全国版2021高考化学一轮复习题型突破6新型化学电源及电解原理的应用课件

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化学反应与能量转化 第六章 题型突破 6 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 01 解 题 策 略 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 ( n e － ) 。 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－ n e － === 氧化产物 正极 ( 或阴极 ) 反应：氧化剂＋ n e － === 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： CH 3 OCH 3 ( 二甲醚 ) 酸性燃料电池中： 总反应式： CH 3 OCH 3 ＋ 3O 2 ===2CO 2 ＋ 3H 2 O 正极： 3O 2 ＋ 12H ＋ ＋ 12e － ===6H 2 O 负极： CH 3 OCH 3 ＋ 3H 2 O － 12e － ===2CO 2 ＋ 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。 02 真 题 示 例 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， O 2 与 Li ＋ 在多孔碳材料电极处生成 Li 2 O 2 － x ( x ＝ 0 或 1) 。下列说法正确的是 ( 　　 ) D 　 解析 Al － 3e － ===Al 3 ＋ 　 　 催化剂　 　 2Al ＋ 6CO 2 ===Al 2 (C 2 O 4 ) 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 CO 2 ＋ H 2 S 协同转化装置，实现对天然气中 CO 2 和 H 2 S 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： ① EDTA － Fe 2 ＋ － e － ===EDTA － Fe 3 ＋ ② 2EDTA － Fe 3 ＋ ＋ H 2 S===2H ＋ ＋ S ＋ 2EDTA － Fe 2 ＋ 该装置工作时，下列叙述错误的是 ( 　　 ) A ．阴极的电极反应： CO 2 ＋ 2H ＋ ＋ 2e － ===CO ＋ H 2 O B ．协同转化总反应： CO 2 ＋ H 2 S===CO ＋ H 2 O ＋ S C ．石墨烯上的电势比 ZnO@ 石墨烯上的低 D ．若采用 Fe 3 ＋ /Fe 2 ＋ 取代 EDTA － Fe 3 ＋ /EDTA － Fe 2 ＋ ，溶液需为酸性 C 　 解析 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 CO 2 ＋ 2H ＋ ＋ 2e － ===CO ＋ H 2 O 。 B 对：将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为 CO 2 ＋ H 2 S===CO ＋ H 2 O ＋ S 。 D 对： Fe 3 ＋ 、 Fe 2 ＋ 只能存在于酸性溶液中。 4 ． (2018 · 全国卷 Ⅰ ， 27(3)) 制备 Na 2 S 2 O 5 也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中 SO 2 碱吸收液中含有 NaHSO 3 和 Na 2 SO 3 。阳极的电极反应式为 ____________________________ 。电解后， ________ 室的 NaHSO 3 浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到 Na 2 S 2 O 5 。 2H 2 O － 4e － ===4H ＋ ＋ O 2 ↑ 　 　 a 　 　 5 ． (2018 · 全国卷 Ⅲ ， 27(3)) KIO 3 是一种重要的无机化合物，可作为食盐中的补碘剂。 KIO 3 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， “ KClO 3 氧化法 ” 的主要不足之处有 ______________________________________________________( 写出一点 ) 。 2H 2 O ＋ 2e － ===2OH － ＋ H 2 ↑ 　 　 K ＋ 　 　 由 a 到 b 　 　 　 产生 Cl 2 易污染环境等 　 　 　 03 即 时 训 练 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 PbSO 4 ＋ 2LiCl ＋ Ca===CaCl 2 ＋ Li 2 SO 4 ＋ 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 0.2 mol 电子，理论上生成 20.7 g Pb D ．电池工作一段时间后，正极质量增加 C 　 解析 由电池总反应可知， Ca 发生失电子的氧化反应生成 CaCl 2 ，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 PbSO 4 得电子被还原生成 Pb ，则转移 0.2 mol 电子时生成 0.1 mol Pb ，其质量为 20.7 g ， C 正确； PbSO 4 是正极，电池工作时， PbSO 4 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 Li 2 O 2 － 2e － ===2Li ＋ ＋ O 2 ↑ D ．电池中的电解质溶液可以是有机溶剂或稀盐酸等 C 　 　 解析 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 Li 2 O 2 － 2e － ===2Li ＋ ＋ O 2 ↑ ， C 正确；由于锂是活泼金属，可与稀盐酸反应生成 LiCl 和 H 2 ，故电解质溶液不能用稀盐酸， D 错误。 B 　 解析 放电时， Mg 被氧化生成 MgF 2 ，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， MnF 2 在阳极上发生氧化反应生成 MnF 3 ，电极反应式为 MnF 2 ＋ F － － e － ===MnF 3 ， 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 ( 　　 ) C 　 　 解析 5 ． (2019 · 贵州贵阳检测 ) 一种以液态肼 (N 2 H 4 ) 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 ( 　　 ) C 　 A ． b 电极是负极 B ． a 电极的电极反应式： N 2 H 4 ＋ 4OH － ＋ 4e － ===N 2 ↑ ＋ 4H 2 O 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 解析 由图可知， N 2 H 4 在 a 电极上发生氧化反应生成 N 2 ，则 a 电极是负极， b 电极是正极， A 错误； N 2 H 4 在 a 电极上发生失去电子的氧化反应生成 N 2 ，则电极反应式为 N 2 H 4 ＋ 4OH － － 4e － ===N 2 ↑ ＋ 4H 2 O ， 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： CH 4 ＋ 2O 2 ===CO 2 ＋ 2H 2 O ； 正极反应式： 2O 2 ＋ 8H ＋ ＋ 8e － ===4H 2 O ； 负极反应式： CH 4 － 8e － ＋ 2H 2 O===CO 2 ＋ 8H ＋ 。 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 (TiO 2 ) 生产海绵钛的装置示意图，其原理是在较低的阴极电位下， TiO 2 ( 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 － ===Cl 2 ↑ B ．阴极的电极反应式为 TiO 2 ＋ 4e － ===Ti ＋ 2O 2 － C ．通电后， O 2 － 、 Cl － 均向阴极移动 D ．石墨电极的质量不发生变化 B 　 解析 电解质中的阴离子 O 2 － 、 Cl － 向阳极移动，由图示可知阳极生成 O 2 、 CO 、 CO 2 ，所以电极反应为 2O 2 － － 4e － ===O 2 ↑ ， O 2 与石墨反应生成 CO 、 CO 2 ， 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 ( 　　 ) B 　 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 － ＝ 2H 2 O ＋ O 2 ↑ C ． d 处流进粗 KOH 溶液， g 处流出纯 KOH 溶液 D ． b 处每产生 11.2 L 气体，必有 1 mol K ＋ 穿过阳离子交换膜 解析 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 － ＝ 2H 2 O ＋ O 2 ↑ ， 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 11.2 L 氢气的物质的量不一定是 0.5 mol ， 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 － ＋ H 2 O C ．阴极的电极反应式为 2H 2 O ＋ 2e － ===H 2 ↑ ＋ 2OH － D ．除去 CN － 的反应： 2CN － ＋ 5ClO － ＋ 2H ＋ ===N 2 ↑ ＋ 2CO 2 ↑ ＋ 5Cl － ＋ H 2 O D 　 解析 阳极产生 ClO － ，发生的反应为 Cl － ＋ 2OH － － 2e － ===ClO － ＋ H 2 O ，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 H 2 ， 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 － ===N 2 ↑ ＋ 2CO ＋ 5Cl － ＋ H 2 O ， 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 ( 　　 ) C 　 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 解析