高考化学总复习课堂练习 新型化学电源及电解原理的应用.docx

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高考化学总复习课堂练习新型化学电源及电解原理的应用

　　新型化学电源及电解原理的应用

电化学基础是高中化学的重要内容，也是多年来高考命题的重点和热点，在选择题和简答题中几乎年年都有考查。

主要命题方向一是新型化学电源的分析与判断，二是电解原理在现代工业和科学技术中的应用，该题型都是以实际的工业生产和新的科技成就为命题背景，角度灵活；能力方面主要考查的是学生获取运用信息、分析和解决问题的能力，知识方面主要考查的是电极的判断、电极反应方程式的书写、离子的定向移动、介质pH的变化以及有关计算等，同时也能培养学生的宏观辨识和微观探究、模型认知和创新意识方面的学科素养。

其解题的关键是构建并熟练掌握原电池和电解池工作原理的模型，准确获取并运用题目信息，根据电极材料活泼性、电极名称、电极反应类型、电极反应现象、电子流动方向、介质中离子移动方向等方面的关联性进行互判，应用工作原理模型并结合介质环境进行分析判断，但解决问题的核心还是电极反应式的书写，同时还要注意电池中隔膜的类型及其作用。

1．电极反应式的书写思路

2．电极反应式的书写步骤

步骤一：

根据原电池或电解池的总反应式，标出电子转移的方向和数目（ne－）。

步骤二：

找出正、负极或阴、阳极（失电子的电极为负极或阳极）；确定溶液的酸碱性。

步骤三：

写电极反应式。

负极（或阳极）反应：

还原剂－ne－===氧化产物

正极（或阴极）反应：

氧化剂＋ne－===还原产物

若某电极反应式较难写时，可先写出较易的电极反应式，在保证电子转移数目相同的情况下，用总反应式减去较易的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。

如：

CH3OCH3（二甲醚）酸性燃料电池中：

总反应式：

CH3OCH3＋3O2===2CO2＋3H2O

正极：

3O2＋12H＋＋12e－===6H2O

负极：

CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋

3．常见的隔膜及作用

（1）隔膜类型

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能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。

Ⅰ.新型化学电源

1．（2018·全国卷Ⅲ，11）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Li2O2－x（x＝0或1）。

下列说法正确的是（　　）

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Li2O2－x===2Li＋

O2

D　[由题意知，放电时负极反应为Li－e－===Li＋，正极反应为（2－x）O2＋4Li＋＋4e－===2Li2O2－x（x＝0或1），电池总反应为

O2＋2Li===Li2O2－x。

D对：

充电时的电池总反应与放电时的电池总反应互为逆反应，故充电时电池总反应为Li2O2－x===2Li＋

O2。

A错：

该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极。

B错：

该电池放电时，外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极。

C错：

该电池放电时，电解质溶液中的Li＋向多孔碳材料区迁移，充电时电解质溶液中的Li＋向锂材料区迁移。

]

2．（2018·天津卷，10（3））CO2是一种廉价的碳资源，其综合利用具有重要意义。

O2辅助的Al－CO2电池工作原理如图所示。

该电池电容量大，能有效利用CO2，电池反应产物Al2（C2O4）3是重要的化工原料。

电池的负极反应式：

________________。

电池的正极反应式：

6O2＋6e－===6O

，6CO2＋6O

===3C2O

＋6O2

反应过程中O2的作用是__________。

该电池的总反应式：

________________________________________________________________________。

解析　该原电池中Al作负极，失电子生成铝离子，电极反应式为Al－3e－＝Al3＋；在正极的反应式中，O2在第一个反应中作反应物，在第二个反应中作生成物，所以氧气在反应中作催化剂；在得失电子相同条件下，正负极电极反应式相加即得电池反应式，电池反应式为2Al＋6CO2===Al2（C2O4）3。

答案　Al－3e－===Al3＋　催化剂　2Al＋6CO2===Al2（C2O4）3

Ⅱ.电解原理的应用

3．（2018·全国卷Ⅰ，13）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。

示意图如下所示，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：

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

C　[由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴极。

C错：

阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高。

A对：

由题图可知，电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O。

B对：

将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S。

D对：

Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中。

]

4．（2018·全国卷Ⅰ，27（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

5．（2018·全国卷Ⅲ，27（3））KIO3是一种重要的无机化合物，可作为食盐中的补碘剂。

KIO3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）电解液是KOH溶液，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。

（2）电解过程中阳极反应为I－＋6OH－－6e－===IO

＋3H2O。

阳极的K＋通过阳离子交换膜由电极a迁移到电极b。

（3）“KClO3氧化法”的主要不足之处是产生Cl2，易污染环境。

答案　

（1）2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑　

（2）K＋　由a到b　（3）产生Cl2易污染环境等

题组一　新型化学电源

Ⅰ.新型一次电池

1．（2019·陕西榆林一模）热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。

一种热激活电池的基本结构如图所示，其中作为电解质的无水LiCl－KCl混合物受热熔融后，电池即可瞬间输出电能。

该电池总反应为PbSO4＋2LiCl＋Ca===CaCl2＋Li2SO4＋Pb。

下列有关说法正确的是（　　）

A．钙电极为正极

B．放电过程中，Li＋向负极移动

C．每转移0.2mol电子，理论上生成20.7gPb

D．电池工作一段时间后，正极质量增加

C　[由电池总反应可知，Ca发生失电子的氧化反应生成CaCl2，则钙电极是负极，A错误；放电过程中，阳离子向正极移动，则Li＋向硫酸铅电极移动，B错误；正极上PbSO4得电子被还原生成Pb，则转移0.2mol电子时生成0.1molPb，其质量为20.7g，C正确；PbSO4是正极，电池工作时，PbSO4被还原生成Pb，正极质量减小，D错误。

]

Ⅱ.可充二次电池

2．（2019·福建泉州质检）锂—空气电池是一种新型的二次电池，其放电时的工作原理如图所示。

下列说法正确的是（　　）

A．电解质溶液中，Li＋由多孔电极迁移向锂电极

B．该电池放电时，负极发生了还原反应

C．充电时，电池正极的反应式为Li2O2－2e－===2Li＋＋O2↑

D．电池中的电解质溶液可以是有机溶剂或稀盐酸等

C　[由图可知，金属锂作负极，多孔电极作正极，阳离子向正极移动，则Li＋由锂电极迁移向多孔电极，A错误；放电时，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，B错误；充电时，电池的正极与电源的正极相连，作电解池的阳极，电极反应式为Li2O2－2e－===2Li＋＋O2↑，C正确；由于锂是活泼金属，可与稀盐酸反应生成LiCl和H2，故电解质溶液不能用稀盐酸，D错误。

]

3．（2019·山东枣庄一模）可充电氟镁动力电池比锂电池具有更高的能量密度和安全性，在充电和放电时，其电池反应为Mg＋2MnF3

2MnF2＋MgF2。

下列说法不正确的是（　　）

A．放电时，镁为负极材料

B．放电时，电子从镁极流出，经电解质溶液流向正极

C．充电时，阳极的电极反应式为MnF2＋F－－e－===MnF3

D．充电时，外加直流电源的负极应与原电池的Mg极相连

B　[放电时，Mg被氧化生成MgF2，则镁为负极材料，A正确；放电时，电子从负极流出经导线流向正极，电子不进入电解质溶液，B错误；充电时，MnF2在阳极上发生氧化反应生成MnF3，电极反应式为MnF2＋F－－e－===MnF3，C正确；充电时，外加直流电源的负极要与原电池的负极相连，即与镁极相连，D正确。

]

可充电电池充放电时关系

Ⅲ.环保高效燃料电池

4．（2019·安徽黄山一模）一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图所示。

下列有关该电池的说法正确的是（　　）

A．反应CH4＋H2O（g）

3H2＋CO，每消耗1molCH4转移8mol电子

B．电极A上发生的电极反应为H2＋CO

－2e－===CO2＋H2O

C．电池工作时，CO

向电极A移动

D．用电器上每通过4mol电子，电极B上参加反应的O2为22.4L

C　[在CH4和H2O的反应中，C元素的化合价由－4价升高到＋2价，H元素的化合价由＋1价降低到0价，则每消耗1molCH4转移6mol电子，A错误；由图可知，电极A上CO＋H2发生氧化反应生成CO2＋H2O，则电极A为负极，电极反应式为H2＋CO＋2CO

－4e－===3CO2＋H2O，B错误；电池工作时，阴离子向负极移动，则CO

向电极A移动，C正确；电极B的反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO

，则用电器上每通过4mol电子时，电极B上参与反应的O2为1mol，在标准状况下的体积为22.4L，题目未指明是否处于标准状况下，D错误。

]

5．（2019·贵州贵阳检测）一种以液态肼（N2H4）为燃料的电池装置如图所示，该电池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH溶液作为电解质溶液。

下列关于该电池的叙述正确的是（　　）

A．b电极是负极

B．a电极的电极反应式：

N2H4＋4OH－＋4e－===N2↑＋4H2O

C．放电时，电子从a电极经过负载流向b电极

D．电池工作时，K＋从正极移向负极

C　[由图可知，N2H4在a电极上发生氧化反应生成N2，则a电极是负极，b电极是正极，A错误；N2H4在a电极上发生失去电子的氧化反应生成N2，则电极反应式为N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O，B错误；放电时，电子由负极经导线流向正极，即电子从a电极经过负载流向b电极，C正确；电池工作时电解质溶液中的阳离子向正极移动，则K＋从负极移向正极，D错误。

]

（1）分析模板

（2）电极反应式书写模板

以甲烷燃料电池在四种常见介质中的电极反应为例：

①酸性条件

总反应式：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O；

正极反应式：

2O2＋8H＋＋8e－===4H2O；

负极反应式：

CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋。

②碱性条件

总反应式：

CH4＋2O2＋2OH－===CO

＋3H2O；

正极反应式：

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－；

负极反应式：

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O。

③固体电解质（高温下能传导O2－）

总反应式：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O；

正极反应式：

2O2＋8e－===4O2－；

负极反应式：

CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O。

④熔融碳酸盐（如熔融K2CO3）环境下

总反应式：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O；

正极反应式：

2O2＋4CO2＋8e－===4CO

；

负极反应式：

CH4＋4CO

－8e－===5CO2＋2H2O。

题组二　电解原理的拓展应用

6．（物质制备）（2019·安徽巢湖模拟）下图为EFC剑桥法用固体二氧化钛（TiO2）生产海绵钛的装置示意图，其原理是在较低的阴极电位下，TiO2（阴极）中的氧解离进入熔融盐，阴极最后只剩下纯钛。

下列说法中正确的是（　　）

A．阳极的电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑

B．阴极的电极反应式为TiO2＋4e－===Ti＋2O2－

C．通电后，O2－、Cl－均向阴极移动

D．石墨电极的质量不发生变化

B　[电解质中的阴离子O2－、Cl－向阳极移动，由图示可知阳极生成O2、CO、CO2，所以电极反应为2O2－－4e－===O2↑，O2与石墨反应生成CO、CO2，A、C、D项错误，只有B项正确。

]

7．（物质提纯）用电解法可提纯含有某种钾的含氧酸盐杂质（如硫酸钾、碳酸钾等）的粗KOH溶液，其工作原理如图所示。

下列说法正确的是（　　）

A．电极f为阳极，电极e上H＋发生还原反应

B．电极e的电极反应式为4OH－－4e－＝2H2O＋O2↑

C．d处流进粗KOH溶液，g处流出纯KOH溶液

D．b处每产生11.2L气体，必有1molK＋穿过阳离子交换膜

B　[根据图示，K＋移向电极f，所以f是阴极，e是阳极，阳极OH－发生氧化反应生成氧气，A错误；e是阳极，阳极OH－发生氧化反应生成氧气，电极e的电极反应式为4OH－－4e－＝2H2O＋O2↑，B正确；c处流进粗KOH溶液，h处流出纯KOH溶液，C错误；f是阴极，H＋发生还原反应生成氢气，非标准状况下11.2L氢气的物质的量不一定是0.5mol，D错误。

]

8．（环境治理）（2019·豫北九校测评）用下图所示装置除去含CN－、Cl－废水中的CN－时，控制溶液pH为9～10，CN－与阳极产生的ClO－反应生成无污染的气体，下列说法不正确的是（　　）

A．用石墨作阳极，铁作阴极

B．阳极的电极反应式为Cl－＋2OH－－2e－===ClO－＋H2O

C．阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

D．除去CN－的反应：

2CN－＋5ClO－＋2H＋===N2↑＋2CO2↑＋5Cl－＋H2O

D　[阳极产生ClO－，发生的反应为Cl－＋2OH－－2e－===ClO－＋H2O，所以阳极一定是石墨电极而不是铁电极，A、B两项正确；阴极是H＋得电子产生H2，C项正确；溶液的pH为9～10，显碱性，因而除去CN－的反应为2CN－＋5ClO－＋2OH－===N2↑＋2CO

＋5Cl－＋H2O，D项错误。

]

9．（金属表面的处理）（2019·河北石家庄一模）工业上通过电化学原理在铝表面形成氧化膜来提高其抗腐蚀能力，工作原理如图所示。

下列说法不正确的是（　　）

A．碳棒可用铜棒代替，其作用是传递电流

B．通电一段时间后，溶液的pH减小

C．通电后电子被强制从碳棒流向铝片使铝表面形成氧化膜

D．可通过调节滑动变阻器来控制氧化膜的形成速度

C　[A.根据电解原理，碳棒为阴极，铜棒能够代替碳棒，作用是传递电流，正确；B.阳极反应式为2Al－6e－＋3H2O＝Al2O3＋6H＋，阴极反应式为2H＋＋2e－＝H2↑，总电解反应式为2Al＋3H2O

Al2O3＋3H2↑，硫酸浓度增大，c（H＋）增大，即pH减小，正确；C.电子移动方向是从电源的负极→碳棒，铝片→电源的正极，电解质溶液中没有电子通过，错误；D.滑动变阻器调节电路中电流的强度，即可以控制氧化膜的形成速度，正确。

]

课时作业（二十五）　新型化学电源及电解原理的应用

1．（2019·安徽宿州质检）太阳能光电池具有可靠稳定、寿命长、安装维护简便等优点，现已得到广泛应用。

氮化镓（GaN）光电池的结构如图所示。

下列说法中正确的是（　　）

A．该装置系统中只存在光能与电能之间的转化

B．Cu电极上的电极反应式为CO2＋8H＋－8e－===CH4＋2H2O

C．工作时，产生的O2、CH4体积比为1∶1（同温同压）

D．离子交换膜为质子交换膜，H＋从左池移向右池

D　[由图可知，该装置系统中存在太阳能与化学能、化学能与电能及化学能与热能等的转化，A错误；CO2在Cu电极上发生还原反应生成CH4，则电极反应式为CO2＋8H＋＋8e－===CH4＋2H2O，B错误；H2O在GaN电极上发生氧化反应生成O2，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，根据得失电子守恒可知，产生O2和CH4的物质的量之比为2∶1，在同温同压下的体积比为2∶1，C错误；由上述分析知左池产生H＋，右池消耗H＋，则离子交换膜为质子变换膜，H＋向正极移动，即H＋由左池向右池，D正确。

]

2．（2019·山西实验中学模拟）电化学气敏传感器可用于监测环境中NH3的含量，其工作原理如图所示，其中NH3被氧化为常见无毒物质。

下列说法错误的是（　　）

A．溶液中OH－向电极a移动

B．电极b上发生还原反应

C．负极的电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O

D．理论上反应消耗的NH3与O2的物质的量之比为3∶4

D　[NH3在电极a上发生氧化反应，则a为负极，b为正极，溶液中OH－向电极a（负极）移动，A正确；O2在b极上发生还原反应，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B正确；NH3在负极上被氧化生成N2，电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O，C正确；反应中NH3被氧化生成N2，而O2被还原生成OH－，根据得失电子守恒可知，理论上反应消耗的NH3与O2的物质的量之比n（NH3）∶n（O2）＝4∶3，D错误。

]

3．（2019·湖南湘东五校联考）高铁电池具有比能量高、无污染的特点，用如图模拟其工作原理（放电时两电极均有稳定的金属氢氧化物生成）。

下列有关说法中正确的是（　　）

A．放电时，电子由正极通过外电路流向负极

B．放电时，负极上的电极反应式为Zn＋2H2O－2e－===Zn（OH）2＋2H＋

C．充电时，阴极区溶液的pH减小

D．充电时，阳极上的电极反应式为Fe（OH）3＋5OH－－3e－===FeO

＋4H2O

D　[放电时，电子由负极经外电路流向正极，A错误；负极的电解质溶液呈碱性，放电时，Zn在负极上发生氧化反应生成Zn（OH）2，电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2，B错误；充电时，阴极上发生还原反应，电极反应式为Zn（OH）2＋2e－===Zn＋2OH－，由于生成了OH－，阴极区溶液的pH增大，C错误；充电时，Fe（OH）3在阳极上发生氧化反应生成FeO

，电极反应式为Fe（OH）3＋5OH－－3e－===FeO

＋4H2O，D正确。

]

4．（2019·山西大同联考）某污水处理厂利用微生物电池将镀铬废水中的Cr2O

催化还原，其工作原理如图所示。

下列说法不正确的是（　　）

A．电池工作过程中电子由a极流向b极

B．b极反应式为Cr2O

＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O

C．电池工作过程中，a极区附近溶液的pH增大

D．每处理1molCr2O

，可生成33.6L（标准状况下）CO2

答案　C

5．（2019·福建南平质检）有人设想以N2和H2为反应物，以溶有X的稀盐酸为电解质溶液，制造出新型燃料电池，装置如图所示。

下列说法正确的是（　　）

A．放电时H＋向左移动，生成的物质X是NH4Cl

B．通入H2的一极为正极

C．通入N2的电极反应为：

N2＋6H＋－6e－===2NH3

D．放电过程右边区域溶液pH逐渐增大

A　[以N2、H2为原料，以溶有X的稀盐酸为电解质溶液构成新型燃料电池，正极发生还原反应，即氮气被还原生成NH

，电极反应式为N2＋6e－＋8H＋===2NH

；负极是氢气失电子生成氢离子，电极方程式为H2－2e－===2H＋，总反应为：

N2＋3H2＋2HCl===2NH4Cl。

A.放电时H＋向正极移动，即向左移动，生成的物质X是NH4Cl，正确；B.通入H2的一极为负极，错误；C.通入N2的电极为正极，发生还原反应，N2＋6e－＋8H＋===2NH

，错误；D.放电过程右边区域为负极区，H2－2e－===2H＋，溶液pH逐渐减小，错误。

]

6．（2019·浙江宁波调研）液氨－液氧燃料电池曾用于驱动潜艇，其示意图如图所示，下列有关说法不正确的是（　　）

A．电极2是正极，发生还原反应

B．电池工作时，Na＋向电极1移动

C．电流由电极2经外电路流向电极1

D．电极1发生的电极反应为：

2NH3＋6OH－－6e－===N2↑＋6H2O

B　[A.根据装置图所示的物质关系分析可得，由NH3生成N2时化合价升高，失去电子，所以电极1为负极，发生氧化反应，电极2为正极，发生还原反应，所以A正确；B.在电池内部的电解质溶液中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，所以Na＋应向电极2移动，故B错误；C.电流是由正极流向负极，故C正确；D.OH－向负极移动，所以电极1（负极）的反应式为2NH3＋6OH－－6e－===N2↑＋6H2O，故D正确。

]

7．（2019·安徽合肥质检）利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。

可用电解LiCl溶液制备LiOH，装置如图所示。

下列说法正确的是（　　）

A．电极B连接电源的正极

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1molH2，有1molLi＋通过离子交换膜

B　[由图可知，电极B上产生H2，则发生的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故电极B为阴极，与电源的负极相连，A错误；A极区电解液为LiCl溶液，Li＋透过阳离子交换膜进入B极区生成LiOH，则B极区为LiOH溶液，B正确；电极A为阳极，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，C错误；由A项分析可知，生成1molH2同时生成2mo