資源簡介

第四章　化學反應與電能
本章復習提升
易混易錯練
易錯點1　忽視介質信息,錯誤判斷電極產物
1.某燃料電池以乙醇為燃料,氧氣為氧化劑,強堿溶液為電解質溶液。下列有關該電池的說法正確的是 (　　)
A.放電時正極發生氧化反應
B.放電一段時間后,正極附近溶液的pH減小
C.放電時負極反應為C2H5OH+16OH--12e- 2C+11H2O
D.消耗0.2 mol乙醇,有1.2 mol e-轉移
2.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,右側裝置為原電池。下列說法正確的是 (　　)
A.裝置工作一段時間后,乙室應補充鹽酸
B.裝置工作時,甲室溶液pH逐漸增大
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400 mg,則此時已進行過溶液轉移
易錯點2　電池工作原理分析不清楚,導致離子遷移方向或離子交換膜類型判斷錯誤
3.三室式電滲析法處理含NH4NO3廢水的原理如圖所示,在直流電源的作用下,Ⅱ室中的N可通過離子交換膜,而Ⅰ、Ⅲ室中離子被阻擋不能進入Ⅱ室。工作一段時間后,在兩極區均得到副產品NH4NO3。下列敘述正確的是 (　　)
A.a極為電源正極,b極為電源負極
B.c膜是陽離子交換膜,d膜是陰離子交換膜
C.陰極電極反應式為2N+12H++10e- N2↑+6H2O
D.當電路中通過1 mol電子時,會有5.6 L O2生成
4.雙極膜是一種離子交換復合膜,在直流電場作用下能將中間層的水分子解離成H+和OH-,并分別向兩極遷移,用雙極膜電解制備金屬鈷,工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是 (　　)
A.電極a接電源的正極
B.電解過程中陰極區溶液中的S透過陰離子交換膜向左移動
C.當電路中轉移2 mol電子時,陽極產生22.4 L O2(標準狀況)
D.電解池工作時,陰離子交換膜與雙極膜之間的溶液的pH減小
易錯點3　被復雜的情境材料迷惑,不能利用電池的工作原理解決問題
5.我國某科研團隊設計了一種新型能量存儲/轉化裝置(如圖所示)。閉合K2、斷開K1時,制氫并儲能;斷開K2、閉合K1時,供電。下列說法錯誤的是 (　　)
A.制氫時,溶液中K+向Pt電極移動
B.供電時,Zn電極附近溶液的pH不變
C.供電時,X電極發生還原反應
D.制氫時,X電極的電極反應式為Ni(OH)2-e-+OH- NiO(OH)+H2O
6.鈦酸鋰電池由于具有體積小、重量輕、能量密度高、安全穩定、綠色環保等特點,具有非常廣泛的應用前景。其工作原理如圖所示,下列說法正確的是 (　　)
A.放電時,Li+移向N極
B.充電時,M極接外電源的負極
C.充電時,N極的電極反應式為Ti5O12+4Li++4e- Li4Ti5O12
D.用該電池電解精煉銅,當M、N兩極質量變化差為14 g時,理論上可生成64 g精銅
易錯點4　分析不全面,導致離子遷移數目、電解質溶液質量變化等計算錯誤
7.羥基自由基(·OH)是自然界中氧化性僅次于氟的氧化劑。我國科學家設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(如圖所示)。下列說法錯誤的是 (　　)
A.a極為正極,c極為陰極
B.a極區每產生1 mol Cr(OH)3,c極區溶液質量減輕3 g
C.d極的電極反應式為H2O-e- ·OH+H+
D.工作時,如果Ⅱ室中Na+、Cl-數目都減小,則N為陰離子交換膜
8.光電池在光照條件下可產生電流,如圖裝置可以實現光能源的充分利用,雙極膜可將水解離為H+和OH-,并實現其定向移動。下列說法不正確的是 (　　)
A.該裝置可利用光能實現水的分解
B.光照過程中陰極區溶液的pH變小
C.再生池中的反應為2V2++2H+ 2V3++H2↑
D.電路中每有2 mol電子通過,陽極區溶液質量增加2 g
思想方法練
運用守恒思想突破電化學計算題
方法概述
　　轉移電子數相等是聯系電路中各個電極變化的工具,利用守恒思想可以迅速解決電化學相關計算。串聯電路中,各電極上轉移電子的物質的量是相等的,這是電化學計算的依據。
1.電解Na2SO4溶液制備NaOH和H2SO4的裝置示意圖如下。
下列說法不正確的是 (　　)
A.Ⅰ區溶液pH減小
B.Ⅲ區發生電極反應:2H2O+2e- H2↑+2OH-
C.理論上,每生成1 mol NaOH,同時生成0.5 mol H2SO4
D.離子交換膜a為陽離子交換膜
2.在如圖串聯裝置中,通電片刻即發現乙裝置左側電極表面出現紅色固體,則下列說法不正確的是 (　　)
A.當甲中產生4.48 L(標準狀況下)氣體時,丙中Cu電極質量增加21.6 g
B.電解過程中丙中溶液pH無變化
C.向甲中加入適量的鹽酸,可使溶液恢復到電解前的狀態
D.乙中左側電極反應式:Cu2++2e- Cu
3.一種三室微生物燃料電池污水凈化系統原理如圖所示,圖中有機廢水中有機物可用C6H10O5表示。有關說法錯誤的是 (　　)
A.該裝置為原電池,b為原電池的正極
B.a極區溶液的pH增大
C.當左室有4.48 L(標準狀況下)CO2生成時,右室產生的N2為0.08 mol
D.b極的電極反應式:2N+10e-+12H+ N2↑+6H2O
4.如圖所示裝置中,甲、乙、丙三個燒杯依次分別盛放100 g 5% NaOH溶液、足量CuSO4溶液和100 g 10% K2SO4溶液,a、b、c、d、e、f電極均為石墨電極。
(1)接通電源一段時間后,測得丙中K2SO4溶液的質量分數為10.47%,乙中c電極質量增加。
①電源的N端為　　　　極;
②電極b上發生的電極反應為　　　　　　;
③電極b上生成的氣體在標準狀況下的體積為　　　　L;
④電解后丙中溶液的pH　　　　(填“增大”“減小”或“不變”)。
(2)乙裝置中如果電解過程中銅全部析出,此時電解能否繼續進行:　　　　(填“能”或“不能”),原因是　　　　　　　　　　　　　　　。
答案與分層梯度式解析
易混易錯練
1.C 2.A 3.B 4.C 5.B 6.C 7.B 8.D
1.C　燃料電池中,放電時負極發生氧化反應,正極發生還原反應,A錯誤;正極上O2得電子被還原,其電極反應式為O2+4e-+2H2O 4OH-,OH-濃度增大,正極附近溶液的pH增大,B錯誤;堿性條件下,C2H5OH在負極被氧化為C,電極反應為C2H5OH+16OH--12e- 2C+11H2O,C正確;結合負極反應式C2H5OH+16OH--12e- 2C+11H2O可知,反應中消耗0.2 mol乙醇時,應轉移2.4 mol e-,D錯誤。
易錯分析　忽視介質的成分及其存在形式,導致電極產物判斷錯誤是本類題的易錯之處。做題時,要運用“看環境,定產物”的方法確定產物,避免死記硬背。
2.A　由題意可知,右側裝置為原電池,則左側裝置為電解池。乙室發生還原反應,LiCoO2+e-+4H+ Li++Co2++2H2O,從原電池左側遷移過來的H+不夠(CH3COO--8e-+2H2O 2CO2↑+7H+),鹽酸被消耗,因此工作一段時間,乙室應補充鹽酸,A正確、C錯誤;細菌所在環境pH穩定,借助其降解乙酸鹽生成CO2為氧化反應,甲室應發生還原反應Co2++2e- Co,左側裝置細菌所在電極的電極反應為CH3COO--8e-+2H2O 2CO2↑+7H+,產生的氫離子通過陽膜向甲室移動,甲室溶液pH逐漸減小,B錯誤;甲室內Co從+2價降低到0價,乙室內Co從+3價降低到+2價,根據得失電子守恒,甲中Co2+減少和乙室中Co2+增加的質量之比為1∶2,因此若甲室Co2+減少200 mg,乙室Co2+增加400 mg,未進行溶液轉移,D錯誤。
3.B　根據兩極區均得到了副產品NH4NO3,可知Ⅱ室中N通過c膜進入Ⅰ室,N通過d膜進入Ⅲ室,則左側石墨電極為陰極,a極為電源負極,b極為電源正極,A錯誤;結合A項分析可知,c膜為陽離子交換膜,d膜為陰離子交換膜,B正確;陰極是H+放電,其電極反應式為2H++2e- H2↑,C錯誤;未給出氣體所處狀況,無法計算O2的體積,D錯誤。
4.C　由離子移動方向可知,電極a為電解池的陽極,電極a接電源的正極,A正確;電極a為陽極,電極b為陰極,則電解過程中陰極區溶液中的硫酸根離子透過陰離子交換膜向左移動,B正確;陽極發生的電極反應為2H2O-4e- O2↑+4H+,當電路中轉移2 mol電子時,標準狀況下陽極生成氧氣的體積為2 mol××22.4 L/mol=11.2 L,C錯誤;電解池工作時,電極b是陰極,電極a是陽極,陰極區硫酸根離子通過陰離子交換膜向左移動,雙極膜電離出的氫離子向右移動,則陰離子交換膜與雙極膜之間的溶液pH減小,D正確。
易錯分析　離子遷移方向或離子交換膜類型判斷錯誤往往是因為電極判斷錯誤,準確判斷電化學裝置中的電極是解答該類題的關鍵。在準確判斷電極后,離子移動方向可以根據“陽離子移向得電子的電極,陰離子移向失電子的電極”進行分析;離子交換膜類型可以根據溶液呈電中性、離子的移動方向等進行判斷。
5.B　閉合K2、斷開K1時,制氫并儲能,構成電解池,Pt電極發生還原反應,為陰極,X電極發生氧化反應,為陽極;斷開K2、閉合K1時,構成原電池,X電極發生還原反應,為正極,Zn電極發生氧化反應,為負極。制氫時,Pt電極為陰極,溶液中K+向Pt電極移動,A正確;供電時,Zn電極發生氧化反應,消耗OH-,Zn電極附近溶液的pH減小,B錯誤;供電時,X電極發生還原反應,NiO(OH)轉化為Ni(OH)2,C正確;制氫時,X電極為陽極,X電極的電極反應式為Ni(OH)2-e-+OH- NiO(OH)+H2O,D正確。
易錯分析　解答本題的關鍵是根據題中信息弄清楚什么時候是原電池,什么時候是電解池;結合圖示裝置從熟悉的電極材料或電極反應、物質變化等入手,在陌生情境中學會綜合分析與判斷。
6.C　分析題圖中充放電時元素化合價的變化,根據反應類型分析電極類型。
放電時,N極為負極,M極為正極,陽離子向正極移動,即Li+移向M極,A錯誤;充電時M極為陽極,與外電源正極相連,B錯誤;充電時,N極為陰極,發生還原反應,電極反應式為Ti5O12+4Li++4e- Li4Ti5O12,C正確;當兩極的質量差為14 g時,轉移的電子物質的量為1 mol,根據裝置中轉移電子數相等可知,電解精煉銅裝置中陰極增加的銅的質量為1 mol÷2×64 g/mol=32 g,D錯誤。
7.B　電解水生成的羥基自由基(·OH)能將苯酚氧化為CO2和H2O,故左池為原電池,右池為電解池。Ⅰ室中Cr2發生還原反應生成Cr(OH)3,則a極為正極,b極為負極,c極為陰極,A正確;a極區每產生1 mol Cr(OH)3,轉移3 mol電子,c極的電極反應式為2H2O+2e- H2↑+2OH-,生成1.5 mol H2時轉移3 mol電子,同時有3 mol H+從d極室透過質子交換膜進入陰極室,故c極區溶液質量不變,B錯誤;據圖可知,d極上發生的電極反應為H2O-e- ·OH+H+,C正確;由于陰離子移向負極,陽離子移向正極,Ⅱ室中Na+、Cl-數目都減小,說明Na+、Cl-從Ⅱ室分別向Ⅰ室和Ⅲ室移動,可判斷N和M分別為陰離子交換膜和陽離子交換膜,D正確。
易錯分析　判斷電解質溶液質量變化時,不能只關注電極反應造成的質量變化,還要關注離子遷移對質量的影響。
8.D　由題圖可知,該裝置的總反應為2H2O 2H2↑+O2↑,A正確;由題圖中電子的移動方向可知,M極為陰極,N極為陽極,雙極膜可將水解離為H+和OH-,H+進入陰極區,陰極區溶液的pH變小,B正確;陽極上OH-失電子生成氧氣和水,電極反應式為4OH--4e- 2H2O+O2↑,陰極的電極反應式為V3++e- V2+,再生池中有氫氣產生,涉及的反應為2V2++2H+ 2V3++H2↑,C正確;陽極的電極反應為4OH--4e- 2H2O+O2↑,電路中每有2 mol電子通過,會有2 mol氫氧根離子進入陽極區,生成0.5 mol氧氣和1 mol H2O,陽極區溶液質量增加18 g,D錯誤。
思想方法練
1.D 2.C 3.B
1.D　電解槽中右側電極為陰極,左側電極為陽極,陽極上水失電子生成氧氣和氫離子,電極反應為2H2O-4e- O2↑+4H+,陰極上水發生得電子的還原反應生成氫氣,電極反應為2H2O+2e- H2↑+2OH-,鈉離子通過離子交換膜b進入Ⅲ區,離子交換膜b為陽離子交換膜,硫酸根離子通過離子交換膜a進入Ⅰ區,離子交換膜a為陰離子交換膜,B正確、D錯誤;陽極的電極反應為2H2O-4e- O2↑+4H+,有H+生成且H+不能通過陰離子交換膜a,所以Ⅰ區溶液pH減小,A正確;理論上,每生成1 mol NaOH,轉移電子1 mol,生成0.5 mol H2SO4,C正確。
2.C　根據通電片刻乙裝置左側電極表面出現紅色固體,可知乙裝置左側電極為陰極,電極反應式為Cu2++2e- Cu。甲中陰極和陽極的電極反應分別為2H2O+2e- H2↑+2OH-和2Cl--2e- Cl2↑,產生標準狀況下4.48 L氣體為H2和Cl2的混合氣體,產生H2、Cl2的物質的量均為0.1 mol,轉移0.2 mol電子,即整個電路中轉移0.2 mol電子,丙中Cu電極為陰極,電極反應為Ag++e- Ag,電極增重108 g/mol×0.2 mol=21.6 g,A正確;丙中陽極和陰極的電極反應分別為Ag-e- Ag+和Ag++e- Ag,電解過程中丙中溶液pH無變化,B正確;甲中陽極和陰極分別生成Cl2和H2,相當于從溶液中逸出HCl氣體,要使溶液復原應通入適量HCl,而不是加入鹽酸,C錯誤;乙中左側電極是Cu2+放電,電極反應式為Cu2++2e- Cu,D正確。
方法點津　串聯電路中各電極上轉移的電子數目相等,可以通過某電極的變化數據確定得失電子的數目,繼而推斷其他電極的變化情況。
3.B　題圖裝置為原電池,左室中C6H10O5被氧化生成二氧化碳,C元素化合價升高,故a極是負極,右室硝酸根離子被還原生成氮氣,N元素的化合價降低,硝酸根離子得電子,發生還原反應,則b極是正極,A正確;a極是負極,電極反應式為C6H10O5-24e-+7H2O 6CO2↑+24H+,a極區溶液的H+濃度增大,pH減小,B錯誤;左室有4.48 L(標準狀況下)CO2生成,即生成0.2 mol CO2氣體,根據負極的電極反應式C6H10O5-24e-+7H2O 6CO2↑+24H+可知,轉移 mol=0.8 mol電子,正極(b極)的電極反應式為2N+10e-+12H+ N2↑+6H2O,可知生成N2的物質的量為 mol=0.08 mol,C、D正確。
方法點津　原電池、電解池均是基于氧化還原反應設計的,在電化學裝置中電解池陽極(或原電池負極)上還原劑失去的電子數等于電解池陰極(或原電池正極)上氧化劑得到的電子數,據此可以建立兩極變化的關系。
4.答案　(1)①正　②4OH--4e- O2↑+2H2O
③2.8　④不變
(2)能　CuSO4溶液變為H2SO4溶液,可繼續電解H2SO4溶液,實質為電解水
解析　(1)①接通電源一段時間后,乙中c電極質量增加,說明c電極表面析出Cu,則該電極為陰極,從而推知M端為電源的負極,N端為電源的正極。②電極b為陽極,用惰性電極電解NaOH溶液相當于電解水,陽極上OH-放電生成O2,電極反應式為4OH--4e- O2↑+2H2O。③用惰性電極電解K2SO4溶液相當于電解水,設電解過程中消耗水的質量為x g,據電解前后溶質的質量不變可得:100 g×10%=(100-x)g×10.47%,解得x≈4.5,則電解過程中消耗水的物質的量為=0.25 mol,轉移電子的物質的量為0.5 mol,故電極b上生成的O2在標準狀況下的體積為0.5 mol××22.4 L·mol-1=2.8 L。④丙中用惰性電極電解K2SO4溶液相當于電解水,電解過程中c(K2SO4)增大,但溶液的pH不變。
(2)當電解過程中乙裝置中的銅全部析出時,CuSO4溶液變為H2SO4溶液,繼續電解則為電解H2SO4溶液,相當于電解水。
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