第4講電化學基礎考情分析·備考定向高頻考點·探究突破學

科

素

養

練新題演練·能力遷移考情分析·備考定向專題知識脈絡

能力目標解讀熱點考題詮釋A.負載通過0.04mol電子時,有0.224L(標準狀況)O2參與反應B.正極區溶液的pH降低、負極區溶液的pH升高C.電池總反應為D.電流由復合碳電極經負載、VB2電極、KOH溶液回到復合碳電極答案:B電流方向與電子的流向相反,電流方向為復合碳電極→負載→VB2電極→KOH溶液→復合碳電極,D項正確。2.(2020全國Ⅱ)電致變色器件可智能調控太陽光透過率,從而實現節能。下圖是某電致變色器件的示意圖。當通電時,Ag+注入無色WO3薄膜中,生成AgxWO3,器件呈現藍色。對于該變化過程,下列敘述錯誤的是(

)。

A.Ag為陽極B.Ag+由銀電極向變色層遷移C.W元素的化合價升高D.總反應為WO3+xAg═AgxWO3C解題要領:由題意知,銀電極為陽極,Ag失電子生成Ag+,Ag+移向陰極與WO3反應生成AgxWO3,則總反應為WO3+xAg═AgxWO3,反應過程中W的化合價降低,A、B、D正確,C錯誤。3.(2020全國Ⅰ,改編)科學家近年發明了一種新型Zn-CO2水介質電池。電池示意圖如下,電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時,溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等,為解決環境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是(

)。答案:D4.(2019全國Ⅰ)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成,電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子,示意圖如下所示。下列說法錯誤的是(

)。A.相比現有工業合成氨,該方法條件溫和,同時還可提供電能B.陰極區,在氫化酶作用下發生反應H2+2MV2+═2H++2MV+C.正極區,固氮酶為催化劑,N2發生還原反應生成NH3D.電池工作時質子通過交換膜由負極區向正極區移動答案:B解題要領:該過程是在室溫條件下進行的,因此比現有工業合成氨的條件溫和,同時還能提供電能,A項正確;陰極區發生的是得電子的反應,而左池中發生的是失電子的反應,B項錯誤;右池為正極區,氮氣發生還原反應生成氨氣,C項正確;左池中產生的氫離子通過交換膜向右池移動,即由負極區移向正極區,D項正確。5.(2019全國Ⅲ)為提升電池循環效率和穩定性,科學家近期利用三維多孔海綿狀Zn(3D-Zn)可以高效沉積ZnO的特點,設計了采用強堿性電解質的3D-Zn-NiOOH二次電池,結構如下圖所示。電池反應為Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列說法錯誤的是(

)。A.三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積,所沉積的ZnO分散度高B.充電時陽極反應為Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-═NiOOH(s)+H2O(l)C.放電時負極反應為Zn(s)+2OH-(aq)-2e-═ZnO(s)+H2O(l)D.放電過程中OH-通過隔膜從負極區移向正極區答案:D6.(2018全國Ⅰ)最近我國科學家設計了一種CO2+H2S協同轉化裝置,實現對天然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如下所示,其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯電極區發生反應為:①EDTA-Fe2+-e-═EDTA-Fe3+②2EDTA-Fe3++H2S═2H++S+2EDTA-Fe2+該裝置工作時,下列敘述錯誤的是(

)。A.陰極的電極反應:CO2+2H++2e-═CO+H2OB.協同轉化總反應:CO2+H2S═CO+H2O+SC.石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯上的低D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需為酸性C解題要領:根據圖示可知,ZnO@石墨烯電極上發生還原反應,則該電極為陰極,電極反應式為CO2+2H++2e-═CO+H2O,A項正確;根據題干信息及圖中兩電極上的反應可知,該電化學裝置(電解池)中的總反應為CO2+H2S═CO+S+H2O,B項正確;石墨烯作陽極,ZnO@石墨烯作陰極,陽極上的電勢應高于陰極上的電勢,C項錯誤;若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需為酸性,否則Fe3+、Fe2+可形成沉淀,且H2S和S不能穩定存在,D項正確。7.全固態鋰硫電池能量密度高、成本低,其工作原理如圖所示,其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料,電池反應為:16Li+xS8═8Li2Sx(2≤x≤8)。下列說法錯誤的是(

)。A.電池工作時,正極可發生反應:2Li2S6+2Li++2e-═3Li2S4B.電池工作時,外電路中流過0.02mol電子,負極材料減重0.14gC.石墨烯的作用主要是提高電極a的導電性D.電池充電時間越長,電池中Li2S2的量越多答案:D解題要領:A項,在該電池中電極a為正極,發生的反應依次為:S8+2Li++2e-═Li2S83Li2S8+2Li++2e-═4Li2S62Li2S6+2Li++2e-═3Li2S4Li2S4+2Li++2e-═2Li2S2,故A正確;B項,原電池工作時,轉移0.02

mol電子時,被氧化的Li的物質的量為0.02

mol,質量減少0.14

g,正確;C項,石墨烯能導電,利用石墨烯作電極,可提高電極a的導電性,正確;D項,電池充電時由于Li+得到電子生成Li,則電池充電時間越長,電池中Li2S2的量越少,錯誤。8.(2019全國Ⅲ,節選)在傳統的電解氯化氫回收氯氣技術的基礎上,科學家最近采用碳基電極材料設計了一種新的工藝方案,主要包括電化學過程和化學過程,如下圖所示:負極區發生的反應有

(寫化學方程式)。電路中轉移1mol電子,需消耗氧氣

L(標準狀況)。答案:Fe3++e-═Fe2+,4Fe2++O2+4H+═4Fe3++2H2O

5.6解題要領:根據圖示可知,負極區(指電解池的陰極區)發生的電極反應(還原反應)為Fe3++e-═Fe2+,隨之發生的化學過程為4Fe2++O2+4H+═4Fe3++2H2O。根據電子守恒可知,電路中每轉移1

mol電子消耗0.25

mol

O2,在標準狀況下的體積為5.6

L。9.(2019全國Ⅱ,節選)環戊二烯可用于制備二茂鐵[Fe(C5H5)2,結構簡式為],后者廣泛應用于航天、化工等領域中。二茂鐵的電化學制備原理如下圖所示,其中電解液為溶解有溴化鈉(電解質)和環戊二烯的DMF溶液(DMF為惰性有機溶劑)。該電解池的陽極為

,總反應為

。電解制備需要在無水條件下進行,原因為

。

答案:Fe電極

水會阻礙中間物Na的生成;水會電解生成OH-,進一步與Fe2+反應生成Fe(OH)2高頻考點·探究突破命題熱點一

原電池原理及電極反應式的書寫有關原電池解題的思維路徑

問題探究1.辨析“介質”書寫電極反應式(以甲醇燃料電池為例)。2.明確“充、放電”書寫電極反應式。鎳鎘(Ni-Cd)可充電電池在現代生活中有廣泛應用。已知某鎳鎘電池的電解質溶液為KOH溶液,其充、放電按下式進行:3.識別“交換膜”提取信息,書寫電極反應式。(1)如將燃煤產生的二氧化碳回收利用,可達到低碳排放的目的。如下圖是通過人工光合作用,以CO2和H2O為原料制備HCOOH和O2的原理示意圖。負極:2H2O-4e-═O2↑+4H+。正極:2CO2+4H++4e-═2HCOOH。(2)液體燃料電池相比于氣體燃料電池具有體積小等優點。一種以液態肼(N2H4)為燃料的電池裝置如圖所示。

負極:N2H4+4OH--4e-═N2↑+4H2O。正極:O2+2H2O+4e-═4OH-。4.鋰離子電池電極反應式書寫。常見的鋰離子電極材料正極材料:LiMO2(M:Co、Ni、Mn等)LiM2O4(M:Co、Ni、Mn等)LiMPO4(M:Fe等)負極材料:石墨(能吸附鋰原子)負極反應:LixCn-xe-═xLi++nC正極反應:Li1-xMO2+xLi++xe-═LiMO2例1(1)二甲醚直接燃料電池具有啟動快、效率高等優點,其能量密度高于甲醇直接燃料電池(5.93kW·h·kg-1)。若電解質為酸性,二甲醚直接燃料電池的負極反應為

,一個二甲醚分子經過電化學氧化,可以產生

個電子的電量。

(2)與MnO2-Zn電池類似,K2FeO4-Zn也可以組成堿性電池,K2FeO4在電池中作為正極材料,其電極反應式為

,該電池總反應的離子方程式為

。分析推理:(1)對于燃料電池負極反應的書寫,需要以下幾個思維步驟:第一步先寫反應物、生成物,注意溶液的環境:酸性電解質中CH3OCH3——2CO2;第二步寫明轉移電子數,根據碳元素的化合價變化:CH3OCH3-12e-——2CO2;第三步配平,根據電荷守恒和原子守恒:3H2O+CH3OCH3-12e-═2CO2+12H+。1

mol二甲醚被氧化生成2

mol

CO2,失去12NA個電子,故1個二甲醚分子轉移12個電子。(3)書寫原電池總反應的一般方法:①把正負極反應寫出:正極已寫出,負極發生氧化反應,堿性環境中,Zn被氧化為Zn2+后形成Zn(OH)2。電極反應為Zn+2OH--2e-═Zn(OH)2;②寫出總反應:在得失電子相等的基礎上,將兩電極反應相加得電池總反應:題后反思(1)在書寫負極反應時,因為不遵循守恒規律,導致書寫錯誤,若忽略溶液的酸堿性,寫出了堿性環境下的反應,沒有分清正負極,寫出了正極的電極反應。(2)在書寫正極反應時,寫成

,沒有考慮溶液為堿性環境而不得分,未配平不得分。(3)總方程式書寫常見的兩個問題:第一是寫成化學方程式,題干要求寫離子方程式;第二是沒有配平或不該拆開的物質拆開了。對點訓練11.(2018天津理綜,節選)O2輔助的Al-CO2電池工作原理如圖所示。該電池電容量大,能有效利用CO2,電池反應產物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。答案:Al-3e-═Al3+(或2Al-6e-═2Al3+)催化劑2Al+6CO2═Al2(C2O4)3解析:根據信息和題圖可知電池的負極反應式:Al-3e-═Al3+(或2Al-6e-═2Al3+)。根據題意:“O2輔助”先發生了反應,然后又生成了O2,可見反應過程中O2的作用是催化劑。根據正、負極的電極反應式可知該電池的總反應為2Al+6CO2═Al2(C2O4)3。答案:D

命題熱點二電解池原理及電極反應式的書寫有關電解池解題的思維路徑

問題探究1.如何判斷陰陽極?判斷原電池和電解池的電極是解題的關鍵,為了方便記憶,我們可采取口訣或諧音的方法記憶。原電池,正負極;電解池,陰陽極;失去電子負(原電池)陽(電解池)極;發生氧化定無疑。2.怎樣判斷電解產物?(1)陽極產物的判斷。首先看電極,如果是活性電極(金屬活動性順序中Ag以前的金屬,包括Ag)作陽極,則電極材料本身失電子,電極溶解。如果是惰性電極,則看溶液中陰離子的失電子能力,陰離子的放電順序為S2->I->Br->Cl->OH-,其氧化產物依次對應為單質S、I2、Br2、Cl2和O2。(2)陰極產物的判斷。直接根據陽離子放電順序(如下)進行判斷:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+,其還原產物依次對應為金屬單質或低價態陽離子:Ag、Fe2+、Cu、H2、Pb、Sn、Fe、Zn。3.如何正確書寫電極反應式?根據溶液環境,結合電解產物的判斷,書寫出陰陽極的電極反應方程式。例2(1)H3PO2也可用電滲析法制備,“四室電滲析法”工作原理如圖所示(陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過):①寫出陽極的電極反應式:

。

②分析產品室可得到H3PO2的原因:

。

③早期采用“三室電滲析法”制備H3PO2,將“四室電滲析法”中陽極室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。并撤去陽極室與產品室之間的陽膜,從而合并了陽極室與產品室。其缺點是產品中混有

雜質,該雜質產生的原因是

。

(2)PbO2也可以通過石墨為電極,Pb(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液為電解液電解制取。陽極發生的電極反應式為

,陰極上觀察到的現象是

;若電解液中不加入Cu(NO3)2,陰極發生的電極反應式為

,這樣做的主要缺點是

。

分析推理:(1)如何判斷陰陽極電解產物?根據電子的流動方向及溶液中離子的放電順序,可知陽極只能是氫氧根離子失電子,轉化為O2,陰極為氫離子得電子轉化為H2。(2)如何判斷溶液中離子的移動方向?根據離子交換膜的性質與溶液中離子的移動要形成閉合回路這一特點,陽極室中的氫離子移向產品室,因為產品室與原料室之間有陰膜,阻止了陽離子向陰極室移動,為了形成閉合回路,只能是原料室中

移向產品室,同時鈉離子移向陰極室。(3)若采用“三室電滲析法”,則雜質是如何產生的?此時可以根據放電順序及所給物質性質判斷,因為H3PO2中P為+1價,具有較強的還原性,會被陽極產生的氧氣氧化為(4)對于Pb(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液,陽極產物是O2嗎?陰陽極產物如何判斷?一般要依據離子在溶液中的放電順序,活性電極作陽極要先放電溶解,結合題給信息,知道PbO2可以由電解得到,則Pb2+的化合價升高,失電子,只能在陽極產生,所以陽極產生的是PbO2而非O2。根據放電順序,陰極產生的是銅單質。題后反思(1)寫電極反應時電子的得失易寫反,如寫成2H2O+4e-═O2↑+4H+而丟分。(2)得到H3PO2的原因,雜質產生的原因,學生給出的答案千奇百怪,說明對原理不清楚。即使清楚原理,很多學生語言敘述存在很大問題,沒有說出關鍵點而丟分。由此提醒我們在今后的學習中多在課堂中練習表述,學會表述。(3)對于電解Pb(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液中陽極反應的書寫,很多學生沒有審清題,寫成4OH--4e-═2H2O+O2↑而丟分。同樣,對于“陰極上觀察的現象”的描述,許多學生寫成溶液中的現象而丟分。審清題意成為此題得分的關鍵點。對點訓練21.(2018全國Ⅰ,節選)制備Na2S2O5也可采用三室膜電解技術,裝置如圖所示,其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。陽極的電極反應式為

。電解后,

室的NaHSO3濃度增加。將該室溶液進行結晶脫水,可得到Na2S2O5。

答案:2H2O-4e-═4H++O2↑

a解析:根據電解目的——得到更多的NaHSO3,因此陽極是水電離出的OH-放電,留下的氫離子通過陽離子交換膜進入a室,使a室中的NaHSO3濃度增大。2.雙極膜電滲析一步法鹽制酸堿的技術進入了工業化階段。某科研小組研究采用BMED膜堆(如圖所示),模擬以精制濃海水為原料直接制備酸和堿。BMED膜堆包括陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極膜(a、d)。已知:在直流電源的作用下,雙極膜內中間界面層發生水的解離,生成H+和OH-。下列說法正確的是(

)。A.電極Y連接電源的正極,發生還原反應B.Ⅰ口排出的是混合堿,Ⅱ口排出的是淡水C.電解質溶液采用Na2SO4溶液可避免有害氣體的產生D.a左側膜為陽離子交換膜,c為陰離子交換膜答案:C解析:氫離子向右側移動,這說明電極Y為陰極,所以電極Y連接電源的負極,發生還原反應,故A錯誤。濃海水中的氯離子向左側移動,鈉離子向右側移動;雙極膜中,氫離子向右側遷移、氫氧根離子向左側遷移,因此Ⅱ口排出的是淡水,Ⅰ口排出的是鹽酸、Ⅲ口排出的是堿液,故B錯誤。由于氯離子放電會產生有毒的氣體氯氣,加入Na2SO4溶液,目的是增強溶液的導電性,氯離子移向Ⅰ室,氫離子通過a移向Ⅰ室,在Ⅰ室得到HCl,可避免有害氣體的產生,故C正確。鈉離子移向Ⅲ室,說明c為陽離子交換膜,氫氧根離子向左側移動,所以a左側膜為陰離子交換膜,故D錯誤。命題熱點三金屬的腐蝕與防護

電化學定量計算金屬的腐蝕與防護的解題思維路徑問題探究如何判斷金屬腐蝕的快慢?1.金屬腐蝕快慢的三個規律。(1)金屬腐蝕類型的差異。電解原理引起的腐蝕>原電池原理引起的腐蝕>化學腐蝕>有防護措施的腐蝕。(2)電解質溶液的影響。①對同一金屬來說,腐蝕的快慢(濃度相同):強電解質溶液>弱電解質溶液>非電解質溶液。②對同一種電解質溶液來說,電解質濃度越大,腐蝕越快。(3)活動性不同的兩金屬,活動性差別越大,腐蝕越快。2.金屬防護常有哪些方法?兩種腐蝕與兩種保護。(1)兩種腐蝕:析氫腐蝕、吸氧腐蝕(關鍵在于電解液的pH)。(2)兩種保護:犧牲陽極的陰極保護法、外加電流的陰極保護法。3.有關電化學定量計算的方法有哪些?(1)根據總反應式計算。先寫出電極反應,再寫出總反應式,然后根據總反應式列比例式計算。(2)守恒法計算。用于串聯電路中電極反應物、產物及電子轉移的有關計算,其依據是電路中轉移的電子數守恒。例3如下圖所示,將鐵棒和石墨棒插入盛有飽和NaCl溶液的U形管中。下列分析正確的是(

)。

A.K1閉合,鐵棒上發生的反應為2H++2e-═H2↑B.K1閉合,石墨棒周圍溶液pH逐漸升高C.K2閉合,鐵棒不會被腐蝕,屬于犧牲陽極的陰極保護法D.K2閉合,電路中通過0.002NA個電子時,兩極共產生0.001mol氣體分析推理:(1)發生原電池反應時,是吸氧腐蝕還是析氫腐蝕?審清溶液的環境,題中給出的是飽和氯化鈉溶液,所以發生吸氧腐蝕,鐵棒上是Fe-2e-═Fe2+,石墨棒上是O2+2H2O+4e-═4OH-。(2)如何判斷鐵棒是否發生腐蝕?先根據電源判斷正極與石墨棒相連,石墨棒為陽極,鐵棒為陰極,被保護。要區別犧牲陽極的陰極保護法和外加電流的陰極保護法的不同之處:正極是活潑金屬還是外接電源。(3)如何求算產生氣體的量?先寫出陰陽極電極反應式,陽極:2Cl--2e-═Cl2↑,陰極:2H++2e-═H2↑。所以轉移1

mol電子,共產生1

mol氣體。答案:B對點訓練31.(2018北京理綜)驗證犧牲陽極的陰極保護法,實驗如下(燒杯內均為經過酸化的3%NaCl溶液)。下列說法不正確的是(

)。A.對比②③,可以判定Zn保護了FeB.對比①②,K3[Fe(CN)6]可能將Fe氧化C.驗證Zn保護Fe時不能用①的方法D.將Zn換成Cu,用①的方法可判斷Fe比Cu活潑D解析:A項,由②與③的現象不同,可以說明Zn保護了Fe,正確;B項,對比①②可知,鐵氰化鉀可能把Fe氧化為Fe2+,并進一步與Fe2+反應生成藍色沉淀,正確;C項,①生成藍色沉淀,說明有Fe2+生成,因而不能用于驗證Zn保護Fe,正確;D項,實驗①中無論Fe作正極還是負極,Fe附近均產生藍色沉淀,故將Zn換成Cu,無法證明Fe比Cu活潑,錯誤。2.(2019江蘇化學)將鐵粉和活性炭的混合物用NaCl溶液濕潤后,置于如圖所示裝置中,進行鐵的電化學腐蝕實驗。下列有關該實驗的說法正確的是(

)。

A.鐵被氧化的電極反應式為Fe-3e-═Fe3+B.鐵腐蝕過程中化學能全部轉化為電能C.活性炭的存在會加速鐵的腐蝕D.以水代替NaCl溶液,鐵不能發生吸氧腐蝕C解析:A項,鐵和活性炭的混合物用NaCl溶液濕潤后構成原電池,鐵作負極,鐵失去電子生成Fe2+,電極反應式為Fe-2e-═Fe2+,錯誤;B項,鐵腐蝕過程中化學能除了轉化為電能外,還可轉化為熱能等,錯誤;C項,構成原電池后,鐵腐蝕的速率變快,正確;D項,用水代替NaCl溶液,Fe和活性炭也可以構成原電池,Fe失去電子,空氣中的O2得到電子,鐵發生吸氧腐蝕,錯誤。學

科

素

養

練素

養

必

備電化學離子交換膜的分析與應用學科素養強化訓練1.某新型水系鈉離子電池工作原理如下圖所示。TiO2光電極能使電池在太陽光照射下充電,充電時Na2S4被還原為Na2S。下列說法錯誤的是(

)。D2.(2020廣東揭陽高三月考)常溫下,NCl3是一種黃色黏稠狀液體,是制備新型水消毒劑ClO2的原料,可以采用如圖所示裝置制備NCl3。下列說法正確的是(

)。A.每生成1molNCl3,理論上有4molH+經質子交換膜由右側向左側遷移B.可用濕潤的碘化鉀淀粉試紙檢驗氣體MC.石墨電極的反應式為D.電解過程中,質子交換膜右側溶液的pH會減小答案:C3.(2020四川閬中高三期中)某種濃差電池的裝置如下圖所示,堿液室中加入電石渣漿液[主要成分為Ca(OH)2],酸液室通入CO2(以NaCl為支持電解質),產生電能的同時可生成純堿等物質。下列敘述錯誤的是(

)。

A.電子由M極經外電路流向N極B.N電極區的電極反應式為2H++2e-═H2↑C.在堿液室可以生成NaHCO3、Na2CO3D.放電一段時間后,酸液室溶液pH增大C解析:電極M為電池的負極,電子由M極經外電路流向N極,故A項正確;酸液室中的氫離子透過質子交換膜,在電極N表面得到電子生成氫氣,N電極區的電極反應式為2H++2e-═H2↑,故B項正確;酸液室與堿液室之間為陰離子交換膜,鈉離子不能進入堿液室,應在酸液室得到Na