模板04 电极反应式的书写及相关计算-2025年高考化学答题技巧与模板构建专练(新高考通用）

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电化学知识是中学化学中的重要基本概念，也是近年来高考化学的持续热点，在复杂、陌生、新颖的研究对象和真实问题情境下，体现了对电化学知识基础性、综合性、创新性和应用性的考查。近年高考中对电化学的考查出现了新的变化，以装置图为载体来考查电化学的相关知识，成为近年高考的新亮点，考查的关键能力侧重于两个方面：一是理解与辨析能力，要求学生能够从图示电化学装置中提取有效信息，判断装置种类、辨别电极名称等；二是分析与推理能力，要求学生能够根据图示信息和电解池的工作原理，分析电极反应的类型、电解质的作用、离子的移动方向以及定量分析转移电子的物质的量等。
技法01 电极反应式的书写方法
1．二次电池的电极反应书写思维模型
以xMg＋M3S4eq \(,\s\up7(放电),\s\d7(充电))MgxM3S4为例说明
2．燃料电池电极反应式书写思维模型
以甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)为例：
(1)写出电池总反应式CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O，
其离子方程式为CH4＋2O2＋2OH－===COeq \\al(2－,3)＋3H2O。
(2)写出电池的正极反应式。
(3)电池的总反应式－电池的正极反应式＝电池的负极反应式。
3．分析电解过程的思维模型
(1)判断阴、阳极：明确阳极是惰性电极还是活性电极。
(2)分析电解质溶液的离子组成：找全离子（包括水电离出的H+和OH-），并按阴、阳离子分组。
(3)确定放电离子或物质：根据阴、阳离子在两极的放电顺序，确定优先放电的微粒。
(4)写出电极反应式、总反应式：判断电极产物，注意溶液的酸碱性、产物的溶解性。
(5)解答问题：解答有关离子浓度、pH、电极产物量的变化、溶液的复原等问题。
技法02 电化学的相关计算与分析
1．电化学相关计算方法
(1)用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数相等。
(2)先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列出比例式计算。
(3)根据得失电子守恒计算所需的关系式。
(M为金属，n为其阳离子所带电荷数)
2．“串联”类装置的解题流程

3．有机化合物的电化学合成
电化学合成技术是用电子代替会造成环境污染的氧化剂和还原剂，在温和条件下制备高附加值的有机化合物产品，分为直接有机电合成和间接有机电合成两种类型。
(1)直接有机电合成：有机合成反应直接在电解池的两电极通过氧化反应、还原反应完成。
(2)间接有机电合成：有机化合物的氧化反应(或还原反应)，仍采用氧化剂(或还原剂)，用传统的化学方法进行，但氧化剂(或还原剂)在反应后以电化学方法(电解氧化或电解还原)再生后反复使用。
电化学合成有机化合物应用示例。
利用糠醛(CHO)的电氧化反应可合成糠酸(COOH)，利用其电还原反应则可合成糠醇(CH2OH)，主要反应过程如下：
COOHeq \(―――→,\s\up7(－2e－),\s\d7(电氧化))CHOeq \(―――→,\s\up7(＋2e－),\s\d7(电还原))CH2OH
阳极反应：CHO＋H2O－2e－===COOH＋2H＋；
阴极反应：CHO＋2H＋＋2e－===CH2OH。
1．（2022·重庆卷）反应在工业上有重要应用。
(3)该反应也可采用电化学方法实现，反应装置如图所示。
①固体电解质采用 (填“氧离子导体”或“质子导体”)。
②阴极的电极反应式为 。
③同温同压下，相同时间内，若进口Ⅰ处n(CO)：n(H2O)=a：b，出口Ⅰ处气体体积为进口Ⅰ处的y倍，则CO的转化率为 (用a，b，y表示)。
【答案】质子导体
【第一步 判断装置】该装置为电解池
【第二步 书写分析】
①电解时，CO和H2O水从均从阳极口进入，阳极一氧化碳转化为二氧化碳，则氢气要在阴极产生，故阳极产生二氧化碳的同时产生氢离子，氢离子通过固体电解质进入阴极附近得电子产生氢气，故固体电解质应采用质子导体。
②电解时，阴极发生还原反应，电极反应式为：；
【第三步 综合判断】
③根据三段式：
出口Ⅰ处气体为体积为x，进口Ⅰ处的气体体积为，则，CO的转化率为：。
1． (2023·河北选考)氮是自然界重要元素之一，研究氮及其化合物的性质以及氮的循环利用对解决环境和能源问题都具有重要意义。
(2)①以空气中的氮气为原料电解合成氨时，N2在 ________(填“阴”或“阳”)极上发生反应，产生NH3。
②氨燃料电池和氢燃料电池产生相同电量时，理论上消耗NH3和H2的质量比为17∶3，则在碱性介质中氨燃料电池负极的电极反应式为 ________________________。
【答案】(2)①阴 ②2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2O
【第一步 判断装置】①为电解池，②为原电池
【第二步 书写分析】
①电解产物为NH3，N2生成NH3，化合价降低，得电子，发生还原反应，则N2在阴极反应。
②燃料电池中，氨气作负极发生氧化反应，生成N2，生成1个N2转移6个电子，在碱性条件下发生，2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O。
【第三步 综合判断】
2．（2023·北京卷）（3）近年研究发现，电催化和含氮物质(等)在常温常压下合成尿素，有助于实现碳中和及解决含氮废水污染问题。向一定浓度的溶液通至饱和，在电极上反应生成，电解原理如图所示。
①电极是电解池的__________极。
②电解过程中生成尿素的电极反应式是______________________。
【答案】①阳 ②
【解析】①电极b上发生失电子生成的氧化反应，是电解池的阳极。②a极硝酸根离子得电子转化为尿素，再结合酸性环境可分析出电极反应式为。答案为阳极；；
1．一氯甲烷广泛用作溶剂、提取剂、推进剂、制冷剂、甲基化试剂，用于生产农药、医药等。
(2)甲醇也可通过电化学方法由甲烷直接制得，装置如右图所示：
已知，电解生成甲醇的过程分3步：
①通电时，氯离子先转化成高活性的原子氯(Cl·)；②Cl·与吸附在电极上的CH4反应生成HCl和CH3Cl；③在碱性电解液中，CH3Cl转化为目标产物CH3OH。当步骤①有2 ml Cl·生成时，外电路中转移的电子数为 ________(用含NA的代数式表示)。阴极的电极反应为 _____________________________。
【答案】(2)2NA 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
【解析】(2)阳极发生反应：Cl－－e－===Cl·，根据电极方程式可知，Cl·～e－，即有2 ml Cl·生成时，外电路中转移2 ml电子，则转移电子数为2NA；阴极的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。
2．烯丙醇是生产甘油、医药、农药、香料和化妆品的中间体。
(2)烯丙醇的电氧化过程有重要应用。其在阳极放电时，同时存在三种电极反应(烯丙醇→丙烯酸、烯丙醇→丙烯醛、烯丙醇→丙二酸)，各反应决速步骤的活化能如下表所示。
①该条件下，相同时间内，阳极产物中含量最多的为 ________。
②碱性条件下，烯丙醇在电极上生成丙烯醛(CH2===CHCHO)的电极反应式为 _____________________。
【答案】(2)①丙烯醛 ②CH2===CHCH2OH－2e－＋2OH－―→CH2===CHCHO＋2H2O
【解析】(2)①反应的活化能越大，反应速率越慢，由表格数据可知，阳极放电时，烯丙醇转化为丙烯醛的活化能最小，反应速率最快，所以相同时间内，阳极产物中含量最多的为丙烯醛；②由题意可知，碱性条件下，烯丙醇在阳极失去电子发生氧化反应生成丙烯醛，电极反应式为CH2===CHCH2OH－2e－＋2OH－―→CH2===CHCHO＋2H2O。
3．处理和利用CO是环境科学研究的热点课题。
(2)我国科学家成功实现了用电催化CO高选择性直接制备乙烯，该方法的工作原理如图所示。阴极材料为优化的铜基催化剂。写出阴极的电极反应式： ________________________________________电解的总反应化学方程式为 ________________________________________。
【答案】(2)2CO＋8H＋＋8e－===C2H4＋2H2O 2CO＋2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))C2H4＋2O2
【解析】(2)由电子流向可知，铜基片为阴极，一氧化碳酸性条件下得到电子发生还原反应生成乙烯：2CO＋8H＋＋8e－===C2H4＋2H2O；阳极水失去电子发生氧化反应生成氧气，总反应为：2CO＋2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))C2H4＋2O2。
4．乙醇被广泛应用于能源、化工、食品等领域，工业上可用以下两种方法制备乙醇。
(3)研究发现，在酸性乙醇燃料电池中加入硝酸，可使电池持续大电流放电，工作原理如图。
①负极的电极反应式为 __________________________。
②当向正极通入1 ml O2且全部被消耗时，理论上正负极溶液质量变化的绝对值之差为 ________g(保留两位小数)。
【答案】(3)①C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋ ②2.67
【解析】(3)①燃料电池，燃料通负极，故通入甲醇的一极为负极，失电子转化为CO2，负极反应为C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋；②1 ml O2被消耗，转移电子4 ml，根据正极电极反应式O2＋4H＋＋4e－===2H2O，正极溶液增加1 ml O2和4 ml H＋，质量为32＋4＝36 g；根据负极电极反应，转移12 ml电子生成2 ml CO2和12 ml H＋，氢离子通过质子交换膜进入正极区，减少质量88＋12＝100 g，故转移4 ml电子减少质量33.33 g，理论上正负极溶液质量变化的绝对值之差为36 g－33.33 g＝2.67 g。
5．新能源的利用对实现“碳中和”也有重要意义。搭载钠离子电池的新能源汽车，动力充足、冬天也无需频繁充电。第二代钠离子电池是以硬碳(Cy)为基底材料的嵌钠硬碳(NaxCy)和锰基高锰普鲁士白Na2Mn[Mn(CN)6]为电极的一种新型二次电池，在充放电过程中，Na＋在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。其工作原理如图所示。
(5)若用该钠离子电池给铅酸蓄电池充电，普鲁士白电极连接 ________(填“Pb”或“PbO2”)极，钠离子电池负极的电极反应式为 ________。
【答案】(5)PbO2 NaxCy－xe－===Cy＋xNa＋
【解析】(5)普鲁士白为正极，给铅酸蓄电池充电时，连接铅酸蓄电池的PbO2电极，负极为嵌钠硬碳，电极反应式为NaxCy－xe－===Cy＋xNa＋。
6．我国科学家最近发明了一种Zn－PbO2电池，电解质为K2SO4、H2SO4和KOH，由a和b两种离子交换膜隔开，形成A、B、C三个电解质溶液区域，结构示意图如下，回答下列问题：
(1)电池中，Zn为________极，B区域的电解质为______(填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)
(2)电池反应的离子方程式为____________________________________________________
(3)阳离子交换膜为图中的________(填“a”或“b”)膜。
(4)此电池中，消耗6.5 g Zn，理论上可产生的容量(电量)为________毫安时(mAh)(1 ml电子的电量为1 F,1 F＝96 500 C·ml－1，结果保留整数)
(5)已知E为电池电动势[电池电动势即电池的理论电压，是两个电极电位之差，E＝E(＋)－E(－)]，ΔG为电池反应的自由能变，则该电池与传统铅酸蓄电池相比较， _______； ____(填“>”或“8的Na2SO3溶液作吸收液，脱除烟气中的SO2，至pH