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2020版新一线高考化学（鲁科版）一轮复习教学案：第1部分第6章第2节电能转化为化学能——电解
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第2节 电能转化为化学能——电解
考纲定位
核心素养
1.了解电解池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应式和总反应方程式。
2．理解电解原理的应用并能进行相关计算。
1.变化观念——认识物质的变化是有条件的(如电解反应需通电)，关注化学变化中的能量转化，电解反应体现了电能转化为化学能。
2．模型认知——认识电解池的构成、工作原理及电极反应的书写模板。
3．社会责任——深刻理解电化学与科技、生产、生活、环境之间的关系，理解电化学(电解)对社会发展的重大贡献。
考点一| 电解原理及其规律
1．电解
让直流电通过电解质溶液或熔融的电解质，在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。
提醒：电解与电离的区别
(1)电解需通电才能进行而电离不需通电就能进行；(2)电解是化学过程；而电离是在水中或熔融状态断键离解为离子，属于物理过程。
2．电解池及其工作原理
(1)概念：电解池是将电能转化为化学能的装置。
(2)构成条件
①有与外接直流电源相连的两个电极。
②电解质溶液(或熔融电解质)。
③形成闭合回路。
(3)电解池工作原理(以电解CuCl2溶液为例)
(4)电解池中电子和离子的移动
①电子：从电源负极流出后，流向电解池阴极；从电解池的阳极流向电源的正极。电子不能通过电解质溶液。
②离子：阳离子移向电解池的阴极，阴离子移向电解池的阳极。
③电流：从电源的正极流出，流入阳极，再通过电解质溶液流入阴极，最后流向负极。
(5)两极放电(氧化或还原)顺序
①阴极：阳离子放电顺序：Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋(酸)>Fe2＋>Zn2＋>H＋(水)>
Al3＋>Mg2＋>Na＋>Ca2＋>K＋。
②阳极：金属(Au、Pt除外)电极>S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子。
提醒：(1)阳极材料若为金属电极(Au、Pt除外)，电极金属失电子发生氧化反应，而介质中的阴离子不反应；(2)阴极材料若为金属电极，只是增强导电性但不参与反应。
[深度归纳] 阴、阳极的判断方法
(1)根据外接电源：正极连阳极，负极连阴极。
(2)根据电流方向：从阴极流出，从阳极流入。
(3)根据电子流向：从阳极流出，从阴极流入。
(4)根据离子流向：阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。
(5)根据电极产物：a.阳极：电极溶解、逸出O2(或极区变酸性)或Cl2；b.阴极：析出金属、逸出H2(或极区变碱性)。
(6)根据反应类型：阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。
3．以惰性电极电解水溶液的有关规律
(1)电解水型——含氧酸、强碱、活泼金属含氧酸盐
①阴极反应式为4H＋＋4e－===2H2↑，阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，总方程式为2H2O2H2↑＋O2↑。
②电解质浓度变大，pH可能变大、变小或不变，可加H2O复原。
(2)电解电解质类型——无氧酸(如HCl)，不活泼金属无氧酸盐(CuCl2)
电解质浓度变小，加电解质本身复原。
(3)放H2生碱型——活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)
①阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，总方程式为2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－。
②溶液pH变大，加HCl(卤化氢)复原。
(4)放O2生酸型——不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)
①阴极反应式为2Cu2＋＋4e－===2Cu，阳极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，总方程式为2Cu2＋＋2H2O2Cu＋O2↑＋4H＋。
②溶液pH变小，加CuO(金属氧化物)或CuCO3复原。
[深度归纳] 电极反应式和电解方程式的书写要点
(1)做到“三看”，正确书写电极反应式
①一看电极材料，若是金属(Au、Pt除外)作阳极，金属一定被电解(注：Fe生成Fe2＋)。
②二看电解质，电解质是否参与电极反应。
③三看电解质状态，是熔融状态，还是水溶液。
(2)规避“两个”失分点
①书写电解池中电极反应式时，一般以实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，弱电解质要写成分子式，且注明“电解”条件。
②电解水溶液时，应注意放电顺序中H＋、OH－之后的离子一般不参与放电。
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)利用电解法可以实现2Ag＋2H＋===2Ag＋＋H2↑。( )
(2)电解时电子流向为负极→阴极→阳极→正极。( )
(3)用惰性电极电解足量CuSO4溶液一段时间后，加入Cu(OH)2或CuO均可使电解质溶液恢复到电解前的状况。( )
(4)惰性电极电解Na2SO4溶液和Na2CO3溶液的过程中pH均不变。
( )
答案：(1)√ (2)× (3)× (4)×
2．按要求书写方程式。
(1)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式：__________________________________________；
阴极反应式：__________________________________________；
总反应式：____________________________________________。
(2)用惰性电极电解2 mol·L－1 NaCl和1 mol·L－1 CuSO4的混合溶液，电解过程明显分两个阶段。
第一阶段：阴极反应式______________，阳极反应式____________。
第二阶段：阴极反应式______________，阳极反应式____________。
答案：(1)2Cl－－2e－===Cl2↑
2H＋＋2e－===H2↑
Mg2＋＋2Cl－＋2H2OMg(OH)2↓＋Cl2↑＋H2↑
(2)Cu2＋＋2e－===Cu 2Cl－－2e－===Cl2↑
4H＋＋4e－===2H2↑ 4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
考法1 电解原理及其规律
1．图中X为电源，Y为浸透饱和食盐水和酚酞试液的滤纸，滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液，通电后Y中央的紫红色斑向d端扩散。下列判断正确的是( )
A．滤纸上c点附近会变红色
B．Cu电极质量减小，Pt电极质量增大
C．Z中溶液的pH先减小，后增大
D．溶液中的SO向Cu电极定向移动
A [紫红色斑即MnO向d端扩散，根据阴离子向阳极移动的原理，可知d端为阳极，即b为正极，a为负极，c为阴极，NaCl溶液中H＋放电，产生OH－，c点附近会变红色，A正确；电解硫酸铜溶液时，Pt为阳极，溶液中的OH－放电：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，Cu为阴极，溶液中的Cu2＋得电子，生成铜，总反应式为2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，Pt电极附近生成H＋，则SO向Pt电极移动，B、D不正确；随着电解的进行，Z中溶液变为硫酸溶液，继续电解则为电解水，硫酸浓度增大，pH减小，C不正确。]
2．(2019·甘肃名校联考)电－Fenton法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术，其反应原理如图所示(酸性介质)。其中电解产生的H2O2与Fe2＋发生Fenton反应：Fe2＋＋H2O2===Fe3＋＋OH－＋·OH，生成的羟基自由基(·OH)能氧化降解有机污染物。下列说法不正确的是( )
A．电源的B极是正极
B．电解时阴极周围溶液的pH增大
C．阴极上发生的电极反应为O2＋2e－＋2H＋===H2O2
D．若产生4 mol羟基自由基(·OH)，则消耗22.4 L O2
D [O2在电解池的左侧得电子生成H2O2，所以A极为负极，B极为正极，A项正确；阴极上O2＋2e－＋2H＋===H2O2，电解质溶液的pH增大，B、C项正确；D项，没有指明温度和压强，不能确定氧气的体积，D项错误。]
3．(2018·宜昌期末)用图甲装置电解一定量的CuSO4溶液，M、N为惰性电极。电解过程实验数据如图乙所示。横轴表示电解过程中转移电子的物质的量，纵轴表示电解过程产生气体的总体积。下列说法不正确的是( )
图甲 图乙
A．A点所得溶液只需加入一定量的CuO固体就可恢复到起始状态
B．电解过程中N电极表面先有红色物质生成，后有气泡产生
C．P点前后，M极反应式均为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O
D．若M电极材料换成Cu，则电解过程中CuSO4溶液的浓度不变
A [A点所得溶液是电解CuSO4和H2O两过程所得溶液，根据“少什么补什么”原则，应加CuO和H2O，A错误。]
考法2 电化学基本计算——电子守恒法
4．500 mL NaNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO)＝0.3 mol·L－1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到气体1.12 L(标准状况下)，假定电解后溶液体积仍为500 mL，下列说法正确的是 ( )
A．原混合溶液中c(Na＋)＝0.2 mol·L－1
B．电解后溶液中c(H＋)＝0.2 mol·L－1
C．上述电解过程中共转移0.4 mol电子
D．电解后溶液复原时需加入4 g CuO
B [两极均收集1.12 L气体(标准状况下)―→
―→转移电子为0.2 mol⇒n(Cu2＋)＝0.05 mol，n(H＋)＝0.1 moln(Na＋)＝0.05 mol。复原时需加CuO：0.05×80 g＝4 g和H2O：0.05×18 g＝0.9 g 或加Cu(OH)2 4.9 g。]
5．(2019·大连模拟)用惰性电极电解一定浓度的CuSO4溶液，通电一段时间后，向所得的溶液中加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3后恰好恢复到电解前的浓度和pH(不考虑二氧化碳的溶解)。则电解过程中转移电子的物质的量为 ( )
A．0.4 mol B．0.5 mol
C．0.6 mol D．0.8 mol
C [Cu2(OH)2CO3可改写为2CuO·H2O·CO2，因反应后生成的CO2离开溶液，所以加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3相当于加入0.2 mol CuO、0.1 mol H2O，根据
2Cu ～ O2 ～ 4e－
2 mol 4 mol
0．2 mol 0.4 mol
2H2O ～ O2 ～ 4e－
2 mol 4 mol
0．1 mol 0.2 mol
转移电子的物质的量＝0.4 mol＋0.2 mol＝0.6 mol。 ]
6．(2019·唐山模拟)某科研小组将含硫化氢的工业废气进行了资源化利用，将获得的电能用于制取“84”消毒液。已知：2H2S(g)＋O2(g)===S2(s)＋2H2O(l) ΔH＝－632 kJ·mol－1。下图为该小组设计的原理图。下列说法正确的是( )
A．电极a为燃料电池正极
B．电极b上发生的电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－
C．电路中每流过4 mol电子，电池内部释放热能小于632 kJ
D．a极每增重32 g，导气管e将收集到气体11.2 L(标准状况)
C [电极a上H2S转化为S2，发生氧化反应，为燃料电池的负极，A项错误；电极b上O2转化为H2O，电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，B项错误；电路中每流过4 mol电子，消耗1 mol O2，但该装置将化学能转化为电能，电池内部基本上不放出热量，故释放热能小于632 kJ，C项正确；a极为负极，电极反应为2H2S－4e－===4H＋＋S2，电极c为阴极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，根据各电极上转移电子数目相等，可得关系式：S2～2H2，故导气管e收集到的H2在标准状况下的体积为×2×22.4 L·mol－1＝22.4 L，D项错误。]
[思维建模] 电化学中两种基本计算模型
注：在电化学计算中，还常利用Q＝I·t和Q＝n(e－)×NA×1.60×10－19 C来计算电路中通过的电量。
考点二| 电解原理的实际应用
1．电解饱和食盐水——氯碱工业
(1)电极反应
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑(反应类型：氧化反应)。
阴极：2H＋＋2e－===H2↑(反应类型：还原反应)。
检验阳极产物的方法是：用湿润的KI淀粉试纸靠近阳极附近，若试纸变蓝，证明生成了Cl2。电解时向食盐水中加酚酞，阴极附近溶液变红，说明该电极附近产生的物质为NaOH。
(2)电解方程式
化学方程式：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。
离子方程式：2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑。
(3)阳离子交换膜法电解饱和食盐水示意图
①阳离子交换膜的作用
阻止OH－进入阳极室与Cl2发生副反应：2NaOH＋Cl2===NaCl＋NaClO＋H2O，阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。
②a、b、c、d加入或取出的物质分别是饱和食盐水、稀NaOH溶液、稀的食盐水、浓NaOH溶液；X、Y分别是Cl2、H2。
2．电镀铜与电解精炼铜
(1)电镀铜
(2)电解精炼铜
提醒：(1)电解精炼铜时，粗铜中的Ag、Au等不反应，沉积在电解池底部形成阳极泥；(2)电镀铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)不变；电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)减小。
3．电冶金
冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属，必须用电解法。
(1)电解熔融氯化钠得到钠
2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑
(2)电解熔融Al2O3制Al
2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑
电极反应：
阳极：6O2－－12e－===3O2↑；
阴极：4Al3＋＋12e－===4Al。
冰晶石的作用是作Al2O3的助熔剂。
提醒：(1)电解熔融MgCl2冶炼镁，而不电解熔融MgO冶炼镁，因MgO的熔点很高；(2)电解熔融Al2O3冶炼铝，而不能电解AlCl3冶炼铝，因AlCl3是共价化合物，其熔融态不导电。
正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)电解饱和食盐水时，两个电极均不能用金属材料。( )
(2)电镀铜和电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)均保持不变。( )
(3)用Zn作阳极，Fe作阴极，ZnCl2作电解质溶液，由于放电顺序H＋>Zn2＋，不可能在铁上镀锌。( )
(4)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3，也可以电解MgO和AlCl3。( )
(5)粗铜电解精炼时，若电路中通过2 mol e－，阳极减少64 g。( )
答案：(1)× (2)× (3)× (4)× (5)×
考法1 电解原理的常规应用
1．(2018·合肥一模)利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。可电解LiCl溶液制备LiOH，装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．惰性电极B连接电源正极
B．A极区电解液为LiCl溶液
C．阳极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D．每生成1 mol H2，有1 mol Li＋通过阳离子交换膜
B [B极区产生H2，同时生成LiOH，故B极区电解液为LiOH溶液，惰性电极B上水电离出的H＋发生还原反应生成H2，惰性电极B为阴极，与电源负极相连，A项错误；惰性电极A为阳极，阳极上Cl－发生氧化反应，A极区电解液为LiCl溶液，B项正确；阳极上Cl－发生氧化反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，C项错误；每生成1 mol H2，转移2 mol电子，则有2 mol Li＋通过阳离子交换膜，D项错误。]
2．离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系。由有机阳离子、Al2Cl和AlCl组成的离子液体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。
钢制品应接电源的________极，已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，阴极电极反应式为___________________。
若改用AlCl3水溶液作电解液，则阴极反应式为_________________
________________________________________________________。
解析：在钢制品上电镀铝，故钢制品应作阴极，与电源的负极相连；因为电镀过程中“不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应”，Al元素在熔融盐中以Al2Cl和AlCl形式存在，则电镀过程中负极上得到电子的反应是4Al2Cl＋3e－===Al＋7AlCl；在水溶液中，得电子能力：H＋>Al3＋，故阴极上发生的反应是2H＋＋2e－===H2↑。
答案：负 4Al2Cl＋3e－===Al＋7AlCl 2H＋＋2e－===H2↑
考法2 电解原理在物质制备、环境治理方面的应用
3．(2019·蓉城模拟)重铬酸钾是化学实验室中的一种重要分析试剂。工业上以铬酸钾(K2CrO4)(黄色)为原料，采用电化学法制备重铬酸钾(K2Cr2O7)(橙色)。制备装置如图所示。下列说法错误的是( )
A．阳极室中溶液的颜色逐渐由黄色变为橙色，其原理为2CrO＋2H＋===Cr2O＋H2O
B．电解过程中阳极附近溶液的pH变小，其原理为2H2O＋4e－===O2↑－
4H＋
C．K2CrO4在阳极区被氧化成K2Cr2O7
D．阴极每生成1 mol气体，有2 mol带正电荷的阳离子从阳极室移向阴极室
C [结合题给装置可判断惰性电极为阳极，不锈钢电极为阴极；阳极室中K2CrO4转化为K2Cr2O7，溶液由黄色逐渐变为橙色，A项正确；阳极室发生氧化反应，OH－失电子放电，电极反应式为2H2O－4e－===
4H＋＋O2↑，阳极附近溶液pH逐渐减小，B项正确；阳极室中H＋浓度增大，促使发生反应：2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O，反应前后Cr元素化合价没有发生变化，C项错误；阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，每生成1 mol H2转移2 mol电子，为保持溶液呈电中性，有2 mol K＋从阳极室向阴极室移动，D项正确。]
4．(2019·惠州模拟)化学在环境保护中起着十分重要的作用，电化学降解NO的原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A．A为电源的正极
B．溶液中H＋从阳极向阴极迁移
C．AgPt电极的电极反应式为2NO＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O
D．电解过程中，每转移2 mol电子，则左侧电极就产生32 g O2
D [根据题给电解装置图可知，AgPt电极上NO转化为N2，发生还原反应：2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，则AgPt电极作阴极，B为电源的负极，故A为电源的正极，A、C项正确；在电解池中阳离子向阴极移动，所以溶液中H＋从阳极向阴极迁移，B项正确；左侧电极为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，则每转移2 mol电子，左侧电极产生16 g O2，D项错误。]
5．(2019·滁州模拟)常温下，NCl3是一种黄色黏稠状液体，是制备新型水消毒剂ClO2的原料，可以采用如图所示装置制备NCl3。下列说法正确的是( )
A．每生成1 mol NCl3，理论上有4 mol H＋经质子交换膜从右侧向左侧迁移
B．可用湿润的淀粉KI试纸检验气体M
C．石墨极的电极反应式为NH＋3Cl－－6e－===NCl3＋4H＋
D．电解过程中，质子交换膜右侧溶液的pH会减小
C [A项，每生成1 mol NCl3，转移6 mol e－，理论上有6 mol H＋经质子交换膜从右侧向左侧迁移，A错误；B项，M为H2，不能用湿润的淀粉KI试纸检验，B错误；D项，右侧pH会增大，D错误。]
专项突破(13) 隔膜在电化学装置中的应用
1．隔膜的分类
隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类：
(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
2．隔膜的作用
(1)能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。
(2)能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
注意：①反应物相同，不同的交换膜，迁移的离子种类不同。②同种交换膜，转移相同的电子数，如果离子所带电荷数不同，迁移离子数不同。③离子迁移依据电荷平衡，而离子数目变化量可能不相等。
[典例导航]
(2016·全国卷Ⅰ，T11)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SO可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。
下列叙述正确的是( )
A．通电后中间隔室的SO向正极迁移，正极区溶液pH增大
B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品
C．负极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，负极区溶液pH降低
D．当电路中通过1 mol电子的电量时，会有0.5 mol的O2生成
[思路点拨] 直流电场作用→图中的“－”极和“＋”极就是阴极和阳极SO移向“＋”极，Na＋移向“－”极―→ab为阳离子交换膜，cd为阴离子交换膜―→“－”极反应为2H＋＋2e－===H2↑，pH增大；“＋”极反应为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，pH减小。
答案：B
(1)ab为________________(填“阴”或“阳”，后同)离子交换膜，cd为________离子交换膜。
(2)正极区的电极反应式为__________________________________，
正极区的pH变_____(填“大”或“小”)，从平衡角度解释原因____
________________________________________________________。
(3)当正极产生0.5 mol气体，通过cd膜的离子数目为________。
答案：(1)阳 阴
(2)4OH－－4e－===O2↑＋2H2O 小 正极区溶液中存在H2O
H＋＋OH－，OH－放电，[OH－]减小，上述平衡右移，使[H＋]>[OH－]，且[H＋]逐渐增大，pH减小
(3)6.02×1023(或NA)
1．(2019·保定模拟)用Na2SO3溶液吸收硫酸工业尾气中的二氧化硫，将所得的混合液进行电解循环再生，这种新工艺叫再生循环脱硫法。其中阴、阳离子交换膜组合循环再生机理如图所示，下列有关说法中不正确的是( )
A．X为直流电源的负极，Y为直流电源的正极
B．阳极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．图中的b>a
D．该过程中的产品主要为H2SO4和H2
B [根据Na＋和SO的移向可知Pt(Ⅰ)为阴极，反应为2H＋＋2e－===H2，Pt(Ⅱ)为阳极，反应为SO－2e－＋H2O===SO＋2H＋。]
2．(2014·全国卷Ⅰ，改编)次磷酸(H3PO2)可用电渗析法制备。 “四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：
(1)左电极为________极，电极反应式为______________________
______________________________________________________。
(2)阳极室中的________通过阳膜进入产品室；原料室中________通过阴膜进入阳极室；原料室中________通过阴膜进入产品室。
(3)产品室中发生的离子反应方程式为________________________。
(4)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有________杂质。该杂质产生的原因是__________________________________________
___________________________________________________________。
答案：(1)阳 4OH－－4e－===2H2O＋O2↑(或2H2O－4e－===4H＋＋O2↑)
(2)H＋ Na＋ H2PO
(3)H＋＋H2PO===H3PO2
(4)PO H2PO(或H3PO2)被氧化
3．某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2===2AgCl。
(1)当电路中转移a mol e－时，交换膜左侧溶液中约减少________mol离子。交换膜右侧溶液中c(HCl)_______(填“>”“<”或“＝”)1 mol·L－1(忽略溶液体积变化)。
(2)若质子交换膜换成阴离子交换膜，其他不变。若有11.2 L氯气(标准状况)参与反应，则必有________mol ________(填离子符号)由交换膜________侧通过交换膜向________侧迁移。交换膜右侧溶液中c(HCl)________(填“>”“<”或“＝”)1 mol·L－1(忽略溶液体积变化)。
解析：(1)正极的电极反应式为Cl2＋2e－===2Cl－，负极的电极反应式为Ag－e－＋Cl－===AgCl，隔膜只允许氢离子通过，转移a mol电子，必有a mol Cl－形成沉淀。为了维持电荷平衡，交换膜左侧溶液中必有a mol H＋向交换膜右侧迁移，故交换膜左侧共减少2a mol离子(a mol Cl－＋a mol H＋)。交换膜右侧溶液中氯化氢浓度增大。
(2)n(Cl2)＝0.5 mol，n(Cl－)＝1 mol。正极的电极反应式为Cl2＋2e－===2Cl－，n(e－)＝1 mol，Ag－e－＋Cl－===AgCl，交换膜右侧溶液中增加了1 mol负电荷(或增加了1 mol Cl－)，左侧减少了1 mol负电荷(或减少了1 mol Cl－)。如果质子交换膜换成阴离子交换膜，只允许阴离子(Cl－)通过交换膜，不允许H＋通过。为了维持电荷平衡，必有1 mol Cl－从交换膜右侧溶液中通过交换膜向左侧迁移，氯离子迁移之后，两侧溶液中盐酸浓度保持不变。
答案：(1)2a > (2)1 Cl－ 右 左 ＝
课堂反馈 真题体验
1．(2018·全国卷Ⅰ，T13)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：
①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋
②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋
该装置工作时，下列叙述错误的是( )
A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O
B．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S
C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为酸性
C [根据装置图中物质的转化关系分析电极反应类型，如EDTA
Fe2＋生成EDTAFe3＋，发生了氧化反应，EDTAFe3＋将H2S氧化成S，本身被还原成EDTAFe2＋，EDTAFe3＋和EDTAFe2＋可循环使用，故石墨烯电极为阳极，阳极与光伏电池的正极连接。CO2发生还原反应生成CO，故ZnO@石墨烯电极为阴极。
阴极发生还原反应，氢离子由交换膜右侧向左侧迁移，阴极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，A项正确；结合阳极区发生的反应，可知协同转化总反应为CO2＋H2S===S＋CO＋H2O，B项正确；石墨烯作阳极，其电势高于ZnO@石墨烯的，C项错误；Fe3＋、Fe2＋在碱性或中性介质中会生成沉淀，它们只稳定存在于酸性较强的介质中，D项正确。]
2．(2017·全国卷Ⅱ，T11)用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜，电解质溶液一般为H2SO4H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是( )
A．待加工铝质工件为阳极
B．可选用不锈钢网作为阴极
C．阴极的电极反应式为Al3＋＋3e－===Al
D．硫酸根离子在电解过程中向阳极移动
C [A对：该电解池阳极发生的电极反应为2Al＋3H2O－6e－===Al2O3＋
6H＋，铝化合价升高失电子，所以待加工铝质工件应为阳极。
B对，C错：阴极发生的电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，阴极可选用不锈钢网作电极。
D对：电解质溶液中的阴离子向阳极移动。]
3．(2018·全国卷Ⅰ，T27(3))制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为___________________________________________________
____________________________________________________________。
电解后，________室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。
解析：阳极发生氧化反应：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，阳极室H＋向a室迁移，a室中的Na2SO3转化成NaHSO3。
答案：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ a
4．(2018·全国卷Ⅲ，T27(3))KIO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示。
(1)写出电解时阴极的电极反应式_____________________________
___________________________________________________________。
(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为________，其迁移方向是________。
(3)与“电解法”相比，“KClO3氧化法”的主要不足之处有_______ _________________(写出一点)。
解析：(1)电解法制备KIO3时，H2O在阴极得到电子，发生还原反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。(2)电解池中阳离子向阴极移动，即由电极a向电极b迁移，阳离子交换膜只允许阳离子通过，故主要是K＋通过阳离子交换膜。(3)根据工艺流程分析，KClO3氧化法生成的Cl2有毒，且在调pH时加入KOH的量不易控制，另外，生成的KIO3中杂质较多。
答案：(1)2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑ (2)K＋ 由a到b (3)产生Cl2易污染环境等
第2节 电能转化为化学能——电解
考纲定位
核心素养
1.了解电解池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应式和总反应方程式。
2．理解电解原理的应用并能进行相关计算。
1.变化观念——认识物质的变化是有条件的(如电解反应需通电)，关注化学变化中的能量转化，电解反应体现了电能转化为化学能。
2．模型认知——认识电解池的构成、工作原理及电极反应的书写模板。
3．社会责任——深刻理解电化学与科技、生产、生活、环境之间的关系，理解电化学(电解)对社会发展的重大贡献。
考点一| 电解原理及其规律
1．电解
让直流电通过电解质溶液或熔融的电解质，在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。
提醒：电解与电离的区别
(1)电解需通电才能进行而电离不需通电就能进行；(2)电解是化学过程；而电离是在水中或熔融状态断键离解为离子，属于物理过程。
2．电解池及其工作原理
(1)概念：电解池是将电能转化为化学能的装置。
(2)构成条件
①有与外接直流电源相连的两个电极。
②电解质溶液(或熔融电解质)。
③形成闭合回路。
(3)电解池工作原理(以电解CuCl2溶液为例)
(4)电解池中电子和离子的移动
①电子：从电源负极流出后，流向电解池阴极；从电解池的阳极流向电源的正极。电子不能通过电解质溶液。
②离子：阳离子移向电解池的阴极，阴离子移向电解池的阳极。
③电流：从电源的正极流出，流入阳极，再通过电解质溶液流入阴极，最后流向负极。
(5)两极放电(氧化或还原)顺序
①阴极：阳离子放电顺序：Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋(酸)>Fe2＋>Zn2＋>H＋(水)>
Al3＋>Mg2＋>Na＋>Ca2＋>K＋。
②阳极：金属(Au、Pt除外)电极>S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子。
提醒：(1)阳极材料若为金属电极(Au、Pt除外)，电极金属失电子发生氧化反应，而介质中的阴离子不反应；(2)阴极材料若为金属电极，只是增强导电性但不参与反应。
[深度归纳] 阴、阳极的判断方法
(1)根据外接电源：正极连阳极，负极连阴极。
(2)根据电流方向：从阴极流出，从阳极流入。
(3)根据电子流向：从阳极流出，从阴极流入。
(4)根据离子流向：阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。
(5)根据电极产物：a.阳极：电极溶解、逸出O2(或极区变酸性)或Cl2；b.阴极：析出金属、逸出H2(或极区变碱性)。
(6)根据反应类型：阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。
3．以惰性电极电解水溶液的有关规律
(1)电解水型——含氧酸、强碱、活泼金属含氧酸盐
①阴极反应式为4H＋＋4e－===2H2↑，阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，总方程式为2H2O2H2↑＋O2↑。
②电解质浓度变大，pH可能变大、变小或不变，可加H2O复原。
(2)电解电解质类型——无氧酸(如HCl)，不活泼金属无氧酸盐(CuCl2)
电解质浓度变小，加电解质本身复原。
(3)放H2生碱型——活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)
①阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，总方程式为2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－。
②溶液pH变大，加HCl(卤化氢)复原。
(4)放O2生酸型——不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)
①阴极反应式为2Cu2＋＋4e－===2Cu，阳极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，总方程式为2Cu2＋＋2H2O2Cu＋O2↑＋4H＋。
②溶液pH变小，加CuO(金属氧化物)或CuCO3复原。
[深度归纳] 电极反应式和电解方程式的书写要点
(1)做到“三看”，正确书写电极反应式
①一看电极材料，若是金属(Au、Pt除外)作阳极，金属一定被电解(注：Fe生成Fe2＋)。
②二看电解质，电解质是否参与电极反应。
③三看电解质状态，是熔融状态，还是水溶液。
(2)规避“两个”失分点
①书写电解池中电极反应式时，一般以实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，弱电解质要写成分子式，且注明“电解”条件。
②电解水溶液时，应注意放电顺序中H＋、OH－之后的离子一般不参与放电。
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)利用电解法可以实现2Ag＋2H＋===2Ag＋＋H2↑。( )
(2)电解时电子流向为负极→阴极→阳极→正极。( )
(3)用惰性电极电解足量CuSO4溶液一段时间后，加入Cu(OH)2或CuO均可使电解质溶液恢复到电解前的状况。( )
(4)惰性电极电解Na2SO4溶液和Na2CO3溶液的过程中pH均不变。
( )
答案：(1)√ (2)× (3)× (4)×
2．按要求书写方程式。
(1)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式：__________________________________________；
阴极反应式：__________________________________________；
总反应式：____________________________________________。
(2)用惰性电极电解2 mol·L－1 NaCl和1 mol·L－1 CuSO4的混合溶液，电解过程明显分两个阶段。
第一阶段：阴极反应式______________，阳极反应式____________。
第二阶段：阴极反应式______________，阳极反应式____________。
答案：(1)2Cl－－2e－===Cl2↑
2H＋＋2e－===H2↑
Mg2＋＋2Cl－＋2H2OMg(OH)2↓＋Cl2↑＋H2↑
(2)Cu2＋＋2e－===Cu 2Cl－－2e－===Cl2↑
4H＋＋4e－===2H2↑ 4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
考法1 电解原理及其规律
1．图中X为电源，Y为浸透饱和食盐水和酚酞试液的滤纸，滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液，通电后Y中央的紫红色斑向d端扩散。下列判断正确的是( )
A．滤纸上c点附近会变红色
B．Cu电极质量减小，Pt电极质量增大
C．Z中溶液的pH先减小，后增大
D．溶液中的SO向Cu电极定向移动
A [紫红色斑即MnO向d端扩散，根据阴离子向阳极移动的原理，可知d端为阳极，即b为正极，a为负极，c为阴极，NaCl溶液中H＋放电，产生OH－，c点附近会变红色，A正确；电解硫酸铜溶液时，Pt为阳极，溶液中的OH－放电：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，Cu为阴极，溶液中的Cu2＋得电子，生成铜，总反应式为2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，Pt电极附近生成H＋，则SO向Pt电极移动，B、D不正确；随着电解的进行，Z中溶液变为硫酸溶液，继续电解则为电解水，硫酸浓度增大，pH减小，C不正确。]
2．(2019·甘肃名校联考)电－Fenton法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术，其反应原理如图所示(酸性介质)。其中电解产生的H2O2与Fe2＋发生Fenton反应：Fe2＋＋H2O2===Fe3＋＋OH－＋·OH，生成的羟基自由基(·OH)能氧化降解有机污染物。下列说法不正确的是( )
A．电源的B极是正极
B．电解时阴极周围溶液的pH增大
C．阴极上发生的电极反应为O2＋2e－＋2H＋===H2O2
D．若产生4 mol羟基自由基(·OH)，则消耗22.4 L O2
D [O2在电解池的左侧得电子生成H2O2，所以A极为负极，B极为正极，A项正确；阴极上O2＋2e－＋2H＋===H2O2，电解质溶液的pH增大，B、C项正确；D项，没有指明温度和压强，不能确定氧气的体积，D项错误。]
3．(2018·宜昌期末)用图甲装置电解一定量的CuSO4溶液，M、N为惰性电极。电解过程实验数据如图乙所示。横轴表示电解过程中转移电子的物质的量，纵轴表示电解过程产生气体的总体积。下列说法不正确的是( )
图甲 图乙
A．A点所得溶液只需加入一定量的CuO固体就可恢复到起始状态
B．电解过程中N电极表面先有红色物质生成，后有气泡产生
C．P点前后，M极反应式均为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O
D．若M电极材料换成Cu，则电解过程中CuSO4溶液的浓度不变
A [A点所得溶液是电解CuSO4和H2O两过程所得溶液，根据“少什么补什么”原则，应加CuO和H2O，A错误。]
考法2 电化学基本计算——电子守恒法
4．500 mL NaNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO)＝0.3 mol·L－1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到气体1.12 L(标准状况下)，假定电解后溶液体积仍为500 mL，下列说法正确的是 ( )
A．原混合溶液中c(Na＋)＝0.2 mol·L－1
B．电解后溶液中c(H＋)＝0.2 mol·L－1
C．上述电解过程中共转移0.4 mol电子
D．电解后溶液复原时需加入4 g CuO
B [两极均收集1.12 L气体(标准状况下)―→
―→转移电子为0.2 mol⇒n(Cu2＋)＝0.05 mol，n(H＋)＝0.1 moln(Na＋)＝0.05 mol。复原时需加CuO：0.05×80 g＝4 g和H2O：0.05×18 g＝0.9 g 或加Cu(OH)2 4.9 g。]
5．(2019·大连模拟)用惰性电极电解一定浓度的CuSO4溶液，通电一段时间后，向所得的溶液中加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3后恰好恢复到电解前的浓度和pH(不考虑二氧化碳的溶解)。则电解过程中转移电子的物质的量为 ( )
A．0.4 mol B．0.5 mol
C．0.6 mol D．0.8 mol
C [Cu2(OH)2CO3可改写为2CuO·H2O·CO2，因反应后生成的CO2离开溶液，所以加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3相当于加入0.2 mol CuO、0.1 mol H2O，根据
2Cu ～ O2 ～ 4e－
2 mol 4 mol
0．2 mol 0.4 mol
2H2O ～ O2 ～ 4e－
2 mol 4 mol
0．1 mol 0.2 mol
转移电子的物质的量＝0.4 mol＋0.2 mol＝0.6 mol。 ]
6．(2019·唐山模拟)某科研小组将含硫化氢的工业废气进行了资源化利用，将获得的电能用于制取“84”消毒液。已知：2H2S(g)＋O2(g)===S2(s)＋2H2O(l) ΔH＝－632 kJ·mol－1。下图为该小组设计的原理图。下列说法正确的是( )
A．电极a为燃料电池正极
B．电极b上发生的电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－
C．电路中每流过4 mol电子，电池内部释放热能小于632 kJ
D．a极每增重32 g，导气管e将收集到气体11.2 L(标准状况)
C [电极a上H2S转化为S2，发生氧化反应，为燃料电池的负极，A项错误；电极b上O2转化为H2O，电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，B项错误；电路中每流过4 mol电子，消耗1 mol O2，但该装置将化学能转化为电能，电池内部基本上不放出热量，故释放热能小于632 kJ，C项正确；a极为负极，电极反应为2H2S－4e－===4H＋＋S2，电极c为阴极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，根据各电极上转移电子数目相等，可得关系式：S2～2H2，故导气管e收集到的H2在标准状况下的体积为×2×22.4 L·mol－1＝22.4 L，D项错误。]
[思维建模] 电化学中两种基本计算模型
注：在电化学计算中，还常利用Q＝I·t和Q＝n(e－)×NA×1.60×10－19 C来计算电路中通过的电量。
考点二| 电解原理的实际应用
1．电解饱和食盐水——氯碱工业
(1)电极反应
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑(反应类型：氧化反应)。
阴极：2H＋＋2e－===H2↑(反应类型：还原反应)。
检验阳极产物的方法是：用湿润的KI淀粉试纸靠近阳极附近，若试纸变蓝，证明生成了Cl2。电解时向食盐水中加酚酞，阴极附近溶液变红，说明该电极附近产生的物质为NaOH。
(2)电解方程式
化学方程式：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。
离子方程式：2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑。
(3)阳离子交换膜法电解饱和食盐水示意图
①阳离子交换膜的作用
阻止OH－进入阳极室与Cl2发生副反应：2NaOH＋Cl2===NaCl＋NaClO＋H2O，阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。
②a、b、c、d加入或取出的物质分别是饱和食盐水、稀NaOH溶液、稀的食盐水、浓NaOH溶液；X、Y分别是Cl2、H2。
2．电镀铜与电解精炼铜
(1)电镀铜
(2)电解精炼铜
提醒：(1)电解精炼铜时，粗铜中的Ag、Au等不反应，沉积在电解池底部形成阳极泥；(2)电镀铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)不变；电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)减小。
3．电冶金
冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属，必须用电解法。
(1)电解熔融氯化钠得到钠
2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑
(2)电解熔融Al2O3制Al
2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑
电极反应：
阳极：6O2－－12e－===3O2↑；
阴极：4Al3＋＋12e－===4Al。
冰晶石的作用是作Al2O3的助熔剂。
提醒：(1)电解熔融MgCl2冶炼镁，而不电解熔融MgO冶炼镁，因MgO的熔点很高；(2)电解熔融Al2O3冶炼铝，而不能电解AlCl3冶炼铝，因AlCl3是共价化合物，其熔融态不导电。
正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)电解饱和食盐水时，两个电极均不能用金属材料。( )
(2)电镀铜和电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)均保持不变。( )
(3)用Zn作阳极，Fe作阴极，ZnCl2作电解质溶液，由于放电顺序H＋>Zn2＋，不可能在铁上镀锌。( )
(4)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3，也可以电解MgO和AlCl3。( )
(5)粗铜电解精炼时，若电路中通过2 mol e－，阳极减少64 g。( )
答案：(1)× (2)× (3)× (4)× (5)×
考法1 电解原理的常规应用
1．(2018·合肥一模)利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。可电解LiCl溶液制备LiOH，装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．惰性电极B连接电源正极
B．A极区电解液为LiCl溶液
C．阳极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D．每生成1 mol H2，有1 mol Li＋通过阳离子交换膜
B [B极区产生H2，同时生成LiOH，故B极区电解液为LiOH溶液，惰性电极B上水电离出的H＋发生还原反应生成H2，惰性电极B为阴极，与电源负极相连，A项错误；惰性电极A为阳极，阳极上Cl－发生氧化反应，A极区电解液为LiCl溶液，B项正确；阳极上Cl－发生氧化反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，C项错误；每生成1 mol H2，转移2 mol电子，则有2 mol Li＋通过阳离子交换膜，D项错误。]
2．离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系。由有机阳离子、Al2Cl和AlCl组成的离子液体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。
钢制品应接电源的________极，已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，阴极电极反应式为___________________。
若改用AlCl3水溶液作电解液，则阴极反应式为_________________
________________________________________________________。
解析：在钢制品上电镀铝，故钢制品应作阴极，与电源的负极相连；因为电镀过程中“不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应”，Al元素在熔融盐中以Al2Cl和AlCl形式存在，则电镀过程中负极上得到电子的反应是4Al2Cl＋3e－===Al＋7AlCl；在水溶液中，得电子能力：H＋>Al3＋，故阴极上发生的反应是2H＋＋2e－===H2↑。
答案：负 4Al2Cl＋3e－===Al＋7AlCl 2H＋＋2e－===H2↑
考法2 电解原理在物质制备、环境治理方面的应用
3．(2019·蓉城模拟)重铬酸钾是化学实验室中的一种重要分析试剂。工业上以铬酸钾(K2CrO4)(黄色)为原料，采用电化学法制备重铬酸钾(K2Cr2O7)(橙色)。制备装置如图所示。下列说法错误的是( )
A．阳极室中溶液的颜色逐渐由黄色变为橙色，其原理为2CrO＋2H＋===Cr2O＋H2O
B．电解过程中阳极附近溶液的pH变小，其原理为2H2O＋4e－===O2↑－
4H＋
C．K2CrO4在阳极区被氧化成K2Cr2O7
D．阴极每生成1 mol气体，有2 mol带正电荷的阳离子从阳极室移向阴极室
C [结合题给装置可判断惰性电极为阳极，不锈钢电极为阴极；阳极室中K2CrO4转化为K2Cr2O7，溶液由黄色逐渐变为橙色，A项正确；阳极室发生氧化反应，OH－失电子放电，电极反应式为2H2O－4e－===
4H＋＋O2↑，阳极附近溶液pH逐渐减小，B项正确；阳极室中H＋浓度增大，促使发生反应：2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O，反应前后Cr元素化合价没有发生变化，C项错误；阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，每生成1 mol H2转移2 mol电子，为保持溶液呈电中性，有2 mol K＋从阳极室向阴极室移动，D项正确。]
4．(2019·惠州模拟)化学在环境保护中起着十分重要的作用，电化学降解NO的原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A．A为电源的正极
B．溶液中H＋从阳极向阴极迁移
C．AgPt电极的电极反应式为2NO＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O
D．电解过程中，每转移2 mol电子，则左侧电极就产生32 g O2
D [根据题给电解装置图可知，AgPt电极上NO转化为N2，发生还原反应：2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，则AgPt电极作阴极，B为电源的负极，故A为电源的正极，A、C项正确；在电解池中阳离子向阴极移动，所以溶液中H＋从阳极向阴极迁移，B项正确；左侧电极为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，则每转移2 mol电子，左侧电极产生16 g O2，D项错误。]
5．(2019·滁州模拟)常温下，NCl3是一种黄色黏稠状液体，是制备新型水消毒剂ClO2的原料，可以采用如图所示装置制备NCl3。下列说法正确的是( )
A．每生成1 mol NCl3，理论上有4 mol H＋经质子交换膜从右侧向左侧迁移
B．可用湿润的淀粉KI试纸检验气体M
C．石墨极的电极反应式为NH＋3Cl－－6e－===NCl3＋4H＋
D．电解过程中，质子交换膜右侧溶液的pH会减小
C [A项，每生成1 mol NCl3，转移6 mol e－，理论上有6 mol H＋经质子交换膜从右侧向左侧迁移，A错误；B项，M为H2，不能用湿润的淀粉KI试纸检验，B错误；D项，右侧pH会增大，D错误。]
专项突破(13) 隔膜在电化学装置中的应用
1．隔膜的分类
隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类：
(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
2．隔膜的作用
(1)能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。
(2)能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
注意：①反应物相同，不同的交换膜，迁移的离子种类不同。②同种交换膜，转移相同的电子数，如果离子所带电荷数不同，迁移离子数不同。③离子迁移依据电荷平衡，而离子数目变化量可能不相等。
[典例导航]
(2016·全国卷Ⅰ，T11)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SO可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。
下列叙述正确的是( )
A．通电后中间隔室的SO向正极迁移，正极区溶液pH增大
B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品
C．负极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，负极区溶液pH降低
D．当电路中通过1 mol电子的电量时，会有0.5 mol的O2生成
[思路点拨] 直流电场作用→图中的“－”极和“＋”极就是阴极和阳极SO移向“＋”极，Na＋移向“－”极―→ab为阳离子交换膜，cd为阴离子交换膜―→“－”极反应为2H＋＋2e－===H2↑，pH增大；“＋”极反应为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，pH减小。
答案：B
(1)ab为________________(填“阴”或“阳”，后同)离子交换膜，cd为________离子交换膜。
(2)正极区的电极反应式为__________________________________，
正极区的pH变_____(填“大”或“小”)，从平衡角度解释原因____
________________________________________________________。
(3)当正极产生0.5 mol气体，通过cd膜的离子数目为________。
答案：(1)阳 阴
(2)4OH－－4e－===O2↑＋2H2O 小 正极区溶液中存在H2O
H＋＋OH－，OH－放电，[OH－]减小，上述平衡右移，使[H＋]>[OH－]，且[H＋]逐渐增大，pH减小
(3)6.02×1023(或NA)
1．(2019·保定模拟)用Na2SO3溶液吸收硫酸工业尾气中的二氧化硫，将所得的混合液进行电解循环再生，这种新工艺叫再生循环脱硫法。其中阴、阳离子交换膜组合循环再生机理如图所示，下列有关说法中不正确的是( )
A．X为直流电源的负极，Y为直流电源的正极
B．阳极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．图中的b>a
D．该过程中的产品主要为H2SO4和H2
B [根据Na＋和SO的移向可知Pt(Ⅰ)为阴极，反应为2H＋＋2e－===H2，Pt(Ⅱ)为阳极，反应为SO－2e－＋H2O===SO＋2H＋。]
2．(2014·全国卷Ⅰ，改编)次磷酸(H3PO2)可用电渗析法制备。 “四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：
(1)左电极为________极，电极反应式为______________________
______________________________________________________。
(2)阳极室中的________通过阳膜进入产品室；原料室中________通过阴膜进入阳极室；原料室中________通过阴膜进入产品室。
(3)产品室中发生的离子反应方程式为________________________。
(4)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有________杂质。该杂质产生的原因是__________________________________________
___________________________________________________________。
答案：(1)阳 4OH－－4e－===2H2O＋O2↑(或2H2O－4e－===4H＋＋O2↑)
(2)H＋ Na＋ H2PO
(3)H＋＋H2PO===H3PO2
(4)PO H2PO(或H3PO2)被氧化
3．某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2===2AgCl。
(1)当电路中转移a mol e－时，交换膜左侧溶液中约减少________mol离子。交换膜右侧溶液中c(HCl)_______(填“>”“<”或“＝”)1 mol·L－1(忽略溶液体积变化)。
(2)若质子交换膜换成阴离子交换膜，其他不变。若有11.2 L氯气(标准状况)参与反应，则必有________mol ________(填离子符号)由交换膜________侧通过交换膜向________侧迁移。交换膜右侧溶液中c(HCl)________(填“>”“<”或“＝”)1 mol·L－1(忽略溶液体积变化)。
解析：(1)正极的电极反应式为Cl2＋2e－===2Cl－，负极的电极反应式为Ag－e－＋Cl－===AgCl，隔膜只允许氢离子通过，转移a mol电子，必有a mol Cl－形成沉淀。为了维持电荷平衡，交换膜左侧溶液中必有a mol H＋向交换膜右侧迁移，故交换膜左侧共减少2a mol离子(a mol Cl－＋a mol H＋)。交换膜右侧溶液中氯化氢浓度增大。
(2)n(Cl2)＝0.5 mol，n(Cl－)＝1 mol。正极的电极反应式为Cl2＋2e－===2Cl－，n(e－)＝1 mol，Ag－e－＋Cl－===AgCl，交换膜右侧溶液中增加了1 mol负电荷(或增加了1 mol Cl－)，左侧减少了1 mol负电荷(或减少了1 mol Cl－)。如果质子交换膜换成阴离子交换膜，只允许阴离子(Cl－)通过交换膜，不允许H＋通过。为了维持电荷平衡，必有1 mol Cl－从交换膜右侧溶液中通过交换膜向左侧迁移，氯离子迁移之后，两侧溶液中盐酸浓度保持不变。
答案：(1)2a > (2)1 Cl－ 右 左 ＝
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1．(2018·全国卷Ⅰ，T13)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：
①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋
②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋
该装置工作时，下列叙述错误的是( )
A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O
B．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S
C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为酸性
C [根据装置图中物质的转化关系分析电极反应类型，如EDTA
Fe2＋生成EDTAFe3＋，发生了氧化反应，EDTAFe3＋将H2S氧化成S，本身被还原成EDTAFe2＋，EDTAFe3＋和EDTAFe2＋可循环使用，故石墨烯电极为阳极，阳极与光伏电池的正极连接。CO2发生还原反应生成CO，故ZnO@石墨烯电极为阴极。
阴极发生还原反应，氢离子由交换膜右侧向左侧迁移，阴极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，A项正确；结合阳极区发生的反应，可知协同转化总反应为CO2＋H2S===S＋CO＋H2O，B项正确；石墨烯作阳极，其电势高于ZnO@石墨烯的，C项错误；Fe3＋、Fe2＋在碱性或中性介质中会生成沉淀，它们只稳定存在于酸性较强的介质中，D项正确。]
2．(2017·全国卷Ⅱ，T11)用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜，电解质溶液一般为H2SO4H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是( )
A．待加工铝质工件为阳极
B．可选用不锈钢网作为阴极
C．阴极的电极反应式为Al3＋＋3e－===Al
D．硫酸根离子在电解过程中向阳极移动
C [A对：该电解池阳极发生的电极反应为2Al＋3H2O－6e－===Al2O3＋
6H＋，铝化合价升高失电子，所以待加工铝质工件应为阳极。
B对，C错：阴极发生的电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，阴极可选用不锈钢网作电极。
D对：电解质溶液中的阴离子向阳极移动。]
3．(2018·全国卷Ⅰ，T27(3))制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为___________________________________________________
____________________________________________________________。
电解后，________室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。
解析：阳极发生氧化反应：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，阳极室H＋向a室迁移，a室中的Na2SO3转化成NaHSO3。
答案：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ a
4．(2018·全国卷Ⅲ，T27(3))KIO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示。
(1)写出电解时阴极的电极反应式_____________________________
___________________________________________________________。
(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为________，其迁移方向是________。
(3)与“电解法”相比，“KClO3氧化法”的主要不足之处有_______ _________________(写出一点)。
解析：(1)电解法制备KIO3时，H2O在阴极得到电子，发生还原反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。(2)电解池中阳离子向阴极移动，即由电极a向电极b迁移，阳离子交换膜只允许阳离子通过，故主要是K＋通过阳离子交换膜。(3)根据工艺流程分析，KClO3氧化法生成的Cl2有毒，且在调pH时加入KOH的量不易控制，另外，生成的KIO3中杂质较多。
答案：(1)2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑ (2)K＋ 由a到b (3)产生Cl2易污染环境等
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