資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
第04講 電化學原理綜合應用
目錄
01 考情透視·目標導航
02 知識導圖·思維引航
03考點突破·考法探究
考點一 電解原理創(chuàng)新應用
知識點1 電解原理
知識點2 電解原理創(chuàng)新應用
考點二 串聯(lián)類電化學裝置
知識點1 常見串聯(lián)裝置圖
知識點2 多池串聯(lián)裝置中電池類型判斷
考點三 離子交換膜裝置
知識點1 離子交換膜類型
知識點2 含膜電解池裝置分析
考點四 電化學綜合計算
04真題練習·命題洞見
04真題練習·命題洞見
考點要求 考題統(tǒng)計 考情分析
電解創(chuàng)新應用 2024·甘肅卷，7，3分；2024·遼吉黑卷，12，3分；2024·山東卷，13，4分；2023 浙江省1月選考，11，3分；2023 湖北省選擇性考試，10，3分；2023 山東卷，11，3分；2022 重慶卷，12，4分；2022 湖北卷，14，3分；2021 遼寧選擇性考試，13，3分；2021 海南選擇性考試，9，4分；2021·江蘇卷，12，3分； 近年來，高考試題中電化學是重點內(nèi)容之一，將原電池和電解池結(jié)合在一起，綜合考查化學反應中的能量變化、氧化還原反應、化學實驗和化學計算等知識，是高考試卷中電化學部分的重要題型。考查的電化學裝置常啋用串聞裝置，且常采用交換膜，特別是離子交換膜的應用及電解質(zhì)介質(zhì)對電極反應的影響的試題比較多，且常考常新，該類題目的考查內(nèi)容通常有以下幾個方面：電極的判斷、電極反應式及電池反應總方程式的書寫、實驗現(xiàn)象的描述、溶液中離子的移動、溶液pH的變化、電解質(zhì)溶液的恢復及運用得失電子守恒進行相關(guān)計算等。由于離子交換膜能將工業(yè)生產(chǎn)與化學知識有機的融合，實現(xiàn)資源的最優(yōu)配置，考查學生學以致用的能力，故近幾年的電化學高考試題中年年涉及。通過陌生電化學的裝置圖，考查學生接受、吸收、整合化學信息的能力，也體現(xiàn)了對“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養(yǎng)考查。
串聯(lián)類連接裝置 2022 山東卷，13，4分；
離子交換膜裝置 2024·湖北卷，14，3分；2023 遼寧省選擇性考試，11，3分；2023 全國甲卷，12，6分；2023 浙江省6月選考，13，3分；2023 北京卷，5，3分；2023 廣東卷，16，4分；(2022 全國甲卷，10，6分；2022·浙江省6月選考，21，2分；2021 全國甲卷，13，6分；2021 廣東卷，16，4分；2021 湖北選擇性考試，15，3分；
電化學綜合計算 2024·廣東卷，16，3分；2021 天津卷，11，3分；
復習目標： 1．掌握多池連接的分析應用。 2．了解離子交換膜的分類及特點，理解離子交換膜在電化學裝置中的作用。 3．掌握電化學的計算。 4．提升應用電化學原理解決工業(yè)生產(chǎn)、生活中實際問題的能力。
考點一 電解原理創(chuàng)新應用
知識點1 電解原理
知識點2 電解原理創(chuàng)新應用
1．電解原理常見的考查點
電解原理及應用是高考高頻考點，該類試題往往與生產(chǎn)、生活及新科技等相聯(lián)系，以裝置圖或流程圖為載體呈現(xiàn)，題材廣、信息新，題目具有一定難度。主要考查陰、陽極的判斷、電極反應式、電解反應方程式的書寫、溶液離子濃度變化及有關(guān)計算等。
2．“5點”突破電解綜合應用題
(1)分清陰、陽極，與電源正極相連的為陽極，與電源負極相連的為陰極，兩極反應為“陽氧陰還”。
(2)剖析離子移向，陽離子移向陰極，陰離子移向陽極。
(3)注意放電順序，正確判斷放電的微粒或物質(zhì)。
(4)注意介質(zhì)，正確判斷反應產(chǎn)物，酸性介質(zhì)不出現(xiàn)OH－，堿性介質(zhì)不出現(xiàn)H＋；不能想當然地認為金屬作陽極，電極產(chǎn)物為金屬陽離子。
(5)注意得失電子守恒和電荷守恒，正確書寫電極反應式。
【例1】(2024·甘肅卷，7，3分)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： O2+4e-=2O2-
C．工作時O2-從多孔電極1遷移到多孔電極2
D．理論上電源提供能分解1molH2O
【變式訓練】電化學修復技術(shù)是近年迅速發(fā)展的一種污染土壤綠色原位修復技術(shù)。處理土壤重金屬污染時，在污染土壤區(qū)域插入電極(下圖)，土壤中污染物定向遷移，富集在電極區(qū)域，再通過其他方法(電鍍、沉淀/共沉淀、抽出、離子交換樹脂等)去除。下列說法正確的是( )
A．H+在陽極區(qū)反應
B．土壤中膠體粒子不帶電
C．陰極區(qū)抽提物發(fā)生的是陰離子交換
D．金屬離子在堿性區(qū)域去除
考點二 串聯(lián)類連接裝置
知識點1 常見串聯(lián)裝置圖
將原電池和電解池結(jié)合在一起，或幾個電解池串聯(lián)在一起，綜合考查化學反應中的能量變化、氧化還原反應、化學實驗和化學計算等知識，是高考中電化學部分的重要題型。解答該類試題時電池種類的判斷是關(guān)鍵，整個電路中各個電池工作時得失電子守恒是數(shù)據(jù)處理的法寶。
模型一　外接電源與電解池的串聯(lián)(如圖)
A、B為兩個串聯(lián)電解池，相同時間內(nèi)，各電極得失電子數(shù)相等。
模型二　原電池與電解池的串聯(lián)(如圖)
顯然兩圖中，A均為原電池，B均為電解池。
知識點2 多池串聯(lián)裝置中電池類型的判斷
1．直接判斷
非常直觀明顯的裝置，如有燃料電池、鉛蓄電池等在電路中時，則其他裝置為電解池。
如圖：A為原電池，B為電解池。
2．根據(jù)電池中的電極材料和電解質(zhì)溶液判斷
原電池一般是兩個不同的金屬電極或一個金屬電極和一個碳棒電極；而電解池則一般都是兩個惰性電極，如兩個鉑電極或兩個碳棒電極。原電池中的電極材料和電解質(zhì)溶液之間能發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應，電解池的電極材料一般不能和電解質(zhì)溶液自發(fā)反應。如圖：A為電解池，B為原電池。
3．根據(jù)電極反應現(xiàn)象判斷
在某些裝置中根據(jù)電極反應現(xiàn)象可判斷電極，并由此判斷電池類型。
如圖：若C極溶解，D極上析出Cu，B極附近溶液變紅，A極上放出黃綠色氣體，則可知乙是原電池，D是正極，C是負極，甲是電解池，A是陽極，B是陰極。B、D極發(fā)生還原反應，A、C極發(fā)生氧化反應。
【名師點晴】
【例2】(2022 山東卷，13)設計如圖裝置回收金屬鈷。保持細菌所在環(huán)境pH穩(wěn)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轉(zhuǎn)化為Co2+，工作時保持厭氧環(huán)境，并定時將乙室溶液轉(zhuǎn)移至甲室。已知電極材料均為石墨材質(zhì)，右側(cè)裝置為原電池。下列說法正確的是( )
A．裝置工作時，甲室溶液pH逐漸增大
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-+4H+=Li++Co2++4OH-
D．若甲室Co2+減少，乙室Co2+增加，則此時已進行過溶液轉(zhuǎn)移
【思維建模】
“串聯(lián)”類電池的解題流程
【變式訓練】中科院長春應化所張新波團隊提出了一種獨特的鋰—氮電池(Li—N2)，該電池在放電過程中消耗氮氣，充電過程中釋放氮氣，實現(xiàn)氮氣的循環(huán)，并對外提供電能。該電池在充電時發(fā)生反應：2Li3N===N2↑＋6Li。現(xiàn)以該電池為電源進行如圖所示實驗，下列說法正確的是(　　)
A．乙電極上的反應為2Li3N－6e－===N2↑＋6Li＋
B．充電過程Li＋由甲電極遷移向乙電極，并在多孔碳布表面生成Li3N
C．石墨a電極和m、n處均可能有銅析出
D．鋰—氮電池為綠色固氮提供了一種可能
考點三 離子交換膜裝置
離子交換膜是一種含離子基團的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。因它對離子具有選擇透過性，且電化學性能優(yōu)良，在涉及電化學的工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用。
知識點1　離子交換膜類型
(1)交換膜類型及特點
交換膜類型 陽膜 陰膜 雙極膜 特定的交換膜
允許通過的離子及移動方向 陽離子移向原電池的正極(電解池的陰極) 陰離子移向原電池的負極(電解池的陽極) 中間層中的H2O解離出H＋和OH－，H＋移向原電池的正極(電解池的陰極)，OH－移向原電池的負極(電解池的陽極) 只允許特定的離子或分子通過，如質(zhì)子交換膜只允許H＋通過，氯離子交換膜只允許Cl－通過
通性 無論是原電池還是電解池中，陽離子均移向得電子的一極，陰離子均移向失電子的一極
(2)離子交換膜的功能：選擇性透過離子，平衡電荷，形成閉合回路。
(3)離子交換膜的作用及意義
①隔離某些物質(zhì)，防止發(fā)生反應，常用于物質(zhì)制備。
②限制某些離子的移動，常用于物質(zhì)制備及純化。
③雙極膜：由一張陽膜和一張陰膜復合制成的陰、陽復合膜。該膜的特點是在直流電的作用下，陰、陽膜復合層間的H2O解離成H＋和OH－并分別通過陽膜和陰膜，作為H＋和OH－的離子源。
【名師點晴】
知識點2 含膜電解池裝置分析
(1)兩室電解池：
例如，工業(yè)上利用如圖兩室電解裝置制備燒堿：
陽極室中電極反應：2Cl－－2e－===Cl2↑，
陰極室中的電極反應：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，
陰極區(qū)H＋放電，破壞了水的電離平衡，使OH－濃度增大，陽極區(qū)Cl－放電，使溶液中的c(Cl－)減小，為保持電荷守恒，陽極室中的Na＋通過陽離子交換膜與陰極室中生成的OH－結(jié)合，得到濃的NaOH溶液。利用這種方法制備物質(zhì)，純度較高，基本沒有雜質(zhì)。
(2)三室電解池
例如，利用三室電解裝置制備NH4NO3，其工作原理如圖所示。
陰極的NO被還原為NH：NO＋5e－＋6H＋===NH＋H2O，NH通過陽離子交換膜進入中間室；
陽極的NO被氧化為NO：NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，NO通過陰離子交換膜進入中間室。
根據(jù)電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等可得電解總反應：8NO＋7H2O3NH4NO3＋2HNO3，為使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH4NO3，補充適量NH3可以使電解產(chǎn)生的HNO3轉(zhuǎn)化為NH4NO3。
(3)多室電解池
例如，“四室電滲析法”制備H3PO2(次磷酸)，其工作原理如圖所示：
電解稀硫酸的陽極反應：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，產(chǎn)生的H＋通過陽離子交換膜進入產(chǎn)品室，原料室中的H2PO穿過陰離子交換膜進入產(chǎn)品室，與H＋結(jié)合生成弱電解質(zhì)H3PO2；
電解NaOH稀溶液的陰極反應：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通過陽離子交換膜進入陰極室，可得副產(chǎn)品NaOH。
3．離子交換膜類型的判斷方法
(1)首先寫出陰、陽兩極上的電極反應。
(2)依據(jù)電極反應確定該電極附近哪種離子剩余。
(3)根據(jù)電極附近溶液呈電中性，從而判斷出離子移動的方向。
(4)根據(jù)離子移動的方向，確定離子交換膜的類型。
4．有“膜”條件下離子定向移動方向的判斷方法
【例3】 (2024·湖北卷，14)我國科學家設計了一種雙位點PbCu電催化劑，用H2C2O4和NH2OH電化學催化合成甘氨酸，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1molH3N+CH2COOH雙極膜中有4molH2O解離
C．陽極總反應式2HCHO-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2O
D．陰極區(qū)存在反應H2C2O4+2e-+2H+=OHC—COOH+H2O
【思維建模】
“隔膜”電解池的解題步驟
第一步，分清隔膜類型。即交換膜屬于陽膜、陰膜或質(zhì)子膜中的哪一種，判斷允許哪種離子通過隔膜。
第二步，寫出電極反應式，判斷交換膜兩側(cè)離子變化，推斷電荷變化，根據(jù)電荷平衡判斷離子遷移方向。
第三步，分析隔膜作用。在產(chǎn)品制備中，隔膜作用主要是提高產(chǎn)品純度，避免產(chǎn)物之間發(fā)生反應，或避免產(chǎn)物因發(fā)生反應而造成危險。
【變式訓練】現(xiàn)代膜技術(shù)可使某種離子具有單向通過能力，常用于電解池、原電池中。電解NaB(OH)4溶液可制備H3BO3，其工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是( )
A．NaB(OH)4中B的化合價為+3價
B．N室發(fā)生的電極反應式為2H2O+2e-=H2↑+2OH-
C．去掉a膜，陽極區(qū)用稀硫酸作電解液，不影響H3BO3的純度
D．a(chǎn)、c膜均為陽離子交換膜，b膜為陰離子交換膜
考點四 電化學綜合計算
原電池和電解池的計算包括：兩極產(chǎn)物的定量計算、溶液的計算、相對原子質(zhì)量的計算和阿伏伽德羅常數(shù)測定的計算、根據(jù)電荷守恒量求產(chǎn)物的量。電化學的反應本質(zhì)是氧化還原反應，各電極上轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量相等，無論是單一電池還是串聯(lián)電解池，均可抓住電子守恒計算。
1．解題關(guān)鍵
(1)電極名稱要區(qū)分清楚；
(2)電極產(chǎn)物要判斷準確；
(3)各產(chǎn)物間量的關(guān)系遵循得失電子守恒。
2．三種計算方法
(1)根據(jù)總反應式計算
先寫出電極反應式，再寫出總反應式，最后根據(jù)總反應式列出比例式計算。
(2)根據(jù)電子守恒計算
①用于串聯(lián)電路中陰陽兩極產(chǎn)物、正負兩極產(chǎn)物、相同電量等類型的計算，其依據(jù)是電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相等。
②用于混合溶液中電解的分階段計算。
(3)根據(jù)關(guān)系式計算
根據(jù)得失電子守恒建立起已知量與未知量之間的橋梁，構(gòu)建計算所需的關(guān)系式。
如以電路中通過4 mol e－為橋梁可構(gòu)建以下關(guān)系式：
(式中M為金屬，n為其離子的化合價數(shù)值)
該關(guān)系式具有總攬電化學計算的作用和價值，熟記電極反應式，靈活運用關(guān)系式便能快速解答常見的電化學計算問題。
【名師提醒】
在電化學計算中，還常利用Q＝I·t和Q＝n(e－)×NA×1.60×10－19C來計算電路中通過的電量。
【例4】 (2024·廣東卷，16)一種基于氯堿工藝的新型電解池(下圖)，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：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1molFe2O3，陽極室溶液減少
D．理論上每消耗1molFe2O3，陰極室物質(zhì)最多增加
【名師點睛】
原電池和電解池綜合裝置的有關(guān)計算的根本依據(jù)就是得失電子守恒，分析時要注意兩點：
①串聯(lián)電路中各支路電流相等；
②并聯(lián)電路中總電流等于各支路電流之和。在此基礎上分析處理其他各種數(shù)據(jù)。
圖中裝置甲是原電池，裝置乙是電解池，若電路中有0.2 mol電子轉(zhuǎn)移，則Zn極溶解 6.5g，Cu極上析出H2 2.24L(標準狀況)，Pt極上析出Cl2 0.1 mol，C極上析出Cu6.4g。甲池中H＋被還原生成H2，溶液pH變大；乙池中是電解CuCl2，電解后再加入適量CuCl2固體可使溶液復原。
【變式訓練】在如圖所示的裝置中，若通直流電5 min時，銅電極的質(zhì)量增加2.16 g。試回答下列問題。
(1)電源中X為直流電源的________極。
(2)pH變化：A__________(填“增大”“減小”或“不變”，下同)，B________，C________。
(3)通電5 min時，B中共收集224 mL(標準狀況下)氣體，溶液體積為200 mL，則通電前CuSO4溶液的物質(zhì)的量濃度為________(設電解前后溶液體積無變化)。
(4)常溫下，若A中KCl足量且溶液的體積也是200 mL，電解后，溶液的pH為__________(設電解前后溶液體積無變化)。
【思維建模】
串聯(lián)電化學裝置中陰、陽兩極產(chǎn)物，正負兩極產(chǎn)物間的計算，常依據(jù)電子守恒計算，即每個電極上轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相同。
1．(2024·山東卷，13，4分)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連接電源負極
B．加入Y的目的是補充NaBr
C．電解總反應式為Br-+3H2O BrO3-+3H2↑
D．催化階段反應產(chǎn)物物質(zhì)的量之比n(Z) ∶n(Br-)=3∶2
2．(2024·遼吉黑卷，12，3分) “綠色零碳”氫能前景廣闊。為解決傳統(tǒng)電解水制“綠氫”陽極電勢高、反應速率緩慢的問題，科技工作者設計耦合HCHO高效制H2的方法，裝置如圖所示。部分反應機理為：。下列說法錯誤的是( )
A．相同電量下H2理論產(chǎn)量是傳統(tǒng)電解水的1.5倍
B．陰極反應：2H2O+2e-=H2↑+2OH-
C．電解時OH-通過陰離子交換膜向b極方向移動
D．陽極反應：
3．(2023 浙江省1月選考，11)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
B．電極A的電極反應：8H++TiO2+SiO2+8e-=TiSi+4H2O
C．該體系中，石墨優(yōu)先于Cl-參與反應
D．電解時，陽離子向石墨電極移動
4．(2023 山東卷，11)利用熱再生氨電池可實現(xiàn)CuSO4電鍍廢液的濃縮再生。電池裝置如圖所示，甲、乙兩室均預加相同的CuSO4電鍍廢液，向甲室加入足量氨水后電池開始工作。下列說法正確的是( )
A．甲室Cu電極為正極
B．隔膜為陽離子膜
C．電池總反應為：Cu2++4NH3=[Cu(NH3)4]2+
D．NH3擴散到乙室將對電池電動勢產(chǎn)生影響
5．(2023 廣東卷，16)用一種具有“卯榫”結(jié)構(gòu)的雙極膜組裝電解池(下圖)，可實現(xiàn)大電流催化電解KNO3溶液制氨。工作時，H2O在雙極膜界面處被催化解離成H+和OH-，有利于電解反應順利進行。下列說法不正確的是( )
A．電解總反應：KNO3+3H2O= NH3·H2O+2O2↑+KOH
B．每生成1mol NH3·H2O，雙極膜處有9 mol的H2O解離
C．電解過程中，陽極室中的物質(zhì)的量不因反應而改變
D．相比于平面結(jié)構(gòu)雙極膜，“卯榫”結(jié)構(gòu)可提高氨生成速率
6．(2022 重慶卷，12)硝酮是重要的有機合成中間體，可采用“成對間接電氧化”法合成。電解槽中水溶液的主要成分及反應過程如圖所示。
下列說法錯誤的是( )
A．惰性電極2為陽極 B．反應前后WO42-/WO52-數(shù)量不變
C．消耗1mol氧氣，可得到1mol硝酮 D．外電路通過1mol電子，可得到1mol水
7．(2022 全國甲卷，10)一種水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH) 42-存在)。電池放電時，下列敘述錯誤的是( )
A．Ⅱ區(qū)的K+通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移
B．Ⅰ區(qū)的SO42-通過隔膜向Ⅱ區(qū)遷移
C． MnO2電極反應：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O
D．電池總反應：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH) 42-+Mn2++2H2O
8．(2022 湖北卷，14)含磷有機物應用廣泛。電解法可實現(xiàn)由白磷直接制備Li[P(CN)2]，過程如圖所示(為甲基)。下列說法正確的是( )
A．生成1 mol Li[P(CN)2]，理論上外電路需要轉(zhuǎn)移2mol電子
B．陰極上的電極反應為：P4+8CN--4e-=4[P(CN)2]-
C．在電解過程中CN-向鉑電極移動
D．電解產(chǎn)生的H2中的氫元素來自于LiOH
9．(2021 廣東卷，16)鈷(Co)的合金材料廣泛應用于航空航天、機械制造等領(lǐng)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1molCo，Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少16 g
C．移除兩交換膜后，石墨電極上發(fā)生的反應不變
D．電解總反應：為2Co2++2H2O2 Co +O2↑+4H+
10．(2021 天津卷，11)如下所示電解裝置中，通電后石墨電極Ⅱ上有O2生成，F(xiàn)e2O3逐漸溶解，下列判斷錯誤的是( )
A．a(chǎn)是電源的負極
B．通電一段時間后，向石墨電極Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出現(xiàn)紅色
C．隨著電解的進行，CuCl2溶液濃度變大
D．當0.01mol Fe2O3完全溶解時，至少產(chǎn)生氣體336mL (折合成標準狀況下)
11．(2021 湖北選擇性考試，15) Na2Cr2O7的酸性水溶液隨著H濃度的增大會轉(zhuǎn)化為CrO3。電解法制備CrO3的原理如圖所示。下列說法錯誤的是( )
A．電解時只允許H通過離子交換膜
B．生成O2和H2的質(zhì)量比為8：1
C．電解一段時間后陰極區(qū)溶液OH的濃度增大
D．CrO3的生成反應為：Cr2O72＋2H＝2CrO3＋H2O
12．(2021 海南選擇性考試，9)液氨中存在平衡：2NH3NH4++NH2-。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(chǎn)生。下列有關(guān)說法正確的是( )
A．b電極連接的是電源的負極 B．a(chǎn)電極的反應為2NH3+2e-=H2+2NH2-
C．電解過程中，陰極附近K+濃度減小 D．理論上兩極產(chǎn)生的氣體物質(zhì)的量之比為1：1
13．(2021·江蘇卷，12)通過下列方法可分別獲得H2和O2：①通過電解獲得NiOOH和H2(如圖)；②在90℃將NiOOH與H2O反應生成Ni(OH)2并獲得O2。下列說法正確的是
A．電解后KOH溶液的物質(zhì)的量濃度減小
B．電解時陽極電極反應式：Ni(OH)2+OH--e-=NiOOH+H2O
C．電解的總反應方程式：2H2O2H2↑+O2↑
D．電解過程中轉(zhuǎn)移4mol電子，理論上可獲得22.4LO2
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第04講 電化學原理綜合應用
目錄
01 考情透視·目標導航
02 知識導圖·思維引航
03考點突破·考法探究
考點一 電解原理創(chuàng)新應用
知識點1 電解原理
知識點2 電解原理創(chuàng)新應用
考點二 串聯(lián)類電化學裝置
知識點1 常見串聯(lián)裝置圖
知識點2 多池串聯(lián)裝置中電池類型判斷
考點三 離子交換膜裝置
知識點1 離子交換膜類型
知識點2 含膜電解池裝置分析
考點四 電化學綜合計算
04真題練習·命題洞見
04真題練習·命題洞見
考點要求 考題統(tǒng)計 考情分析
電解創(chuàng)新應用 2024·甘肅卷，7，3分；2024·遼吉黑卷，12，3分；2024·山東卷，13，4分；2023 浙江省1月選考，11，3分；2023 湖北省選擇性考試，10，3分；2023 山東卷，11，3分；2022 重慶卷，12，4分；2022 湖北卷，14，3分；2021 遼寧選擇性考試，13，3分；2021 海南選擇性考試，9，4分；2021·江蘇卷，12，3分； 近年來，高考試題中電化學是重點內(nèi)容之一，將原電池和電解池結(jié)合在一起，綜合考查化學反應中的能量變化、氧化還原反應、化學實驗和化學計算等知識，是高考試卷中電化學部分的重要題型。考查的電化學裝置常啋用串聞裝置，且常采用交換膜，特別是離子交換膜的應用及電解質(zhì)介質(zhì)對電極反應的影響的試題比較多，且常考常新，該類題目的考查內(nèi)容通常有以下幾個方面：電極的判斷、電極反應式及電池反應總方程式的書寫、實驗現(xiàn)象的描述、溶液中離子的移動、溶液pH的變化、電解質(zhì)溶液的恢復及運用得失電子守恒進行相關(guān)計算等。由于離子交換膜能將工業(yè)生產(chǎn)與化學知識有機的融合，實現(xiàn)資源的最優(yōu)配置，考查學生學以致用的能力，故近幾年的電化學高考試題中年年涉及。通過陌生電化學的裝置圖，考查學生接受、吸收、整合化學信息的能力，也體現(xiàn)了對“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養(yǎng)考查。
串聯(lián)類連接裝置 2022 山東卷，13，4分；
離子交換膜裝置 2024·湖北卷，14，3分；2023 遼寧省選擇性考試，11，3分；2023 全國甲卷，12，6分；2023 浙江省6月選考，13，3分；2023 北京卷，5，3分；2023 廣東卷，16，4分；(2022 全國甲卷，10，6分；2022·浙江省6月選考，21，2分；2021 全國甲卷，13，6分；2021 廣東卷，16，4分；2021 湖北選擇性考試，15，3分；
電化學綜合計算 2024·廣東卷，16，3分；2021 天津卷，11，3分；
復習目標： 1．掌握多池連接的分析應用。 2．了解離子交換膜的分類及特點，理解離子交換膜在電化學裝置中的作用。 3．掌握電化學的計算。 4．提升應用電化學原理解決工業(yè)生產(chǎn)、生活中實際問題的能力。
考點一 電解原理創(chuàng)新應用
知識點1 電解原理
知識點2 電解原理創(chuàng)新應用
1．電解原理常見的考查點
電解原理及應用是高考高頻考點，該類試題往往與生產(chǎn)、生活及新科技等相聯(lián)系，以裝置圖或流程圖為載體呈現(xiàn)，題材廣、信息新，題目具有一定難度。主要考查陰、陽極的判斷、電極反應式、電解反應方程式的書寫、溶液離子濃度變化及有關(guān)計算等。
2．“5點”突破電解綜合應用題
(1)分清陰、陽極，與電源正極相連的為陽極，與電源負極相連的為陰極，兩極反應為“陽氧陰還”。
(2)剖析離子移向，陽離子移向陰極，陰離子移向陽極。
(3)注意放電順序，正確判斷放電的微粒或物質(zhì)。
(4)注意介質(zhì)，正確判斷反應產(chǎn)物，酸性介質(zhì)不出現(xiàn)OH－，堿性介質(zhì)不出現(xiàn)H＋；不能想當然地認為金屬作陽極，電極產(chǎn)物為金屬陽離子。
(5)注意得失電子守恒和電荷守恒，正確書寫電極反應式。
【例1】(2024·甘肅卷，7，3分)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： O2+4e-=2O2-
C．工作時O2-從多孔電極1遷移到多孔電極2
D．理論上電源提供能分解1molH2O
【答案】B
【解析】多孔電極1上H2O(g)發(fā)生得電子的還原反應轉(zhuǎn)化成H2(g)，多孔電極1為陰極，電極反應為2H2O+4e-=2H2+2O2-；多孔電極2上O2-發(fā)生失電子的氧化反應轉(zhuǎn)化成O2(g)，多孔電極2為陽極，電極反應為2O2--4e-=O2。A項，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；B項，電極2為陽極，發(fā)生氧化反應：2O2--4e-=O2，B項錯誤；C項，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；D項，電解總反應為2H2O(g) 2H2+O2，分解2molH2O轉(zhuǎn)移4mol電子，則理論上電源提供2mol電子能分解1molH2O，D項正確；故選B。
【變式訓練】電化學修復技術(shù)是近年迅速發(fā)展的一種污染土壤綠色原位修復技術(shù)。處理土壤重金屬污染時，在污染土壤區(qū)域插入電極(下圖)，土壤中污染物定向遷移，富集在電極區(qū)域，再通過其他方法(電鍍、沉淀/共沉淀、抽出、離子交換樹脂等)去除。下列說法正確的是( )
A．H+在陽極區(qū)反應
B．土壤中膠體粒子不帶電
C．陰極區(qū)抽提物發(fā)生的是陰離子交換
D．金屬離子在堿性區(qū)域去除
【答案】D
【解析】A項，H+在陰極區(qū)得電子產(chǎn)生氫氣，A錯誤；B項，土壤中污染物定向遷移，說明土壤中膠體粒子帶電，B錯誤；C項，陽離子定向移動到了有極區(qū)，故陰極區(qū)抽提物發(fā)生的是陽離子交換，C錯誤；D項，金屬離子在堿性區(qū)域產(chǎn)生氫氧化物而去除，D正確；故選D。
考點二 串聯(lián)類連接裝置
知識點1 常見串聯(lián)裝置圖
將原電池和電解池結(jié)合在一起，或幾個電解池串聯(lián)在一起，綜合考查化學反應中的能量變化、氧化還原反應、化學實驗和化學計算等知識，是高考中電化學部分的重要題型。解答該類試題時電池種類的判斷是關(guān)鍵，整個電路中各個電池工作時得失電子守恒是數(shù)據(jù)處理的法寶。
模型一　外接電源與電解池的串聯(lián)(如圖)
A、B為兩個串聯(lián)電解池，相同時間內(nèi)，各電極得失電子數(shù)相等。
模型二　原電池與電解池的串聯(lián)(如圖)
顯然兩圖中，A均為原電池，B均為電解池。
知識點2 多池串聯(lián)裝置中電池類型的判斷
1．直接判斷
非常直觀明顯的裝置，如有燃料電池、鉛蓄電池等在電路中時，則其他裝置為電解池。
如圖：A為原電池，B為電解池。
2．根據(jù)電池中的電極材料和電解質(zhì)溶液判斷
原電池一般是兩個不同的金屬電極或一個金屬電極和一個碳棒電極；而電解池則一般都是兩個惰性電極，如兩個鉑電極或兩個碳棒電極。原電池中的電極材料和電解質(zhì)溶液之間能發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應，電解池的電極材料一般不能和電解質(zhì)溶液自發(fā)反應。如圖：A為電解池，B為原電池。
3．根據(jù)電極反應現(xiàn)象判斷
在某些裝置中根據(jù)電極反應現(xiàn)象可判斷電極，并由此判斷電池類型。
如圖：若C極溶解，D極上析出Cu，B極附近溶液變紅，A極上放出黃綠色氣體，則可知乙是原電池，D是正極，C是負極，甲是電解池，A是陽極，B是陰極。B、D極發(fā)生還原反應，A、C極發(fā)生氧化反應。
【名師點晴】
【例2】(2022 山東卷，13)設計如圖裝置回收金屬鈷。保持細菌所在環(huán)境pH穩(wěn)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轉(zhuǎn)化為Co2+，工作時保持厭氧環(huán)境，并定時將乙室溶液轉(zhuǎn)移至甲室。已知電極材料均為石墨材質(zhì)，右側(cè)裝置為原電池。下列說法正確的是( )
A．裝置工作時，甲室溶液pH逐漸增大
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-+4H+=Li++Co2++4OH-
D．若甲室Co2+減少，乙室Co2+增加，則此時已進行過溶液轉(zhuǎn)移
【答案】BD
【解析】A項，依據(jù)題意右側(cè)裝置為原電池，電池工作時，甲室中細菌上乙酸鹽的陰離子失去電子被氧化為CO2氣體，Co2+在另一個電極上得到電子，被還原產(chǎn)生Co單質(zhì)，CH3COO-失去電子后，Na+通過陽膜進入陰極室，溶液變?yōu)镹aCl溶液，溶液由堿性變?yōu)橹行裕芤簆H減小，A錯誤；B項，對于乙室，正極上LiCoO2得到電子，被還原為Co2+，同時得到Li+，其中的O與溶液中的H+結(jié)合H2O，因此電池工作一段時間后應該補充鹽酸，B正確；C項，電解質(zhì)溶液為酸性，不可能大量存在OH-，乙室電極反應式為：LiCoO2+e-+4H+=Li++Co2++2H2O，C錯誤；D項，若甲室Co2+減少200 mg，電子轉(zhuǎn)移物質(zhì)的量為n(e-)= ，乙室Co2+增加300 mg，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為n(e-)=，說明此時已進行過溶液轉(zhuǎn)移，D正確；故選BD。
【思維建模】
“串聯(lián)”類電池的解題流程
【變式訓練】中科院長春應化所張新波團隊提出了一種獨特的鋰—氮電池(Li—N2)，該電池在放電過程中消耗氮氣，充電過程中釋放氮氣，實現(xiàn)氮氣的循環(huán)，并對外提供電能。該電池在充電時發(fā)生反應：2Li3N===N2↑＋6Li。現(xiàn)以該電池為電源進行如圖所示實驗，下列說法正確的是(　　)
A．乙電極上的反應為2Li3N－6e－===N2↑＋6Li＋
B．充電過程Li＋由甲電極遷移向乙電極，并在多孔碳布表面生成Li3N
C．石墨a電極和m、n處均可能有銅析出
D．鋰—氮電池為綠色固氮提供了一種可能
【答案】D
【解析】　放電時，該原電池中鋰失電子作負極，氮氣得電子作正極，故乙電極是正極，發(fā)生反應：N2＋6Li＋＋6e－===2Li3N，A項錯誤；充電過程是電解池原理，Li＋由乙電極移向甲電極，多孔碳布表面Li3N分解生成N2和Li＋，B項錯誤；石墨a是陽極，陽極電極反應式：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，產(chǎn)生氧氣，C項錯誤；反應N2＋6Li===2Li3N屬于氮的固定，鋰—氮電池為綠色固氮提供了一種可能，D項正確。
考點三 離子交換膜裝置
離子交換膜是一種含離子基團的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。因它對離子具有選擇透過性，且電化學性能優(yōu)良，在涉及電化學的工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用。
知識點1　離子交換膜類型
(1)交換膜類型及特點
交換膜類型 陽膜 陰膜 雙極膜 特定的交換膜
允許通過的離子及移動方向 陽離子移向原電池的正極(電解池的陰極) 陰離子移向原電池的負極(電解池的陽極) 中間層中的H2O解離出H＋和OH－，H＋移向原電池的正極(電解池的陰極)，OH－移向原電池的負極(電解池的陽極) 只允許特定的離子或分子通過，如質(zhì)子交換膜只允許H＋通過，氯離子交換膜只允許Cl－通過
通性 無論是原電池還是電解池中，陽離子均移向得電子的一極，陰離子均移向失電子的一極
(2)離子交換膜的功能：選擇性透過離子，平衡電荷，形成閉合回路。
(3)離子交換膜的作用及意義
①隔離某些物質(zhì)，防止發(fā)生反應，常用于物質(zhì)制備。
②限制某些離子的移動，常用于物質(zhì)制備及純化。
③雙極膜：由一張陽膜和一張陰膜復合制成的陰、陽復合膜。該膜的特點是在直流電的作用下，陰、陽膜復合層間的H2O解離成H＋和OH－并分別通過陽膜和陰膜，作為H＋和OH－的離子源。
【名師點晴】
知識點2 含膜電解池裝置分析
(1)兩室電解池：
例如，工業(yè)上利用如圖兩室電解裝置制備燒堿：
陽極室中電極反應：2Cl－－2e－===Cl2↑，
陰極室中的電極反應：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，
陰極區(qū)H＋放電，破壞了水的電離平衡，使OH－濃度增大，陽極區(qū)Cl－放電，使溶液中的c(Cl－)減小，為保持電荷守恒，陽極室中的Na＋通過陽離子交換膜與陰極室中生成的OH－結(jié)合，得到濃的NaOH溶液。利用這種方法制備物質(zhì)，純度較高，基本沒有雜質(zhì)。
(2)三室電解池
例如，利用三室電解裝置制備NH4NO3，其工作原理如圖所示。
陰極的NO被還原為NH：NO＋5e－＋6H＋===NH＋H2O，NH通過陽離子交換膜進入中間室；
陽極的NO被氧化為NO：NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，NO通過陰離子交換膜進入中間室。
根據(jù)電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等可得電解總反應：8NO＋7H2O3NH4NO3＋2HNO3，為使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH4NO3，補充適量NH3可以使電解產(chǎn)生的HNO3轉(zhuǎn)化為NH4NO3。
(3)多室電解池
例如，“四室電滲析法”制備H3PO2(次磷酸)，其工作原理如圖所示：
電解稀硫酸的陽極反應：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，產(chǎn)生的H＋通過陽離子交換膜進入產(chǎn)品室，原料室中的H2PO穿過陰離子交換膜進入產(chǎn)品室，與H＋結(jié)合生成弱電解質(zhì)H3PO2；
電解NaOH稀溶液的陰極反應：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通過陽離子交換膜進入陰極室，可得副產(chǎn)品NaOH。
3．離子交換膜類型的判斷方法
(1)首先寫出陰、陽兩極上的電極反應。
(2)依據(jù)電極反應確定該電極附近哪種離子剩余。
(3)根據(jù)電極附近溶液呈電中性，從而判斷出離子移動的方向。
(4)根據(jù)離子移動的方向，確定離子交換膜的類型。
4．有“膜”條件下離子定向移動方向的判斷方法
【例3】 (2024·湖北卷，14)我國科學家設計了一種雙位點PbCu電催化劑，用H2C2O4和NH2OH電化學催化合成甘氨酸，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1molH3N+CH2COOH雙極膜中有4molH2O解離
C．陽極總反應式2HCHO-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2O
D．陰極區(qū)存在反應H2C2O4+2e-+2H+=OHC—COOH+H2O
【答案】B
【解析】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轉(zhuǎn)化為OHC—COOH：H2C2O4+2e-+2H+=OHC—COOH+H2O，OHC—COOH與HO—N+H3反應生成HOOC—CH=N—OH：OHC—COOH+HO—N+H3→HOOC—CH=N—OH+H2O+H+，HOOC—CH=N—OH發(fā)生得電子的還原反應轉(zhuǎn)化成H3N+CH2COOH：HOOC—CH=N—OH+4e-+5H+=H3N+CH2COOH+H2O。A項，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正確；B項，陰極區(qū)的總反應為H2C2O4+HO—N+H3+6e-+6H+= H3N+CH2COOH+3H2O，1molH2O解離成1molH+和1molOH-，故理論上生成1molH3N+CH2COOH雙極膜中有6molH2O解離，B錯誤；C項，結(jié)合裝置圖，陽極總反應為2HCHO-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2O，C正確；D項，陰極區(qū)的Pb上發(fā)生反應H2C2O4+2e-+2H+=OHC—COOH+H2O，D正確；故選B。
【思維建模】
“隔膜”電解池的解題步驟
第一步，分清隔膜類型。即交換膜屬于陽膜、陰膜或質(zhì)子膜中的哪一種，判斷允許哪種離子通過隔膜。
第二步，寫出電極反應式，判斷交換膜兩側(cè)離子變化，推斷電荷變化，根據(jù)電荷平衡判斷離子遷移方向。
第三步，分析隔膜作用。在產(chǎn)品制備中，隔膜作用主要是提高產(chǎn)品純度，避免產(chǎn)物之間發(fā)生反應，或避免產(chǎn)物因發(fā)生反應而造成危險。
【變式訓練】現(xiàn)代膜技術(shù)可使某種離子具有單向通過能力，常用于電解池、原電池中。電解NaB(OH)4溶液可制備H3BO3，其工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是( )
A．NaB(OH)4中B的化合價為+3價
B．N室發(fā)生的電極反應式為2H2O+2e-=H2↑+2OH-
C．去掉a膜，陽極區(qū)用稀硫酸作電解液，不影響H3BO3的純度
D．a(chǎn)、c膜均為陽離子交換膜，b膜為陰離子交換膜
【答案】C
【解析】A項，設B化合價為x，根據(jù)化合價為o計算+1+x+(-2+1)×4=0，得x=+3，A正確；B項，N與電源的負極相連為電解池的陰極，該極為H+發(fā)生還原反應：2H++2e-= H2↑或2H2O+2e-=H2↑+2OH-，B正確；C項，若撤去a膜，B(OH)4-經(jīng)b膜進入稀硫酸中而形成H3BO3，得到H3BO3混有H2SO4，C錯誤；D項，裝置中得到H3BO3，需要B(OH)4-經(jīng)b膜進入產(chǎn)品室而H+經(jīng)a膜進入產(chǎn)品室，所以a、b分別為陽離子和陰離子交換膜。原料室中的Na+需要經(jīng)c膜進入N室形成NaOH，所以c膜為陽極膜，D正確；故選C。
考點四 電化學綜合計算
原電池和電解池的計算包括：兩極產(chǎn)物的定量計算、溶液的計算、相對原子質(zhì)量的計算和阿伏伽德羅常數(shù)測定的計算、根據(jù)電荷守恒量求產(chǎn)物的量。電化學的反應本質(zhì)是氧化還原反應，各電極上轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量相等，無論是單一電池還是串聯(lián)電解池，均可抓住電子守恒計算。
1．解題關(guān)鍵
(1)電極名稱要區(qū)分清楚；
(2)電極產(chǎn)物要判斷準確；
(3)各產(chǎn)物間量的關(guān)系遵循得失電子守恒。
2．三種計算方法
(1)根據(jù)總反應式計算
先寫出電極反應式，再寫出總反應式，最后根據(jù)總反應式列出比例式計算。
(2)根據(jù)電子守恒計算
①用于串聯(lián)電路中陰陽兩極產(chǎn)物、正負兩極產(chǎn)物、相同電量等類型的計算，其依據(jù)是電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相等。
②用于混合溶液中電解的分階段計算。
(3)根據(jù)關(guān)系式計算
根據(jù)得失電子守恒建立起已知量與未知量之間的橋梁，構(gòu)建計算所需的關(guān)系式。
如以電路中通過4 mol e－為橋梁可構(gòu)建以下關(guān)系式：
(式中M為金屬，n為其離子的化合價數(shù)值)
該關(guān)系式具有總攬電化學計算的作用和價值，熟記電極反應式，靈活運用關(guān)系式便能快速解答常見的電化學計算問題。
【名師提醒】
在電化學計算中，還常利用Q＝I·t和Q＝n(e－)×NA×1.60×10－19C來計算電路中通過的電量。
【例4】 (2024·廣東卷，16)一種基于氯堿工藝的新型電解池(下圖)，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：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1molFe2O3，陽極室溶液減少
D．理論上每消耗1molFe2O3，陰極室物質(zhì)最多增加
【答案】C
【解析】右側(cè)溶液為飽和食鹽水，右側(cè)電極產(chǎn)生氣體，則右側(cè)電極為陽極，Cl-放電產(chǎn)生氯氣，電極反應為：2Cl--2e-= Cl2↑；左側(cè)電極為陰極，發(fā)生還原反應，F(xiàn)e2O3在堿性條件下轉(zhuǎn)化為Fe，電極反應為：Fe2O3+6e-+3H2O=2Fe+6OH-；中間為陽離子交換膜，Na+由陽極向陰極移動。A項，陽極反應為：2Cl--2e-= Cl2↑，A正確；B項，陰極反應為：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正確；C項，理論上每消耗1molFe2O3，轉(zhuǎn)移6mol電子，產(chǎn)生3mol Cl2，同時有6mol Na+由陽極轉(zhuǎn)移至陰極，則陽極室溶液減少，C錯誤；D項，理論上每消耗1molFe2O3，轉(zhuǎn)移6mol電子，有6mol Na+由陽極轉(zhuǎn)移至陰極，陰極室物質(zhì)最多增加，D正確；故選C。
【名師點睛】
原電池和電解池綜合裝置的有關(guān)計算的根本依據(jù)就是得失電子守恒，分析時要注意兩點：
①串聯(lián)電路中各支路電流相等；
②并聯(lián)電路中總電流等于各支路電流之和。在此基礎上分析處理其他各種數(shù)據(jù)。
圖中裝置甲是原電池，裝置乙是電解池，若電路中有0.2 mol電子轉(zhuǎn)移，則Zn極溶解 6.5g，Cu極上析出H2 2.24L(標準狀況)，Pt極上析出Cl2 0.1 mol，C極上析出Cu6.4g。甲池中H＋被還原生成H2，溶液pH變大；乙池中是電解CuCl2，電解后再加入適量CuCl2固體可使溶液復原。
【變式訓練】在如圖所示的裝置中，若通直流電5 min時，銅電極的質(zhì)量增加2.16 g。試回答下列問題。
(1)電源中X為直流電源的________極。
(2)pH變化：A__________(填“增大”“減小”或“不變”，下同)，B________，C________。
(3)通電5 min時，B中共收集224 mL(標準狀況下)氣體，溶液體積為200 mL，則通電前CuSO4溶液的物質(zhì)的量濃度為________(設電解前后溶液體積無變化)。
(4)常溫下，若A中KCl足量且溶液的體積也是200 mL，電解后，溶液的pH為__________(設電解前后溶液體積無變化)。
【答案】(1)負　(2)增大　減小　不變 (3)0.025 mol·L－1　(4)13
【解析】(1)三個裝置是串聯(lián)的電解池。電解AgNO3溶液時，Ag＋在陰極發(fā)生還原反應生成Ag，所以質(zhì)量增加的銅電極是陰極，由此推知X是電源負極。(2)電解KCl溶液生成KOH，溶液pH增大；電解CuSO4、K2SO4溶液生成H2SO4，溶液pH減小；電解AgNO3溶液，銀為陽極，不斷溶解，Ag＋在陰極不斷析出，AgNO3溶液濃度基本不變，pH不變。(3)通電5 min時，C中析出0.02 mol Ag，電路中通過0.02 mol電子；B中共收集0.01 mol氣體，若該氣體全為氧氣，則電路中需通過0.04 mol電子，電子轉(zhuǎn)移不守恒，因此，B中電解分為兩個階段，先電解CuSO4溶液，生成O2，后電解水，生成O2和H2，B中收集到的氣體是O2和H2的混合物。設電解CuSO4溶液時生成O2的物質(zhì)的量為x mol，電解H2O時生成O2的物質(zhì)的量為y mol，則4x＋4y＝0.02(電子轉(zhuǎn)移守恒)，x＋3y＝0.01(氣體體積之和)，解得x＝y(tǒng)＝0.002 5，所以n(CuSO4)＝2×0.002 5 mol＝0.005 mol，c(CuSO4)＝＝0.025 mol·L－1。(4)常溫下，通電5 min時，A中放出0.01 mol H2，溶液中生成0.02 mol KOH，c(OH－)＝＝0.1 mol·L－1，pH＝13。
【思維建模】
串聯(lián)電化學裝置中陰、陽兩極產(chǎn)物，正負兩極產(chǎn)物間的計算，常依據(jù)電子守恒計算，即每個電極上轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相同。
1．(2024·山東卷，13，4分)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連接電源負極
B．加入Y的目的是補充NaBr
C．電解總反應式為Br-+3H2O BrO3-+3H2↑
D．催化階段反應產(chǎn)物物質(zhì)的量之比n(Z) ∶n(Br-)=3∶2
【答案】B
【解析】電極b上Br-發(fā)生失電子的氧化反應轉(zhuǎn)化成BrO3-，電極b為陽極，電極反應為Br- -6e-+3H2O= BrO3-+6H+；則電極a為陰極，電極a的電極反應為6H++6e-=3H2↑；電解總反應式為Br-+3H2O BrO3-+3H2↑；催化循環(huán)階段BrO3-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。A項，電極a為陰極，連接電源負極，A項正確；B項，根據(jù)分析電解過程中消耗H2O和Br-，而催化階段BrO3-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；C項，根據(jù)分析電解總反應式為Br-+3H2O BrO3-+3H2↑，C項正確；D項，催化階段，Br元素的化合價由+5價降至-1價，生成1molBr-得到6mol電子，O元素的化合價由-2價升至0價，生成1molO2失去4mol電子，根據(jù)得失電子守恒，反應產(chǎn)物物質(zhì)的量之比n(O2) ∶n(Br-)=6∶4=3∶2，D項正確；故選B。
2．(2024·遼吉黑卷，12，3分) “綠色零碳”氫能前景廣闊。為解決傳統(tǒng)電解水制“綠氫”陽極電勢高、反應速率緩慢的問題，科技工作者設計耦合HCHO高效制H2的方法，裝置如圖所示。部分反應機理為：。下列說法錯誤的是( )
A．相同電量下H2理論產(chǎn)量是傳統(tǒng)電解水的1.5倍
B．陰極反應：2H2O+2e-=H2↑+2OH-
C．電解時OH-通過陰離子交換膜向b極方向移動
D．陽極反應：
【答案】A
【解析】據(jù)圖示可知，b電極上HCHO 轉(zhuǎn)化為HCOO-，而HCHO 轉(zhuǎn)化為HCOO-為氧化反應，所以b電極為陽極，a電極為陰極，HCHO為陽極反應物，由反應機理可知：反應后生成的轉(zhuǎn)化為HCOOH。由原子守恒和電荷守恒可知，在生成HCOOH的同時還生成了H-，生成的HCOOH再與氫氧化鉀酸堿中和：HCOOH+OH-=HCOO-+H2O，而生成的H-在陽極失電子發(fā)生氧化反應生成氫氣，即2H--2e-=H2↑，陰極水得電子生成氫氣：2H2O+2e-=H2↑+2OH-。A項，陽極反應：①HCHO+OH--e-→HCOOH+H2，②HCOOH+OH-=HCOO-+H2O，陰極反應2H2O-2e-=H2↑+2OH-，即轉(zhuǎn)移2mol電子時，陰、陽兩極各生成1molH2，共2molH2，而傳統(tǒng)電解水：2H2O2H2↑+O2↑，轉(zhuǎn)移2mol電子，只有陰極生成1molH2，所以相同電量下H2理論產(chǎn)量是傳統(tǒng)電解水的2倍，A錯誤；B項，陰極水得電子生成氫氣，陰極反應為2H2O+2e-=H2↑+2OH-，B正確；C項，由電極反應式可知，電解過程中陰極生成OH-，負電荷增多，陽極負電荷減少，要使電解質(zhì)溶液呈電中性，OH-通過陰離子交換膜向陽極移動，即向b極方向移動，C正確；D項，陽極反應涉及到：①HCHO+OH--e-→HCOOH+H2，②HCOOH+OH-=HCOO-+H2O，由(①+②)×2得陽極反應為：2HCHO+4OH--2e-=2HCOO-+2H2O+H2↑，故D正確；故選A。
3．(2023 浙江省1月選考，11)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
B．電極A的電極反應：8H++TiO2+SiO2+8e-=TiSi+4H2O
C．該體系中，石墨優(yōu)先于Cl-參與反應
D．電解時，陽離子向石墨電極移動
【答案】C
【解析】由圖可知，在外加電源下石墨電極上C轉(zhuǎn)化為CO，失電子發(fā)生氧化反應，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)，電極反應為TiO2+SiO2+8e-=TiSi+4O2-。A項，在外加電源下石墨電極上C轉(zhuǎn)化為CO，失電子發(fā)生氧化反應，為陽極，A錯誤；B項，電極A的電極反應為TiO2+SiO2+8e-=TiSi+4O2-，B錯誤；C項，根據(jù)圖中信息可知，該體系中，石墨優(yōu)先于Cl-參與反應，C正確；D項，電解池中石墨電極為陽極，陽離子向陰極電極A移動，D錯誤；故選C。
4．(2023 山東卷，11)利用熱再生氨電池可實現(xiàn)CuSO4電鍍廢液的濃縮再生。電池裝置如圖所示，甲、乙兩室均預加相同的CuSO4電鍍廢液，向甲室加入足量氨水后電池開始工作。下列說法正確的是( )
A．甲室Cu電極為正極
B．隔膜為陽離子膜
C．電池總反應為：Cu2++4NH3=[Cu(NH3)4]2+
D．NH3擴散到乙室將對電池電動勢產(chǎn)生影響
【答案】CD
【解析】A項，向甲室加入足量氨水后電池開始工作，則甲室Cu電極溶解，變?yōu)殂~離子與氨氣形成[Cu(NH3)4]2+，因此甲室Cu電極為負極，故A錯誤；B項， 再原電池內(nèi)電路中陽離子向正極移動，若隔膜為陽離子膜，電極溶解生成的銅離子要向右側(cè)移動，通入氨氣要消耗銅離子，顯然左側(cè)陽離子不斷減小，明顯不利于電池反應正常進行，故B錯誤；C項，左側(cè)負極是Cu+4NH3-2e- =[Cu(NH3)4]2+，正極是Cu 2++2e- = Cu，則電池總反應為：Cu2++4NH3=[Cu(NH3)4]2+，故C正確；D項，NH3擴散到乙室會與銅離子反應生成[Cu(NH3)4]2+，銅離子濃度降低，銅離子得電子能力減弱，因此將對電池電動勢產(chǎn)生影響，故D正確。故選CD。
5．(2023 廣東卷，16)用一種具有“卯榫”結(jié)構(gòu)的雙極膜組裝電解池(下圖)，可實現(xiàn)大電流催化電解KNO3溶液制氨。工作時，H2O在雙極膜界面處被催化解離成H+和OH-，有利于電解反應順利進行。下列說法不正確的是( )
A．電解總反應：KNO3+3H2O= NH3·H2O+2O2↑+KOH
B．每生成1mol NH3·H2O，雙極膜處有9 mol的H2O解離
C．電解過程中，陽極室中的物質(zhì)的量不因反應而改變
D．相比于平面結(jié)構(gòu)雙極膜，“卯榫”結(jié)構(gòu)可提高氨生成速率
【答案】B
【解析】由信息大電流催化電解KNO3溶液制氨可知，在電極a處KNO3放電生成NH3，發(fā)生還原反應，故電極a為陰極，電極方程式為NO3- +8e－+7H2O= NH3·H2O+9OH-，電極b為陽極，電極方程式為4OH--4e－=O2↑＋2H2O，“卯榫”結(jié)構(gòu)的雙極膜中的H＋移向電極a，OH－移向電極b。A項，由分析中陰陽極電極方程式可知，電解總反應為KNO3+3H2O= NH3·H2O+2O2↑+KOH，故A正確；B項，每生成1mol NH3·H2O，陰極得8mol e－，同時雙極膜處有8mol H+進入陰極室，即有8mol的H2O解離，故B錯誤；C項，電解過程中，陽極室每消耗4mol OH-，同時有4mol OH-通過雙極膜進入陽極室，KOH的物質(zhì)的量不因反應而改變，故C正確；D項，相比于平面結(jié)構(gòu)雙極膜，“卯榫”結(jié)構(gòu)具有更大的膜面積，有利于H2O被催化解離成H+和OH-，可提高氨生成速率，故D正確；故選B。
6．(2022 重慶卷，12)硝酮是重要的有機合成中間體，可采用“成對間接電氧化”法合成。電解槽中水溶液的主要成分及反應過程如圖所示。
下列說法錯誤的是( )
A．惰性電極2為陽極 B．反應前后WO42-/WO52-數(shù)量不變
C．消耗1mol氧氣，可得到1mol硝酮 D．外電路通過1mol電子，可得到1mol水
【答案】C
【解析】A項，惰性電極2，Br-被氧化為Br2，惰性電極2為陽極，故A正確；B項，WO42-/WO52-循環(huán)反應，反應前后WO42-/WO52-數(shù)量不變，故B正確；C項，總反應為氧氣把二丁基-N-羥基胺氧化為硝酮，1mol二丁基-N-羥基胺失去2molH原子生成1mol硝酮，氧氣最終生成水，根據(jù)氧原子守恒，消耗1mol氧氣，可得到2mol硝酮，故C錯誤； D項，外電路通過1mol電子，生成0.5molH2O2，H2O2最終生成水，根據(jù)氧原子守恒，可得到1mol水，故D正確；故選C。
7．(2022 全國甲卷，10)一種水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH) 42-存在)。電池放電時，下列敘述錯誤的是( )
A．Ⅱ區(qū)的K+通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移
B．Ⅰ區(qū)的SO42-通過隔膜向Ⅱ區(qū)遷移
C． MnO2電極反應：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O
D．電池總反應：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH) 42-+Mn2++2H2O
【答案】A
【解析】根據(jù)圖示的電池結(jié)構(gòu)和題目所給信息可知，Ⅲ區(qū)Zn為電池的負極，電極反應為Zn-2e-+4OH-=Zn(OH) 42-，Ⅰ區(qū)MnO2為電池的正極，電極反應為MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O；電池在工作過程中，由于兩個離子選擇隔膜沒有指明的陽離子隔膜還是陰離子隔膜，故兩個離子隔膜均可以通過陰、陽離子，因此可以得到Ⅰ區(qū)消耗H+，生成Mn2+，Ⅱ區(qū)的K+向Ⅰ區(qū)移動或Ⅰ區(qū)的SO42-向Ⅱ區(qū)移動，Ⅲ區(qū)消耗OH-，生成Zn(OH) 42-，Ⅱ區(qū)的SO42-向Ⅲ區(qū)移動或Ⅲ區(qū)的K+向Ⅱ區(qū)移動。A項，Ⅱ區(qū)的K+只能向Ⅰ區(qū)移動，A錯誤；B項，Ⅰ區(qū)的SO42-向Ⅱ區(qū)移動，B正確；C項，MnO2電極的電極反應式為MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O，C正確；D項，電池的總反應為Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH) 42-+Mn2++2H2O，D正確；故選A。
8．(2022 湖北卷，14)含磷有機物應用廣泛。電解法可實現(xiàn)由白磷直接制備Li[P(CN)2]，過程如圖所示(為甲基)。下列說法正確的是( )
A．生成1 mol Li[P(CN)2]，理論上外電路需要轉(zhuǎn)移2mol電子
B．陰極上的電極反應為：P4+8CN--4e-=4[P(CN)2]-
C．在電解過程中CN-向鉑電極移動
D．電解產(chǎn)生的H2中的氫元素來自于LiOH
【答案】D
【解析】A項，石墨電極發(fā)生反應的物質(zhì)：P4→Li[P(CN)2]化合價升高發(fā)生氧化反應，所以石墨電極為陽極，對應的電極反應式為：P4+8CN--4e-=4[P(CN)2]-，則生成1 mol Li[P(CN)2]，理論上外電路需要轉(zhuǎn)移1 mol電子，A錯誤；B項，陰極上發(fā)生還原反應，應該得電子，P4+8CN--4e-=4[P(CN)2]-為陽極發(fā)生的反應， B錯誤；C項，石墨電極：P4→Li[P(CN)2]發(fā)生氧化反應，為陽極，鉑電極為陰極，CN-應該向陽極移動，即移向石墨電極，C錯誤；D項，由所給圖示可知HCN在陰極放電，產(chǎn)生CN-和H2，而HCN中的H來自LiOH，則電解產(chǎn)生的H2中的氫元素來自于LiOH，D正確；故選D。
9．(2021 廣東卷，16)鈷(Co)的合金材料廣泛應用于航空航天、機械制造等領(lǐng)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1molCo，Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少16 g
C．移除兩交換膜后，石墨電極上發(fā)生的反應不變
D．電解總反應：為2Co2++2H2O2 Co +O2↑+4H+
【答案】D
【解析】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(fā)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(shù)大于陰離子電荷數(shù)，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(fā)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(shù)大于陽離子電荷數(shù)，氯離子過陰離子交換膜由Ⅲ室向Ⅱ室移動，電解的總反應的離子方程式為2Co2++2H2O2 Co +O2↑+4H+。A項，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；B項，由分析可知，陰極生成1mol鈷，陽極有1mol水放電，則Ⅰ室溶液質(zhì)量減少18g，故B錯誤；C項，若移除離子交換膜，氯離子的放電能力強于水，氯離子會在陽極失去電子發(fā)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(fā)生變化，故C錯誤；D項，由分析可知，電解的總反應的離子方程式為2Co2++2H2O2 Co +O2↑+4H+，故D正確；故選D。
10．(2021 天津卷，11)如下所示電解裝置中，通電后石墨電極Ⅱ上有O2生成，F(xiàn)e2O3逐漸溶解，下列判斷錯誤的是( )
A．a(chǎn)是電源的負極
B．通電一段時間后，向石墨電極Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出現(xiàn)紅色
C．隨著電解的進行，CuCl2溶液濃度變大
D．當0.01mol Fe2O3完全溶解時，至少產(chǎn)生氣體336mL (折合成標準狀況下)
【答案】C
【解析】通電后石墨電極Ⅱ上有O2生成，F(xiàn)e2O3逐漸溶解，說明石墨電極Ⅱ為陽極，則電源b為正極，a為負極，石墨電極Ⅰ為陰極。A項， a是電源的負極，故A正確；B項，石墨電極Ⅱ為陽極，通電一段時間后，產(chǎn)生氧氣和氫離子，所以向石墨電極Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出現(xiàn)紅色，故B正確；C項，隨著電解的進行，銅離子在陰極得電子生成銅單質(zhì)，所以CuCl2溶液濃度變小，故C錯誤；D項，當0.01mol Fe2O3完全溶解時，消耗氫離子為0.06mol，根據(jù)陽極電極反應式2H2O-4e-=4H++O2，產(chǎn)生氧氣為0.015mol，體積為336mL (折合成標準狀況下)，故D正確；故選C。
11．(2021 湖北選擇性考試，15) Na2Cr2O7的酸性水溶液隨著H濃度的增大會轉(zhuǎn)化為CrO3。電解法制備CrO3的原理如圖所示。下列說法錯誤的是( )
A．電解時只允許H通過離子交換膜
B．生成O2和H2的質(zhì)量比為8：1
C．電解一段時間后陰極區(qū)溶液OH的濃度增大
D．CrO3的生成反應為：Cr2O72＋2H＝2CrO3＋H2O
【答案】A
【解析】左側(cè)電極上產(chǎn)生O2，右側(cè)電極上產(chǎn)生H2，說明左極為陽極，電極反應式為2H2O－4e＝4H＋O2↑，左側(cè)制備三氧化鉻：Cr2O72＋2H＝2CrO3＋H2O；右極為陰極，電極反應式為4H2O＋4e＝4OH＋2H2↑。在陽極區(qū)參與反應制備三氧化鉻，故不通過離子交換膜，通過交換膜向陰極區(qū)遷移，A項錯誤；根據(jù)電子守恒，產(chǎn)生O2、H2的質(zhì)量之比為32：4＝8：1，B項正確；由陰極反應式知，陰極產(chǎn)生OH；如果陰極通過交換膜向左側(cè)遷移，OH必然會中和H，與題意相矛盾，所以，鈉離子由左側(cè)向右側(cè)遷移，陰極區(qū)氫氧化鈉溶液濃度增大，C項正確；根據(jù)原料和產(chǎn)物組成知，Cr2O72＋2H＝2CrO3＋H2O；D項正確。
12．(2021 海南選擇性考試，9)液氨中存在平衡：2NH3NH4++NH2-。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(chǎn)生。下列有關(guān)說法正確的是( )
A．b電極連接的是電源的負極 B．a(chǎn)電極的反應為2NH3+2e-=H2+2NH2-
C．電解過程中，陰極附近K+濃度減小 D．理論上兩極產(chǎn)生的氣體物質(zhì)的量之比為1：1
【答案】B
【解析】A項，根據(jù)圖示可知：在b電極上產(chǎn)生N2，N元素化合價升高，失去電子，發(fā)生氧化反應，所以b電極為陽極，連接電源的正極，A錯誤；B項，電極a上產(chǎn)生H2，H元素化合價降低得到電子，發(fā)生還原反應，所以a電極為陰極，電極反應式為：2NH3+2e-=H2+2NH2-，B正確；C項，電解過程中，陰極附近產(chǎn)生NH2-，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(qū)定向移動，最終導致陰極附近K+濃度增大，C錯誤；D項，每反應產(chǎn)生1 mol H2，轉(zhuǎn)移2 mol電子，每反應產(chǎn)生1 mol N2，轉(zhuǎn)移6 mol電子，故陰極產(chǎn)生H2與陽極產(chǎn)生的N2的物質(zhì)的量的比是3：1，D錯誤；故選B。
13．(2021·江蘇卷，12)通過下列方法可分別獲得H2和O2：①通過電解獲得NiOOH和H2(如圖)；②在90℃將NiOOH與H2O反應生成Ni(OH)2并獲得O2。下列說法正確的是
A．電解后KOH溶液的物質(zhì)的量濃度減小
B．電解時陽極電極反應式：Ni(OH)2+OH--e-=NiOOH+H2O
C．電解的總反應方程式：2H2O2H2↑+O2↑
D．電解過程中轉(zhuǎn)移4mol電子，理論上可獲得22.4LO2
【答案】B
【解析】A項，陰極水電離的氫離子得電子生成氫氣，陽極Ni(OH)2失電子生成NiOOH，電解過程總反應為，電解后KOH溶液的物質(zhì)的量濃度不變，故A錯誤；B項，電解時陽極Ni(OH)2失電子生成NiOOH，電極反應式為Ni(OH)2+OH--e-=NiOOH+H2O，故B正確；C項，陰極水電離的氫離子得電子生成氫氣，陽極Ni(OH)2失電子生成NiOOH，電解過程總反應為，故C錯誤；D項，電解過程中轉(zhuǎn)移4mol電子，生成4molNiOOH，根據(jù)，生成1mol氧氣，非標準狀況下的體積不一定是22.4L，故D錯誤；故選B。
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