>Cr2+,B項錯誤;充電時電極B上發(fā)生氧化反應(yīng),所以電極B還可能發(fā)生反應(yīng)2Br--2e-Br2,C項正確;MnO2沉積在電極B上,會影響充放電進(jìn)行,Br-具有還原性,可將MnO2還原為Mn2+,提高充放電過程的可逆性,D項正確。
3.C　解析　該裝置為原電池,廢水中的CH3COOH轉(zhuǎn)化為CO2,發(fā)生氧化反應(yīng),則電極M為負(fù)極,電極N為正極;原電池工作時,陰離子移向負(fù)極,陽離子移向正極,即海水中的Na+通過陽離子交換膜b移向N極,Cl-通過陰離子交換膜a移向M極,可實現(xiàn)海水淡化,出口R為淡水。a為陰離子交換膜,b為陽離子交換膜,A項錯誤;出口R處為淡水,B項錯誤;廢水中的CH3COOH失去電子生成CO2,電極反應(yīng)式為CH3COOH+2H2O-8e-2CO2↑+8H+,C項正確;M電極反應(yīng)式為CH3COOH+2H2O-8e-2CO2↑+8H+,M極每生成0.1 mol CO2的同時轉(zhuǎn)移0.4 mol e-,則有0.4 mol Cl-移向M極,可從海水中除去0.4 mol NaCl,其質(zhì)量為23.4 g,D項錯誤。
4.A　解析　c電極發(fā)生反應(yīng)V3++e-V2+,得電子被還原,所以c是陰極,a是負(fù)極,b是正極,d是陽極,結(jié)合圖示,電極反應(yīng)中產(chǎn)生羥基自由基(·OH)和H+,沒有生成氧氣,電極反應(yīng)為H2O-e-·OH+H+,A項正確;反應(yīng)未配平,B項錯誤;a為電源負(fù)極,Na2SO4比起純水,能增強溶液的導(dǎo)電性,d電極的電極反應(yīng)式為H2O-e-·OH+H+,產(chǎn)生的H+經(jīng)陽離子交換膜移向陰極,故 m為陽離子交換膜,C項錯誤; 根據(jù)反應(yīng)2V2++2H+2V3++H2↑,產(chǎn)生1 mol氣體H2,需要消耗V2+ 2 mol,對應(yīng)c電極發(fā)生反應(yīng)V3++e-V2+,則轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2 mol,根據(jù)反應(yīng)H2O-e-·OH+H+,則產(chǎn)生的·OH為2 mol,根據(jù)反應(yīng)28·OH+C6H5OH6CO2↑+17H2O,生成CO2為 mol,所以兩種氣體體積比為1∶=7∶3,D項錯誤。
5.C　解析　C為陰極,電極方程式為2H++2e-H2↑,則當(dāng)電路中通過1 mol電子的電量時,陰極有0.5 mol的氣體生成,題干未說是標(biāo)準(zhǔn)狀況下,無法計算其體積,A項錯誤;Fe為陽極,陽極上Fe失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe2+,電極反應(yīng)式為Fe-2e-Fe2+,該電極裝置處理廢液中的N,則N通過陽離子交換膜進(jìn)入陰極區(qū),S通過陰離子交換膜進(jìn)入陽極區(qū),因此a是陰離子選擇透過膜,B項錯誤;電解時,溶液中N向陰極室移動,H+放電生成H2,溶液中OH-和N結(jié)合生成電解質(zhì)NH3·H2O,NH3·H2O可以和磷酸反應(yīng)生成(NH4)3PO4或NH4H2PO4、(NH4)2HPO4,C項正確;電解時陰極區(qū)電極方程式為2H++2e-H2↑,氫離子濃度減少,pH增大,D項錯誤。
6.D　解析　由題圖可知,電解池工作時陽離子向陰極遷移,由于H+向電極a移動,即電極a為陰極,那么電極b為陽極, M膜為陽離子交換膜,原料室中Na+通過M膜進(jìn)入產(chǎn)品室1得到NaOH,N膜為陰離子交換膜,原料室中H2P通過N膜進(jìn)入產(chǎn)品室2,與雙極膜產(chǎn)生的氫離子反應(yīng)生成磷酸,產(chǎn)品室2中溶液pH逐漸減小,A、B兩項錯誤;原料室中鈉離子通過M膜進(jìn)入產(chǎn)品室1得到NaOH,C項錯誤;雙極膜共解離4 mol H2O,即電極a、b處各解離2 mol H2O,電極a的電極反應(yīng)式為2H++2e-H2↑,解離2 mol H2O得到2 mol H+,轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2 mol,結(jié)合反應(yīng)Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O,理論上鉛蓄電池中生成2 mol PbSO4,D項正確。
7.B　解析　題圖中裝置,左邊為原電池,a上鉻元素由+6價變?yōu)?3價,得電子發(fā)生還原反應(yīng),a是正極,b是負(fù)極,右邊是電解池,c是陰極,d是陽極,A項正確;原電池工作時,a極上Cr2得電子生成Cr(OH)3,發(fā)生反應(yīng)Cr2+6e-+7H2O2Cr(OH)3↓+8OH-,b極電極反應(yīng)為C6H5OH-28e-+11H2O6CO2↑+28H+,1 mol C6H5OH參與反應(yīng)轉(zhuǎn)移28 mol電子,理論上a極有28 mol OH-、b極有28 mol H+進(jìn)入氯化鈉溶液中生成水,NaCl溶液中離子數(shù)幾乎不變,B項錯誤;原電池工作時,a極Cr2得電子生成Cr(OH)3,發(fā)生反應(yīng)Cr2+6e-+7H2O2Cr(OH)3↓+8OH-,b極電極反應(yīng)為C6H5OH-28e-+11H2O6CO2↑+28H+, C項正確;結(jié)合題干信息,·OH是水在d電極上失電子生成的,所以d極電極反應(yīng)為H2O-e-H++·OH,D項正確。
8.D　解析　由題圖可知,該裝置為電解水制取氫氣的裝置,a電極與電源正極相連,為電解池的陽極,b電極與電源負(fù)極相連,為電解池的陰極,陰極反應(yīng)為2H2O+2e-H2↑+2OH-,陽極反應(yīng)為4OH--4e-O2↑+2H2O,電池總反應(yīng)為2H2O2H2↑+O2↑,據(jù)此解答。b電極為陰極,發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)為2H2O+2e-H2↑+2OH-,A項正確;該裝置工作時陽極無Cl2生成且KOH濃度不變,陽極發(fā)生的電極反應(yīng)為4OH--4e-O2↑+2H2O,為保持OH-濃度不變,則陰極產(chǎn)生的OH-要通過離子交換膜進(jìn)入陽極室,即離子交換膜應(yīng)為陰離子交換膜,B項正確;電解時電解槽中不斷有水被消耗,海水中的動能高的水可穿過PTFE膜,為電解池補水,C項正確;由電解總反應(yīng)可知,每生成1 mol H2要消耗1 mol H2O,生成H2的速率為x mol·h-1,則補水的速率也應(yīng)是x mol·h-1,D項錯誤。專題四　電化學(xué)
微專題1　原電池原理及應(yīng)用
　
1.(2024·江蘇卷)堿性鋅錳電池的總反應(yīng)為Zn+2MnO2+H2OZnO+2MnOOH,電池構(gòu)造示意圖如圖所示。下列有關(guān)說法正確的是(　　)
A.電池工作時,MnO2發(fā)生氧化反應(yīng)
B.電池工作時,OH-通過隔膜向正極移動
C.環(huán)境溫度過低,不利于電池放電
D.反應(yīng)中每生成1 mol MnOOH,轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2×6.02×1023
2.(2024·新課標(biāo)卷)一種可植入體內(nèi)的微型電池工作原理如圖所示,通過CuO催化消耗血糖發(fā)電,從而控制血糖濃度。當(dāng)傳感器檢測到血糖濃度高于標(biāo)準(zhǔn),電池啟動。血糖濃度下降至標(biāo)準(zhǔn),電池停止工作。(血糖濃度以葡萄糖濃度計)
電池工作時,下列敘述錯誤的是(　　)
A.電池總反應(yīng)為2C6H12O6+O22C6H12O7
B.b電極上CuO通過Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互轉(zhuǎn)變起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖,理論上a電極有0.4 mmol電子流入
D.兩電極間血液中的Na+在電場驅(qū)動下的遷移方向為b→a
3.(2024·河北卷)我國科技工作者設(shè)計了如圖所示的可充電Mg-CO2電池,以Mg(TFSI)2為電解質(zhì),電解液中加入1,3 丙二胺(PDA)以捕獲CO2,使放電時CO2還原產(chǎn)物為MgC2O4。該設(shè)計克服了MgCO3導(dǎo)電性差和釋放CO2能力差的障礙,同時改善了Mg2+的溶劑化環(huán)境,提高了電池充放電循環(huán)性能。
下列說法錯誤的是(　　)
A.放電時,電池總反應(yīng)為2CO2+MgMgC2O4
B.充電時,多孔碳納米管電極與電源正極連接
C.充電時,電子由Mg電極流向陽極,Mg2+向陰極遷移
D.放電時,每轉(zhuǎn)移1 mol電子,理論上可轉(zhuǎn)化1 mol CO2
4.(2024·安徽卷)我國學(xué)者研發(fā)出一種新型水系鋅電池,其示意圖如圖。該電池分別以Zn-TCPP(局部結(jié)構(gòu)如標(biāo)注框內(nèi)所示)形成的穩(wěn)定超分子材料和Zn為電極,以ZnSO4和KI混合液為電解質(zhì)溶液。下列說法錯誤的是(　　)
A.標(biāo)注框內(nèi)所示結(jié)構(gòu)中存在共價鍵和配位鍵
B.電池總反應(yīng)為+ZnZn2++3I-
C.充電時,陰極被還原的Zn2+主要來自Zn-TCPP
D.放電時,消耗0.65 g Zn,理論上轉(zhuǎn)移0.02 mol電子
1.圖解原電池工作原理
2.原電池正、負(fù)極的判斷方法
3.電極反應(yīng)式的書寫
4.可充電電池題目的解答思路
1.(2024·全國甲卷)科學(xué)家使用δ-MnO2研制了一種MnO2-Zn可充電電池(如圖所示)。電池工作一段時間后,MnO2電極上檢測到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列敘述正確的是(　　)
A.充電時,Zn2+向陽極方向遷移
B.充電時,會發(fā)生反應(yīng)Zn+2MnO2ZnMn2O4
C.放電時,正極反應(yīng)有MnO2+H2O+e-MnOOH+OH-
D.放電時,Zn電極質(zhì)量減少0.65 g,MnO2電極生成了0.020 mol MnOOH
2.(2024·長春質(zhì)檢)某研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)向鋰空氣電池(2Li+O2Li2O2)的有機電解液中添加LiNO3,充電時可發(fā)生如圖轉(zhuǎn)化(圖中所示不完全)而使充電過程更穩(wěn)定。下列說法錯誤的是(　　)
A.電極Li與反應(yīng)生成和Li2O
B.充電時,陽極區(qū)域涉及反應(yīng):Li2O2+2NO22Li++O2+2
C.充電時,每轉(zhuǎn)移1 mol電子,陽極質(zhì)量增加23 g
D.放電時,Li+由a極移至b極
3.(2024·東北三省三校三模)甲酸燃料電池裝置如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.物質(zhì)A是H2SO4
B.半透膜是陽離子交換膜
C.a極電極反應(yīng)式為HCOO-+2e-+2H++H2O
D.Fe3+可以看作是該反應(yīng)的催化劑,可以循環(huán)利用
4.(2024·石家莊質(zhì)檢)高性能鈉型電池工作原理如圖所示,電池反應(yīng)為Cx(PF6)+NaSnCx+Sn+NaPF6。下列說法正確的是(　　)
A.放電時,a為正極
B.充電時,陰極反應(yīng)為Sn+Na++e-NaSn
C.放電時,Sn在很大程度上被腐蝕
D.充電時,當(dāng)電路中通過1 mol e-,理論上有1 mol P從石墨烯中脫嵌并向左遷移
微專題1
真題體驗
1.C　解析　電池工作時,MnO2為正極,得到電子,發(fā)生還原反應(yīng),A項錯誤;電池工作時,OH-通過隔膜向負(fù)極移動,B項錯誤;環(huán)境溫度過低,化學(xué)反應(yīng)速率下降,不利于電池放電,C項正確;由電極反應(yīng)式MnO2+e-+H2OMnOOH+OH-可知,反應(yīng)中每生成1 mol MnOOH,轉(zhuǎn)移電子數(shù)為6.02×1023,D項錯誤。
2.C　解析　由題中信息可知,當(dāng)電池開始工作時,a電極為電池正極,血液中的O2在a電極上得電子生成OH-,電極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O4OH-;b電極為電池負(fù)極,Cu2O在b電極上失電子轉(zhuǎn)化成CuO,電極反應(yīng)式為Cu2O-2e-+2OH-2CuO+H2O,然后葡萄糖被CuO氧化為葡萄糖酸,CuO被還原為Cu2O,則電池總反應(yīng)為2C6H12O6+O22C6H12O7,A項正確;b電極上CuO將葡萄糖氧化為葡萄糖酸后被還原為Cu2O,Cu2O在b電極上失電子轉(zhuǎn)化成CuO,在這個過程中CuO的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)保持不變,因此,CuO通過Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互轉(zhuǎn)變起催化作用,B項正確;根據(jù)反應(yīng)2C6H12O6+O22C6H12O7可知,1 mol C6H12O6參加反應(yīng)時轉(zhuǎn)移2 mol電子,18 mg C6H12O6的物質(zhì)的量為0.1 mmol,則消耗18 mg葡萄糖時,理論上a電極有0.2 mmol電子流入,C項錯誤;原電池中陽離子從負(fù)極移向正極遷移,故Na+遷移方向為b→a,D項正確。
3.C　解析　放電時正極反應(yīng)式為Mg2++2CO2+2e-MgC2O4,負(fù)極反應(yīng)式為Mg-2e-Mg2+,將放電時正、負(fù)電極反應(yīng)式相加,可得放電時電池總反應(yīng)Mg+2CO2MgC2O4,A項正確;充電時,多孔碳納米管電極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),則多孔碳納米管在充電時是陽極,與電源正極連接,B項正確;充電時,Mg電極為陰極,電子從電源負(fù)極經(jīng)外電路流向Mg電極,同時Mg2+向陰極遷移,C項錯誤;根據(jù)放電時的電極反應(yīng)式Mg2++2CO2+2e-MgC2O4可知,每轉(zhuǎn)移2 mol電子,有2 mol CO2參與反應(yīng),因此每轉(zhuǎn)移1 mol電子,理論上可轉(zhuǎn)化1 mol CO2,D項正確。
4.C　解析　標(biāo)注框內(nèi)所示結(jié)構(gòu)屬于配合物,配位體中存在碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳氮單鍵、碳氮雙鍵和碳?xì)滏I等多種共價鍵,還有由N原子提供孤電子對、Zn2+提供空軌道形成的配位鍵,A項正確;由圖中信息可知,該新型水系鋅電池的負(fù)極是鋅、正極是超分子材料,負(fù)極的電極反應(yīng)式為Zn-2e-Zn2+,正極電極反應(yīng)為+2e-3I-,則電池總反應(yīng)為+ZnZn2++3I-,B項正確;充電時,陰極電極反應(yīng)式為Zn2++2e-Zn,被還原的Zn2+主要來自電解質(zhì)溶液,C項錯誤;放電時,負(fù)極的電極反應(yīng)式為Zn-2e-Zn2+,因此消耗0.65 g Zn(物質(zhì)的量為0.01 mol),理論上轉(zhuǎn)移0.02 mol電子,D項正確。
典題演練
1.C　解析　充電時該裝置為電解池,電解池中陽離子向陰極遷移,即Zn2+向陰極方向遷移,A項不正確;電池的總反應(yīng)為Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+2OH-+Zn2+(主要),Zn+2MnO2ZnMn2O4,充電時會發(fā)生ZnMn2O4Zn+2MnO2,B項不正確;放電時MnO2電極為正極,正極上檢測到MnOOH和少量ZnMn2O4,則正極上主要發(fā)生的電極反應(yīng)是MnO2+H2O+e-MnOOH+OH-,C項正確;放電時,Zn電極質(zhì)量減少0.65 g(物質(zhì)的量為0.010 mol),電路中轉(zhuǎn)移0.020 mol電子,由正極的主要反應(yīng)MnO2+H2O+e-MnOOH+OH-可知,若正極上只有MnOOH生成,則生成MnOOH的物質(zhì)的量為0.020 mol,但是正極上還有ZnMn2O4生成,因此,MnOOH的物質(zhì)的量小于0.020 mol,D項不正確。
2.C　解析　電解液中的由Li與反應(yīng)得來,故電極Li與發(fā)生反應(yīng)2Li+Li2O+,A項正確;由題圖可知,充電時,發(fā)生反應(yīng):-e-NO2和Li2O2+2NO22Li++O2+2,即在陽極區(qū)產(chǎn)生氧氣,B項正確;充電時,陽極反應(yīng)式為Li2O2-2e-2Li++O2↑,每轉(zhuǎn)移1 mol電子,陽極消耗0.5 mol Li2O2,質(zhì)量減少23 g,C項錯誤;由上述分析可知,充電時b為陽極,a為陰極,則放電時a為負(fù)極,b為正極,Li+由負(fù)極(a極)移至正極(b極),D項正確。
3.C　解析　鐵的兩種離子存在環(huán)境為酸性,且生成物為K2SO4,故物質(zhì)A為H2SO4,A項正確;裝置中K+由負(fù)極流向正極,則半透膜是陽離子交換膜,B項正確;a電極上HCOOH被氧化為HC,其電極反應(yīng)式為HCOO--2e-+2OH-+H2O,C項錯誤;Fe3+先被還原為Fe2+,Fe2+又被O2氧化生成Fe3+,Fe3+可以循環(huán),可看作是該反應(yīng)的催化劑,D項正確。
4.B　解析　根據(jù)電池反應(yīng)可知,放電時,NaSn電極為負(fù)極,失電子生成Na+和Sn,即a電極為負(fù)極,A項錯誤;充電時,NaSn電極為陰極,Na+得電子與Sn反應(yīng)生成NaSn,電極反應(yīng)式正確,B項正確;放電時,NaSn電極為負(fù)極,失電子生成Na+和Sn,Sn未被腐蝕,C項錯誤;充電時,陽極上失電子結(jié)合Cx生成Cx(PF6),電極反應(yīng)式為-e-+CxCx(PF6),當(dāng)電路中通過1 mol電子時,理論上有1 mol 失電子向陽極移動,并嵌入石墨烯中,D項錯誤。微專題2　電解原理及應(yīng)用
　
1.(2024·湖南卷)在KOH水溶液中,電化學(xué)方法合成高能物質(zhì)K4C6N16時,伴隨少量O2生成,電解原理如圖所示,下列說法正確的是(　　)
A.電解時,OH-向Ni電極移動
B.生成C6的電極反應(yīng):2C3N8H4+8OH--4e-C6+8H2O
C.電解一段時間后,溶液pH升高
D.每生成1 mol H2的同時,生成0.5 mol K4C6N16
2.(2024·甘肅卷)某固體電解池工作原理如圖所示,下列說法錯誤的是(　　)
A.電極1的多孔結(jié)構(gòu)能增大與水蒸氣的接觸面積
B.電極2是陰極,發(fā)生還原反應(yīng):O2+4e-2O2-
C.工作時O2-從多孔電極1遷移到多孔電極2
D.理論上電源提供2 mol e-能分解1 mol H2O
3.(2024·山東卷)以不同材料修飾的Pt為電極,一定濃度的NaBr溶液為電解液,采用電解和催化相結(jié)合的循環(huán)方式,可實現(xiàn)高效制H2和O2,裝置如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.電極a連接電源負(fù)極
B.加入Y的目的是補充NaBr
C.電解總反應(yīng)式為Br-+3H2O+3H2↑
D.催化階段反應(yīng)產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為n(Z)∶n(Br-)=3∶2
1.圖解電解池的工作原理
2.解答電解類問題的一般步驟
分析電解過程的思維程序:
(1)首先判斷陰、陽極,分析陽極材料是惰性電極還是活性電極。
(2)再分析電解質(zhì)水溶液的組成,找全離子并分陰、陽兩組(不要忘記水溶液中的H+和OH-)。
(3)然后排出陰、陽兩極的放電順序。
電解池陰、陽兩極的放電順序
3.電解計算破題“3方法”
1.(2023·浙江1月選考)在熔融鹽體系中,通過電解TiO2和SiO2獲得電池材料(TiSi),電解裝置如圖,下列說法正確的是(　　)
A.石墨電極為陰極,發(fā)生氧化反應(yīng)
B.電極A的電極反應(yīng):8H++TiO2+SiO2+8e-TiSi+4H2O
C.該體系中,石墨優(yōu)先于Cl-參與反應(yīng)
D.電解時,陽離子向石墨電極移動
2.氮氣電解催化裝置可以實現(xiàn)同時制備銨鹽和硝酸鹽,利用雙極膜(M、N)將水解離成H+、OH-,還可以濃縮溶液(圖中進(jìn)、出氣通道及部分反應(yīng)均省略)。下列說法正確的是(　　)
A.a端的電勢比b端高
B.M、N分別為陰、陽離子交換膜
C.相同時間內(nèi)X、Y電極上消耗的氮氣質(zhì)量比為5∶3
D.陰極室的總反應(yīng)為N2+6e-+6H2O2NH3+6OH-
3.(2024·T8聯(lián)考)先在涂有活性銀納米顆粒和特殊配體的陰極斷裂成自由基和,再與CO2反應(yīng)可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的羧酸,這就是自由基電解法,其裝置如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.左側(cè)電極的電極反應(yīng)式有+CO2+e-+H+
B.相同條件下,陰、陽兩極消耗的或生成的氣體體積之比為2∶1
C.活性銀納米顆粒和特殊配體阻止了H+得電子生成H2
D.該裝置在使用過程中,稀硫酸的濃度變大
微專題2
真題體驗
1.B　解析　由電解原理圖可知,Ni電極產(chǎn)生氫氣,為陰極,Pt電極為陽極,電解過程中,陰離子向陽極移動,即OH-向Pt電極移動,A項錯誤;Pt電極上C3N8H4失去電子生成C6,電解質(zhì)溶液為KOH水溶液,電極反應(yīng)為2C3N8H4+8OH--4e-C6+8H2O,B項正確;陽極主要反應(yīng)為2C3N8H4-4e-+8OH-C6+8H2O,陰極反應(yīng)為2H2O+2e-H2↑+2OH-,則電解過程中發(fā)生的總反應(yīng)主要為2C3N8H4+4OH-C6+4H2O+2H2↑,反應(yīng)消耗OH-,生成H2O,電解一段時間后,溶液pH降低,C項錯誤;根據(jù)電解總反應(yīng)2C3N8H4+4OH-C6+4H2O+2H2↑可知,每生成1 mol H2,生成0.5 mol K4C6N16,但Pt電極伴隨少量O2生成,發(fā)生電極反應(yīng)4OH--4e-O2↑+2H2O,則生成1 mol H2時得到的部分電子是由OH-放電產(chǎn)生O2提供,所以生成的K4C6N16小于0.5 mol,D項錯誤。
2.B　解析　電極1的多孔結(jié)構(gòu)能增大電極的表面積,增大與水蒸氣的接觸面積,A項正確;多孔電極2上O2-發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成O2(g),多孔電極2為陽極,發(fā)生氧化反應(yīng)2O2--4e-O2↑,B項錯誤;工作時,陰離子O2-向陽極移動,即O2-從多孔電極1遷移到多孔電極2,C項正確;多孔電極1上H2O(g)發(fā)生得電子的還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化成H2(g),多孔電極1為陰極,電極反應(yīng)為2H2O+4e-2H2+2O2-,多孔電極2為陽極,電極反應(yīng)為2O2--4e-O2,電解總反應(yīng)為2H2O(g)2H2+O2,分解2 mol H2O轉(zhuǎn)移4 mol電子,則理論上電源提供2 mol電子能分解1 mol H2O,D項正確。
3.B　解析　電極b上Br-發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成,電極b為陽極,電極反應(yīng)為Br--6e-+3H2O+6H+;則電極a為陰極,電極a的電極反應(yīng)為6H++6e-3H2↑;電解總反應(yīng)式為Br-+3H2O+3H2↑;催化循環(huán)階段被還原成Br-循環(huán)使用,同時生成O2,實現(xiàn)高效制H2和O2,即Z為O2。電極a為陰極,連接電源負(fù)極,A項正確;電解過程中消耗H2O和Br-,而催化階段被還原成Br-循環(huán)使用,故加入Y的目的是補充H2O,維持NaBr溶液為一定濃度,B項錯誤;電解總反應(yīng)式為Br-+3H2O+3H2↑,C項正確;催化階段,Br元素的化合價由+5價降至-1價,生成1 mol Br-得到6 mol電子,O元素的化合價由-2價升至0價,生成1 mol O2失去4 mol電子,根據(jù)得失電子守恒,反應(yīng)產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為n(O2)∶n(Br-)=6∶4=3∶2,D項正確。
典題演練
1.C　解析　由圖可知,電解時,石墨電極上C轉(zhuǎn)化為CO,發(fā)生氧化反應(yīng),為陽極,與電源正極相連,則電極A作陰極,TiO2和SiO2獲得電子產(chǎn)生電池材料(TiSi),電極反應(yīng)為TiO2+SiO2+8e-TiSi+4O2-。石墨電極為陽極,A項錯誤;電極A的電極反應(yīng)為TiO2+SiO2+8e-TiSi+4O2-,B項錯誤;根據(jù)圖中信息可知,該體系中,石墨優(yōu)先于Cl-參與反應(yīng),C項正確;電解池中石墨電極為陽極,陽離子向陰極(電極A)移動,D項錯誤。
2.C　解析　由圖可知,X極氮氣發(fā)生還原反應(yīng),即X為陰極,a與電源負(fù)極相連,所以a端電勢比b端低,A項錯誤;根據(jù)題干信息可推知,左側(cè)制備銨鹽,所以H+透過M膜進(jìn)入陰極室,故M為陽離子交換膜,同理可得N為陰離子交換膜,B項錯誤;X極上氮元素從0價降低至-3價,Y極上氮元素從0價升高至+5價,由得失電子守恒可得,X、Y電極上消耗的氮氣質(zhì)量比為5∶3,C項正確;陰極室發(fā)生的總反應(yīng)中應(yīng)有生成,D項錯誤。
3.B　解析　陰極電極反應(yīng)式為+2CO2+2H++2e-+,其中+CO2+H++e-,+CO2+e-+H+,而陽極電極反應(yīng)式為2H2O-4e-4H++O2↑,A項正確;陰極電極反應(yīng)式為+2CO2+2H++2e-+,陽極電極反應(yīng)式為2H2O-4e-4H++O2↑,相同條件下,兩極轉(zhuǎn)移一樣多的電子,如轉(zhuǎn)移4 mol電子時,陰極消耗4 mol二氧化碳、陽極生成1 mol氧氣,所以陰、陽兩極消耗的或生成的氣體體積之比為4∶1,B項錯誤;活性銀納米顆粒和特殊配體阻止了H+得電子生成H2,故自由基和二氧化碳得電子生成羧酸,C項正確;陰極反應(yīng)消耗H+與陽極電極反應(yīng)生成H+的個數(shù)相等,溶液中H+總數(shù)不變,反應(yīng)消耗了水,使溶液體積減小,則硫酸濃度變大,D項正確。(共30張PPT)
專題四
電化學(xué)
高
考
專
題
攻
略
微專題1　原電池原理及應(yīng)用
專題四　電化學(xué)
1.(2024·江蘇卷)堿性鋅錳電池的總反應(yīng)
為Zn+2MnO2+H2O===ZnO+2MnOOH，
電池構(gòu)造示意圖如圖所示。下列有關(guān)說
法正確的是(　　)
A.電池工作時，MnO2發(fā)生氧化反應(yīng)
B.電池工作時，OH-通過隔膜向正極移動
C.環(huán)境溫度過低，不利于電池放電
D.反應(yīng)中每生成1 mol MnOOH，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2×6.02×1023
電池工作時，MnO2為正極，得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，A項錯誤;電池工作時，OH-通過隔膜向負(fù)極移動，B項錯誤；環(huán)境溫度過
低，化學(xué)反應(yīng)速率下降，不利于電池放電，C項正確；由電極反應(yīng)式MnO2+e-+H2O===MnOOH+OH-可知，反應(yīng)中每生成1 mol MnOOH，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為6.02×1023，D項錯誤。
解析
2.(2024·新課標(biāo)卷)一種可植入體內(nèi)的微型電池工作原理如圖所示，通過CuO催化消耗血糖發(fā)電，從而控制血糖濃度。當(dāng)傳感器檢測到血糖濃度高于標(biāo)準(zhǔn)，電池啟動。血糖濃度下降至標(biāo)準(zhǔn)，電池停止工作。(血糖濃度以葡萄糖濃度計)
電池工作時，下列敘述錯誤的是(　　)
A.電池總反應(yīng)為2C6H12O6+O2===2C6H12O7
B.b電極上CuO通過Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互轉(zhuǎn)變起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖，理論上a電極有0.4 mmol電子流入
D.兩電極間血液中的Na+在電場驅(qū)動下的遷移方向為b→a
由題中信息可知，當(dāng)電池開始工作時，a電極為電池正極，血液中的O2在a電極上得電子生成OH-，電極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O===
4OH-；b電極為電池負(fù)極，Cu2O在b電極上失電子轉(zhuǎn)化成CuO，電極反應(yīng)式為Cu2O-2e-+2OH-===2CuO+H2O，然后葡萄糖被CuO氧化為葡萄糖酸，CuO被還原為Cu2O，則電池總反應(yīng)為2C6H12O6+
O2===2C6H12O7，A項正確；b電極上CuO將葡萄糖氧化為葡萄糖酸后被還原為Cu2O，Cu2O在b電極上失電子轉(zhuǎn)化成CuO，在這個
解析
過程中CuO的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)保持不變，因此，CuO通過Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互轉(zhuǎn)變起催化作用，B項正確；根據(jù)反應(yīng)2C6H12O6+O2
===2C6H12O7可知，1 mol C6H12O6參加反應(yīng)時轉(zhuǎn)移2 mol電子，18 mg C6H12O6的物質(zhì)的量為0.1 mmol，則消耗18 mg葡萄糖時，理論上a電極有0.2 mmol電子流入，C項錯誤；原電池中陽離子從負(fù)極移向正極遷移，故Na+遷移方向為b→a，D項正確。
解析
3.(2024·河北卷)我國科技工作者設(shè)計了如圖所示的可充電Mg-CO2電池，以Mg(TFSI)2為電解質(zhì)，電解液中加入1，3-丙二胺(PDA)以捕獲CO2，使放電時CO2還原產(chǎn)物為MgC2O4。該設(shè)計克服了MgCO3導(dǎo)電性差和釋放CO2能力差的障礙，同時改善了Mg2+的溶劑化環(huán)境，提高了電池充放電循環(huán)性能。
下列說法錯誤的是(　　)
A.放電時，電池總反應(yīng)為2CO2+Mg===MgC2O4
B.充電時，多孔碳納米管電極與電源正極連接
C.充電時，電子由Mg電極流向陽極，Mg2+向陰極遷移
D.放電時，每轉(zhuǎn)移1 mol電子，理論上可轉(zhuǎn)化1 mol CO2
放電時正極反應(yīng)式為Mg2++2CO2+2e-===MgC2O4，負(fù)極反應(yīng)式為Mg-2e-===Mg2+，將放電時正、負(fù)電極反應(yīng)式相加，可得放電時電池總反應(yīng)Mg+2CO2===MgC2O4，A項正確；充電時，多孔碳納米管電極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，則多孔碳納米管在充電時是陽極，與電源正極連接，B項正確；充電時，Mg電極為陰極，電子從電源負(fù)極經(jīng)外電路流向Mg電極，同時Mg2+向陰極遷移，C項錯
解析
誤；根據(jù)放電時的電極反應(yīng)式Mg2++2CO2+2e-===MgC2O4可知，每轉(zhuǎn)移2 mol電子，有2 mol CO2參與反應(yīng)，因此每轉(zhuǎn)移1 mol電子,理論上可轉(zhuǎn)化1 mol CO2，D項正確。
解析
4.(2024·安徽卷)我國學(xué)者研發(fā)出一種新型水系鋅電池，其示意圖如圖。該電池分別以Zn-TCPP(局部結(jié)構(gòu)如標(biāo)注框內(nèi)所示)形成的穩(wěn)定超分子材料和Zn為電極，以ZnSO4和KI混合液為電解質(zhì)溶液。下列說法錯誤的是(　　)
A.標(biāo)注框內(nèi)所示結(jié)構(gòu)中存在共價鍵和配位鍵
B.電池總反應(yīng)為+Zn Zn2++3I-
C.充電時，陰極被還原的Zn2+主要來自Zn-TCPP
D.放電時，消耗0.65 g Zn，理論上轉(zhuǎn)移0.02 mol電子
標(biāo)注框內(nèi)所示結(jié)構(gòu)屬于配合物，配位體中存在碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳氮單鍵、碳氮雙鍵和碳?xì)滏I等多種共價鍵，還有由N原子提供孤電子對、Zn2+提供空軌道形成的配位鍵，A項正確；由圖中
解析
信息可知，該新型水系鋅電池的負(fù)極是鋅、正極是超分子材料，負(fù)極的電極反應(yīng)式為Zn-2e-===Zn2+，正極電極反應(yīng)為+2e-===3I-,則電池總反應(yīng)為+Zn Zn2++3I-，B項正確；充電時，陰極電
極反應(yīng)式為Zn2++2e-===Zn，被還原的Zn2+主要來自電解質(zhì)溶液，C項錯誤；放電時，負(fù)極的電極反應(yīng)式為Zn-2e-===Zn2+，因此消耗0.65 g Zn(物質(zhì)的量為0.01 mol)，理論上轉(zhuǎn)移0.02 mol電子，D項正確。
解析
1.圖解原電池工作原理
2.原電池正、負(fù)極的判斷方法
3.電極反應(yīng)式的書寫
4.可充電電池題目的解答思路
1.(2024·全國甲卷)科學(xué)家使用δ-MnO2研制了一種MnO2-Zn可充電電池(如圖所示)。電池工作一段時間后，MnO2電極上檢測到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列敘述正確的是(　　)
A.充電時，Zn2+向陽極方向遷移
B.充電時，會發(fā)生反應(yīng)Zn+2MnO2===ZnMn2O4
C.放電時，正極反應(yīng)有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.放電時，Zn電極質(zhì)量減少0.65 g，MnO2電極生成了0.020 mol MnOOH
充電時該裝置為電解池，電解池中陽離子向陰極遷移，即Zn2+向陰極方向遷移，A項不正確；電池的總反應(yīng)為Zn+2MnO2+2H2O
2MnOOH+2OH-+Zn2+(主要)，Zn+2MnO2 ZnMn2O4，充電時會發(fā)生ZnMn2O4===Zn+2MnO2，B項不正確；放電時MnO2電極為正極，正極上檢測到MnOOH和少量ZnMn2O4，則正極上主要發(fā)生的電極反應(yīng)是MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-，C項正確；放電
解析
時，Zn電極質(zhì)量減少0.65 g(物質(zhì)的量為0.010 mol)，電路中轉(zhuǎn)移0.020 mol電子，由正極的主要反應(yīng)MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-可知，若正極上只有MnOOH生成，則生成MnOOH的物質(zhì)的量為0.020 mol，但是正極上還有ZnMn2O4生成，因此，MnOOH的物質(zhì)的量小于0.020 mol，D項不正確。
解析
2.(2024·長春質(zhì)檢)某研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)向鋰空氣電池(2Li+O2 Li2O2)的有機電解液中添加LiNO3，充電時可發(fā)生如圖轉(zhuǎn)化(圖中所示不完全)而使充電過程更穩(wěn)定。下列說法錯誤的是(　　)
A.電極Li與反應(yīng)生成和Li2O
B.充電時，陽極區(qū)域涉及反應(yīng)：Li2O2+2NO2===2Li++O2+2
C.充電時，每轉(zhuǎn)移1 mol電子，陽極質(zhì)量增加23 g
D.放電時，Li+由a極移至b極
電解液中的由Li與反應(yīng)得來，故電極Li與發(fā)生反應(yīng)2Li+===Li2O+，A項正確；由題圖可知，充電時，發(fā)生
解析
反應(yīng)：-e-===NO2和Li2O2+2NO2===2Li++O2+2，即在陽極區(qū)產(chǎn)生氧氣，B項正確；充電時，陽極反應(yīng)式為Li2O2-2e-===2Li+
+O2↑，每轉(zhuǎn)移1 mol電子，陽極消耗0.5 mol Li2O2，質(zhì)量減少23 g,
C項錯誤；由上述分析可知，充電時b為陽極，a為陰極，則放電時a為負(fù)極，b為正極，Li+由負(fù)極(a極)移至正極(b極)，D項正確。
解析
3.(2024·東北三省三校三模)甲酸燃料電池裝置如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.物質(zhì)A是H2SO4
B.半透膜是陽離子交換膜
C.a極電極反應(yīng)式為HCOO-+2e-+2H+===+H2O
D.Fe3+可以看作是該反應(yīng)的催化劑，可以循環(huán)利用
鐵的兩種離子存在環(huán)境為酸性，且生成物為K2SO4，故物質(zhì)A為H2SO4，A項正確；裝置中K+由負(fù)極流向正極，則半透膜是陽離子交換膜，B項正確；a電極上HCOOH被氧化為HC，其電極反應(yīng)式為HCOO--2e-+2OH-===+H2O，C項錯誤；Fe3+先被還原為Fe2+，F(xiàn)e2+又被O2氧化生成Fe3+，F(xiàn)e3+可以循環(huán)，可看作是該反應(yīng)的催化劑，D項正確。
解析
4.(2024·石家莊質(zhì)檢)高性能鈉型電池工作
原理如圖所示，電池反應(yīng)為Cx(PF6)+NaSn
Cx+Sn+NaPF6。下列說法正確的是
(　　)
A.放電時，a為正極
B.充電時，陰極反應(yīng)為Sn+Na++e-===NaSn
C.放電時，Sn在很大程度上被腐蝕
D.充電時，當(dāng)電路中通過1 mol e-，理論上有1 mol P從石墨烯中脫嵌并向左遷移
根據(jù)電池反應(yīng)可知，放電時，NaSn電極為負(fù)極，失電子生成Na+和Sn，即a電極為負(fù)極，A項錯誤；充電時，NaSn電極為陰極，Na+得電子與Sn反應(yīng)生成NaSn，電極反應(yīng)式正確，B項正確；放電時，NaSn電極為負(fù)極，失電子生成Na+和Sn，Sn未被腐蝕，C項錯誤；充電時，陽極上失電子結(jié)合Cx生成Cx(PF6)，電極反應(yīng)式為-e-+Cx===Cx(PF6)，當(dāng)電路中通過1 mol電子時，理論上有1 mol 失電子向陽極移動，并嵌入石墨烯中，D項錯誤。
解析(共24張PPT)
專題四
電化學(xué)
高
考
專
題
攻
略
微專題2　電解原理及應(yīng)用
專題四　電化學(xué)
1.(2024·湖南卷)在KOH水溶液中，電化學(xué)方法合成高能物質(zhì)K4C6N16時，伴隨少量O2生成，電解原理如圖所示，下列說法正確的是(　　)
A.電解時，OH-向Ni電極移動
B.生成C6的電極反應(yīng)：2C3N8H4+8OH--4e-===C6+8H2O
C.電解一段時間后，溶液pH升高
D.每生成1 mol H2的同時，生成0.5 mol K4C6N16
由電解原理圖可知，Ni電極產(chǎn)生氫氣，為陰極，Pt電極為陽極，電解過程中，陰離子向陽極移動，即OH-向Pt電極移動，A項錯誤;
Pt電極上C3N8H4失去電子生成C6，電解質(zhì)溶液為KOH水溶液,電極反應(yīng)為2C3N8H4+8OH--4e-===C6+8H2O，B項正確；陽極
解析
主要反應(yīng)為2C3N8H4-4e-+8OH-===C6+8H2O，陰極反應(yīng)為2H2O
+2e-===H2↑+2OH-，則電解過程中發(fā)生的總反應(yīng)主要為2C3N8H4+
4OH-===C6+4H2O+2H2↑，反應(yīng)消耗OH-，生成H2O，電解一段時間后，溶液pH降低，C項錯誤；根據(jù)電解總反應(yīng)2C3N8H4+4OH-===C6+4H2O+2H2↑可知，每生成1 mol H2，生成0.5 mol K4C6N16，但Pt電極伴隨少量O2生成，發(fā)生電極反應(yīng)4OH--4e-===
O2↑+2H2O，則生成1 mol H2時得到的部分電子是由OH-放電產(chǎn)生O2提供，所以生成的K4C6N16小于0.5 mol，D項錯誤。
解析
2.(2024·甘肅卷)某固體電解池工作原理如圖所示，下列說法錯誤的是(　　)
A.電極1的多孔結(jié)構(gòu)能增大與水蒸
氣的接觸面積
B.電極2是陰極，發(fā)生還原反應(yīng)：
O2+4e-===2O2-
C.工作時O2-從多孔電極1遷移到多孔電極2
D.理論上電源提供2 mol e-能分解1 mol H2O
電極1的多孔結(jié)構(gòu)能增大電極的表面積，增大與水蒸氣的接觸面積,
A項正確；多孔電極2上O2-發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成O2(g)，多孔電極2為陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)2O2--4e-===O2↑，B項錯誤；工作時,陰離子O2-向陽極移動，即O2-從多孔電極1遷移到多孔電極2，C項正確；多孔電極1上H2O(g)發(fā)生得電子的還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化成H2(g)，多孔電極1為陰極，電極反應(yīng)為2H2O+4e-===2H2+2O2-，多孔電極2為
解析
陽極，電極反應(yīng)為2O2--4e-===O2，電解總反應(yīng)為2H2O(g) 2H2
+O2，分解2 mol H2O轉(zhuǎn)移4 mol電子，則理論上電源提供2 mol電子能分解1 mol H2O，D項正確。
解析
3.(2024·山東卷)以不同材料修飾的Pt為電極，一定濃度的NaBr溶液為電解液，采用電解和催化相結(jié)合的循環(huán)方式，可實現(xiàn)高效制H2和O2，裝置如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.電極a連接電源負(fù)極
B.加入Y的目的是補充NaBr
C.電解總反應(yīng)式為Br-+3H2O +3H2↑
D.催化階段反應(yīng)產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為n(Z)∶n(Br-)=3∶2
電極b上Br-發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成，電極b為陽極，電極反應(yīng)為Br--6e-+3H2O===+6H+；則電極a為陰極，電極a的電極反應(yīng)為6H++6e-===3H2↑；電解總反應(yīng)式為Br-+3H2O +
3H2↑；催化循環(huán)階段被還原成Br-循環(huán)使用，同時生成O2，實現(xiàn)高效制H2和O2，即Z為O2。電極a為陰極，連接電源負(fù)極，A項正確；電解過程中消耗H2O和Br-，而催化階段被還原成Br-循
解析
環(huán)使用，故加入Y的目的是補充H2O，維持NaBr溶液為一定濃度,
B項錯誤；電解總反應(yīng)式為Br-+3H2O +3H2↑，C項正確；催化階段，Br元素的化合價由+5價降至-1價，生成1 mol Br-得到6 mol電子，O元素的化合價由-2價升至0價，生成1 mol O2失去4 mol電子，根據(jù)得失電子守恒，反應(yīng)產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為n(O2)∶
n(Br-)=6∶4=3∶2，D項正確。
解析
1.圖解電解池的工作原理
2.解答電解類問題的一般步驟
分析電解過程的思維程序：
(1)首先判斷陰、陽極，分析陽極材料是惰性電極還是活性電極。
(2)再分析電解質(zhì)水溶液的組成，找全離子并分陰、陽兩組(不要忘記水溶液中的H+和OH-)。
(3)然后排出陰、陽兩極的放電順序。
電解池陰、陽兩極的放電順序
3.電解計算破題“3方法”
1.(2023·浙江1月選考)在熔融鹽體系中，
通過電解TiO2和SiO2獲得電池材料(TiSi)，
電解裝置如圖，下列說法正確的是(　　)
A.石墨電極為陰極，發(fā)生氧化反應(yīng)
B.電極A的電極反應(yīng)：8H++TiO2+SiO2+8e-
===TiSi+4H2O
C.該體系中，石墨優(yōu)先于Cl-參與反應(yīng)
D.電解時，陽離子向石墨電極移動
由圖可知，電解時，石墨電極上C轉(zhuǎn)化為CO，發(fā)生氧化反應(yīng)，為陽極，與電源正極相連，則電極A作陰極，TiO2和SiO2獲得電子產(chǎn)生電池材料(TiSi)，電極反應(yīng)為TiO2+SiO2+8e-===TiSi+4O2-。石墨電極為陽極，A項錯誤；電極A的電極反應(yīng)為TiO2+SiO2+8e-===
TiSi+4O2-，B項錯誤；根據(jù)圖中信息可知，該體系中，石墨優(yōu)先于Cl-參與反應(yīng)，C項正確；電解池中石墨電極為陽極，陽離子向陰極(電極A)移動，D項錯誤。
解析
2.氮氣電解催化裝置可以實現(xiàn)同時制備
銨鹽和硝酸鹽，利用雙極膜(M、N)將
水解離成H+、OH-，還可以濃縮溶液
(圖中進(jìn)、出氣通道及部分反應(yīng)均省略)。
下列說法正確的是(　　)
A.a端的電勢比b端高
B.M、N分別為陰、陽離子交換膜
C.相同時間內(nèi)X、Y電極上消耗的氮氣質(zhì)量比為5∶3
D.陰極室的總反應(yīng)為N2+6e-+6H2O===2NH3+6OH-
由圖可知，X極氮氣發(fā)生還原反應(yīng)，即X為陰極，a與電源負(fù)極相連，所以a端電勢比b端低，A項錯誤；根據(jù)題干信息可推知，左側(cè)制備銨鹽，所以H+透過M膜進(jìn)入陰極室，故M為陽離子交換膜，同理可得N為陰離子交換膜，B項錯誤；X極上氮元素從0價降低至-3價，Y極上氮元素從0價升高至+5價，由得失電子守恒可得，X、Y電極上消耗的氮氣質(zhì)量比為5∶3，C項正確；陰極室發(fā)生的總反應(yīng)中應(yīng)有生成，D項錯誤。
解析
解析
解析(共50張PPT)
攻難點
專題四 電化學(xué)
(二)　電化學(xué)中膜的應(yīng)用
核心考點 三年考情 命題預(yù)測
新型電池 2024河北T13，可充電Mg-CO2電池 [命題特點]
多以選擇題的形式考查電極的判斷、電極反應(yīng)式的書寫、電極附近溶液性質(zhì)的變化、電子(或離子)移動方向的判斷、利用守恒關(guān)系進(jìn)行相關(guān)計算等。
[創(chuàng)新考法]
裝置與原理呈現(xiàn)創(chuàng)新性、前沿性的趨勢，如以新概念、新反應(yīng)為載體等；考點的融合性增強，如結(jié)合反應(yīng)機理圖像、晶胞結(jié)構(gòu)、化學(xué)實驗等。
2023遼寧T11，儲能電池； 2023山東T11，利用熱再生氨電池可實現(xiàn)CuSO4電鍍廢液的濃縮再生
2022全國甲卷T10，水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池； 2022全國乙卷T12，充電Li-O2電池； 2022湖南T8，鋰-海水電池
電解應(yīng)用 2024廣東T16，氯堿工業(yè)； 2024湖北T14，雙位點PbCu電催化劑，用H2C2O4和NH2OH電化學(xué)催化合成甘氨酸； 2024黑吉遼T12，耦合HCHO高效制H2
2023廣東T16，“卯榫”結(jié)構(gòu)雙極膜電解池； 2023湖北T10，海水直接制備氫氣技術(shù)； 2023浙江T13，氯堿工業(yè)
2022山東T15，利用電解原理和原電池原理回收金屬鈷
1.(2024·廣東卷)一種基于氯堿工藝的新型電解池(如圖)，可用于濕法冶鐵的研究。電解過程中，下列說法不正確的是(　　)
A.陽極反應(yīng)：2Cl--2e-===Cl2↑
B.陰極區(qū)溶液中OH-濃度逐漸升高
C.理論上每消耗1 mol Fe2O3，陽極室溶液減少213 g
D.理論上每消耗1 mol Fe2O3，陰極室物質(zhì)最多增加138 g
左側(cè)電極Fe2O3在堿性條件下轉(zhuǎn)化為Fe，為陰極，右側(cè)電極為陽極,陽極反應(yīng)為2Cl--2e-===Cl2↑，A項正確；陰極反應(yīng)為Fe2O3+6e-+3H2O===2Fe+6OH-，消耗水產(chǎn)生OH-，陰極區(qū)溶液中OH-濃度逐漸升高，B項正確；理論上每消耗1 mol Fe2O3轉(zhuǎn)移6 mol電子，產(chǎn)生3 mol Cl2，同時有6 mol Na+由陽極轉(zhuǎn)移至陰極，則陽極室溶液減少3×71 g+6×23 g=351 g，C項錯誤；理論上每消耗1 mol Fe2O3轉(zhuǎn)移6 mol電子，有6 mol Na+由陽極轉(zhuǎn)移至陰極，陰極室物質(zhì)最多增加6×23 g=138 g，D項正確。
解析
2.(2023·遼寧卷)某低成本儲能
電池原理如圖所示。下列說法
正確的是(　　)
A.放電時負(fù)極質(zhì)量減小
B.儲能過程中電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能
C.放電時右側(cè)H+通過質(zhì)子交換膜移向左側(cè)
D.充電總反應(yīng)：Pb+S+2Fe3+===PbSO4+2Fe2+
該儲能電池放電時，Pb為負(fù)極，失電子結(jié)合硫酸根離子生成PbSO4，則多孔碳電極為正極，正極上Fe3+得電子轉(zhuǎn)化為Fe2+；充電時，多孔碳電極為陽極，F(xiàn)e2+失電子生成Fe3+，PbSO4電極為陰極，PbSO4得電子生成Pb和S。放電時負(fù)極上Pb失電子結(jié)合硫酸根離子生成PbSO4附著在負(fù)極上，負(fù)極質(zhì)量增大，A項錯誤；儲能過程中，該裝置為電解池，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，B項正確；放電時，右側(cè)為正極，電解質(zhì)溶液中的陽離子向正極移動，左側(cè)的H+通過質(zhì)子交換膜移向右側(cè)，C項錯誤；充電時，總反應(yīng)為PbSO4+2Fe2+===Pb+S+2Fe3+，D項錯誤。
解析
A.充電時，b電極上發(fā)生還原反應(yīng)
B.充電時，外電源的正極連接b電極
C.放電時，①區(qū)溶液中的向②區(qū)遷移
D.放電時，a電極的電極反應(yīng)式為MnO2+4H+
+2e-===Mn2++2H2O
解析
解析
　　交換膜裝置的題很多，重點在避免副反應(yīng)、分離提純、提高電池效率、定量分析計算、反應(yīng)物再生、工業(yè)制備等方面進(jìn)行命題，且從單膜到多膜，單室到多室，漸趨復(fù)雜。
1.常見的離子交換膜
種類 允許通過的離子及移動方向 說明
陽離子 交換膜 陽離子→移向電解池的陰極或原電池的正極 陰離子和氣體不能通過
陰離子 交換膜 陰離子→移向電解池的陽極或原電池的負(fù)極 陽離子和氣體不能通過
質(zhì)子 交換膜 質(zhì)子→移向電解池的陰極或原電池的正極 只允許H+通過
2.離子交換膜的作用
(1)平衡左、右兩側(cè)電荷，得到穩(wěn)定電流。
甲池中發(fā)生反應(yīng)：Zn-2e-===Zn2+，導(dǎo)致c(Zn2+)增大，乙池中發(fā)生反應(yīng)：Cu2++2e-===Cu，導(dǎo)致c(Cu2+)減小，而陽離子交換膜只允許陽離子通過，故要得到穩(wěn)定的電流，甲池中的Zn2+通過陽離子交換膜進(jìn)入乙池，保持溶液中的電荷平衡，而陰離子并不通過交換膜，所以c(S)保持不變。
(2)阻隔某些離子或分子，防止某些副反應(yīng)的發(fā)生。
氯堿工業(yè)以電解精制飽和食鹽水的方法制Cl2、H2、NaOH和氯的含氧酸鹽等系列化工產(chǎn)品，利用陽離子交換膜將電解槽隔成陽極室和陰極室；只允許陽離子通過，能阻止陰離子和氣體通過；既能阻止H2和Cl2混合爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成的NaClO影響燒堿質(zhì)量。
(3)制備某些特定產(chǎn)品。
用NaOH溶液吸收煙氣中的SO2，將所得的Na2SO3溶液進(jìn)行電解，可循環(huán)再生NaOH，同時得到H2SO4，其原理如圖所示。
圖中離子移動的方向是Na+(陽離子)穿過陽離子交換膜向左池移動，左池為陰極室，a為陰極；S(陰離子)穿過陰離子交換膜向右池移動，右池為陽極室，b為陽極，左池中陰極電極反應(yīng)式為2H2O+2e-===H2↑+2OH-，導(dǎo)致陰極區(qū)域c(OH-)增大，放置陽離子交換膜可讓Na+向陰極定向移動，從而產(chǎn)生高濃度的NaOH溶液。右池中陽極電極反應(yīng)式為S-2e-+H2O===S+2H+，陽極室中陰離子交換膜可使S移向陽極，而發(fā)生上述反應(yīng)，故在陽極區(qū)產(chǎn)生高濃度的硫酸。
3.離子交換膜類型的判斷
首先判斷隔膜的用途是制取物質(zhì)還是避免電極產(chǎn)物之間發(fā)生反應(yīng)，然后根據(jù)電解質(zhì)溶液呈電中性的原則，判斷膜的類型。方法如下：先明確電極產(chǎn)物，寫出陰、陽兩極上的電極反應(yīng)；再依據(jù)電極反應(yīng)式判斷該電極附近哪種離子有剩余，結(jié)合溶液呈電中性的原則，判斷離子移動的方向，確定離子交換膜的類型。
例如，確定電解飽和食鹽水裝置(如圖)中離子交換膜類型可使用如下方法。
方法一 陰極反應(yīng)式為2H2O+2e-===H2↑+2OH-，則陰極區(qū)域破壞了水的電離平衡，OH-濃度增大，陽極區(qū)域的Na+穿過離子交換膜進(jìn)入陰極室，與OH-結(jié)合生成NaOH，故電解食鹽水中的離子交換膜是陽離子交換膜
方法二 由圖可知，陽極加入飽和食鹽水，出去的是淡鹽水并生成Cl2，故陽極反應(yīng)式為2Cl--2e-===Cl2↑，根據(jù)溶液呈電中性原則，陽極區(qū)Na+多于Cl-，則Na+向陰極區(qū)移動，故電解食鹽水中的離子交換膜是陽離子交換膜
[例]　(2024·湖北卷)我國科學(xué)家設(shè)計了一種雙位點PbCu電催化劑，用H2C2O4和NH2OH電化學(xué)催化合成甘氨酸，原理如圖，雙極膜中H2O解離的H+和OH-在電場作用下向兩極遷移。已知在KOH溶液中，甲醛轉(zhuǎn)化為HOCH2O-，存在平衡HOCH2O-+OH- [OCH2O]2-+H2O。Cu電極上發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)為[OCH2O]2--e-===HCOO-+H·。下列說法錯誤的是(　　)
A.電解一段時間后陽極區(qū)c(OH-)減小
B.理論上生成1 mol H3N+CH2COOH雙極膜中有4 mol H2O解離
C.陽極總反應(yīng)式為2HCHO+4OH--2e-===2HCOO-+H2↑+2H2O
D.陰極區(qū)存在反應(yīng)H2C2O4+2H++2e-===CHOCOOH+H2O
電解過程中，陽極區(qū)消耗OH-、同時生成H2O，故電解一段時間后陽極區(qū)c(OH-)減小，A項正確；陰極區(qū)的總反應(yīng)為H2C2O4+HO—N+H3+6e-+6H+===H3N+CH2COOH+3H2O，1 mol H2O解離成1 mol H+和1 mol OH-，故理論上生成1 mol H3N+CH2COOH雙極膜中有6 mol H2O解離，B項錯誤；結(jié)合裝置圖，陽極總反應(yīng)為2HCHO-2e-+4OH-===2HCOO-+H2↑+2H2O，C項正確；陰極區(qū)的Pb上發(fā)生反應(yīng)H2C2O4+2e-+2H+===OHC—COOH+H2O，D項正確。
解析
1.(2024·長春質(zhì)檢)我國科學(xué)家開發(fā)出一種雙極制氫系統(tǒng)，在低電池電壓下的KOH介質(zhì)中，可將醛類物質(zhì)電催化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的羧酸鹽和氫氣，其工作原理如圖所示。下列說法不正確的是(　　)
A.泡沫銅與直流電源的正極相連
B.制得1 mol氫氣，理論上外電路中遷移了2 mol電子
C.高電壓下不能實現(xiàn)雙極制氫的原因可能是Cu被氧化從而使催化劑失活
D.泡沫銅電極上發(fā)生的反應(yīng)可能為2R—CHO+4OH--2e-===2R—COO-+H2↑+2H2O
泡沫銅上醛基轉(zhuǎn)化為羧基，發(fā)生氧化反應(yīng)，所以泡沫銅為陽極，與電源的正極相連，A項正確；陽極反應(yīng)為2R—CHO+4OH--2e-===2R—COO-+H2↑+2H2O，陰極反應(yīng)為2H2O+2e-===2OH-+ H2↑，制得1 mol氫氣，則陽極、陰極各產(chǎn)生0.5 mol氫氣，轉(zhuǎn)移1 mol電子，B項錯誤；銅為金屬，作為陽極，若電壓過高，Cu會被氧化,使催化劑失活，C項正確；泡沫銅上醛基轉(zhuǎn)化為羧基，失電子被氧化，羧酸鹽在堿性環(huán)境中穩(wěn)定存在，根據(jù)電子守恒、元素守恒可得電極反應(yīng)為2R—CHO+4OH--2e-===2R—COO-+H2↑+2H2O，D項正確。
解析
2.中科院大連化物所儲能技術(shù)研究部提出了一種基于Br-輔助MnO2放電的混合型液流電池，裝置如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.充電時，H+向電極A遷移
B.放電時，在該環(huán)境下的氧化性：Cr2+>Mn3+
C.充電時，電極B上還可能發(fā)生反應(yīng)：2Br--2e-===Br2
D.放電過程中，可利用Br-及時清除電極B上的“死錳”(MnO2)，提高充放電過程的可逆性
由裝置圖可知充電時電極A上發(fā)生反應(yīng)Cr2++2e-===Cr，發(fā)生還原反應(yīng)，所以電極A為陰極，H+向陰極移動，A項正確；放電時總反應(yīng)方程式為2Mn3++Cr===Cr2++2Mn2+，所以氧化性Mn3+>Cr2+，B項錯誤；充電時電極B上發(fā)生氧化反應(yīng)，所以電極B還可能發(fā)生反應(yīng)2Br--2e-===Br2，C項正確；MnO2沉積在電極B上，會影響充放電進(jìn)行，Br-具有還原性，可將MnO2還原為Mn2+，提高充放電過程的可逆性，D項正確。
解析
3.微生物脫鹽電池既可以處理廢水中的乙酸和銨鹽，又可以實現(xiàn)海水淡化，原理如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.離子交換膜a為陽離子交換膜，
b為陰離子交換膜
B.出口R處一定為純水
C.生成CO2的電極反應(yīng)式為CH3COOH+2H2O-8e-===2CO2↑+8H+
D.M極每生成0.1 mol CO2，理論上可以從模擬海水中除去117 g NaCl
該裝置為原電池，廢水中的CH3COOH轉(zhuǎn)化為CO2，發(fā)生氧化反應(yīng),則電極M為負(fù)極，電極N為正極；原電池工作時，陰離子移向負(fù)
極，陽離子移向正極，即海水中的Na+通過陽離子交換膜b移向N極，Cl-通過陰離子交換膜a移向M極，可實現(xiàn)海水淡化，出口R為淡水。a為陰離子交換膜，b為陽離子交換膜，A項錯誤；出口R處為淡水，B項錯誤；廢水中的CH3COOH失去電子生成CO2，電極
解析
反應(yīng)式為CH3COOH+2H2O-8e-===2CO2↑+8H+，C項正確；M電極反應(yīng)式為CH3COOH+2H2O-8e-===2CO2↑+8H+，M極每生成0.1 mol CO2的同時轉(zhuǎn)移0.4 mol e-，則有0.4 mol Cl-移向M極，可從海水中除去0.4 mol NaCl，其質(zhì)量為23.4 g，D項錯誤。
解析
4.羥基自由基(·OH)具有很強的氧化性，能將苯酚氧化為CO2和
H2O。我國科學(xué)家開發(fā)出如圖所示裝置，能實現(xiàn)制備氫氣、處理
含苯酚廢水二位一體。下列說法正確的是(　　)
A.d電極的電極反應(yīng)式：H2O-e-===·OH+H+
B.再生池中發(fā)生的反應(yīng)為V2++H+ V3++H2
C.a為電源負(fù)極，m為陰離子交換膜，Na2SO4能增強導(dǎo)電性
D.氣體X與Y在相同條件下的體積比為3∶7
解析
解析
5.(2024·保定模擬)用一種陰、陽離子雙隔膜三室電解槽處理廢液中的，實現(xiàn)其回收利用。a、b分別是一類離子選擇透過膜，模擬裝置如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時，有11.2 L H2生成
B.a是陽離子選擇透過膜
C.最終的處理產(chǎn)物中可能有(NH4)3PO4
D.電解一段時間后，陰極室溶液中的pH先升高后降低
C為陰極，電極方程式為2H++2e-===H2↑，則當(dāng)電路中通過1 mol電子的電量時，陰極有0.5 mol的氣體生成，題干未說是標(biāo)準(zhǔn)狀況下,無法計算其體積，A項錯誤；Fe為陽極，陽極上Fe失電子發(fā)生氧
解析
化反應(yīng)生成Fe2+，電極反應(yīng)式為Fe-2e-===Fe2+，該電極裝置處理廢
液中的N，則N通過陽離子交換膜進(jìn)入陰極區(qū)，S通過陰離子交換膜進(jìn)入陽極區(qū)，因此a是陰離子選擇透過膜，B項錯誤；電解時，溶液中N向陰極室移動，H+放電生成H2，溶液中OH-和N結(jié)合生成電解質(zhì)NH3·H2O，NH3·H2O可以和磷酸反應(yīng)生成(NH4)3PO4或NH4H2PO4、(NH4)2HPO4，C項正確；電解時陰極區(qū)電極方程式為2H++2e-===H2↑，氫離子濃度減少，pH增大，D項錯誤。
解析
6.(2024·肇慶質(zhì)檢)雙極膜是一種復(fù)合膜，在直流電作用下，能把中間界面內(nèi)的H2O解離為H+和OH-，并使離子定向通過。
以鉛酸蓄電池為電源(放電時總反應(yīng)為Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+
2H2O)，利用雙極膜電解獲得NaOH與H3PO4的原理如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.N膜為陽離子交換膜
B.產(chǎn)品室2中溶液pH逐漸增大
C.產(chǎn)品室1中反應(yīng)為H2+2OH-===+2H2O
D.雙極膜共解離4 mol H2O時，理論上鉛酸蓄電池中生成2 mol PbSO4
由題圖可知，電解池工作時陽離子向陰極遷移，由于H+向電極a移動，即電極a為陰極，那么電極b為陽極， M膜為陽離子交換膜，原料室中Na+通過M膜進(jìn)入產(chǎn)品室1得到NaOH，N膜為陰離子交換膜，原料室中H2P通過N膜進(jìn)入產(chǎn)品室2，與雙極膜產(chǎn)生的氫離子反應(yīng)生成磷酸，產(chǎn)品室2中溶液pH逐漸減小，A、B兩項錯誤；原料室中鈉離子通過M膜進(jìn)入產(chǎn)品室1得到NaOH，C項錯誤；雙
解析
極膜共解離4 mol H2O，即電極a、b處各解離2 mol H2O，電極a的電極反應(yīng)式為2H++2e-===H2↑，解離2 mol H2O得到2 mol H+，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2 mol，結(jié)合反應(yīng)Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O，理論上鉛蓄電池中生成2 mol PbSO4，D項正確。
解析
7.(2024·邯鄲二調(diào))羥基自由基(·OH)是自然界中氧化性僅次于氟的氧化劑。我國科學(xué)家設(shè)計了一種能將苯酚氧化為CO2和H2O的原電池—電解池組合裝置，實現(xiàn)了發(fā)電、環(huán)保兩位一體。下列說法錯誤的是(　　)
A.a是正極，c是陰極
B.氧化1 mol苯酚，理論上NaCl溶液中減少的離子為20NA
C.電池工作時，b極電極反應(yīng)為C6H5OH-28e-+11H2O===6CO2↑+28H+
D.d極電極反應(yīng)為H2O-e-===H++·OH
題圖中裝置，左邊為原電池，a上鉻元素由+6價變?yōu)?3價，得電子發(fā)生還原反應(yīng)，a是正極，b是負(fù)極，右邊是電解池，c是陰極，d是陽極，A項正確；原電池工作時，a極上Cr2得電子生成Cr(OH)3，發(fā)生反應(yīng)Cr2+6e-+7H2O===2Cr(OH)3↓+8OH-，b極電
解析
極反應(yīng)為C6H5OH-28e-+11H2O===6CO2↑+28H+，1 mol C6H5OH參與反應(yīng)轉(zhuǎn)移28 mol電子，理論上a極有28 mol OH-、b極有28 mol H+進(jìn)入氯化鈉溶液中生成水，NaCl溶液中離子數(shù)幾乎不變，B項錯誤；原電池工作時，a極Cr2得電子生成Cr(OH)3，發(fā)生反應(yīng)Cr2+6e-+7H2O===2Cr(OH)3↓+8OH-，b極電極反應(yīng)為C6H5OH-28e-+11H2O===6CO2↑+28H+， C項正確；結(jié)合題干信息，·OH是水在d電極上失電子生成的，所以d極電極反應(yīng)為H2O-e-===H++
·OH，D項正確。
解析
8.(2023·湖北卷)我國科學(xué)家設(shè)計如
圖所示的電解池，實現(xiàn)了海水直接
制備氫氣技術(shù)的綠色化。該裝置工
作時陽極無Cl2生成且KOH溶液的
濃度不變，電解生成氫氣的速率為x mol·h-1。下列說法錯誤的是(　　)
A.b電極反應(yīng)式為2H2O+2e-===H2↑+2OH-
B.離子交換膜為陰離子交換膜
C.電解時海水中動能高的水分子可穿過PTFE膜
D.海水為電解池補水的速率為2x mol·h-1
由題圖可知，該裝置為電解水制取氫氣的裝置，a電極與電源正極相連，為電解池的陽極，b電極與電源負(fù)極相連，為電解池的陰極,陰極反應(yīng)為2H2O+2e-===H2↑+2OH-，陽極反應(yīng)為4OH--4e-===O2↑+
2H2O，電池總反應(yīng)為2H2O 2H2↑+O2↑，據(jù)此解答。b電極為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為2H2O+2e-===H2↑+2OH-，A項正確;該裝置工作時陽極無Cl2生成且KOH濃度不變，陽極發(fā)生的電極反
解析
應(yīng)為4OH--4e-===O2↑+2H2O，為保持OH-濃度不變，則陰極產(chǎn)生的OH-要通過離子交換膜進(jìn)入陽極室，即離子交換膜應(yīng)為陰離子交換膜，B項正確；電解時電解槽中不斷有水被消耗，海水中的動能高的水可穿過PTFE膜，為電解池補水，C項正確；由電解總反應(yīng)可知，每生成1 mol H2要消耗1 mol H2O，生成H2的速率為x mol·h-1，則補水的速率也應(yīng)是x mol·h-1，D項錯誤。
解析

展開更多......

收起↑