2022版高考化学选考山东专用一轮总复习集训：专题十一化学能与电能的转化 —应用集训

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专题十一　化学能与电能的转化
应用篇
【应用集训】
1.(2020济宁高三一模,11)下图是一种正投入生产的大型蓄电系统。放电前,被膜隔开的电解质为Na2S2和NaBr3,放电后分别变为Na2S4和NaBr。下列叙述正确的是 (　　)

A.放电时,负极反应为3NaBr-2e-NaBr3+2Na+
B.充电时,阳极反应为2Na2S2-2e-Na2S4+2Na+
C.放电时,Na+经过离子交换膜,由b池移向a池
D.用该电池电解饱和食盐水,产生2.24LH2时,b池生成17.40gNa2S4
答案　C
2.(2020东营一中高三期末,13)全钒液流储能电池是利用不同价态的含钒离子在酸性条件下发生反应,离子方程式为VO2+(黄色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(蓝色)+V3+(绿色)+H2O。采用惰性电极实现化学能和电能相互转化的工作原理如图。下列说法正确的是 (　　)

A.充电过程中,X端接外接电源的负极
B.放电过程中,正极电极反应式为VO2++H2O+e-VO2++2OH-
C.放电过程中,右罐溶液颜色逐渐由绿色变为紫色
D.充电时若转移电子0.5mol,左罐溶液中n(H+)的变化量为0.5mol
答案　D
3.(2020昌乐二中高三期末,12)《JournalofEnergyChemistry》报导我国科学家设计CO2熔盐捕获与转化装置如图。下列有关说法正确的是 (　　)

A.a为负极
B.熔盐可用KOH溶液代替
C.d极电极反应式为CO32-+4e-C+3O2-
D.转移1mol电子可捕获CO211.2L(标准状况下)
答案　C
4.(2020青岛高三三模,13)(双选)近期,美国某研究小组在《NatureEnergy》报道了一种CO2电解装置,膜界面处的离子通过中间通道重组直接制备高纯 HCOOH 溶液,其工作原理如图。下列说法正确的是 (　　)

A.a 电极连接直流电源的正极
B.该电解池工作原理为2CO2+2H2O2HCOOH+O2
C.M、N 分别是阴离子交换膜、阳离子交换膜
D.电路中转移1mole-时,阳极产生5.6LO2
答案　BC
5.(2020山东等级考模拟,13)利用小粒径零价铁(ZVI)的电化学腐蚀处理三氯乙烯,进行水体修复的过程如图所示。H+、O2、NO3-等共存物的存在会影响水体修复效果,定义单位时间内ZVI释放电子的物质的量为nt,其中用于有效腐蚀的电子的物质的量为ne。下列说法错误的是 (　　)

A.反应①②③④均在正极发生
B.单位时间内,三氯乙烯脱去amolCl时ne=amol
C.④的电极反应式为NO3-+10H++8e-NH4++3H2O
D.增大单位体积水体中小粒径ZVI的投入量,可使nt增大
答案　B

创新篇
【创新集训】
1.(2020嘉祥一中三模,7)某化学课外活动小组拟用铅蓄电池为直流电源,进行电絮凝净水的实验探究,设计的实验装置如图所示。下列说法正确的是 (　　)

A.Y电极反应为Pb+SO42--2e-PbSO4
B.每消耗103.5gPb,理论上电解池阴极上有1molH2生成
C.该电解池的总反应为2Al+6H2O2Al(OH)3+3H2↑
D.若污水为含有Cr2O72-的工业酸性废水,为将其转化为Cr3+除去,可让铁电极连接铅蓄电池的正极
答案　D
2.(2020泰安二模,13)(双选)十九大报告中提出“打赢蓝天保卫战”,对污染防治要求更高。某种利用垃圾渗透液实现发电、环保二位一体结合的装置示意图如下。当该装置工作时,下列说法正确的是 (　　)

A.盐桥中Cl-向Y极移动
B.电路中流过7.5mol电子时,共产生N2的体积为44.8L(标准状况)
C.电流由X极沿导线流向Y极
D.Y极发生的反应为2NO3-+10e-+6H2ON2↑+12OH-,周围pH增大
答案　BD
3.(2020章丘四中高三3月模拟,11)(双选)一种浓差电池如图所示,阴、阳离子交换膜交替放置,中间的间隔交替充以河水和海水,选择性透过Cl-和Na+,在两电极板形成电势差,进而在外部产生电流。下列关于该电池的说法正确的是 (　　)

A.a电极为电池的正极,电极反应为2H++2e-H2↑
B.C为阴离子交换膜,A为阳离子交换膜
C.负极隔室的电中性溶液通过阳极表面的还原作用维持
D.该电池的缺点是离子交换膜价格昂贵,优点是电极产物有经济价值
答案　AD
4.(2020昌乐高考模拟,13)国际能源期刊报道了一种正在开发中的绿色环保“全氢电池”,有望减少废旧电池产生的污染。其工作原理如图所示。下列说法正确的是 (　　)

A.“全氢电池”工作时,将酸碱反应的中和能转化为电能
B.吸附层b发生的电极反应:H2-2e-+2OH-2H2O
C.NaClO4的作用是传导离子和参与电极反应
D.“全氢电池”的总反应:2H2+O22H2O
答案　A
5.(2020滨州二模,11)我国科学家设计了一种太阳能驱动从海水中提取金属锂的装置,示意图如图所示。该装置工作时,下列说法正确的是 (　　)

A.铜箔上的电势比催化电极上的高
B.海水的pH变大
C.若转移1mol电子,理论上铜箔增重7g
D.固体陶瓷膜可用质子交换膜代替
答案　C


[教师专用题组]

创新篇
【创新集训】
1.微生物电解池(MEC)是一项潜在的有吸引力的绿色电解池,其制取氢气的原理如图所示:

下列说法正确的是 (　　)
A.MEC可在高温下工作
B.电解池工作时,化学能转变为电能
C.活性微生物抑制反应中电子的转移
D.阳极的电极反应式为CH3COO-+4H2O-8e-2HCO3-+9H+
答案　D　温度过高会造成微生物失去活性,所以MEC不宜在高温下工作,A不正确;电解池工作时,将电能转化为化学能,B不正确;活性微生物有催化作用,能加快反应速率,促进氧化还原反应中电子的转移,C不正确;阳极发生氧化反应,从图中可以看出,CH3COO-转化为HCO3-,1molCH3COO-反应可失去8mol电子,D正确。
2.图甲为一种新型污水处理装置,该装置可利用一种微生物将有机废水的化学能直接转化为电能,图乙是一种用惰性电极电解饱和食盐水的消毒液发生器。下列说法不正确的是 (　　)

A.图甲的X点要与图乙中的a极连接
B.图乙中b极的电极反应式为:2Cl--2e-Cl2↑
C.当N极消耗1mol气体时,有2molH+通过离子交换膜
D.若有机废水中主要含有淀粉,则图甲中M极反应为:(C6H10O5)n+7nH2O-24ne-6nCO2↑+24nH+
答案　C　图甲中N极上O2转化为H2O,发生还原反应,则N极为正极,M极为负极,图乙通过电解饱和食盐水获得消毒液,则a极析出H2,b极析出Cl2,a极为阴极,b极为阳极,电解池的阳极与电源正极相连,电解池的阴极与电源负极相连,故X点与a极相连,A项正确;图乙中b极析出氯气,电极反应式为:2Cl--2e-Cl2↑,B项正确;O2+4e-+4H+2H2O,当N极消耗1mol气体时,转移4mol电子,故有4molH+通过离子交换膜,C项错误;若有机废水中主要含有淀粉,则图甲中M极上淀粉转化为CO2,电极反应为:(C6H10O5)n+7nH2O-24ne-6nCO2↑+24nH+,D项正确。
解题关键　(1)图乙中阴、阳极的判断:为了使电解生成的Cl2与NaOH溶液充分反应,下端应作阳极,上端应作阴极。(2)(C6H10O5)n中碳元素的平均化合价为0价,酸性环境中(C6H10O5)n失电子生成CO2。
3.如图甲是利用一种微生物将废水中的尿素[CO(NH2)2]的化学能直接转化为电能,并生成环境友好物质的装置,同时利用此装置的电能在铁上镀铜。下列说法中正确的是 (　　)

A.铜电极应与X相连接
B.H+经过质子交换膜由右向左移动
C.当N电极消耗0.25mol气体时,则铁电极增重16g
D.M电极反应式:CO(NH2)2+H2O-6e-CO2↑+N2↑+6H+
答案　D　A项,由题知在铁上镀铜,则铁作阴极,铜作阳极,铜应该与正极相连,故铜电极应与Y极相连,A项错误;B项,甲装置为微生物原电池,M为负极,N为正极,H+移向正极,故H+从左向右移动,B项错误;C项,当N电极消耗0.25mol气体时,转移电子1mol,所以铁电极增重32g,C项错误;D项,M电极为负极,电极反应式为CO(NH2)2+H2O-6e-CO2↑+N2↑+6H+,D项正确。
疑难突破　微生物电池中N电极为氧气参与的电极,为正极,M为负极,阳离子移向正极。
4.由相同金属电极及其不同浓度的盐溶液组成的电池称为浓差电池,电子由溶液浓度较小的一极流向浓度较大的一极。如图所示装置中,X电极与Y电极初始质量相等。进行实验时,先闭合K2,断开K1,一段时间后,再断开K2,闭合K1,即可形成浓差电池,电流计指针偏转。下列说法不正确的是 (　　)

A.充电前,该电池两电极不存在电势差
B.放电时,右池中的NO3-通过离子交换膜移向左池
C.充电时,当外电路通过0.1mol电子时,两电极的质量差为10.8g
D.放电时,电极Y为电池的正极
答案　C　A项,充电前,左、右两池浓度相等,则两极不存在电势差,故A正确。B项,形成原电池时X为负极,Y为正极,阴离子向负极移动,则右池中的NO3-通过离子交换膜移向左池,故B正确。C项,充电时,当外电路通过0.1mol电子时,阳极有0.1molAg被氧化,而阴极析出0.1molAg,则两电极的质量差为21.6g,故C错误。D项,放电时,右池硝酸银浓度较大,则电极Y为电池的正极,故D正确。
5.LED系列产品是一类新型节能产品。图甲是NaBH4/H2O2燃料电池的装置示意图,图乙是LED发光二极管的装置示意图。下列叙述错误的是 (　　)

A.电池应选用阳离子交换膜,Na+向A极区移动
B.电池A极区的电极反应式为H2O2+2e-2OH-
C.每有1molNaBH4参加反应,转移电子数为4NA
D.要使LED发光二极管正常发光,图乙中的导线a应与图甲中的B极相连
答案　C　A极上H2O2转化为OH-,发生还原反应:H2O2+2e-2OH-,则A极为正极,根据图示,Na+能透过离子交换膜进入A极区得到NaOH,则离子交换膜为阳离子交换膜,A项正确,B项正确;B极为负极,发生氧化反应:BH4-+8OH--8e-BO2-+6H2O,每有1molNaBH4参加反应,转移电子数为8NA,C项错误;根据LED发光二极管中电子移动情况知,导线a应与负极相连,导线b应与正极相连,故图乙中的导线a应与图甲中的B极相连,D项正确。
审题关键　BH4-+3-1→BO2-+3、H2O+1,硼元素化合价不变,氢元素由-1价升高到+1价。
6.利用膜技术原理和电化学原理制备少量硫酸和绿色硝化剂N2O5,装置如图所示。下列说法正确的是 (　　)

A.b电极反应式是O2+4e-+2H2O4OH-
B.电解后乙装置d电极附近溶液的pH不变
C.c电极反应式为N2O4-2e-+H2ON2O5+2H+
D.甲中每消耗1molSO2,乙装置中有1molH+通过隔膜
答案　B　A项,甲装置为原电池,其中a电极为负极、b电极为正极,正极电极反应式为O2+4e-+4H+2H2O,A项错误;B项,乙装置是电解池,均采用了惰性电极,d电极为阴极,电极反应式为2H++2e-H2↑,虽然消耗了H+,但同时有等量的H+从阳极区迁移过来,故溶液的pH不变,B项正确;C项,c电极为阳极,发生氧化反应:N2O4-2e-+2HNO32N2O5+2H+,C项错误;D项,甲装置中消耗1molSO2转移2mol 电子,乙装置中有2molH+通过隔膜,D项错误。
7.高能锂离子电池总反应式为2Li+FeSFe+Li2S,LiPF6·SO(CH3)2为电解质,用该电池为电源电解含镍酸性废水并得到单质Ni的实验装置如图所示。下列说法正确的是 (　　)

A.LiPF6·SO(CH3)2可用Li2SO4水溶液代替
B.当转移1mole-时,b室离子数增加NA个
C.该电池充电时,阳极反应式为Fe+Li2S-2e-FeS+2Li+
D.若去除阴离子膜,则电解总反应发生改变
答案　C　A项,Li与水会发生反应,所以不可用Li2SO4水溶液代替,故A错误;B项,电解过程中为平衡a、c中的电荷,a中的Na+和c中的Cl-分别通过阳离子膜和阴离子膜移向b中,这使b中NaCl溶液的物质的量浓度不断增大,所以当转移1mole-时,b室离子数增加2NA,故B错误;C项,电池充电时,阳极反应式为Fe+Li2S-2e-FeS+2Li+,故C正确;D项,若去除阴离子膜,仍然是Ni2+放电,则电解总反应不会发生改变,故D错误。
审题方法　由反应2Li+FeSFe+Li2S可知,Li被氧化,应为原电池的负极;FeS被还原生成Fe,为正极反应。用该电池为电源电解含镍酸性废水并得到单质Ni,则镀镍铁棒为阴极,发生还原反应,连接原电池负极;碳棒为阳极,连接原电池正极,发生氧化反应。
8.光电池在光照条件下可产生电压,如下装置可以实现光能源的充分利用,双极性膜可将水解离为H+和OH-,并实现其定向通过。下列说法不正确的是 (　　)

A.该装置将光能转化为化学能并分解水
B.双极性膜可控制其两侧溶液分别为酸性和碱性
C.光照过程中阳极区溶液中的n(OH-)基本不变
D.再生池中的反应:2V2++2H2O2V3++2OH-+H2↑
答案　D　A项,该装置利用光电池将光能转换为电能,再利用电解池将电能转化为化学能,最终达到分解水的目的,正确;B项,由题图可知,阳极区为碱性环境,阴极区为酸性环境,且H+、OH-均来自双极性膜上进行的水的解离,故双极性膜可控制其两侧溶液分别为酸性和碱性,正确;C项,光照过程中阳极区的电极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑,在双极性膜上水解离为H+和OH-,其中OH-进入阳极,故光照过程中阳极区溶液中的n(OH-)基本不变,正确;D项,放电后的阴极区溶液中含有V2+、H+,再生池中的反应为2V2++2H+2V3++H2↑,错误。
思路分析　由题图可知,双极性膜将水解离为H+和OH-,在光电池的作用下,左侧电极为阴极,V3+在阴极得电子发生还原反应生成V2+,右侧电极为阳极,OH-在阳极失电子发生氧化反应生成氧气。
9.(2020湖南、河南、江西线上3月联考,28节选)联氨(N2H4)和次磷酸钠(NaH2PO2)都具有强还原性,都有着广泛的用途。
(3)①在惰性气体中,将白磷(P4)与石灰乳和碳酸钠溶液一同加入高速乳化反应器中制得NaH2PO2,同时还产生磷化氢(PH3)气体,该反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
②次磷酸(H3PO2)是一元酸,常温下,1.0mol·L-1的NaH2PO2溶液pH为8,则次磷酸的Ka=　　　　。 

③用次磷酸钠通过电渗析法制备次磷酸,装置如图所示。交换膜A属于　　　　(填“阳离子”或“阴离子”)交换膜,N极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　,当电路中流过3.8528×105库仑电量时,制得次磷酸的物质的量为　　　　(一个电子的电量为1.6×10-19库仑,阿伏加德罗常数的值约为6.02×1023)。 
答案　(3)①2P4+3Ca(OH)2+3Na2CO3+6H2O6NaH2PO2+2PH3↑+3CaCO3
②1.0×10-2
③阳离子　2H2O+2e-H2↑+2OH-　4mol
解析　(3)①由反应物与产物对比可知P4既是氧化剂又是还原剂,Ca(OH)2提供碱性环境、Na2CO3提供Na+,同时加入的Ca2+与CO32-不共存,产生CaCO3沉淀,再根据质量守恒与得失电子守恒可得反应的化学方程式为2P4+3Ca(OH)2+3Na2CO3+6H2O6NaH2PO2+2PH3↑+3CaCO3;②NaH2PO2溶液中存在水解反应:H2PO2-+H2OH3PO2+OH-,由pH=8,知c(OH-)=10-6mol·L-1,故c(H3PO2)=10-6mol·L-1,且c(H2PO2-)=(1.0-10-6)mol·L-1≈1.0mol·L-1,水解常数Kh=c(H3PO2)·c(OH-)c(H2PO2-)=10-12,则Ka=KWKh=1.0×10-2。③由工作原理图中H2PO2-的迁移方向可知,M极为阳极,N极为阴极。阳极电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,产品室中右侧有H2PO2-迁移进入,为得到H3PO2还需补充H+,故A膜为阳离子交换膜。N极为阴极,根据阴极放电顺序可知,阴极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-。由题给信息可知,1 个电子的电量为1.6×10-19库仑,则当电路通过 3.8528×105库仑电量时,转移电子的物质的量为3.8528×1051.6×10-19×6.02×1023mol=4mol,则制得次磷酸的物质的量为4mol。
10.电解原理在污水处理、储氢等方面应用广泛。
(1)高剂量的亚硝酸盐有很大毒性,用电化学方法降解NO2-的原理如图所示:

①阴极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　。 
②若电解过程中转移了3mol电子,则膜两侧电解液的质量变化差(|Δm左|-|Δm右|)为　　　　g。 
(2)一定条件下,用如图所示装置实现有机物的电化学储氢(忽略其他有机物)。该储氢装置的电流效率η=　　　　(η=生成目标产物消耗的电子数转移的电子总数×100%,计算结果保留1位小数)。 

答案　(1)①2NO2-+6e-+4H2ON2↑+8OH-　②16　(2)64.3%
解析　(1)因遗漏H+迁移或错判H+迁移的量引起的质量变化而出错。①Ag-Pt电极上NO2-得电子被还原为N2,据此可判断Ag-Pt电极为阴极,电极反应式为2NO2-+6e-+4H2ON2↑+8OH-。②当电解过程中转移3mol电子时,阴极区生成12molN2,同时有3molH+从阳极区迁移到阴极区,则|Δm右|=12mol×28g/mol-3mol×1g/mol=11g;阳极区发生失电子的氧化反应,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,电解过程中转移3mol电子时,生成34molO2,同时有3molH+从阳极区迁移到阴极区,则|Δm左|=34mol×32g/mol+3mol×1g/mol=27g,|Δm左|-|Δm右|=27g-11g=16g。
(2)若不理解电流效率的概念信息,则不易解题。电极C上发生的反应是苯加氢的还原反应:C6H6+6H++6e-C6H12,电极C为阴极。电极D为阳极,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,阳极上生成2.8molO2时失去电子4×2.8mol=11.2mol,生成的11.2molH+经过高分子电解质膜移动至阴极,一部分H+与苯反应生成环己烷,还有一部分H+得电子发生还原反应生成H2(2H++2e-H2↑,阴极的副反应),从阴极区出来的混合气为未反应的苯蒸气及杂质、生成的环己烷(g)和H2,设未反应的苯的物质的量为xmol,生成的H2的物质的量为ymol,根据得失电子守恒有6×(10×24%-x)+2y=11.2;从阴极出来的混合气中苯的物质的量分数为x÷(10+y)×100%=10%,解得x=1.2,电流效率为6×(10×24%-1.2)11.2×100%≈64.3%。
易错警示　(1)判断电解质溶液质量变化时,不能只注意电极产物(沉淀、气体)的影响,还要关注离子迁移对溶液质量的影响。
(2)电解质溶液中离子迁移的数目,不一定等于电极反应式中消耗的该离子数目,也不一定等于电路中转移的电子数目,而应根据“离子迁移数目×离子所带电荷数=转移电子数目”来判断。
(3)在计算电解池中电子转移数目、电极产物的量、电解质溶液浓度等问题时,要注意一个电极放电的物质可能有多种,一般需结合离子放电顺序及得失电子守恒判断放电物质的种类及物质的量。