2021届高考化学大一轮核心突破：电化学原理与应用【核心透析、核心训练】

---电化学原理与应用 【核心透析】 核心一　原电池原理及应用 构建原电池模型,类比原电池工作原理 【命题点】 1.原电池的构成条件: (1)一看反应:看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼 性强的金属与电解质溶液反应)。 (2)二看两电极:一般是活泼性不同的两电极。 (3)三看是否形成闭合回路,形成闭合回路需三个条件:①电解质溶液; ②两电极直接或间接接触;③两电极插入电解质溶液中。 2.判断原电池正、负极的 5 种方法:【答题技法】 1.燃料电池在不同介质中的正极反应式: 2.电极反应式的书写方法: (1)拆分法:①写出原电池的总反应,如 2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+。②把 总反应按氧化反应和还原反应拆分为 两个半反应,并注明正、负极,并依据质量守恒、电荷 守恒及得失电子守恒配平两个半反应,正极:2Fe3++2e-====2Fe2+　 负极:Cu-2e-====Cu2+。 (2) 加减法:①写出总反应,如 Li+LiMn2O4==== Li2Mn2O4。②写出其 中容易写出的一个半反应(正极或负极),如 Li-e-====Li+(负极)。③ 利用总反应与上述的一极反应相减,即得另一个电极的反应式,即 LiMn2O4+Li++e-====Li2Mn2O4(正极)。 3.充电电池的解题技巧:(以 xMg+Mo3S4 MgxMo3S4 为例) 核心二　电解池原理及应用 构建电解池模型,类比分析电解基本原理 【答题技法】 1.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 O 2(或极区变酸性)或Cl2;b.阴极:析出金属、逸出 H2(或极区变碱性)。 2.“串联”类电池的解题流程: 3.电化学综合计算的三种常用方法: (1)根据总反应式计算 先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列出比例式 计算。 (2)根据电子守恒计算 ①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的 计算,其依据是电路中转移的电子数相等。 ②用于混合溶液中电解的分阶段计算 (3)根据关系式计算 根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算 所需的关系式。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) 该关系式具有总览电化学计算的作用和价值,熟记电极反应式,灵活 运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。 【方法规律】串联装置图比较 图甲中无外接电源,二者必有一个装置是原电池(相当于发电装置), 为电解池装置提供电能,其中两个电极活动性差异大者为原电池装置, 即左图为原电池装置,右图为电解池装置。图乙中有外接电源,两烧杯 均作电解池,且串联电解,通过的电流相等。【核心训练】 1.甲醇燃料电池体积小巧、洁净环保、理论比能量高,已在便携式通 讯设备、汽车等领域应用。某甲醇燃料电池的总反应式为 2CH4O+3O2 2CO2+4H2O,如图是该燃料电池的示意图。下列说法错误的是(　　) A.a 是甲醇,b 是氧气 B.燃料电池将化学能转化为电能 C.质子从 M 电极区穿过交换膜移向 N 电极区 D.负极反应:CH4O-6e-+H2O CO2↑+6H+ 【解析】选 A。由质子交换膜知,电解质溶液呈酸性,N 极上生成水, 则 a 为氧气, N 为正极,M 为负极,负极反应式为 CH4O-6e-+H2O CO2↑+6H+,正极反 应式为 O2+ 4H++4e- 2H2O,b 是甲醇、c 是二氧化碳,质子从 M 电极区通过质子交 换膜移向 N 电极区,通过以上分析知,A 错误,B、C、D 正确。 2.烧杯 A 中盛放 0.1 mol·L-1 的 H2SO4 溶液,烧杯 B 中盛放 0.1 mol·L-1 的 CuCl2 溶液(两种溶液均足量),装置如图所示,下列说法 不正确的是 (　　)A.A 中 Fe 极质量减少,C 极有气体产生 B.A 为电解池,B 为原电池 C.当 A 烧杯中产生 0.1 mol 气体时,B 烧杯中产生气体的物质的量也 为 0.1 mol D.经过一段时间,B 烧杯中溶液的 pH 增大(不考虑 Cl2 溶于水) 【解析】选 B。构成 A 装置的有活动性不同的两电极、电解质溶液, 且两极形成了闭合的回路,所以 A 为原电池装置,且 A 为 B 的电解提 供电能,B 为电解池。电极反应式分别为(烧杯 A 中)C 正极:2H++2e- H2↑,Fe 负极:Fe-2e- Fe2+。(烧杯 B 中)阴极:Cu2++2e- Cu,阳 极:2Cl--2e- Cl2↑。烧杯 B 中电解氯化铜,铜离子浓度减小,水解程 度减小,pH 增大(不考虑 Cl2 溶于水)。 3.用单质铁去除酸性水体中 N 的原理如图所示,下列说法错误的是 (　　) A.能量转化形式主要为化学能转化为电能 B.电极材料分别为 Fe 和 Fe3O4C.负极反应为 N +8e-+10H+ N +3H2O D.该原理的总反应可表示为 N +3Fe+2H++H2O N +Fe3O4 【解析】选 C。此为原电池,其能量转化形式主要为化学能转化为电 能,故 A 正确;由图示可知负极为 Fe,正极材料为 Fe3O4,故 B 正确;负 极发生失电子的氧化反应,故 C 错误;该原电池的总反应可表示为 N +3Fe+2H++H2O N +Fe3O4,故 D 正确。 4.环境监察局常用“定电位”NOx 传感器来监测化工厂的氮氧化物气 体是否达到排放标准,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是 (　　) A.“对电极”是负极 B.“工作电极”上发生的电极反应为 NO2+2e-+2H+ NO+H2O C.传感器工作时 H+由工作电极移向对电极 D.对电极的材料可能为活泼金属锌 【解析】选 C。“工作电极”通入 NO2 生成 NO,说明被还原,为原电池 正极,则“对电极”是负极,原电池工作时,阳离子向正极移动,阴离子 向负极移动。A 项,根据以上分析,“对电极”是负极,故 A 正确;B 项, “工作电极”上通入 NO2 生成 NO,为原电池的正极,发生的电极反应 为 NO2+2e-+2H+ NO+H2O,故 B 正确;C 项,原电池工作时,阳离子移向正极,传感器工作时 H+由“对电极”移向“工作电极”,故 C 错误;D 项,“对电极”是负极,“对电极”的材料可能为活泼金属锌,故 D 正 确。 5.为了强化安全管理,某油库引进一台测空气中汽油含量的测量仪, 其工作原理如图所示(用强酸性溶液作电解质溶液)。下列说法不正确 的是 (　　) A.石墨电极作正极,发生还原反应 B.铂电极的电极反应式:C8H18+16H2O-50e- 8CO2↑+50H+ C.H+由质子交换膜左侧向右侧迁移 D.每消耗 5.6 L O2,电路中通过 1 mol 电子 【解析】选 D。由图象知,石墨电极通入 O2,发生还原反应 O2+4e-+4H+ 2H2O,A 项正确。铂电极上发生氧化反应,电极反应式为 C8H18+16H2O-50e- 8CO2↑+50H+,B 项正确。在原电池中,阳离子向正 极迁移,阴离子向负极迁移,C 项正确。由于没有指明反应温度和压强, 不能通过体积计算 O2 的物质的量,也就无法确定转移电子的物质的 量,D 项不正确。 6.美国 G-TEC 燃料电池以利用民用燃气为原料气,其结构如图,有关 该电池的说法不正确的是 (　　)A.电池工作时,电流由负荷的 a 流向 b B.电池工作一段时间后,电解质物质的量理论上保持不变 C.通入空气的一极其电极反应式是 O2+2H2O+4e- 4OH- D.外电路中每通过 0.2 mol 电子,所消耗的燃料体积不小于 2.24 L(标 准状况下) 【解析】选 C。外电路中电流由电池的正极流向负极,A 项正确;电解 质仅为传导作用,没有变化,B 项正确;通入空气的一极是 O2 得到电子 生成 O2-,电极反应式为 O2+4e- 2O2-,C 项错误;因 2H2+O2 2H2O,2CO+O2 2CO2,故外电路中每通过 0.2 mol 电子时,需消耗的氢气或一氧化碳均为 2.24 L,D 项正确。 7.利用反应 6NO2+8NH3 7N2+12H2O 设计的电池装置如图所示,该装 置既能有效消除氮氧化物的排放,减轻环境污染,又能充分利用化学 能。下列说法不正确的是 (　　) A.电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极 B.电极 A 上发生氧化反应,电极 B 为正极 C.电极 A 的电极反应式为 2NH3-6e- N2+6H+D.当有 2.24 L(标准状况)NO2 被处理时,转移电子 0.4 mol 【解析】选 C。由已知反应可知,反应中 NO2 为氧化剂,NH3 为还原剂, 则电极 A 为负极,发生氧化反应,电极 B 为正极,发生还原反应,电流 由正极经导线流向负极,A、B 项正确;电解质溶液呈碱性,则电极 A 的 电极反应式为 2NH3-6e-+6OH- N2+6H2O,C 项错误;当有标准状况下 2.24 L(0.1 mol)NO2 被处理时,转移电子为 0.4 mol,D 项正确。 Mg-AgCl 电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错 误的是 (　　) A.负极反应式为 Mg-2e-====Mg2+ B.正极反应式为 Ag++e-====Ag C.电池放电时 Cl-由正极向负极迁移 D.负极会发生副反应 Mg+2H2O====Mg(OH)2+H2↑ 【解析】选 B。根据题意,电池总反应式为 Mg+2AgCl ====MgCl2+2Ag, 负极反应式为 Mg-2e-====Mg2+,正极反应式为 2AgCl+2e -====2Cl-+ 2Ag,A 项正确,B 项错误;对原电池来说,在电解质溶液的内部,阴离子 由正极移向负极,C 项正确;由于镁是活泼金属,则负极会发生副反应 Mg+2H2O====Mg(OH)2+H2↑,D 项正确。 8.Zn-ZnSO4-PbSO4-Pb 电池装置如图,下列说法错误的是 (　　) A.SO42-从右向左迁移 B.电池的正极反应为 Pb2++2e-====Pb C.左边 ZnSO4 浓度增大,右边 ZnSO4 浓度不变D.若有 6.5 g 锌溶解,有 0.1 mol SO42- 通过离子交换膜 【解析】选 B。锌是负极,SO42-从右向左迁移,A 正确;电池的正极反应 为 PbSO4+2e-====Pb+SO42-,B 错 误 ; 左 边 锌 失 去 电 子 转 化 为 ZnSO4,ZnSO4 浓度增大,右边 ZnSO4 浓度不变,C 正确;若有 6.5 g 锌即 0.1 mol 锌溶解,根据电荷守恒可知有 0.1 mol SO42-通过离子交换 膜,D 正确。 9.一种可充电锂-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+(1- )O2 【解析】选 D。结合题中所给信息及装置图,可知放电时 Li 作负极, 负 极 反 应 为 2Li-2e-====2Li+, 多 孔 碳 材 料 作 正 极 , 正 极 反 应 为 (1- )O2+2Li++2e-====Li2O2-x,故 A 错误;B 项电子从 Li 电极流向多 孔碳材料,故 B 错误;C 项充电时多孔碳材料作阳极,Li +应移向锂电 x 2 x 2极,故 C 错误; D 项结合放电时的正负极反应式可知正确。 10.微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装 置。某微生物燃料电池的工作原理如图所示,下列说法正确的是 (　　) A.电子从 b 流出,经外电路流向 a B.HS-在硫氧化菌作用下转化为 SO42-的反应是 HS-+4H2O-8e-====SO42- +9H+ C.如果将反应物直接燃烧,能量的利用率不会变化 D.若该电池电路中有 0.4 mol 电子发生转移,则有 0.5 mol H+通过质 子交换膜 【解析】选 B。b 电极通入氧气,是正极,a 电极是负极,电子从 a 流出, 经外电路流向 b,A 错误;a 电极是负极,发生失去电子的氧化反应,即 HS- 在 硫 氧 化 菌 作 用 下 转 化 为 SO42-, 电 极 反 应 是 HS-+4H2O-8e-====SO42-+9H+,B 正确;如果将反应物直接燃烧,会有部 分化学能转化为光能,因此能量的利用率会变化,C 错误;若该电池电 路中有 0.4 mol 电子发生转移,根据电荷守恒可知有 0.4 mol H+通过 质子交换膜与 0.1 mol 氧气结合转化为水,D 错误11.LiFePO4 电 池 广 泛 用 于 电 动 车 。 电 池 反 应 :Li+ FePO4 LiFePO4,电池的正极材料是 LiFePO4,负极材料是石墨,含 Li+导电固 体为电解质。下列说法正确的是 (　　) 选 项 放电过程 充电过程 A Li+向电池的正极迁移 化学能转化成电能 B 可以加入磷酸以提高电解 质的导电率 阳极的电极反应式为 LiFePO4-e-====FePO4 +Li+ C 若正极增加 7 g,则有 NA 个电子经电解质由负极流 向正极 阳极材料的质量不断减少 D 若有 n mol 的 Li+迁移, 则理论上负极失去 n mol 电子 阴极的电极反应式为 Li++e-====Li 【解析】选 D。A、充电过程是电能转化成化学能的过程,故 A 错 误;B、Li 属于活泼金属,加入磷酸,Li 会与磷酸反应,故 B 错误;C、根 据原电池的工作原理,电子从负极经外电路流向正极,电子不经过电 解质,故 C 错误;D、负极反应式为 Li-e-====Li+,迁移 n mol Li+,说明 通过电子的物质的量为 n mol,即 Li 失去电子 n mol,充电时,电池的负 极接电源的负极,即阴极反应式为 Li++e-====Li,故 D 正确。12.液流式铅蓄电池以可溶性的甲基磺酸铅[(CH3SO3)2Pb]代替硫酸 作为电解质溶液,该电池充放电的总反应为 2Pb2++2H2O Pb+PbO2+4H+,下列说法正确的是(　　) A.该电池放电时,两极质量均增加 B.放电时,正极的电极反应式为 PbO2+4H++2e-====Pb2++2H2O C.充电时,溶液中 Pb2+向阳极移动 D.充电时,阳极周围溶液的 pH 增大 【解析】选 B。电池放电时,负极反应式为 Pb-2e-====Pb2+,正极反应 式为 PbO2+4H++2e-====Pb2++2H2O,该电池放电时,两极质量均减少,A 项错误,B 项正确;充电时,溶液中 Pb 2+向阴极移动,C 项错误;充电时 阳 极 反 应 式 为 Pb2++2H2O-2e-====PbO2+4H+, 阳 极 周 围 溶 液 的 pH 减 小,D 项错误。 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。装置如图所示,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: 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 【解析】选 C。根据图中的物质转化方式可知,该电解池的左侧电极 上发生还原反应为阴极,右侧电极上发生氧化反应为阳极,故该电池 的阴极的电极反应式为 CO2+2H++2e-====CO+H2O,A 正确;将电解池阴、 阳 极 电 极 的 反 应 式 相 加 即 可 得 到 协 同 转 化 的 总 反 应 式 :CO2+H2S ====CO+H2O+S,B 正确;由于石墨烯为阳极,与电源的正极相连,石墨 烯上的电势高,C 不正确;若采用 Fe3+/ Fe2+取代 EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+, 若溶液呈碱性,则会使溶液中形成沉淀,减少 Fe 3+/Fe2+的含量,故溶 液应呈酸性。 14.目前电解法制烧碱通常采用离子交换膜法,阳(阴)离子交换膜不 允许阴(阳)离子通过。则下列叙述中错误的是 (　　)A.NaOH、H2 均在Ⅰ区产生 B.图中 a 为阴离子交换膜 C.使用离子交换膜可以有效地隔离 NaOH 和 Cl2,阻止二者之间的反 应 D.电解时往Ⅲ区的溶液中滴加几滴甲基橙,溶液先变红后褪色 【解析】选 B。Ⅰ区是阴极室,H+放电生成氢气,同时促进水的电离, 生成氢氧化钠;Ⅱ区 Na+通过 a 进入Ⅰ区,故 a 应该是阳离子交换膜; 使用离子交换膜可以隔离 NaOH 和 Cl2,阻止两者发生反应;Ⅲ区为阳 极室,Cl-放电生成氯气,氯气溶于水显酸性,同时次氯酸还具有漂白 性,所以滴入甲基橙后溶液先变红后褪色。 15. 某 化 学 小 组 拟 设 计 微 生 物 燃 料 电 池 将 污 水 中 的 乙 二 胺 [H2N(CH2)2NH2]氧化成环境友好的物质,工作原理如图所示(a、b 均为 石墨电极)。下列分析正确的是 (　　) A.a 电极发生反应:H2NCH2CH2NH2+16e-+4H2O==== 2CO2↑+N2↑+16H+ B.质子交换膜处 H+由右向左移动 C.该电池在微生物作用下将化学能转化为电能 D.开始放电时 b 电极附近 pH 不变 【解析】选 C。b 极通入空气,因此 b 极为正极,a 极为负极,负极上失 去电子,电极反应式为 H2NCH2CH2NH2-16e-+4H2O====2CO2↑+N2↑+16H+,A 项错误。根据原电池的工作原理,阳离子向正极移动,即 H+由左向右 移动,B 项错误。此装置是原电池装置,是化学能转化成电能的装置,C 项正确。b 极反应式为 O2+4H++4e-====2H2O,pH 变大,D 项错误。 16 .如图所示,某同学设计了一个甲醚燃料电池并探究氯碱工业原理 和粗铜的精炼原理,其中乙装置中 X 为阳离子交换膜。根据要求回答下列问题: (1)写出负极的电极反应式:______________。 (2)铁电极为________(填“阳极”或“阴极”),石墨(C)电极的电极 反应式为______________。 (3)如果粗铜中含有锌、银等杂质,丙装置中反应一段时间,硫酸铜溶 液浓度将________(填“增大”“减小”或“不变”)。 (4)若在标准状况下,有 2.24 L O2 参加反应,则丙装置中阴极析出铜的 质量为_____g。假设乙装置中 NaCl 溶液足够多,若在标准状况下,有 224 mL O2 参加反应,则乙装置中阳离子交换膜左侧溶液质量将 ________(填“增大”“减小”或“不变”),且变化了______g。 【解析】(1)甲醚燃料电池中通入氧化剂 O2 的电极是正极,正极上发 生还原反应,负极上燃料甲醚失电子和 OH-反应生成 CO32-和 H2O,电极 反应式为 CH3OCH3-12e-+16OH-====2CO32-+11H2O。 (2)铁电极连接电源负极而作电解池阴极,石墨电极作阳极,电解 NaCl 饱和溶液时,阳极上 Cl-放电,电极反应式为 2Cl--2e-====Cl2↑。 (3)丙装置中,阳极上金属 Zn、Cu 发生氧化反应,阴极上 Cu2+得电子生 成铜,阳极上铜消耗的质量小于阴极上析出铜的质量,溶液中硫酸铜 浓度减小。 (4)若标准状况下有 2.24LO2 参加反应,转移电子 × 4=0.4 mol,则丙装置中阴极上 Cu2+得电子生成铜单质,析出铜的质量 = ×64 g·mol-1 =12.8 g;根据串联电路中转移电子数相等得 O2、H2 的关系式为 O2～2H2,生成 n(H2)= ×2=0.02 mol,消 耗 n(H+)=0.02×2 mol=0.04 mol,则乙装置中从阳离子交换膜右侧进 入左侧的 Na+也为 0.04 mol,乙装置中阳离子交换膜左侧溶液质量将 增大 0.04 mol×23 g·mol-1-0.04 mol×1 g·mol-1=0.88 g。 答 案 :(1)CH3OCH3-12e-+16OH-====2CO32-+11H2O 　 (2) 阴 极 　 2Cl--2e-====Cl2↑　(3)减小　(4)12.8　增大　0.88 17.(1)二甲醚(CH3OCH3)是无色气体,可作为一种新型能源。二甲醚燃 料电池具有启动快、效率高等优点,其能量密度高于甲醇燃料电池 (5.93kW·h·kg-1)。若电解质为酸性,二甲醚燃料电池的负极反应为 __________________________ _________________,一个二甲醚分子经过电化学氧化,可以产生 ________个电子的电量;该电池的理论输出电压为 1.20 V,能量密度 E=_________________ __________(列式计算。能量密度= ,1 kW·h=3.6×106 J)。 1 2.24 L 22.4 L mol−  0.4 mol 2 1 0 .2 2 4 L 2 2 .4 L m o l − (2)在丁烷燃料电池中,电解质溶液为酸性,负极的反应式为 __________________、正极的反应式为 ______________________________。 (3)如图为钠硫高能电池的结构示意图。 该电池的工作温度为 320 ℃左右,电池反应为 2Na+xS Na2Sx,正极的 电极反应式为 _________________________________________________。 M(由 Na2O 和 Al2O3 制得)的两个作用是 ________________________________。与铅蓄电池相比,当消耗相同 质量的负极活性物质时,钠硫电池的理论放电量是铅蓄电池的 ________倍。 【解析】(1)电解质为酸性时,CH3OCH3 失去电子生成 CO2 和 H+;CH3OCH3 中的 C 为-2 价,因此 1 个 CH3OCH3 可产生 12 个电子的电 量;1 000 g CH3OCH3 输出的电能为 1.2 V× ×12×96 500 C·mol-1=3.02×107 J,则能量密度= =8.39 kW·h·kg-1。(3)消耗 Na 和 Pb 均为 23 g,则钠硫电池理论放电量(转移电子数)是 铅蓄电池的倍数为 =4.5。 答案:(1)CH3OCH3-12e-+3H2O 2CO2+12H+ 12　 ÷[(3.6× 106)J·(kW·h)-1]≈8.39 kW·h·kg-1 (2)C4H10+8H2O-26e- 4CO2+26H+ O2+26e-+26H+ 13H2O (3)xS+2e- (或 2Na++xS+2e- Na2Sx)　离子导电(导电或电解质) 和隔离钠与硫　4.5