資源簡(jiǎn)介

(共40張PPT)
2025新高考化學(xué)二輪重點(diǎn)專題
第6講
新型電池和電解原理的應(yīng)用
contents
目錄
01
考向分析
01
02
03
知識(shí)重構(gòu)
重溫經(jīng)典
04
模型建構(gòu)
考向分析
PART 01
01
《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》2020年修訂版中，對(duì)電化學(xué)知識(shí)的學(xué)業(yè)要求為：“能分析、解釋原電池和電解池的工作原理，能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的原電池和電解池；能列舉常見的化學(xué)電源，并利用相關(guān)信息分析化學(xué)電源的工作原理。”
課標(biāo)要求
加強(qiáng)學(xué)生對(duì)原電池和電解池工作原理的理解，認(rèn)識(shí)電極材料、電極反應(yīng)、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體是電化學(xué)體系的基本要素，創(chuàng)建對(duì)電化學(xué)過(guò)程的系統(tǒng)分析思路，提升學(xué)生對(duì)電化學(xué)本質(zhì)的理解。
課標(biāo)解讀
考點(diǎn)統(tǒng)計(jì)
卷別 呈現(xiàn)形式 考察元素 考點(diǎn)分布
電極判斷 電子、離子 移動(dòng)方向 方程式書寫 氧還分析、電解液分析 守恒計(jì)算 離子交換膜 反應(yīng)歷程、
電催化
北京 圖文結(jié)合 普通鋅錳電池 √ √ √ √
江蘇 圖文結(jié)合 堿性鋅錳電池 √ √ √ √ √
全國(guó)甲 圖文結(jié)合 MnO2-Zn二次電池 √ √√ √
安徽 圖文結(jié)合 水系鋅電池 √ √ √ √
新課標(biāo) 圖文結(jié)合 葡萄糖電池 √ √ √ √
河北 圖文結(jié)合 Mg-CO2二次電池 √ √ √ √ √
湖北 圖文結(jié)合 電解合成甘氨酸 √√ √ √ √
遼寧 圖文結(jié)合 電解HCHO制H2 √ √√ √ √ √
湖南 圖文結(jié)合 電解合成K4C6N16 √ √ √ √√
廣東 圖文結(jié)合 電解濕法冶鐵 √ √ √√ √
甘肅 圖文結(jié)合 固體電解池 √ √ √ √
山東 圖文結(jié)合 電解催化制H2和O2 √ √ √ √ √
貴州 圖文結(jié)合 光催化污水處理 √ √ √
考向分析
電子流向、離子流向
守恒計(jì)算、電解液濃度分析等
離子交換膜的應(yīng)用
與反應(yīng)歷程、電催化的融合
電極分析(副反應(yīng))及電極反應(yīng)方程式的書寫
理想模型→真實(shí)情境：
電極新材料、電極(副)反應(yīng)、反應(yīng)歷程、電催化機(jī)理分析
知識(shí)重構(gòu)
PART 02
02
裝置(原電池：化學(xué)能→電能)
單池
負(fù)極
正極
e-
陰離子
陽(yáng)離子
①電勢(shì)高低
②電極材料活性
③電子、離子流向
④氧還分析
(得失電子、價(jià)態(tài)變化)
離子導(dǎo)體：電解質(zhì)溶液(或熔液或多孔固體電解質(zhì))中離子遷移傳遞電荷，氧化性強(qiáng)或還原性強(qiáng)的粒子在兩極得失電子，由離子導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為電子導(dǎo)體。
電子導(dǎo)體： n(e-)=Q/F mol=It/F mol，
F為法拉第常量，常取96500 C/mol
知識(shí)梳理
離子傳遞電荷不僅與溶液(或熔液或多孔固體電解質(zhì)，包括鹽橋)電極間的距離有關(guān)，而且與離子的電荷、離子的遷移速率等因素有關(guān)。
裝置(原電池：化學(xué)能→電能)
單池
雙池
負(fù)極
正極
e-
陰離子
陽(yáng)離子
①電勢(shì)高低
②電極材料活性
③電子、離子流向
④氧還分析
(得失電子、價(jià)態(tài)變化)
優(yōu)點(diǎn)：①物理隔離氧化劑和還原劑，減少副反應(yīng)的發(fā)生，提高能量轉(zhuǎn)化效率。
②減少單液原電池中，電極表面的極化現(xiàn)象，提高電池效率。
副反應(yīng)
極化現(xiàn)象
作用：①連接內(nèi)電路，形成離子通道，構(gòu)成閉合回路；
②平衡電荷，產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的電流。
知識(shí)梳理
裝置(電解池：電能→化學(xué)能)
放電順序：
陽(yáng)極(失電子能力)：
活性金屬材料電極(除Au、Pt)>S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根離子＞F－。
S2－、I－、Br－、Cl－放電，產(chǎn)物分別是S、I2、Br2、Cl2；若OH－放電，則得到H2O和O2。
陰極(得電子能力)：陰極材料只起導(dǎo)電作用
Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca2＋＞K＋
知識(shí)梳理
教材模型梳理
常見一次化學(xué)電源
蘇教版
化學(xué)反
應(yīng)原理
P18頁(yè)
【例1】(2024·北京卷T3)酸性鋅錳干電池的構(gòu)造示意圖如下。關(guān)于該電池及其工作原理，下列說(shuō)法正確的是( )
A．石墨作電池的負(fù)極材料
B．電池工作時(shí)，NH4+向負(fù)極方向移動(dòng)
C．MnO2發(fā)生氧化反應(yīng)
D．鋅筒發(fā)生的電極反應(yīng)為Zn-2e- = Zn2＋
D
【例2】(2024·江蘇卷T8)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(shuō)法正確的是( )
A．電池工作時(shí)，MnO2發(fā)生氧化反應(yīng)
B．電池工作時(shí)，OH-通過(guò)隔膜向正極移動(dòng)
C．環(huán)境溫度過(guò)低，不利于電池放電
D．反應(yīng)中每生成1mol MnOOH，
轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2×6.02×10-23
C
離子遷移
氧還分析
電極反應(yīng)
守恒計(jì)算
教材模型梳理
常見二次化學(xué)電源
人教版
化學(xué)反
應(yīng)原理
P97頁(yè)
【例】(2023 遼寧卷T11)某低成本儲(chǔ)能電池原理如下圖所示。下列說(shuō)法正確的是( )
A．放電時(shí)負(fù)極質(zhì)量減小
B．儲(chǔ)能過(guò)程中電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能
C．放電時(shí)右側(cè)H+通過(guò)質(zhì)子交換膜移向左側(cè)
D．充電總反應(yīng)：Pb+SO42-+2Fe3+=PbSO4+2Fe2+
B
放電：2Fe3++2e-=2Fe2+
儲(chǔ)能:電能→化學(xué)能，為電解池。
放電：Pb+SO42-+2Fe3+=PbSO4+2Fe2+
正極，右側(cè)
教材模型梳理
教材中離子交換膜的引入
人教版化學(xué)反應(yīng)原理P98頁(yè)
人教版化學(xué)反應(yīng)原理P104頁(yè)
離子交換膜是一種含離子基團(tuán)的、對(duì)溶液里的離子具有選擇透過(guò)能力的高分子膜。選擇性地通過(guò)某些離子或阻止某些離子來(lái)隔離某些物質(zhì)，又稱離子選擇透過(guò)性膜。
防止H2、O2混合引起爆炸。
將兩極區(qū)隔離，阻止兩極區(qū)的物質(zhì)接觸，防止發(fā)生化學(xué)反造成產(chǎn)物不純
選擇性通過(guò)離子，平衡電荷、形成閉合回路
2Cl―-2e― =Cl2↑
2H2O+2e― =H2↑+2OH―
種類 允許通過(guò)的離子及移動(dòng)方向
陽(yáng)離子交換膜 陽(yáng)離子→移向電解池的陰極或原電池的正極
陰離子交換膜 陰離子→移向電解池的陽(yáng)極或原電池的負(fù)極
質(zhì)子交換膜 質(zhì)子→移向電解池的陰極或原電池的正極
雙極膜 膜內(nèi)水電離出H＋和OH－，H＋移向陰極，OH－移向陽(yáng)極
教材模型梳理
教材中離子交換膜的引入
離子交換膜分類
【例2】（2024·廣東卷）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(guò)程中，下列說(shuō)法不正確的是
A．陽(yáng)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1mol Fe2O3，陽(yáng)極室溶液減少213g
D．理論上每消耗1mol Fe2O3，陰極室物質(zhì)最多增加138g
【例1】（2023·浙江6月T13）氯堿工業(yè)能耗大，通過(guò)如圖改進(jìn)的設(shè)計(jì)可大幅度降低能耗，下列說(shuō)法不正確的是
A．電極A接電源正極，發(fā)生氧化反應(yīng)
B．電極B的電極反應(yīng)式為：2H2O+2e―=H2↑+2OH―
C．應(yīng)選用陽(yáng)離子交換膜，在右室獲得濃度較高的NaOH溶液
D．改進(jìn)設(shè)計(jì)中通過(guò)提高電極B上反應(yīng)物的氧化性來(lái)降低電解電壓，減少能耗
2Cl―-2e― =Cl2↑
O2+4e―+2H2O=4OH―
Na+
陰極
陽(yáng)極
B
C
加強(qiáng)對(duì)教材中裝置模型的深入理解和挖掘！
2Cl―-2e― =Cl2↑
Fe2O3+6e―+3H2O=2Fe+6OH―
陰極
陽(yáng)極
Na+
6mol
陽(yáng)極室減少：
3×71g+6×23g=351g
陰極室物質(zhì)最多增加：6×23g=138g
重溫經(jīng)典
PART 03
03
重溫經(jīng)典，感悟高考
【例1】（2024·甘肅卷）某固體電解池工作原理如圖所示，下列說(shuō)法錯(cuò)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(shí)O2-從多孔電極1遷移到多孔電極2
D．理論上電源提供2mol e-能分解1mol H2O
【例2】(2024·安徽卷T11)我國(guó)學(xué)者研發(fā)出一種新型水系鋅電池，其示意圖如下。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(shuō)法錯(cuò)誤的是
A．標(biāo)注框內(nèi)所示結(jié)構(gòu)中存在共價(jià)鍵和配位鍵
B．電池總反應(yīng)為：I3-+Zn Zn2++3I-
C．充電時(shí)，陰極被還原的Zn2+主要來(lái)自Zn-TCPP
D．放電時(shí)，消耗0.65 g Zn，理論上轉(zhuǎn)移0.02 mol電子
對(duì)電極、電極反應(yīng)的考查
—電極材料的影響
2H2O+4e- =2H2+2O2-
2O2--4e- =O2
陽(yáng)極
陰極
B
Zn-2e- =Zn2＋
I3-+2e- =3I-
正極
負(fù)極
Zn2+
C
增強(qiáng)吸附效果，提高電池效率！
重溫經(jīng)典，感悟高考
對(duì)電極、電極反應(yīng)的考查
—電解質(zhì)環(huán)境的影響
【例1】(2022·北京卷)利用下圖裝置進(jìn)行鐵上電鍍銅的實(shí)驗(yàn)探究。
裝置示意圖 序號(hào) 電解質(zhì)溶液 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
① 0.1 mol/L CuSO4＋少量H2SO4 陰極表面有無(wú)色氣體，一段時(shí)間后陰極表面有紅色固體，氣體減少。經(jīng)檢驗(yàn)電解液中有Fe2＋
② 0.1 mol/L CuSO4＋過(guò)量氨水 陰極表面未觀察到氣體，一段時(shí)間后陰極表面有致密紅色固體。經(jīng)檢驗(yàn)電解液中無(wú)Fe元素
下列說(shuō)法不正確的是(　　)
A．①中氣體減少，推測(cè)是由于溶液中c(H＋)減少，且Cu覆蓋鐵電極，阻礙H＋與鐵接觸
B．①中檢測(cè)到Fe2＋，推測(cè)可能發(fā)生反應(yīng)：Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑、Fe＋Cu2＋=Fe2＋＋Cu
C．隨陰極析出Cu，推測(cè)②中溶液c(Cu2＋)減少，Cu2＋＋4NH3 [Cu(NH3)4]2＋平衡逆移
D．②中Cu2＋生成[Cu(NH3)4]2＋，使c(Cu2＋)比①中溶液的小，Cu緩慢析出，鍍層更致密
Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑
Fe＋Cu2＋=Fe2＋＋Cu
Cu-2e― =Cu2＋
C
Cu2＋＋4NH3 [Cu(NH3)4]2＋
Cu2＋+2e― =Cu
不移動(dòng)
重溫經(jīng)典，感悟高考
對(duì)電極、電極反應(yīng)的考查
—電解質(zhì)環(huán)境的影響
【例2】（2023山東卷T11）利用熱再生氨電池可實(shí)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(yù)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(shuō)法正確的是
A．甲室Cu電極為正極 B．隔膜為陽(yáng)離子膜
C．電池總反應(yīng)為：Cu2++4NH3=Cu[NH3]42+ D．NH3擴(kuò)散到乙室將對(duì)電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生影響
無(wú)電勢(shì)差
CD
甲：Cu2+(ag)+4NH3 H2O(ag)=Cu[NH3]42++4H2O
有電勢(shì)差
電勢(shì)降低，負(fù)極
甲：Cu-2e―+4NH3=Cu[NH3]42+
乙：Cu2++2e― =Cu
Cu[NH3]4SO4
SO42-
如NH3進(jìn)入乙室，乙室Cu2+濃度降低，
濃差電池的電動(dòng)勢(shì)減小
氧化劑、還原劑濃度的變化，
改變了電極電勢(shì)，影響了電極反應(yīng)式！
重溫經(jīng)典，感悟高考
對(duì)電極、電極反應(yīng)的考查
—電極副反應(yīng)的發(fā)生
【例1】 (2024·全國(guó)甲卷T6)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(shí)間后，MnO2電極上檢測(cè)到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列敘述正確的是( )
A．充電時(shí)，Zn2+向陽(yáng)極方向遷移
B．充電時(shí)，會(huì)發(fā)生反應(yīng)Zn+2MnO2 =ZnMn2O4
C．放電時(shí)，正極反應(yīng)有MnO2+H2O+e- =MnOOH+OH-
D．放電時(shí)，Zn電極質(zhì)量減少0.65g，MnO2電極生成了0.020molMnOOH
放電
(-) ①Zn-2e-=Zn2＋
放電
(+) ②MnO2+H2O+e- =MnOOH+OH-
副反應(yīng)： ③2MnO2+2e- +Zn2+=ZnMn2O4
①+③：
放電可能發(fā)生的總反應(yīng)：Zn+2MnO2=ZnMn2O4
Zn2+
C
正極有ZnMn2O4生成，
n(MnOOH)<0.020mol
0.01mol
0.02mol
0.02mol
重溫經(jīng)典，感悟高考
對(duì)電極、電極反應(yīng)的考查
—電極副反應(yīng)的發(fā)生
【例2】（2023·遼寧卷T7）某無(wú)隔膜流動(dòng)海水電解法制H2的裝置如下圖所示，其中高選擇性催化劑PRT可抑制O2產(chǎn)生。下列說(shuō)法正確的是（ ）
A．b端電勢(shì)高于a端電勢(shì)
B．理論上轉(zhuǎn)移2mole-生成4gH2
C．電解后海水pH下降
D．陽(yáng)極發(fā)生：Cl-+H2O-2e-=HClO+H+
D
【例3】（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(shí)，伴隨少量O2生成，電解原理如圖所示，下列說(shuō)法正確的是( )
A．電解時(shí)，OH-向Ni電極移動(dòng)
B．生成C6N164-的電極反應(yīng)：
2C3N8H4+8OH--4e-=C6N164-+8H2O
C．電解一段時(shí)間后，溶液pH升高
D．每生成1mol H2的同時(shí)，生成0.5mol K4C6N16
B
Cl-+H2O-2e-=HClO+H+
2H2O-4e-=O2+4H+
2H2O+2e-=H2↑+2OH-
HClO+2e-=Cl-+OH-
被抑制
陰極
陽(yáng)極
< 2g
升高
√
2H2O+2e-=H2↑+2OH-
陰極
陽(yáng)極
2C3N8H4 =C6N164-+ H2O
4OH--4e-
=O2↑+2H2O
OH-
+8OH-
8
-4e-
√
4mole- ~ 4molOH-
降低
1molH2 ~ 2 mole-
<0.5mol K4C6N16
情景不同
考法相似
重溫經(jīng)典，感悟高考
復(fù)雜電極反應(yīng)的書寫技巧
—守恒書寫技巧的應(yīng)用
【例1】（2023·重慶卷第12題）電化學(xué)合成是一種綠色高效的合成方法。如圖是在酸性介質(zhì)中電解合成半胱氨酸和煙酸的示意圖。下列敘述錯(cuò)誤的是

A．電極a為陰極
B．H+從電極b移向電極a
C．電極b發(fā)生的反應(yīng)為：
D．生成3mol半胱氨酸的同時(shí)生成1mol煙酸
D
電極判斷
電解池
2
+2H+
H元素守恒
+2e-
=
得電子→陰極
失電子→陽(yáng)極
=
2H2O
-6e-
+6H+
O、H元素守恒
電荷守恒
H+
~6e- ~ 6
3 mol
0.5 mol
化合價(jià)不易判斷的物質(zhì)，巧用元素守恒、電荷守恒
電荷守恒
A. 放電時(shí)V2O5為正極
B. 放電時(shí)Zn2+由負(fù)極向正極遷移
C. 充電總反應(yīng)：xZn+V2O5+nH2O=ZnxV2O5·nH2O
D. 充電陽(yáng)極反應(yīng)：
ZnxV2O5·nH2O-2xe- =xZn2++V2O5+nH2O
重溫經(jīng)典，感悟高考
復(fù)雜電極反應(yīng)的書寫技巧
—守恒書寫技巧的應(yīng)用
【例2】（2023年新課標(biāo)T10） 一種以V2O5和Zn為電極、Zn(CF3SO3)2水溶液為電解質(zhì)的電池，其示意圖如下所示。放電時(shí)，Zn2+可插入V2O5層間形成ZnxV2O5·nH2O。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是
C
LixC6 = xLi＋＋6C
Li1－xCoO2
=LiCoO2
碳基→硅基等
Li+、Na+、Zn2+等
Zn2+
充電
Zn2+
放電
負(fù)極
正極
×
V2O5+xZn2++2xe-+nH2O=ZnxV2O5·nH2O
Li+
放電
－xe－
＋xe－
＋xLi＋
電荷守恒
教材圖例
Zn-2e-=Zn2+
√
重溫經(jīng)典，感悟高考
復(fù)雜電極反應(yīng)的書寫技巧
—守恒書寫技巧的應(yīng)用
【例3】(2023 全國(guó)乙卷，12)一種室溫鈉-硫電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。將鈉箔置于聚苯并咪唑膜上作為一個(gè)電極，表面噴涂有硫黃粉末的炭化纖維素紙作為另一電極。工作時(shí)，在硫電極發(fā)生反應(yīng)：
1/2S8+e-→1/2S82-，1/2S82-+e-→S42-，
2Na++x/4S42-+2(1-x/4)e-→Na2Sx
下列敘述錯(cuò)誤的是( )
A．充電時(shí)Na+從鈉電極向硫電極遷移
B．放電時(shí)外電路電子流動(dòng)的方向是a→b
C．放電時(shí)正極反應(yīng)為：2Na++x/8S8+2e-→Na2Sx
D．炭化纖維素紙的作用是增強(qiáng)硫電極導(dǎo)電性能
A
重溫經(jīng)典，感悟高考
兩路的考查
—電化學(xué)裝置中交換膜的應(yīng)用
【例1】(2022全國(guó)甲卷T10)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(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是( )
A．Ⅱ區(qū)的K+通過(guò)隔膜向Ⅲ區(qū)遷移
B．Ⅰ區(qū)的SO42-通過(guò)隔膜向Ⅱ區(qū)遷移
C． MnO2電極反應(yīng)：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O
D．電池總反應(yīng)：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH) 42-+Mn2++2H2O
A
Zn-2e-+4OH- =Zn(OH) 42-
負(fù)極
正極
MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O
正電荷減少
K+
SO42-
負(fù)電荷減少
K+
SO42-
√
√
陰離子交換膜
陽(yáng)離子交換膜
√
×
平衡電荷，溶質(zhì)單一
【例2】（2023年河北卷T13） 我國(guó)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)如下圖所示，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(shí)，電極材料 轉(zhuǎn)化為 下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是
A．充電時(shí)，b電極上發(fā)生還原反應(yīng)
B．充電時(shí)，外電源的正極連接b電極
C．放電時(shí)，①區(qū)溶液中的SO42-向②區(qū)遷移
D．放電時(shí)，a電極的電極反應(yīng)式為MnO +4H+ +2e－=Mn2++2H2O
MnO +4H+ +2e－=Mn2++2H2O
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兩路的考查
—電化學(xué)裝置中交換膜的應(yīng)用
B
- 2e- → + 2K+
正電荷數(shù)目增多
正電荷數(shù)目減少
正極
負(fù)極
陽(yáng)極
陰極
得電子→正極→陰離子流出→陰離子交換膜
如何判斷電極材料所在的電極位置？
失電子→負(fù)極→陽(yáng)離子流出→陽(yáng)離子交換膜
平衡電荷，溶質(zhì)單一
K+
SO42-
中性
KOH
H2SO4
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兩路的考查
—電化學(xué)裝置中交換膜的應(yīng)用
【例3】（2023·湖北卷第10題）我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)如圖所示的電解池，實(shí)現(xiàn)了海水直接制備氫氣技術(shù)的綠色化。該裝置工作時(shí)陽(yáng)極無(wú)Cl2生成且KOH溶液的濃度不變，電解生成氫氣的速率為xmol·h－1。下列說(shuō)法錯(cuò)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(shí)海水中動(dòng)能高的水分子可穿過(guò)PTFE膜
D．海水為電解池補(bǔ)水的速率為2xmol·h－1
D
4H2O+4e- =2H2↑+4OH-
陰極
陽(yáng)極
4OH--4e- =O2↑+2H2O
總反應(yīng)：2H2O=====2H2↑+O2↑
通電
補(bǔ)水
海水中的Cl-不能通過(guò)，
動(dòng)能高的水分子可通過(guò)
OH-
陽(yáng)極
陰極
1molH2 ~ 1molH2O
xmol·h－1 xmol·h－1
隔膜→選擇性透過(guò)→特殊離子通道
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電化學(xué)裝置中的守恒計(jì)算
—得失電子守恒
【例1】(2024·山東卷，13)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(shí)現(xiàn)高效制H2和O2，裝置如圖所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( )
A．電極a連接電源負(fù)極
B．加入Y的目的是補(bǔ)充NaBr
C．電解總反應(yīng)式為Br-+3H2O===== BrO3-+3H2↑
D．催化階段反應(yīng)產(chǎn)物物質(zhì)的量之比n(Z) ∶n(Br-)=3∶2
電解
B
陽(yáng)極
陰極
總反應(yīng)：Br-+3H2O=====BrO3-+3H2↑
通電
Br- -6e-+3H2O= BrO3-+6H+
陽(yáng)極
3H2O+6e- =3H2↑+6OH-
陰極
H2
O2
催化循環(huán)
BrO3￣→Br￣~ 6e￣
BrO3￣→O2 ~ 4e￣
1
6
6
1.5
補(bǔ)水
H2O
【例2】(2022 重慶卷，12)硝酮是重要的有機(jī)合成中間體，可采用“成對(duì)間接電氧化”法合成。電解槽中水溶液的主要成分及反應(yīng)過(guò)程如圖所示。
下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( )
A．惰性電極2為陽(yáng)極
B．反應(yīng)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(guò)1mol電子，可得到1mol水
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電化學(xué)裝置中的守恒計(jì)算
C
陽(yáng)極
陰極
2Br￣
-2e-
Br2
合并：H2O2+二丁基-N-羥基胺 =硝酮+2H2O
Br2+二丁基-N-羥基胺 =硝酮+2H++2Br￣
O2
+2e-
H2O2
+2H+
-2H
H2O2+WO42- =WO52-+H2O 2e￣
二丁基-N-羥基胺+WO52- =WO42- +硝酮+H2O 2e￣
1molO2~1molH2O2~1molBr2
2e￣~H2O2 ~2H2O
2mol硝酮
—得失電子守恒
【例3】（2023廣東卷T16）用一種具有“卯榫”結(jié)構(gòu)的雙極膜組裝電解池(如圖)，可實(shí)現(xiàn)大電流催化電解KNO3溶液制氨。工作時(shí)，H2O在雙極膜界面處被催化解離成H+和OH- ，有利于電解反應(yīng)順利進(jìn)行。下列說(shuō)法不正確的是( )

A．電解總反應(yīng)：KNO3+3H2O =NH3·H2O+2O2 ↑+KOH
B．每生成1 mol NH3·H2O，雙極膜處有9mol的H2O解離
C．電解過(guò)程中，陽(yáng)極室中KOH物質(zhì)的量不因反應(yīng)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
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電化學(xué)裝置中的守恒計(jì)算
—電荷守恒
B
NO3－+8e－＋7H2O
= NH3·H2O+9OH－
陰極
4OH－- 4e－=O2↑+2H2O
陽(yáng)極
H+
OH-
NH3·H2O ~ 8e－ ~ 8H+ ~ 8OH－ ~8H2O
外電路轉(zhuǎn)移電子數(shù)=
通過(guò)交換膜的電荷數(shù)
陽(yáng)極室消耗4mol OH－，雙極膜處解離出4mol OH－進(jìn)入陽(yáng)極室
增大膜面積，利于H2O解離成H+和OH－，提高反應(yīng)速率
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兩路的考查
—電荷守恒
【例4】 (2020山東卷T10)微生物脫鹽電池是一種高效、經(jīng)濟(jì)的能源裝置，利用微生物處理有機(jī)廢水獲得電能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)海水淡化。現(xiàn)以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用下圖裝置處理有機(jī)廢水(以含CH3COO－的溶液為例)。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(　　)
A．負(fù)極反應(yīng)為CH3COO－ +2H2O－8e－ =2CO2↑+7H+
B．隔膜1為陽(yáng)離子交換膜，隔膜2為陰離子交換膜
C．當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時(shí)，模擬海水理論上除鹽58.5 g
D．電池工作一段時(shí)間后，正、負(fù)極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為2∶1
B
利用原電池原理將海水中的Na+、Cl－移出
CH3COO－＋2H2O－8e－=2CO2↑＋7H＋
2H＋＋2e－ = H2↑
陽(yáng)膜
陰膜
負(fù)極
正極
Cl－
Na+
8 4
8 2
外電路轉(zhuǎn)移電子數(shù)=
通過(guò)交換膜的電荷數(shù)
移出1 mol Na+ 1 mol Cl-
【例1】(2024新課標(biāo)卷T6)一種可植入體內(nèi)的微型電池工作原理如圖所示，通過(guò)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(cè)到血糖濃度高于標(biāo)準(zhǔn)，電池啟動(dòng)。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(jì))

電池工作時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是
A．電池總反應(yīng)為2C6H12O6+O2=2C6H12O7
B．b電極上CuO通過(guò)Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互轉(zhuǎn)變起催化作用
C．消耗18mg葡萄糖，理論上a電極有0.4mmol電子流入
D．兩電極間血液中的Na＋在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的遷移方向?yàn)閎→a
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與反應(yīng)歷程、電催化的融合
C
Cu2O+2OH－-2e－=2CuO+H2O
C6H12O6+2CuO= C6H12O7+Cu2O
O2+2H2O+4e－ = 4OH－
2C6H12O6+O2=2C6H12O7
C6H12O6-2e－+2OH－= C6H12O7+H2O
0.2 mmol
Na＋
C6H12O6 C6H12O7
2e－
n(C6H12O6)=18 mg/180=0.1 mmol
負(fù)極
正極
負(fù)極總反應(yīng)：
電池總反應(yīng)：
原電池
【例2】（2024·貴州卷）一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)環(huán)境處理的自循環(huán)光催化芬頓系統(tǒng)工作原理如圖。光陽(yáng)極發(fā)生反應(yīng)：HCO3-+H2O=HCO4-+2H++2e-，HCO4-+H2O=HCO3-+H2O2。體系中H2O2與Mn(Ⅱ)/Mn(Ⅳ)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的活性氧自由基可用于處理污水中的有機(jī)污染物。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是
A．該芬頓系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化形式為太陽(yáng)能→電能→化學(xué)能
B．陰極反應(yīng)式為O2+2H++2e－= H2O2
C．光陽(yáng)極每消耗1mol H2O，體系中生成2mol H2O2
D．H2O2在Mn(Ⅱ)/Mn(Ⅳ)的循環(huán)反應(yīng)中表現(xiàn)出氧化性和還原性
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與反應(yīng)歷程、電催化的融合
C
太陽(yáng)能→電能
電解池
電能→化學(xué)能
O2+2H++2e－ = H2O2
光陽(yáng)極總反應(yīng)：
2H2O-2e- = H2O2+2H+
2H2O2+Mn(Ⅳ)→Mn(Ⅱ) +2O2－
H2O2+Mn(Ⅱ)→Mn(Ⅳ) +2·OH
-1價(jià)→-2價(jià)
還原性
-1價(jià)→-1/2價(jià)
氧化性
電解池總反應(yīng)：
2H2O+O2= 2H2O2
【例3】（2024·湖北卷）我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種雙位點(diǎn)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(chǎng)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(shuō)法錯(cuò)誤的是

A．電解一段時(shí)間后陽(yáng)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(yáng)極總反應(yīng)式為2HCHO-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2O
D．陰極區(qū)存在反應(yīng)H2C2O4+2e-+2H+=OHC-COOH+H2O
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與反應(yīng)歷程、電催化的融合
HCHO+OH-→HOCH2O-
HOCH2O- +OH-→[OCH2O]2-+H2O
[OCH2O]2--e- =HCOO-+H
2H = H2↑
Cu電極
陽(yáng)極
陰極
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與反應(yīng)歷程、電催化的融合
【例3】（2024·湖北卷）我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種雙位點(diǎn)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(chǎng)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(shuō)法錯(cuò)誤的是

A．電解一段時(shí)間后陽(yáng)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(yáng)極總反應(yīng)式為2HCHO-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2O
D．陰極區(qū)存在反應(yīng)H2C2O4+2e-+2H+=OHC-COOH+H2O
B
H2C2O4+2e-+2H+=OHC-COOH+H2O
OHC-COOH+HO-N+H3→HOOC-CH=N-OH+H2O+H+
HOOC-CH=N-OH+4e-+5H+=H3N+CH2COOH+H2O
總反應(yīng)
H2C2O4+HO-N+H3+6e-+6H+
= H3N+CH2COOH+3H2O
陽(yáng)極
陰極
1molH2O解離成1molH+和1molOH-
【例4】(2024·河北卷T13)閱讀以下材料，完成13~14題
我國(guó)科技工作者設(shè)計(jì)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(shí)CO2還原產(chǎn)物為MgC2O4。該設(shè)計(jì)克服了MgCO3導(dǎo)電性差和釋放CO2能力差的障礙，同時(shí)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(shuō)法錯(cuò)誤的是（ ）
A.放電時(shí)，電池總反應(yīng)為2CO2 + Mg = MgC2O4
B.充電時(shí)，多孔碳納米管電極與電源正極連接
C.充電時(shí)，電子由Mg電極流向陽(yáng)極，Mg2+向陰極遷移
D.放電時(shí)，每轉(zhuǎn)移1 mol電子，理論上可轉(zhuǎn)化1 mol CO2
負(fù)極：Mg - 2e- = Mg2+
電子流向
陽(yáng)極
陰極
C
正極：
2CO2 + 2e- + Mg2+ = MgC2O4
Mg2+
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與反應(yīng)歷程、電催化的融合
14.對(duì)上述電池放電時(shí)CO2的捕獲和轉(zhuǎn)化過(guò)程開展了進(jìn)一步研究，電極上CO2轉(zhuǎn)化的三種可能反應(yīng)路徑及相對(duì)能量變化如圖（*表示吸附態(tài)）。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（ ）
A.PDA捕獲CO2的反應(yīng)為
B.路徑2是優(yōu)先路徑，速控步驟反應(yīng)式為
C.路徑1、3經(jīng)歷不同的反應(yīng)步驟但產(chǎn)物相同；路徑2、3起始物相同但產(chǎn)物不同
D.三個(gè)路徑速控步驟均涉及*CO2*-轉(zhuǎn)化，路徑2、3的速控步驟均伴有PDA再生
MgCO3導(dǎo)電性差和釋放CO2能力差
路徑3生成CO32-和CO
D
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模型建構(gòu)
PART 04
04
原電池
電解池
二次電池
化學(xué)能
電能
放電
充電
兩極
兩式
兩路
電極材料、作用
書寫方法、技巧
副反應(yīng)
電子通道
離子通道
交換膜
體積變化
濃度變化
質(zhì)量變化
得失電子守恒
元素守恒
電荷守恒
明晰原理
構(gòu)建模型
模型建構(gòu)
裝置類型
工作原理
守恒計(jì)算
兩極、兩路
離子交換膜
離子濃度
溶液質(zhì)量
氣體體積
電極反應(yīng)式書寫
電極電勢(shì)的變化
閉合回路的形成
守恒思想的應(yīng)用
微觀分析
符號(hào)表征
變化觀念
平衡思想
證據(jù)推理
模型認(rèn)知
宏觀辨識(shí)
微觀探析
科學(xué)精神
社會(huì)責(zé)任
還原反應(yīng)
氧化反應(yīng)
陰極
正極
陽(yáng)極
負(fù)極
-e-
+e-
教學(xué)策略
探究原理
構(gòu)建模型
定量計(jì)算
分析機(jī)理第6講 新型電池和電解原理的應(yīng)用
一、考向分析
1．課標(biāo)要求
《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》2020年修訂版中，對(duì)電化學(xué)知識(shí)的學(xué)業(yè)要求為：“能分析、解釋原電池和電解池的工作原理，能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的原電池和電解池；能列舉常見的化學(xué)電源，并利用相關(guān)信息分析化學(xué)電源的工作原理。”
加強(qiáng)學(xué)生對(duì)原電池和電解池工作原理的理解，認(rèn)識(shí)電極材料、電極反應(yīng)、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體是電化學(xué)體系的基本要素，創(chuàng)建對(duì)電化學(xué)過(guò)程的系統(tǒng)分析思路，提升學(xué)生對(duì)電化學(xué)本質(zhì)的理解。
2．考點(diǎn)統(tǒng)計(jì)
卷別 呈現(xiàn)形式 考察元素 考點(diǎn)分布
電極判斷 電子、離子移動(dòng)方向 方程式書寫 氧還分析、電解液分析 守恒計(jì)算 離子交換膜 反應(yīng)歷程、 結(jié)構(gòu)融合
北京 圖文結(jié)合 普通鋅錳電池 √ √ √ √
江蘇 圖文結(jié)合 堿性鋅錳電池 √ √ √ √
全國(guó)甲 圖文結(jié)合 MnO2-Zn二次電池 √ √√ √
安徽 圖文結(jié)合 水系鋅電池 √ √ √ √
新課標(biāo) 圖文結(jié)合 葡萄糖電池 √ √ √ √
河北 圖文結(jié)合 Mg-CO2二次電池 √ √ √ √ √
湖北 圖文結(jié)合 電解合成甘氨酸 √√ √ √ √
遼寧 圖文結(jié)合 電解HCHO制H2 √ √√ √ √ √
湖南 圖文結(jié)合 電解合成K4C6N16 √ √ √ √√
廣東 圖文結(jié)合 電解濕法冶鐵 √ √ √√ √
甘肅 圖文結(jié)合 固體電解池 √ √ √ √
山東 圖文結(jié)合 電解催化制H2和O2 √ √ √ √ √
貴州 圖文結(jié)合 光催化污水處理 √ √ √
3．考向分析
①電子流向、離子流向 ②電極分析(副反應(yīng))及電極反應(yīng)方程式的書寫
③守恒計(jì)算、電解液濃度分析等 ④離子交換膜的應(yīng)用 ⑤與反應(yīng)歷程、電催化的融合
二、知識(shí)重構(gòu)
(一)知識(shí)梳理
裝置(原電池：化學(xué)能→電能)
工作原理
電極判斷：①電勢(shì)高低；②電極材料活性；③電子、離子流向
④氧化還原分析(得失電子、價(jià)態(tài)變化)
電極反應(yīng)書寫：列物質(zhì)，標(biāo)得失；看環(huán)境，配守恒。
電子流向(電子導(dǎo)體)：負(fù)極正極
電子導(dǎo)體：外電路中通過(guò)電子的物質(zhì)的量n(e-)與恒穩(wěn)電路中的電流強(qiáng)度I A和通電的時(shí)間t s的關(guān)系為： n(e-)=Q/F mol=It/F mol，式中F為法拉第常量，常取96500 C/mol；Q為電量，單位為C。
離子流向(離子導(dǎo)體)：陽(yáng)離子→正極；陰離子→負(fù)極；(鹽橋中的離子遷移方向同理)
離子導(dǎo)體：電解質(zhì)溶液(或熔液或多孔固體電解質(zhì))中離子遷移傳遞電荷，并氧化性強(qiáng)或還原性強(qiáng)的粒子(離子或分子)在兩極得失電子，由離子導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為電子導(dǎo)體。
離子傳遞電荷不僅與溶液(或熔液或多孔固體電解質(zhì)，包括鹽橋)電極間的距離有關(guān)，而且與離子的電荷有關(guān)（與離子的遷移速率一般不予以考慮）。
離子導(dǎo)電和電極上放電是兩個(gè)不同的概念：離子的導(dǎo)電性與離子濃度、離子的種類（離子的電荷、離子的遷移速率）有關(guān)。電極上放電是物質(zhì)體系中氧化性強(qiáng)或還原性強(qiáng)的粒子（離子或分子）得失電子。例如：惰性電極電解飽和NaCl溶液，Na+只參與溶液的導(dǎo)電，向陰極遷移，結(jié)合水在陰極放電后留下的OH-，平衡溶液中的電荷！
2020年全國(guó)I卷化學(xué)第27(2)題：
電池裝置中，鹽橋連接兩電極電解質(zhì)溶液。鹽橋中陰、陽(yáng)離子不與溶液中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且電遷移率(u∝)應(yīng)盡可能地相近。根據(jù)下表數(shù)據(jù)，鹽橋中應(yīng)選擇 作為電解質(zhì)。
陽(yáng)離子 u∝×108/(m2·S—1·V—1) 陰離子 u∝×108/(m2·S—1·V—1)
Li+ 4.07 HCO3— 4.61
Na+ 5.19 NO3— 7.40
Ca2+ 6.59 Cl— 7.91
K+ 7.62 SO42— 8.27
【解析】根據(jù)題給信息：“電遷移率(u∝)應(yīng)盡可能地相近”的組合有：K+與Cl—或NO3—，Li+與HCO3—。但Li+與HCO3—的電遷移率(u∝)小且可能反應(yīng)生成Li2CO3，故不宜選用。
Ca2+與SO42—不僅電遷移率(u∝)差較大且CaSO4屬微溶物質(zhì)，故不宜選用。“陰、陽(yáng)離子不與溶液中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)”，題給的電解質(zhì)溶液含有Fe2+和Fe3+（它們的溶液均呈酸性），不能選用含HCO3—和NO3—的鹽。綜合考慮，只能選用KCl。
鹽橋作用：①連接內(nèi)電路，形成離子通道，構(gòu)成閉合回路；
②平衡電荷，產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的電流。
優(yōu)點(diǎn)：①物理隔離氧化劑和還原劑，減少副反應(yīng)的發(fā)生，提高能量轉(zhuǎn)化效率。
②減少單液原電池中，電極表面的極化現(xiàn)象，提高電池效率。
極化是指電極表面的離子濃度與溶液主體中的離子濃度之間出現(xiàn)顯著差異，導(dǎo)致電極電勢(shì)的變化。
裝置(電解池：電能→化學(xué)能)
①電子流向：電源負(fù)極→電解池陰極；電解池的陽(yáng)極→電源正極。
②離子流向：陽(yáng)離子→電解池的陰極，陰離子→電解池的陽(yáng)極。
放電順序：
陽(yáng)極(失電子能力)：
活性金屬材料電極(除Au、Pt)>S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根離子＞F－。
S2－、I－、Br－、Cl－放電，產(chǎn)物分別是S、I2、Br2、Cl2；若OH－放電，則得到H2O和O2。
陰極(得電子能力)：陰極材料只起導(dǎo)電作用
Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca2＋＞K＋
(二)教材模型梳理
1．常見一次化學(xué)電源
蘇教版化學(xué)反應(yīng)原理P18頁(yè)
【例1】(2024·北京卷T3)酸性鋅錳干電池的構(gòu)造示意圖如下。關(guān)于該電池及其工作原理，下列說(shuō)法正確的是( )
A．石墨作電池的負(fù)極材料 B．電池工作時(shí)，NH4+向負(fù)極方向移動(dòng)
C．MnO2發(fā)生氧化反應(yīng) D．鋅筒發(fā)生的電極反應(yīng)為Zn-2e- = Zn2＋
【答案】D
【例2】(2024·江蘇卷T8)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(shuō)法正確的是( )
A．電池工作時(shí)，MnO2發(fā)生氧化反應(yīng)
B．電池工作時(shí)，OH-通過(guò)隔膜向正極移動(dòng)
C．環(huán)境溫度過(guò)低，不利于電池放電
D．反應(yīng)中每生成1mol MnOOH，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2×6.02×10-23
【答案】C
2．常見二次化學(xué)電源
人教版化學(xué)反應(yīng)原理P97頁(yè)
【例】(2023 遼寧卷T11)某低成本儲(chǔ)能電池原理如下圖所示。下列說(shuō)法正確的是( )
A．放電時(shí)負(fù)極質(zhì)量減小
B．儲(chǔ)能過(guò)程中電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能
C．放電時(shí)右側(cè)H+通過(guò)質(zhì)子交換膜移向左側(cè)
D．充電總反應(yīng)：Pb+SO42-+2Fe3+=PbSO4+2Fe2+
【答案】B
【解析】該儲(chǔ)能電池放電時(shí)，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(shí)，多孔碳電極為陽(yáng)極，F(xiàn)e2+失電子生成Fe3+，PbSO4電極為陰極，PbSO4得電子生成Pb和硫酸。A項(xiàng)，放電時(shí)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錯(cuò)誤；B項(xiàng)，儲(chǔ)能過(guò)程中，該裝置為電解池，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，B正確；C項(xiàng)，放電時(shí)，右側(cè)為正極，電解質(zhì)溶液中的陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，左側(cè)的H+通過(guò)質(zhì)子交換膜移向右側(cè)，C錯(cuò)誤；D項(xiàng)，充電時(shí)，總反應(yīng)為PbSO4+2Fe2+=Pb+SO42-+2Fe3+，D錯(cuò)誤；故選B。
3．教材中離子交換膜的引入
人教版化學(xué)反應(yīng)原理P98頁(yè) 人教版化學(xué)反應(yīng)原理P104頁(yè)
離子交換膜（又叫隔膜），是一種含離子基團(tuán)的、對(duì)溶液里的離子具有選擇透過(guò)能力的高分子膜。選擇性地通過(guò)某些離子或阻止某些離子來(lái)隔離某些物質(zhì)，因在應(yīng)用時(shí)主要是利用它對(duì)離子選擇透過(guò)性，又稱為離子選擇透過(guò)性膜。
分類：陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜、質(zhì)子交換膜、雙極膜
作用：1．將兩極區(qū)隔離，阻止兩極區(qū)的物質(zhì)接觸，防止發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起危險(xiǎn)或者產(chǎn)物不純。
2．能選擇性的通過(guò)離子，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。
3 ．制備某些特定產(chǎn)品時(shí)利用隔膜將裝置隔離為不同的區(qū)，使產(chǎn)品純凈。
4 ．對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離、提純。
【例1】（2023·浙江6月T13）氯堿工業(yè)能耗大，通過(guò)如圖改進(jìn)的設(shè)計(jì)可大幅度降低能耗，下列說(shuō)法不正確的是
A．電極A接電源正極，發(fā)生氧化反應(yīng)
B．電極B的電極反應(yīng)式為：2H2O+2e―=H2↑+2OH―
C．應(yīng)選用陽(yáng)離子交換膜，在右室獲得濃度較高的NaOH溶液
D．改進(jìn)設(shè)計(jì)中通過(guò)提高電極B上反應(yīng)物的氧化性來(lái)降低電解電壓，減少能耗
【答案】B
【解析】電極A是氯離子變?yōu)槁葰猓蟽r(jià)升高，失去電子，是電解池陽(yáng)極，因此電極A接電源正極，發(fā)生氧化反應(yīng)，故A正確；電極B為陰極，通入氧氣，氧氣得到電子，其電極反應(yīng)式為：O2+4e―+2H2O=4OH―，故B錯(cuò)誤；右室生成氫氧根，應(yīng)選用陽(yáng)離子交換膜，左邊的鈉離子進(jìn)入到右邊，在右室獲得濃度較高的NaOH溶液，故C正確；改進(jìn)設(shè)計(jì)中增大了氧氣的量，提高了電極B處的氧化性，通過(guò)反應(yīng)物的氧化性來(lái)降低電解電壓，減少能耗，故D正確。
【例2】（2024·廣東卷）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(guò)程中，下列說(shuō)法不正確的是
A．陽(yáng)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1mol Fe2O3，陽(yáng)極室溶液減少213g
D．理論上每消耗1mol Fe2O3，陰極室物質(zhì)最多增加138g
【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(yáng)極，Cl―放電產(chǎn)生氯氣，電極反應(yīng)為：2Cl―-2e―=Cl2↑，A正確；左側(cè)電極為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，F(xiàn)e2O3在堿性條件下轉(zhuǎn)化為Fe，電極反應(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正確；理論上每消耗1mol Fe2O3，轉(zhuǎn)移6mol電子，產(chǎn)生3molCl2，同時(shí)有6mol Na+由陽(yáng)極通過(guò)陽(yáng)離子交換膜轉(zhuǎn)移至陰極，則陽(yáng)極室溶液減少3×71g+6×23g=351g，C錯(cuò)誤；由分析可知，理論上每消耗1mol Fe2O3，轉(zhuǎn)移6mol電子，有6mol Na+由陽(yáng)極轉(zhuǎn)移至陰極，陰極室物質(zhì)最多增加6×23g=138g，D正確。
【小結(jié)】加強(qiáng)對(duì)教材中裝置模型的深入理解和挖掘！
三、重溫經(jīng)典
(一)對(duì)電極、電極反應(yīng)的考查
1．電極材料的影響
【例1】（2024·甘肅卷）某固體電解池工作原理如圖所示，下列說(shuō)法錯(cuò)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(shí)O2-從多孔電極1遷移到多孔電極2
D．理論上電源提供2mol e-能分解1mol H2O
【答案】B
【解析】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(yáng)極，電極反應(yīng)為2O2--4e-=O2。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(xiàng)正確；根據(jù)分析，電極2為陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)：2O2--4e-=O2，B項(xiàng)錯(cuò)誤；工作時(shí)，陰離子O2-向陽(yáng)極移動(dòng)，即O2-從多孔電極1遷移到多孔電極2，C項(xiàng)正確；根據(jù)分析，電解總反應(yīng)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(xiàng)正確。
【例2】(2024·安徽卷T11)我國(guó)學(xué)者研發(fā)出一種新型水系鋅電池，其示意圖如下。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(shuō)法錯(cuò)誤的是( )
A．標(biāo)注框內(nèi)所示結(jié)構(gòu)中存在共價(jià)鍵和配位鍵
B．電池總反應(yīng)為：I3-+ZnZn2++3I-
C．充電時(shí)，陰極被還原的Zn2+主要來(lái)自Zn-TCPP
D．放電時(shí)，消耗0.65 g Zn，理論上轉(zhuǎn)移0.02 mol電子
【答案】C
【解析】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＋，則充電時(shí)，該電極為陰極，電極反應(yīng)式為Zn2++2e-=Zn；正極上發(fā)生I3-+2e-=3I-，則充電時(shí)，該電極為陽(yáng)極，電極反應(yīng)式為3I--2e-=I3-。A項(xiàng)，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(jià)鍵，還有由N提供孤電子對(duì)、Zn2+提供空軌道形成的配位鍵，A正確；B項(xiàng)，該電池總反應(yīng)為I3-+ZnZn2++3I-，B正確；C項(xiàng)，充電時(shí)，陰極電極反應(yīng)式為Zn2++2e-=Zn，Zn-TCPP 形成的穩(wěn)定超分子難電離，被還原的Zn2+主要來(lái)自電解質(zhì)溶液，C錯(cuò)誤；D項(xiàng)，放電時(shí)，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0.01mol)，理論上轉(zhuǎn)移0.02 mol電子，D正確。
2．電解質(zhì)環(huán)境的影響
【例1】(2022·北京卷)利用下圖裝置進(jìn)行鐵上電鍍銅的實(shí)驗(yàn)探究。
裝置示意圖 序號(hào) 電解質(zhì)溶液 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
① 0.1 mol/L CuSO4＋少量H2SO4 陰極表面有無(wú)色氣體，一段時(shí)間后陰極表面有紅色固體，氣體減少。經(jīng)檢驗(yàn)電解液中有Fe2＋
② 0.1 mol/L CuSO4＋過(guò)量氨水 陰極表面未觀察到氣體，一段時(shí)間后陰極表面有致密紅色固體。經(jīng)檢驗(yàn)電解液中無(wú)Fe元素
下列說(shuō)法不正確的是(　　)
A．①中氣體減少，推測(cè)是由于溶液中c(H＋)減少，且Cu覆蓋鐵電極，阻礙H＋與鐵接觸
B．①中檢測(cè)到Fe2＋，推測(cè)可能發(fā)生反應(yīng)：Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑、Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu
C．隨陰極析出Cu，推測(cè)②中溶液c(Cu2＋)減少，Cu2＋＋4NH3[Cu(NH3)4]2＋平衡逆移
D．②中Cu2＋生成[Cu(NH3)4]2＋，使c(Cu2＋)比①中溶液的小，Cu緩慢析出，鍍層更致密
【答案】C
【解析】A.由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，實(shí)驗(yàn)①時(shí)，鐵會(huì)先與溶液中的氫離子、銅離子反應(yīng)，當(dāng)溶液中氫離子濃度減小，反應(yīng)和放電生成的銅覆蓋鐵電極，阻礙氫離子與鐵接觸，導(dǎo)致產(chǎn)生的氣體減少，故A正確；B.實(shí)驗(yàn)①時(shí)，鐵做電鍍池的陰極，鐵會(huì)先與溶液中的氫離子、銅離子反應(yīng)生成亞鐵離子、氫氣和銅，可能發(fā)生的反應(yīng)為Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑、Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，故B正確；C.實(shí)驗(yàn)②中，陽(yáng)極生成銅離子，陰極銅離子得電子析出銅，溶液中銅離子濃度保持不變，Cu2＋＋4NH3[Cu(NH3)4]2＋平衡向不移動(dòng)，故C錯(cuò)誤；D.由分析可知，實(shí)驗(yàn)②中銅離子與過(guò)量氨水反應(yīng)生成四氨合銅離子，銅離子濃度比實(shí)驗(yàn)①的小，陰極得到電子緩慢發(fā)生還原反應(yīng)生成銅，在鐵表面得到比實(shí)驗(yàn)①更致密的鍍層，故D正確。
【例2】（2023山東卷T11）利用熱再生氨電池可實(shí)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(yù)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(shuō)法正確的是
A．甲室Cu電極為正極
B．隔膜為陽(yáng)離子膜
C．電池總反應(yīng)為：Cu2++4NH3=Cu[NH3]42+
D．NH3擴(kuò)散到乙室將對(duì)電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生影響
【答案】CD
【解析】甲室中發(fā)生反應(yīng)：Cu2+(ag)+4NH3 H2O(ag)=Cu[NH3]42++4H2O，根據(jù)Cu2+的濃度差可以設(shè)計(jì)濃差電池。NH3通入甲室發(fā)生反應(yīng)NH3+H2O=NH3 H2O，溶液中Cu2+與NH3 H2O結(jié)合生成Cu[NH3]42+，甲室Cu電極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng):Cu-2e- =Cu，則甲室中總反應(yīng)為Cu-2e―+4NH3=Cu[NH3]42+；乙室Cu電極上發(fā)生得電子的還原反應(yīng)Cu2++2e―=Cu，乙室中SO42-向甲室移動(dòng)，甲室中Cu[NH3]4SO4，濃度增大，排出收集，低溫?zé)峤馍蒀uSO4和NH3，NH3回到甲室中生成NH3 H2O循環(huán)使用。A項(xiàng)，甲室中Cu電極為負(fù)極，錯(cuò)誤；B項(xiàng)，因需要在甲室中實(shí)現(xiàn)CuSO4溶液的再生，故需要使乙室中SO42-通過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入甲室，錯(cuò)誤；C項(xiàng)，上述分析中甲室中總反應(yīng)與乙室中Cu電極的電極反應(yīng)相加得電池總反應(yīng)Cu2++4NH3=Cu[NH3]42+，正確；D項(xiàng)，如果NH3進(jìn)入乙室，則乙室中Cu2+濃度降低，濃差電池的電動(dòng)勢(shì)將減小，正確。
3．電極副反應(yīng)的發(fā)生
【例1】 (2024·全國(guó)甲卷T6)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(shí)間后，MnO2電極上檢測(cè)到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列敘述正確的是( )
A．充電時(shí)，Zn2+向陽(yáng)極方向遷移
B．充電時(shí)，會(huì)發(fā)生反應(yīng)Zn+2MnO2 =ZnMn2O4
C．放電時(shí)，正極反應(yīng)有MnO2+H2O+e- =MnOOH+OH-
D．放電時(shí)，Zn電極質(zhì)量減少0.65g，MnO2電極生成了0.020molMnOOH
【答案】C
【解析】Zn具有比較強(qiáng)的還原性，MnO2具有比較強(qiáng)的氧化性，自發(fā)的氧化還原反應(yīng)發(fā)生在Zn與MnO2之間，所以MnO2電極為正極，Zn電極為負(fù)極，則充電時(shí)MnO2電極為陽(yáng)極、Zn電極為陰極。A項(xiàng)，充電時(shí)該裝置為電解池，電解池中陽(yáng)離子向陰極遷移，即Zn2+向陰極方向遷移，A不正確；B項(xiàng)，放電時(shí)，負(fù)極的電極反應(yīng)為Zn-2e-=Zn2＋，則充電時(shí)陰極反應(yīng)為Zn2++2e-=Zn，即充電時(shí)Zn元素化合價(jià)應(yīng)降低，而選項(xiàng)中Zn元素化合價(jià)升高，B不正確；C項(xiàng)，放電時(shí)MnO2電極為正極，正極上檢測(cè)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正確；D項(xiàng)，放電時(shí)，Zn電極質(zhì)量減少0.65g(物質(zhì)的量為0.010mol)，電路中轉(zhuǎn)移0.020mol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0.020mol，但是正極上還有ZnMn2O4生成，因此，MnOOH的物質(zhì)的量小于0.020mol，D不正確。
【例2】（2023·遼寧卷T7）某無(wú)隔膜流動(dòng)海水電解法制H2的裝置如下圖所示，其中高選擇性催化劑PRT可抑制O2產(chǎn)生。下列說(shuō)法正確的是（ ）
A．b端電勢(shì)高于a端電勢(shì)
B．理論上轉(zhuǎn)移2mole-生成4gH2
C．電解后海水pH下降
D．陽(yáng)極發(fā)生：Cl-+H2O-2e-=HClO+H+
【答案】D
【解析】由圖可知，鈦網(wǎng)上可能發(fā)生的反應(yīng)為Cl-和H2O失電子生成HClO和O2，為陽(yáng)極，高選擇性催化劑PRT可抑制O2產(chǎn)生，故陽(yáng)極反應(yīng)為Cl-+H2O-2e-=HClO+H+，鈦箔上，HClO生成Cl-，同時(shí)水得電子生成H2，為陰極，電極反應(yīng)為2H2O+2e-=H2↑+2OH-，HClO+2e-=Cl-+OH-。a端電勢(shì)高于b端電勢(shì)，A錯(cuò)誤；右側(cè)電極上產(chǎn)生氫氣的電極方程式為：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，HClO+2e-=Cl-+OH-，則理論上轉(zhuǎn)移2mole-生成H2小于2g，B錯(cuò)誤；由圖可知，該裝置的總反應(yīng)為電解海水的裝置，隨著電解的進(jìn)行，c(H+)減小，pH增大，C錯(cuò)誤；由圖可知，陽(yáng)極上的電極反應(yīng)為：Cl-+H2O-2e-=HClO+H+，D正確。
【例3】（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(shí)，伴隨少量O2生成，電解原理如圖所示，下列說(shuō)法正確的是
A．電解時(shí)，OH-向Ni電極移動(dòng)
B．生成C6N164-的電極反應(yīng)：2C3N8H4+8OH--4e-=C6N164-+8H2O
C．電解一段時(shí)間后，溶液pH升高
D．每生成1mol H2的同時(shí)，生成0.5mol K4C6N16
【答案】B
【解析】由電解原理圖可知，Ni電極產(chǎn)生氫氣，作陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，電解質(zhì)溶液為KOH水溶液，電極反應(yīng)為：2H2O+2e-=H2↑+2OH-；Pt電極C3N8H4失去電子生成C6N164-，作陽(yáng)極，電極反應(yīng)為：2C3N8H4+8OH--4e-=C6N164-+8H2O，同時(shí)，Pt電極還伴隨少量O2生成，電極反應(yīng)為：4OH--4e-=O2↑+2H2O。由分析可知，Ni電極為陰極，Pt電極為陽(yáng)極，電解過(guò)程中，陰離子向陽(yáng)極移動(dòng)，即OH-向Pt電極移動(dòng)，A錯(cuò)誤；由分析可知，Pt電極C3N8H4失去電子生成C6N164-，電解質(zhì)溶液為KOH水溶液，電極反應(yīng)為：2C3N8H4+8OH--4e-=C6N164-+8H2O，B正確；由分析可知，陽(yáng)極主要反應(yīng)為：2C3N8H4+8OH--4e-=C6N164-+8H2O，陰極反應(yīng)為：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，反應(yīng)消耗OH-，生成H2O，電解一段時(shí)間后，溶液pH降低，C錯(cuò)誤；根據(jù)電極可知，每生成1molH2，生成0.5molK4C6N16，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1molH2時(shí)得到的部分電子由OH-放電產(chǎn)生O2提供，故生成K4C6N16小于0.5mol，D錯(cuò)誤。
4．復(fù)雜電極反應(yīng)的書寫技巧—守恒書寫技巧的應(yīng)用
【例1】（2023·重慶卷第12題）電化學(xué)合成是一種綠色高效的合成方法。如圖是在酸性介質(zhì)中電解合成半胱氨酸和煙酸的示意圖。下列敘述錯(cuò)誤的是
A．電極a為陰極
B．H+從電極b移向電極a
C．電極b發(fā)生的反應(yīng)為：
D．生成3mol半胱氨酸的同時(shí)生成1mol煙酸
【答案】D
【解析】該裝置是電解池，電極b上3-甲基吡啶轉(zhuǎn)化為煙酸過(guò)程中‘加氧少氫’，發(fā)生氧化反應(yīng)，則b為陽(yáng)極，a為陰極，陰極電極反應(yīng)式為 +2e-+2H+=2 ；a極上硫元素化合價(jià)升高，a為陰極，A正確；電解池中陽(yáng)離子移向陰極，則H+移向a電極，B正確；電極b上3-甲基吡啶轉(zhuǎn)化為煙酸過(guò)程中發(fā)生氧化反應(yīng)，在酸性介質(zhì)中電極反應(yīng)式為： ，C正確；根據(jù)電子守恒可得關(guān)系式： ~6e-~6 ，因此生成6mol半胱氨酸的同時(shí)生成1mol煙酸，D錯(cuò)誤；故選D。
【例2】（2023年新課標(biāo)T10） 一種以V2O5和Zn為電極、Zn(CF3SO3)2水溶液為電解質(zhì)的電池，其示意圖如下所示。放電時(shí)，Zn2+可插入V2O5層間形成ZnxV2O5·nH2O。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是
A. 放電時(shí)V2O5為正極
B. 放電時(shí)Zn2+由負(fù)極向正極遷移
C. 充電總反應(yīng)：xZn+V2O5+nH2O=ZnxV2O5·nH2O
D. 充電陽(yáng)極反應(yīng)：ZnxV2O5·nH2O-2xe-=xZn2++V2O5+nH2O
【答案】C
【解析】A．由題信息可知，放電時(shí)，Zn2+可插入V2O5層間形成ZnxV2O5·nH2O，V2O5發(fā)生了還原反應(yīng)，則放電時(shí)V2O5為正極，A說(shuō)法正確；
B．Zn為負(fù)極，放電時(shí)Zn失去電子變?yōu)閆n2+，陽(yáng)離子向正極遷移，則放電時(shí)Zn2+由負(fù)極向正極遷移，B說(shuō)法正確；
C．電池在放電時(shí)的總反應(yīng)為xZn+V2O5+nH2O=ZnxV2O5·nH2O，則其在充電時(shí)的總反應(yīng)為ZnxV2O5·nH2O=xZn+V2O5+nH2O，C說(shuō)法不正確；
D．充電陽(yáng)極上ZnxV2O5·nH2O被氧化為V2O5，則陽(yáng)極的電極反應(yīng)為ZnxV2O5·nH2O-2xe-=xZn2++V2O5+nH2O，D說(shuō)法正確。
(二)兩路的考查—電化學(xué)裝置中交換膜的應(yīng)用
【例1】(2022全國(guó)甲卷T10)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(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是( )
A．Ⅱ區(qū)的K+通過(guò)隔膜向Ⅲ區(qū)遷移
B．Ⅰ區(qū)的SO42-通過(guò)隔膜向Ⅱ區(qū)遷移
C． MnO2電極反應(yīng)：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O
D．電池總反應(yīng)：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(fù)極，電極反應(yīng)為Zn-2e-+4OH-=Zn(OH) 42-，Ⅰ區(qū)MnO2為電池的正極，電極反應(yīng)為MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O；電池在工作過(guò)程中，由于兩個(gè)離子選擇隔膜沒有指明的陽(yáng)離子隔膜還是陰離子隔膜，故兩個(gè)離子隔膜均可以通過(guò)陰、陽(yáng)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(dòng)或Ⅰ區(qū)的SO42-向Ⅱ區(qū)移動(dòng)，Ⅲ區(qū)消耗OH-，生成Zn(OH) 42-，Ⅱ區(qū)的SO42-向Ⅲ區(qū)移動(dòng)或Ⅲ區(qū)的K+向Ⅱ區(qū)移動(dòng)。A項(xiàng)，Ⅱ區(qū)的K+只能向Ⅰ區(qū)移動(dòng)，A錯(cuò)誤；B項(xiàng)，Ⅰ區(qū)的SO42-向Ⅱ區(qū)移動(dòng)，B正確；C項(xiàng)，MnO2電極的電極反應(yīng)式為MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O，C正確；D項(xiàng)，電池的總反應(yīng)為Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH) 42-+Mn2++2H2O，D正確；故選A。
【例2】（2023年河北卷T13） 我國(guó)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)如下圖所示，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(shí)，電極材料轉(zhuǎn)化為。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是
A．充電時(shí)，b電極上發(fā)生還原反應(yīng)
B．充電時(shí)，外電源的正極連接b電極
C．放電時(shí)，①區(qū)溶液中的SO42-向②區(qū)遷移
D．放電時(shí)，a電極的電極反應(yīng)式為MnO +4H+ +2e－=Mn2++2H2O
【答案】B
【解析】由題意，放電時(shí)醇鉀變成酮，故該電極放電時(shí)被氧化，做負(fù)極；那放電時(shí)的正極，就是二氧化錳被還原成錳離子。放電時(shí)負(fù)極電極反應(yīng)式：
- 2e- → + 2K+，釋放出鉀離子，反應(yīng)造成溶液中正電荷數(shù)目增多；而正極電極反應(yīng)式為：MnO +4H+ +2e－=Mn2++2H2O，反應(yīng)消耗溶液中4個(gè)正電荷，而產(chǎn)生2個(gè)正電荷，故溶液中正電荷數(shù)目減少。左右兩室溶液中電荷不平衡，根據(jù)中間室是硫酸鉀可知：為了平衡電荷，負(fù)極釋放的鉀離子會(huì)通過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)入②室，而正極溶液會(huì)將帶負(fù)電荷的硫酸根通過(guò)陰膜進(jìn)入②室。即左邊a電極是正極，而右邊b是負(fù)極。由二次電池的基礎(chǔ)知識(shí)知道，二次電池充電時(shí)“正接正、負(fù)接負(fù)”，故a接電源正極，是陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)；b接電源負(fù)極，是陰極，發(fā)生還原反應(yīng)；A選項(xiàng)，充電時(shí)b是陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，正確；B選項(xiàng)，外電源的正極應(yīng)接a，錯(cuò)誤；由前面分析可知，CD均正確。
【例3】（2023·湖北卷第10題）我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)如圖所示的電解池，實(shí)現(xiàn)了海水直接制備氫氣技術(shù)的綠色化。該裝置工作時(shí)陽(yáng)極無(wú)Cl2生成且KOH溶液的濃度不變，電解生成氫氣的速率為xmol·h－1。下列說(shuō)法錯(cuò)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(shí)海水中動(dòng)能高的水分子可穿過(guò)PTFE膜
D．海水為電解池補(bǔ)水的速率為2xmol·h－1
【答案】D
【解析】由圖可知，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(yáng)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(yáng)極反應(yīng)為4OH--4e-=O2↑+2H2O，電池總反應(yīng)為2H2O2H2↑+O2↑，據(jù)此解答。b電極反應(yīng)式為b電極為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為2H2O+2e-=H2↑+2OH-，故A正確；該裝置工作時(shí)陽(yáng)極無(wú)Cl2生成且KOH濃度不變，陽(yáng)極發(fā)生的電極反應(yīng)為4OH--4e-=O2↑+2H2O，為保持OH-離子濃度不變，則陰極產(chǎn)生的OH-離子要通過(guò)離子交換膜進(jìn)入陽(yáng)極室，即離子交換膜應(yīng)為陰離子交換摸，故B正確；電解時(shí)電解槽中不斷有水被消耗，海水中的動(dòng)能高的水可穿過(guò)PTFE膜，為電解池補(bǔ)水，故C正確；由電解總反應(yīng)可知，每生成1molH2要消耗1molH2O，生成H2的速率為xmol·h－1，則補(bǔ)水的速率也應(yīng)是xmol·h－1，故D錯(cuò)誤；故選D。
(三)電化學(xué)裝置中的守恒計(jì)算
1．得失電子守恒：
【例1】(2024·山東卷，13)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(shí)現(xiàn)高效制H2和O2，裝置如圖所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( )
A．電極a連接電源負(fù)極
B．加入Y的目的是補(bǔ)充NaBr
C．電解總反應(yīng)式為Br-+3H2O BrO3-+3H2↑
D．催化階段反應(yīng)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(yīng)轉(zhuǎn)化成BrO3-，電極b為陽(yáng)極，電極反應(yīng)為Br- -6e-+3H2O= BrO3-+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-+3H2OBrO3-+3H2↑；催化循環(huán)階段BrO3-被還原成Br-循環(huán)使用、同時(shí)生成O2，實(shí)現(xiàn)高效制H2和O2，即Z為O2。A項(xiàng)，電極a為陰極，連接電源負(fù)極，A項(xiàng)正確；B項(xiàng)，根據(jù)分析電解過(guò)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(bǔ)充H2O，維持NaBr溶液為一定濃度，B項(xiàng)錯(cuò)誤；C項(xiàng)，根據(jù)分析電解總反應(yīng)式為Br-+3H2OBrO3-+3H2↑，C項(xiàng)正確；D項(xiàng)，催化階段，Br元素的化合價(jià)由+5價(jià)降至-1價(jià)，生成1molBr-得到6mol電子，O元素的化合價(jià)由-2價(jià)升至0價(jià)，生成1molO2失去4mol電子，根據(jù)得失電子守恒，反應(yīng)產(chǎn)物物質(zhì)的量之比n(O2) ∶n(Br-)=6∶4=3∶2，D項(xiàng)正確。
【例2】(2022 重慶卷，12)硝酮是重要的有機(jī)合成中間體，可采用“成對(duì)間接電氧化”法合成。電解槽中水溶液的主要成分及反應(yīng)過(guò)程如圖所示。
下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( )
A．惰性電極2為陽(yáng)極 B．反應(yīng)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(guò)1mol電子，可得到1mol水
【答案】C
【解析】A項(xiàng)，惰性電極2，Br-被氧化為Br2，惰性電極2為陽(yáng)極，故A正確；B項(xiàng)，WO42-/WO52-循環(huán)反應(yīng)，反應(yīng)前后WO42-/WO52-數(shù)量不變，故B正確；C項(xiàng)，轉(zhuǎn)移2mol電子，得到1molH2O2和Br2，各與二丁基-N-羥基胺反應(yīng)生成1mol硝酮，共得到2mol硝酮，故C錯(cuò)誤； D項(xiàng)，外電路通過(guò)1mol電子，生成0.5molH2O2，最終得到1mol水，故D正確。
2．電荷守恒
【例3】（2023廣東卷T16）用一種具有“卯榫”結(jié)構(gòu)的雙極膜組裝電解池(如圖)，可實(shí)現(xiàn)大電流催化電解KNO3溶液制氨。工作時(shí)，H2O在雙極膜界面處被催化解離成H+和OH- ，有利于電解反應(yīng)順利進(jìn)行。下列說(shuō)法不正確的是( )
A．電解總反應(yīng)：KNO3+3H2O =NH3·H2O+2O2 ↑+KOH
B．每生成1 mol NH3·H2O,雙極膜處有9mol的H2O解離
C．電解過(guò)程中，陽(yáng)極室中KOH物質(zhì)的量不因反應(yīng)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(yīng)，故電極a為陰極，電極方程式為NO3－+8e－＋7H2O= NH3·H2O+9OH－，電極b為陽(yáng)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。由分析陰陽(yáng)極電極方程式可知，電解總反應(yīng)為KNO3+3H2O =NH3· H2O+2O2 ↑+KOH，故A正確；B．每生成1mol NH3·H2O，陰極得8mol e－，同時(shí)雙極膜處有8mol H+進(jìn)入陰極室，即有8mol的H2O解離，故B錯(cuò)誤；電解過(guò)程中，陽(yáng)極室每消耗4mol OH－，同時(shí)有4mol OH－通過(guò)雙極膜進(jìn)入陽(yáng)極室，KOH的物質(zhì)的量不因反應(yīng)而改變，故C正確；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。
【例4】 (2020山東卷T10)微生物脫鹽電池是一種高效、經(jīng)濟(jì)的能源裝置，利用微生物處理有機(jī)廢水獲得電能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)海水淡化。現(xiàn)以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用下圖裝置處理有機(jī)廢水(以含CH3COO－的溶液為例)。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(　　)
A．負(fù)極反應(yīng)為CH3COO－ +2H2O－8e－ =2CO2↑+7H+
B．隔膜1為陽(yáng)離子交換膜，隔膜2為陰離子交換膜
C．當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時(shí)，模擬海水理論上除鹽58.5 g
D．電池工作一段時(shí)間后，正、負(fù)極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為2∶1
【答案】B
【解析】結(jié)合圖示可知放電時(shí)的電極反應(yīng)如下：
電極名稱 電極反應(yīng)
負(fù)極(a極) CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋
正極(b極) 2H＋＋2e－===H2↑
根據(jù)上述分析可知，A項(xiàng)正確；該電池工作時(shí)，Cl－向a極移動(dòng)，Na＋向b極移動(dòng)，即隔膜1為陰離子交換膜，隔膜2為陽(yáng)離子交換膜，B項(xiàng)錯(cuò)誤；電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時(shí)，向a極和b極分別移動(dòng)1 mol Cl－和1 mol Na＋，則模擬海水理論上可除鹽58.5 g，C項(xiàng)正確；電池工作時(shí)負(fù)極產(chǎn)生CO2，正極產(chǎn)生H2，結(jié)合正、負(fù)極的電極反應(yīng)知，一段時(shí)間后，正極和負(fù)極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為2∶1，D項(xiàng)正確; 故答案為B。
(四)與反應(yīng)歷程、電催化的融合
【例1】(2024新課標(biāo)卷T6)一種可植入體內(nèi)的微型電池工作原理如圖所示，通過(guò)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(cè)到血糖濃度高于標(biāo)準(zhǔn)，電池啟動(dòng)。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(jì))
電池工作時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是
A．電池總反應(yīng)為2C6H12O6+O2=2C6H12O7
B．b電極上CuO通過(guò)Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互轉(zhuǎn)變起催化作用
C．消耗18mg葡萄糖，理論上a電極有0.4mmol電子流入
D．兩電極間血液中的Na＋在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的遷移方向?yàn)閎→a
【答案】C
【解析】由題中信息可知，b電極為負(fù)極，發(fā)生反應(yīng)Cu2O+2OH--2e-=2CuO+H2O，然后再發(fā)生C6H12O6+2CuO= C6H12O7+Cu2O；a電極為正極，發(fā)生反應(yīng)O2+2H2O+4e-=4OH-，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生的總反應(yīng)為2C6H12O6+O2=2C6H12O7。A項(xiàng)，由題中信息可知，當(dāng)電池開始工作時(shí)，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+2H2O+4e-=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+2OH--2e-=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正確；B項(xiàng)，b電極上CuO將葡萄糖被CuO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(gè)過(guò)程中CuO的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)保持不變，因此，CuO通過(guò)Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互轉(zhuǎn)變起催化作用，B正確；C項(xiàng)，根據(jù)反應(yīng)2C6H12O6+O2=2C6H12O7可知，1mol C6H12O6參加反應(yīng)時(shí)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(shí)，理論上a電極有0.2 mmol電子流入，C錯(cuò)誤；D項(xiàng)，原電池中陽(yáng)離子從負(fù)極移向正極遷移，故Na＋遷移方向?yàn)閎→a，D正確。故選C。
【例2】（2024·貴州卷）一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)環(huán)境處理的自循環(huán)光催化芬頓系統(tǒng)工作原理如圖。光陽(yáng)極發(fā)生反應(yīng)：HCO3-+H2O=HCO4-+2H++2e-，HCO4-+H2O=HCO3-+H2O2。體系中H2O2與Mn(Ⅱ)/Mn(Ⅳ)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的活性氧自由基可用于處理污水中的有機(jī)污染物。
下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是
A．該芬頓系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化形式為太陽(yáng)能→電能→化學(xué)能
B．陰極反應(yīng)式為O2+2H++2e-= H2O2
C．光陽(yáng)極每消耗1mol H2O，體系中生成2mol H2O2
D．H2O2在Mn(Ⅱ)/Mn(Ⅳ)的循環(huán)反應(yīng)中表現(xiàn)出氧化性和還原性
【答案】C
【解析】A．該裝置為電解池，利用光能提供能量轉(zhuǎn)化為電能，在電解池中將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，A正確；
B．由圖可知，陰極上氧氣和氫離子得電子生成過(guò)氧化氫，電極反應(yīng)式為O2+2H++2e-= H2O2，B正確；
C．電解池總反應(yīng)：2H2O+O2= 2H2O2，每消耗1mol H2O，則體系中生成1mol H2O2，C錯(cuò)誤；
D．由Mn(Ⅳ)和過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為Mn(Ⅱ)過(guò)程中，錳元素化合價(jià)降低，H2O2做還原劑，表現(xiàn)還原性，由Mn(Ⅱ)轉(zhuǎn)化為Mn(Ⅳ)時(shí)，H2O2中O元素化合價(jià)降低，做氧化劑，表現(xiàn)氧化性，D正確。
【例3】（2024·湖北卷）我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種雙位點(diǎn)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(chǎng)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(shuō)法錯(cuò)誤的是
A．電解一段時(shí)間后陽(yáng)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(yáng)極總反應(yīng)式為2HCHO-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2O
D．陰極區(qū)存在反應(yīng)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(yīng)為[OCH2O]2--e-=HCOO-+H ，H 結(jié)合成H2，Cu電極為陽(yáng)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-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(yīng)轉(zhuǎn)化成H3N+CH2COOH：HOOC-CH=N-OH+4e-+5H+=H3N+CH2COOH+H2O。根據(jù)分析，電解過(guò)程中，陽(yáng)極區(qū)消耗OH-、同時(shí)生成H2O，故電解一段時(shí)間后陽(yáng)極區(qū)c(OH-)減小，A項(xiàng)正確；根據(jù)分析，陰極區(qū)的總反應(yīng)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項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)分析，結(jié)合裝置圖，陽(yáng)極總反應(yīng)為2HCHO-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2O，C項(xiàng)正確；根據(jù)分析，陰極區(qū)的Pb上發(fā)生反應(yīng)H2C2O4+2e-+2H+=OHC—COOH+H2O，D項(xiàng)正確。
四、模型建構(gòu)
1．找準(zhǔn)電池類型：是原電池、電解池、還是可充放電的二次電池
2．分析工作原理：明確兩極，關(guān)注特殊電極材料的作用；分析兩路，理清電子、離子的流向，及離子交換膜的使用；書寫兩式，熟練掌握書寫步驟(列物質(zhì)、標(biāo)得失，看環(huán)境、配守恒)、書寫技巧(復(fù)雜反應(yīng)中電荷守恒的應(yīng)用)。
3．定量計(jì)算：離子濃度變化、溶液pH值的變化、電極產(chǎn)物的定量計(jì)算、以及電子轉(zhuǎn)移總數(shù)的相關(guān)計(jì)算等問(wèn)題……
五、教學(xué)策略
1．探究電化學(xué)裝置的工作原理，從氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)、電極電勢(shì)變化的角度，培養(yǎng)學(xué)生的變化觀念和平衡思想。
2．構(gòu)建裝置模型，幫助學(xué)生不斷提升知識(shí)結(jié)構(gòu)化水平，加強(qiáng)對(duì)離子通道、電子通道、離子交換膜的理解，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)從原理維度與裝置維度出發(fā)，構(gòu)建能夠體現(xiàn)電化學(xué)本質(zhì)且有益于問(wèn)題解決思路化的系統(tǒng)認(rèn)知模型，讓學(xué)生在模型建構(gòu)的過(guò)程中，加深對(duì)電化學(xué)基本概念和原理的理解。
3．定量分析計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生的守恒觀，會(huì)利用得失電子守恒和電荷守恒理解、計(jì)算。
4．微觀機(jī)理分析，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電極反應(yīng)過(guò)程中微粒觀、變化觀的深度理解。

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