专题四：电化学                                              

一．全国卷分析

金太阳P42

二．             知识整合

1． 构建原电池模型，类比分析原电池原理

①   见太阳

②   原电池装置考查变迁

(1)盐桥的作用:原电池装置由装置①到装置②的变化是由盐桥连接两个“半电池装置”,其中盐桥的作用有三种:①隔绝正、负极反应物,避免直接接触,导致电流不稳定;②通过离子的定向移动,构成闭合回路;③平衡电极区的电荷。

(2)离子交换膜的作用:由装置②到装置③的变化是“盐桥”变成“质子交换膜”。离子交换膜是一种选择性透过膜,允许相应离子通过,离子迁移方向遵循电池中离子迁移方向。

考点突破命题点1　特定装置的新型电池原理分析

(1)特定装置的新型电池的命题点

①两极的判断及电极反应式的书写与判断。

②两极产物及反应类型判断。

③电子、电流、离子的移动方向的判断。

④电池总反应式的书写与判断。

⑤转移电子及产物的计算。

(2)特定装置的新型电池的分析思路

①分析装置中提供的信息：如反应物或产物、介质粒子成分、交换膜的类型、离子移动方向、电极材料等。

②分析两极反应原理及电极反应或总反应。

③完成有关问题。

【考向一】 新型燃料电池

．燃料电池电极反应方程式的书写技巧
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。由于电池总反应式与燃料燃烧方程式相似而得名,由于条件不同,燃料并非真的

燃烧。另外,燃料电池的考查重点在不同条件下的电解质溶液,如酸性、碱性、中性、熔融碳酸盐、熔融氧化物等,其书写关键可以归结为一句话:“什么环境下

用什么离子平衡电性。”如正极反应式书写:

（2018，全国1卷）7. 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：C

①EDTA-Fe²⁺-e^-＝EDTA-Fe³⁺

②2EDTA-Fe³⁺+H₂S＝2H⁺+S+2EDTA-Fe²⁺

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EDTA-Fe³⁺/EDTA-Fe²⁺，溶液需为酸性

（2018，全国卷三）5. 一种可充电锂-空气电池如图所示。当电池放电时，O₂与Li⁺在多孔碳材料电极处生成Li₂O_2-x（x=0或1）。下列说法正确的是D

A. 放电时，多孔碳材料电极为负极

B. 放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极

C. 充电时，电解质溶液中Li⁺向多孔碳材料区迁移

D. 充电时，电池总反应为Li₂O_2-x=2Li+（1－X/2）O₂

1．某种熔融碳酸盐燃料电池以Li₂CO₃、K₂CO₃为电解质，以C₄H₁₀为燃料时，该电池工作原理如图．下列说法正确的是(　　)

A．a为C₄H₁₀，b为CO₂

B．在熔融电解质中，CO₃^2-向正极移动

C．此电池在常温时也能工作

D．通入丁烷的一极是负极，电极反应为：C₄H₁₀-26e^-+13CO₃^2-=17CO₂↑+5H₂O

【答案】D

【考向二】 新型二次电池

一次电池

1．定义：一次电池的活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度，就不能使用了．一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫干电池．常用的有普通的锌锰干电池、碱性锌锰电池、锌汞电池、镁锰干电池等．

二次电池

1．定义：二次电池又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生．这类电池可以多次重复使用．

2．空间实验室“天宫一号”的供电系统中有再生氢氧燃料电池(RFC)，RFC是一种将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的可充电电池．如图为RFC工作原理示意图．下列有关说法正确的是(　　)

A．当有0.1 mol电子转移时，a电极产生2.24LH₂

B．b电极上发生的电极反应是：4H₂O+4e^-=2H₂↑+40H^-

C．c电极上进行还原反应，B池中H⁺的可以通过隔膜进入A池

D．d电极上发生的电极反应是：O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O

【答案】C

【例1】高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压．高铁电池的总反应为3Zn+2K₂FeO₄+8H₂O3Zn(OH)₂+2Fe(OH)₃+4KOH下列叙述不正确的是(　　)

A．放电时负极反应为：Zn-2e^-+2OH^-Zn(OH)₂

B．充电时阳极反应为：Fe(OH)₃-3e^-+5OH^-FeO₄^2-+4H₂O

C．放电时每转移3mol电子，正极有1mol K₂FeO₄被氧化

D．放电时正极附近溶液的碱性增强

【答案】C

【考向三】新型电池，带交换膜的电池

在近几年高考中，涉及离子交换膜的应用及电解液介质对电极反应的影响的试题比较多，且常出常新，离子交换膜是一种含有离子基团的、对溶液中的离子具有选择透过能力的高分子膜，也称为离子选择透过性膜。

离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些离子来隔离某些物质，电解液介质主要对电极反应产物进行二次反应。

增分点1　电化学中的交换膜

1．交换膜的功能

       使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷 )。

2．交换膜在中学电化学中的作用

       (1)防止副反应的发生，避免影响所制取产品的质量；防止引发不安全因素。(如在电解饱和食盐水中，利用阳离子交换膜，防止阳极产生的_氯气进入阴极室与氢氧化钠反应，导致所制产品不纯；防止与阴极产生的氢气_混合发生爆炸)。

       (2)用于物质的制备、分离、提纯等。

3.离子交换膜的类型：

根据透过的微粒，离子交换膜可以分为多种，在高考试题中主要出现阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜三种。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，质子交换膜只允许质子(H⁺)通过。可见离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些离子来隔离某些物质。

【例3】　工业品氢氧化钾溶液中含有某些含氧酸根杂质，可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过)，其工作原理如图所示。下列说法中不正确的是(　C　)

A．阴极材料可以是Fe，含氧酸根杂质不参与电极反应

B．该电解槽的阳极反应式为：4OH^－－4e^－===2H₂O＋O₂↑

C．通电后，该电解槽阴极附近溶液的pH会逐渐减小

D．除去杂质后，氢氧化钾溶液从出口B导出来

【考向四】 电化学原理的综合应用

（高考导向）电化学原理的应用在高考中的考点主要有：原电池、电解池的工作原理；金属发生电化学腐蚀的原因；防止金属腐蚀的措施；预测金属的电化学腐蚀与防护知识和新能源、环境保护、工业生产、物质制备等热点问题相结合是今后高考命题的一个新变化。

命题点一：电化学计算(1)原则：电化学的反应是氧化还原反应，各电极上转移电子的物质的量相等，无论是单一电池还是串联电解池，均可抓住电子守恒计算。

关键：a.电极名称要区分清楚；b.电极产物要判断准确；c.各产物间量的关系遵循电子得失守恒。

(2)方法

注：在电化学计算中，还常利用Q＝I·t和Q＝n(e^－)×N_A×1.60×10^－19 C来计算电路中通过的电量。

[对点训练2]　如图所示，通电5 min后，电极5的质量增加2.16 g，请回答下列问题：

(1)a为电源的________(填“正”或“负”)极，C池是________池。A池阳极的电极反应为__________________，

C池阴极的电极反应为____________________________________。

(2)如果B槽中共收集到224 mL气体(标准状况)且溶液体积为200 mL(设电解过程中溶液体积不变)，则通电前溶液中Cu^2＋的物质的量浓度为________。

(3)如果A池溶液是200 mL足量的食盐水(电解过程溶液体积不变)，则通电5 min后，溶液的pH为________。

(4)若将CuSO₄溶液复原，需加________(填写一种物质)________g。

[答案]　(1)负　电解　2Cl^－－2e^－===Cl₂↑　Ag^＋＋e^－===Ag　

(2)0.025 mol·L^－1　(3)13　(4)Cu(OH)₂　0.49

命题点2　“多池”连接问题的分析

(1)直接判断

非常直观明显的装置，如燃料电池、铅蓄电池等在电路中，则其他装置为电解池。如下图：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原电池一般是两种不同的金属电极或一种金属电极一个碳棒；而电解池则一般都是两个惰性电极，如两个铂电极或两个碳棒。②原电池中的电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应，电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。如图：B为原电池，A为电解池。

(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判断电极，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，则可知乙是原电池，D是正极，C是负极；甲是电解池，A是阳极，B是阴极。B、D极发生还原反应，A、C极发生氧化反应。

注：在电化学计算中，还常利用Q＝I·t和Q＝n(e^－)×N_A×1.60×10^－19 C来计算电路中通过的电量。

11．(2018·枣庄模拟)(1)二氧化氯(ClO₂)为一种黄绿色气体，是国际上公认的高效、广谱、快速、安全的杀菌消毒剂。目前已开发出用电解法制取ClO₂的新工艺，原理如图所示。

①图中用石墨作电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取ClO₂。则阳极产生ClO₂的电极反应式为______________________________________________________。

②电解一段时间，当阴极产生的气体体积为112 mL(标准状况)时，停止电解。通过阳离子交换膜的阳离子的物质的量为________ mol；用平衡移动原理解释阴极区pH增大的原因：__________________________________________________。

(2)Na₂FeO₄是一种既能杀菌、消毒，又能絮凝净水的高效水处理剂，其电解制法如图所示。电解过程中，两极均有气体产生，Y极区域溶液逐渐变成紫红色；停止实验，铁电极明显变细，电解液仍澄清。查阅资料得知，高铁酸根离子(FeO)在溶液中呈紫红色。

①电解过程中，X极区溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。

②电解过程中，Y极发生的电极反应为Fe－6e^－＋8OH^－===FeO＋4H₂O和____________________________________________________________________。

③若在X极收集到672 mL气体，在Y极收集到168 mL气体(均已折算为标准状况时气体体积)，则Y电极(Fe电极)质量减少________g。

④在碱性锌电池中，用高铁酸钾作为正极材料，电池反应为2K₂FeO₄＋3Zn===Fe₂O₃＋ZnO＋2K₂ZnO₂。该电池正极发生的反应的电极反应式为______________________________________________________。

答案：(1)①Cl^－－5e^－＋2H₂O===ClO₂↑＋4H^＋

②0.01　在阴极发生2H^＋＋2e^－===H₂↑，H^＋浓度减小，使H₂OH^＋＋OH^－的平衡向右移动，OH^－浓度增大，pH增大　(2)①增大　②4OH^－－4e^－===2H₂O＋O₂↑　③0.28

④2FeO＋6e^－＋5H₂O===Fe₂O₃＋10OH^－

命题点2　“多池”连接问题的分析

(1)直接判断

非常直观明显的装置，如燃料电池、铅蓄电池等在电路中，则其他装置为电解池。如下图：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原电池一般是两种不同的金属电极或一种金属电极一个碳棒；而电解池则一般都是两个惰性电极，如两个铂电极或两个碳棒。②原电池中的电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应，电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。如图：B为原电池，A为电解池。

(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判断电极，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，则可知乙是原电池，D是正极，C是负极；甲是电解池，A是阳极，B是阴极。B、D极发生还原反应，A、C极发生氧化反应。

[对点训练1]　如图所示，通电5 min后，电极5的质量增加2.16 g，请回答下列问题：

(1)a为电源的________(填“正”或“负”)极，C池是________池。A池阳极的电极反应为__________________，

C池阴极的电极反应为____________________________________。

(2)如果B槽中共收集到224 mL气体(标准状况)且溶液体积为200 mL(设电解过程中溶液体积不变)，则通电前溶液中Cu^2＋的物质的量浓度为________。

(3)如果A池溶液是200 mL足量的食盐水(电解过程溶液体积不变)，则通电5 min后，溶液的pH为________。

(4)若将CuSO₄溶液复原，需加________(填写一种物质)________g。

 [答案]　(1)负　电解　2Cl^－－2e^－===Cl₂↑　Ag^＋＋e^－===Ag　

(2)0.025 mol·L^－1　(3)13　(4)Cu(OH)₂　0.49

电解一定量NaCl或CuSO₄溶液时，注意电解的程度，当溶液中的Cl^－或Cu^2＋放电完全后，再电解时相当于电解H₂O，故判断复原物质要注意前期与后期减少的物质，确定加什么物质复原。

10．电解法处理氮氧化物废气有较高的环境效益和经济效益(图中电极均为石墨)。

(1)电解NO制备NH₄NO₃原理如图1所示。

①阳极为________(填“X”或“Y”)，Y的电极反应式为

____________________________________________________________________。

②为使电解产物完全转化为NH₄NO₃，需要补充的物质A的化学式为__________。

(2)用图2装置进行模拟电解NO₂气体实验，可回收硝酸。

①电解时NO₂发生反应的电极反应式为_________________________________。

②若有标准状况下2.24 L NO₂被吸收，通过阳离子交换膜(只允许阳离子通过)的H^＋为________ mol。

答案：(1)①Y　NO－3e^－＋2H₂O===NO＋4H^＋　②NH₃

(2)①NO₂＋H₂O－e^－===NO＋2H^＋　②0.1

12．对工业废水和生活污水进行处理是防止水体污染、改善水质的主要措施。

(1)含氰废水中的CN^－有剧毒。

①CN^－中C元素显＋2价，N元素显________价。

②在微生物的作用下，CN^－能够被氧气氧化成HCO，同时生成NH₃，该反应的离子方程式为________________________________________________________

 (2)含乙酸钠和对氯酚()的废水可以利用微生物电池除去，其原理如图所示。

①B是电池的________(填“正”或“负”)极。

②A极的电极反应式为_________________________________________________。

(3)电渗析法处理厨房垃圾发酵液，同时得到乳酸的原理如图所示(图中“HA”表示乳酸分子，A^－表示乳酸根离子)。

①阳极的电极反应式为______________________________________________。

②简述浓缩室中得到浓乳酸的原理：____________________________________

③电解过程中，采取一定的措施可控制阳极室的pH约为6～8，此时进入浓缩室的OH^－可忽略不计。400 mL 10 g·L^－1乳酸溶液通电一段时间后，浓度上升为145 g·L^－1(溶液体积变化忽略不计)，阴极上产生的H₂在标准状况下的体积约为________L。(乳酸的摩尔质量为90 g·mol^－1)

答案：(1)①－3

②2CN^－＋4H₂O＋O₂2HCO＋2NH₃

(2)①负

②

(3)①4OH^－－4e^－===2H₂O＋O₂↑

②阳极OH^－放电，c(H^＋)增大，H^＋从阳极通过阳离子交换膜进入浓缩室；A^－通过阴离子交换膜从阴极进入浓缩室，H^＋＋A^－===HA，乳酸浓度增大　③6.72

5．(2017·东北四市联合体模拟)我国对可呼吸的钠­二氧化碳电池的研究取得突破性进展，该电池的总反应式为：4Na＋3CO₂放电充电2Na₂CO₃＋C，其工作原理如图所示(放电时产生的碳酸钠固体储存于碳纳米管中)。关于该电池，下列说法错误的是(　　)

A．充电时，Na^＋从阳极向阴极移动

B．可以用乙醇代替TEGDME做有机溶剂

C．放电时，当转移1 mol电子时负极质量减轻23 g

D．放电时，正极反应式为3CO₂＋4Na^＋＋4e^－===2Na₂CO₃＋C

解析：充电时该装置为电解池，根据电解池中阳离子向阴极移动，则Na^＋从阳极向阴极移动，A项正确；金属钠能与乙醇发生反应生成H₂，故不能用乙醇代替TEGDME做有机溶剂，B项错误；根据电池的总反应式可知，放电时负极发生反应：Na－e^－===Na^＋，当转移1 mol电子时，负极质量减轻23 g，C项正确；放电时，正极上CO₂发生还原反应，电极反应式为：3CO₂＋4Na^＋＋4e^－===2Na₂CO₃＋C，D项正确。

答案：B

11．(2017·昆明模拟)厨房垃圾发酵液通过电渗析法处理，同时得到乳酸的原理如图所示(图中HA表示乳酸分子，A^－表示乳酸根离子)。下列说法正确的是(　　)

A．通电后，阳极附近pH增大

B．电子从负极经电解质溶液回到正极

C．通电后，A^－通过阴离子交换膜从阴极进入浓缩室

D．当电路中通过2 mol电子的电量时，会有1 mol O₂生成

解析：由题图可知，阳极上氢氧根离子放电，所以通电后，阳极附近pH减小，A项错误；电子不进入电解质溶液，电解质溶液导电是通过带电离子的定向移动，B项错误；电解池中，阴离子向阳极移动，故通电后，A^－通过阴离子交换膜从阴极进入浓缩室，C项正确；根据阳极的电极反应式：2H₂O－4e^－===O₂↑＋

4H^＋，当电路中通过2 mol电子的电量时，会有0.5 mol O₂生成，D项错误。

答案：C

6．电解法处理氮氧化物废气有较高的环境效益和经济效益(图中电极均为石墨)。

(1)电解NO制备NH₄NO₃原理如图1所示。

①阳极为________(填“X”或“Y”)，Y的电极反应式为__________________

②为使电解产物完全转化为NH₄NO₃，需要补充的物质A的化学式__________

(2)用图2装置进行模拟电解NO₂气体实验，可回收硝酸。

①电解时NO₂发生反应的电极反应式_________________________________。

②若有标准状况下2.24 L NO₂被吸收，通过阳离子交换膜(只允许阳离子通过)的H^＋为________ mol