2021高考化学鲁科版一轮复习教师用书第六章第6课时　电化学原理的综合应用

第6课时　电化学原理的综合应用[课型标签:题型课　提能课] 考点一　串联装置识别与分析1.有外加电源电池类型的判断方法有外加电源的均为电解池,与电源负极相连的是阴极,或根据“电解池串联时阴、阳极交替出现”的原则正推电极,也可以通过装置中某极的变化、现象反推电极。电极位置相同,作用也相同。若电池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同,则该装置为电镀池。则甲为电镀池,乙、丙均为电解池。2.无外加电源电池类型的直接判断方法一种为原电池,其余为电解池。(1)直接判断燃料电池、铅蓄电池等在电路中作电源,则其他装置为电解池。如图,A为原电池,B为电解池。(2)根据电池中的电极材料和电解质溶液判断①一般是两种不同的金属电极或一种金属电极一个碳棒,其中较活泼的金属为原电池的负极,另一极为正极,其余为电解池。②电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应,构成原电池作电源,电极材料不能和电解质溶液自发反应则是电解池。如图,B为原电池,A为电解池。③光电池只需确定电子或阴、阳离子的移动方向即可判断阴、阳极。(3)根据电极反应现象判断在某些装置中根据电极反应或反应现象可先判断电极类型,并由此判断电池类型,如图:若C极溶解,D极上析出Cu,B极附近溶液变红,A极上放出黄绿色气体,A应为阳极而不是负极(负极金属溶解),则可知乙是原电池;甲是电解池,A是阳极,B是阴极。3.“串联”类电池的解题流程题型一　有外加电源型[典例1] (2019·吉林长春质检)如图装置中a、b、c、d均为Pt电极。电解过程中,电极b和d上没有气体逸出,但质量均增大,且增重b>d。符合上述实验结果的盐溶液是(　　)选项XYAMgSO4CuSO4BAgNO3Pb(NO3)2CFeSO4Al2(SO4)3DCuSO4AgNO3解析:A项,当X为MgSO4时,b极上生成H2,电极质量不增加,错误;C项,X为FeSO4,Y为Al2(SO4)3,b、d极上均产生气体,错误;D项,b极上析出Cu,d极上析出Ag,其中d极增加的质量大于b极增加的质量,错误。答案:B[对点精练1] 如图,乙是甲电解池进行电解时某个量(纵坐标x)随时间变化的曲线(各电解池都用石墨作电极,不考虑电解过程中溶液浓度变化对电极反应的影响),则x表示(　C　)A.各电解池析出气体体积总数的变化B.各电解池阳极质量的增加C.各电解池阴极质量的增加D.各电极上放电的离子总数的变化解析:用排除法解答,乙图中曲线③表示电解NaCl溶液时,随着电解的进行x值始终为0,可排除A、D项;对于B项,三个电解池的阳极上都是阴离子放电,不可能有质量的增加,所以也不正确。故选C。题型二　无外接电源型[典例2] (2019·山东临沂冲刺练)某同学组装了如图所示的电化学装置,电极Ⅰ为Al,其他电极均为Cu,则(　　)A.电极Ⅱ逐渐溶解B.电极Ⅰ发生还原反应C.电流方向:电极Ⅳ→→电极ⅠD.电极Ⅲ的电极反应为Cu2++2e-Cu解析:当多池串联时,两电极材料活动性相差大的作原电池,由此可知图示中左边两池组成原电池,右边组成电解池。原电池正极为电极Ⅱ,铜离子得电子生成铜单质,该电极质量逐渐增大,A项错误;原电池负极在工作中失电子,被氧化,发生氧化反应,B项错误;电子移动方向:电极Ⅰ→→电极Ⅳ,电流方向与电子移动方向相反,C项正确;电解池中阳极为铜电极时,电极本身失电子,形成离子进入溶液中,Cu-2e-Cu2+,D项错误。答案:C[对点精练2] 如图所示,甲池的总反应式为2CH3OH+3O2+4KOH2K2CO3+6H2O。下列说法正确的是(　C　)A.甲池通入CH3OH的电极反应式为CH3OH+6e-+2H2OC+8H+B.反应一段时间后,向乙池中加入一定量Cu(OH)2固体,能使CuSO4溶液恢复到原浓度C.甲池中消耗224 mL(标准状况)O2,此时丙池中理论上产生1.16 g固体D.若将乙池电解质溶液换成AgNO3溶液,则可以实现在石墨棒上镀银解析:甲池通入CH3OH的电极发生氧化反应:CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O,A项错误;乙池中石墨作阳极,Ag作阴极,电解总反应式为2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4,由于CuSO4溶液过量,溶液中减少的是“2Cu+O2↑”,因此加入CuO或CuCO3能使原溶液恢复到原浓度,B项错误;丙池中的总反应为MgCl2+2H2OMg(OH)2↓+H2↑+Cl2↑,根据各电极上转移电子数相同,可得关系式:O2～4e-～2Mg(OH)2,丙池中产生Mg(OH)2固体的质量为×2×58 g· mol-1=1.16 g,C项正确;乙池中石墨棒作阳极,Ag作阴极,只能在银极上析出银,D项错误。考点二　含离子交换膜电池的应用1.离子交换膜的类型及作用2.阴、阳离子交换膜的判断(1)看清图示,是否在交换膜上标注了阴、阳离子,是否标注了电源的正、负极,是否标注了电子流向、电流流向等,明确阴、阳离子的移动方向。(2)根据原电池、电解池中阴、阳离子的移动方向,结合题意中给出的制备、电解物质等信息,找出物质生成或消耗的电极区域,确定移动的阴、阳离子,从而推知离子交换膜的种类。3.三步法解答有关“膜”装置题如电析法可将含有AnBm的废水再生为HnB和A(OH)m,已知A为金属活动性顺序表中H前金属,Bn-为含氧酸根离子。考向一　用于物质的分离和提纯[典例1] (2016·全国Ⅰ卷)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S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S离子向正极迁移,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生成解析:正极区水电离出的OH-放电,溶液中c(H+)增大,pH减小,中间隔室的S透过cd膜移到正极区可得产品H2SO4;负极区水电离出的H+放电:2H++2e-H2↑,溶液中c(OH-)增大,溶液pH增大,中间隔室的Na+透过ab膜移入负极区,可得产品NaOH;由电子守恒,结合电极反应4OH--4e-2H2O+O2可知,通过1 mol e-会有0.25 mol O2产生。答案:B[对点精练1] 一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化,其工作原理如图所示,图中有机废水中有机物可用 C6H10O5表示。下列有关说法不正确的是(　C　)A.Cl-由中间室移向左室B.X气体为CO2C.处理后的含N废水的pH降低D.电路中每通过4 mol电子,产生X气体的体积在标准状况下为22.4 L解析:该原电池中,N得电子发生还原反应,则装置中右边电极是正极,电极反应为2N+10e-+12H+N2↑+6H2O,装置左边电极是负极,负极上有机物失电子发生氧化反应生成X为二氧化碳。放电时,电解质溶液中阴离子Cl-移向负极室(左室),A、B项正确;根据正极反应式可知H+参加反应导致溶液酸性减小,溶液的pH增大,C项不正确;负极上有机物在厌氧菌作用下生成二氧化碳,电极反应为C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+,电路中每通过4 mol电子,产生标准状况下X气体的体积为×6×22.4 L=22.4 L,D项正确。考向二　用于物质的制备[典例2] (2018·全国Ⅰ卷节选)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。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:阳极上阴离子OH-放电,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,电解过程中H+透过阳离子交换膜进入a室,故a室中NaHSO3浓度增加。答案:2H2O-4e-4H++O2↑　a[对点精练2] (2018·浙江卷节选)以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]水溶液为原料,通过电解法可以制备四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH],装置如图所示。(1)收集到(CH3)4NOH的区域是　　　　　(填“a”“b”“c”或“d”)。 (2)写出电池总反应 　。 解析:(1)根据题给信息及题图,阴极的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,阳极的电极反应式为2Cl--2e-Cl2↑;根据阳离子交换膜只允许阳离子通过,所以收集到(CH3)4NOH的区域是d。(2)根据题意,参与电极反应的物质实际上是(CH3)4NCl和水,产物是(CH3)4NOH、Cl2和H2,由此可写出电池的总反应为2(CH3)4NCl+2H2O2(CH3)4NOH+H2↑+Cl2↑。答案:(1)d(2)2(CH3)4NCl+2H2O2(CH3)4NOH+H2↑+Cl2↑考点三　电化学定量计算1.解题关键(1)电极名称要区分清楚;(2)电极产物要判断准确;(3)各产物间量的关系遵循电子得失守恒。2.计算方法如以通过4 mol e-为桥梁可构建如下关系式:～(式中M为金属,n为其离子的化合价数值,涉及气体体积时一定要注意气体的状态为标准状况)3.计算步骤(1)根据现象或其他条件(如果是电解池,可以根据与电源正负极的连接情况),准确判定电极上发生氧化还原反应的类型和电极名称;(2)准确写出电极反应式;(3)根据题目所给条件和所要求解的问题,使用上述合适的方法建立等量关系求解。[典例] (2019·广东肇庆二模)如图是利用一种微生物将废水中的有机物(如淀粉)和废气NO的化学能直接转化为电能,下列说法中一定正确的是(　　)A.质子透过阳离子交换膜由右向左移动B.电子流动方向为N→Y→X→MC.M电极反应式:(C6H10O5)n+7nH2O-24ne-6nCO2↑+24nH+D.当M电极微生物将废水中16.2 g淀粉转化掉时,N电极产生134.4 L N2(标准状况下)解析:由题意利用一种微生物将废水中有机物[主要成分是(C6H10O5)n]的化学能转化为电能的装置,即为原电池,质子透过阳离子交换膜,从左向右移动,A错误;电子流动方向从负极经过导线到正极,为M→X→Y→N,B错误;M极为有机物,M极为负极,发生氧化反应,负极的电极反应为(C6H10O5)n+7nH2O-24ne-6nCO2↑+24nH+,C正确;当M电极微生物将废水中16.2 g淀粉转化掉时,物质的量为 mol,故转移电子的物质的量为 mol×24n=2.4 mol,而生成1 mol的氮气转移电子的物质的量为4 mol,故生成0.6 mol的氮气,标准状况下的体积为13.44 L,D错误。答案:C[对点精练] (2019·全国Ⅲ卷节选)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上,科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案,主要包括电化学过程和化学过程,如图所示:负极区发生的反应有  (写反应方程式)。电路中转移1 mol电子,需消耗氧气　　　　L(标准状况)。 解析:电解过程中,负极连接的阴极上发生得电子反应,元素化合价降低,属于还原反应,则图中左侧为负极反应,根据图示信息知电极反应为Fe3++e-Fe2+和4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O;根据电极方程式可知4Fe2+～4e-～O2,V= mol×22.4 L/mol=5.6 L。答案:Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O　5.6