2021届（鲁科版）高考化学一轮复习电解池及其工作原理作业

2021届（鲁科版）高考化学一轮复习电解池及其工作原理作业

电解池及其工作原理 一、选择题(本题包括4小题,每题6分,共24分)‎ ‎1.(2020·牡丹江模拟)我国青年学者孙旭平及其领衔团队,近日成功利用Mo2N纳米催化剂在0.1 mol·L-1盐酸溶液中进行电催化固氮,装置如图所示,在一定电压下具有较高的产氨速率。下列判断错误的是 (　　)‎ A.Mo2N/GCE电极为阴极 B.溶液中H+通过隔膜向Mo2N/GCE电极区迁移 C.Mo2N/GCE电极区反应式为N2+6H++6e-2NH3‎ D.为提高溶液的导电性,可在石墨电极区加入适量的盐酸 ‎【解析】选D。根据装置图,该装置具有外加电源,装置为电解池装置,左侧电极N2→NH3,N的化合价降低,根据电解原理,Mo2N/GCE为阴极,石墨为阳极,阴极反应式为N2+6H++6e-2NH3,阳极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+。根据上述分析,A说法正确;阳极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,H+通过隔膜向Mo2N/GCE电极区迁移,B说法正确;根据图象,Mo2N/GCE电极上N2→NH3,该电极反应式为N2+6H++6e-2NH3,C说法正确;石墨电极区加入适量盐酸,Cl-在石墨电极上放电,产生Cl2,污染环境,D说法错误。‎ ‎2.(2019·哈尔滨模拟)利用如图所示装置可制取H2,两个电极均为惰性电极,c为阴离子交换膜。下列叙述正确的是 (　　)‎ A.a为电源的正极 B.工作时,OH-向左室迁移 C.右室电极反应为C2H5OH+H2O-4e-CH3COO-+5H+‎ D.生成H2和CH3COONa 的物质的量之比为 2∶1‎ ‎【解析】选D。根据图知,Pt电极上有氢气生成,说明Pt电极上得电子发生还原反应,为阴极,则Pd为阳极,连接阴极的电极为电源负极,所以a为负极、b为正极,故A错误;Pt为阴极、Pd为阳极,电解时,电解质溶液中OH-向阳极移动,则工作时,OH-向右室迁移,故B错误;右室中电解质溶液呈碱性,所以不能有H+生成,乙醇失电子和OH-反应生成CH3COO-和水,电极反应式为C2H5OH+5OH--4e-‎ CH3COO-+4H2O,故C错误;生成1 mol氢气转移2 mol电子,生成1 mol CH3COONa转移4 mol电子,所以生成H2和CH3COONa的物质的量之比为2∶1,故D正确。‎ ‎3.(2020·成都模拟)双极膜(BP)是阴、阳复合膜,在直流电的作用下,阴、阳复合膜层间的H2O解离成H+和OH-,作为H+和OH-离子源。利用双极膜电渗析法电解食盐水可获得淡水、NaOH和HCl,其工作原理如图所示,M、N为离子交换膜。下列说法错误的是 (　　)‎ A.阴极室发生的反应为2H++2e-H2↑‎ B.M为阳离子交换膜,N为阴离子交换膜 C.若去掉双极膜(BP),阳极室会有Cl2生成 D.电路中每转移1 mol电子,两极共得到0.5 mol气体 ‎【解析】选D。阴极室氢离子得电子生成氢气,发生的反应为2H++2e-H2↑,A正确;阴极生成氢氧化钠,钠离子穿过M进入阴极室,所以M为阳离子交换膜,N为阴离子交换膜, B正确;若去掉双极膜(BP),氯离子进入阳极室,在阳极室放电生成氯气, C正确;电路中每转移1 mol电子,阳极生成0.25 mol氧气、阴极生成0.5 mol氢气,两极共得到0.75 mol气体, D错误。‎ ‎4.(2019·济南模拟)四个电解装置都以Pt作电极,它们分别装着如下电解质溶液进行电解,电解一段时间后,测定其pH变化,所记录的结果正确的是 (　　)‎ 选项 A B C D 电解质溶液 HCl AgNO3‎ KOH BaCl2‎ pH变化 减小 增大 增大 不变 ‎【解析】选C。电解盐酸,溶质HCl的量减小,溶剂量不变,所以酸性减弱,pH增大,A项错误;电解硝酸银溶液生成硝酸、金属银和氧气,溶液酸性增强,pH减小,B项错误;电解氢氧化钾溶液的实质是电解水,溶质的量不变,溶剂减少,碱性增强,pH增大,C项正确;电解氯化钡溶液得到氢氧化钡、氢气和氯气,溶液碱性增强,pH增大,D项错误。‎ 二、非选择题(本题包括2小题,共26分)‎ ‎5.(12分)电解原理在化学工业中有广泛的应用。如图所示为一电解池装置,U形管内装有电解液c,A、B是两块电极板,通过导线与直流电源相连。‎ ‎(1)若A、B都是惰性电极,电解质溶液c是饱和NaCl溶液,实验开始时,同时在U形管两边各滴入几滴酚酞试剂,试判断:‎ ‎①a电极是　　极(填“正”或“负”),B电极是　　　　极(填“阴”或“阳”); ‎ ‎②A电极上的电极反应式为　　　　　　,B电极上的电极反应式为 ‎　　　　　　　　　　; ‎ ‎③检验A电极上产物的方法是　　　　　　。 ‎ ‎(2)若图示装置为用惰性电极电解CuSO4溶液的装置,其中阴极上析出Cu的质量为3.2 g,则阳极上产生的气体在标准状况下的体积为　　　　　;常温下,若将电解后的溶液稀释至1 L,则溶液的pH约为　　　　。 ‎ ‎【解析】(1)根据电流的方向可知,a电极为电源的正极,b电极为电源的负极。A电极为阳极,发生氧化反应2Cl--2e-Cl2↑,B电极为阴极,发生还原反应2H2O+2e-H2↑+2OH-。氯气可用湿润的淀粉碘化钾试纸检验。(2)用惰性电极电解CuSO4溶液时,阳极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,阴极反应式为Cu2++2e-Cu,根据电子守恒可知,n(O2)=n(Cu)=×=0.025 mol,即标准状况下V(O2)=0.025 mol×22.4 L·mol-1=0.56 L;根据反应2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4可知,电解后溶液中n(H+)=4n(O2)=0.1 mol,所以c(H+)=0.1 mol·L-1,pH=1。‎ 答案:(1)①正　阴　②2Cl--2e-Cl2↑　2H2O+2e-H2↑+2OH-　③把湿润的淀粉碘化钾试纸放在A电极附近,试纸变蓝,则证明A电极上的产物为氯气　(2)0.56 L　1‎ ‎6.(14分)已知铅蓄电池的工作原理为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O,现用如图装置进行电解(电解质溶液足量),测得当铅蓄电池中转移0.4 mol电子时铁电极的质量减少11.2 g。请回答下列问题。‎ ‎(1)A是铅蓄电池的　　　　极,Cu电极是　　　　极。 ‎ ‎(2)Ag电极的电极反应式是　　　　　　　　　　　,该电极的电极产物共 ‎　　　　 g。 ‎ ‎(3)Cu电极的电极反应式是　　　　　　　　,CuSO4溶液的浓度　　　　 (填“减小”“增大”或“不变”)。 ‎ ‎【解析】(1)当铅蓄电池中转移0.4 mol电子时铁电极的质量减小11.2 g,说明铁作阳极,银作阴极,阴极连接原电池负极,所以A是负极,B是正极,Cu是阳极,Zn是阴极。(2)银作阴极,电解稀硫酸时,阴极上H+放电生成H2,电极反应式为2H++2e-H2↑,生成氢气的质量= mol×2 g·mol-1=0.4 g。(3)Cu电极的电极反应式是Cu-2e-Cu2+,Zn电极上的反应式是Cu2++2e-Cu,Cu电极溶解的铜和Zn电极析出的铜相等,CuSO4溶液的浓度不变。‎ 答案:(1)负　阳　(2)2H++2e-H2↑　0.4‎ ‎(3)Cu-2e-Cu2+　不变 一、选择题(本题包括3小题,每题6分,共18分)‎ ‎1.(2020·广东重点中学高三联考)乙醛酸 (HOOC—CHO)是有机合成的重要中间体。工业上用“双极室成对电解法”生产乙醛酸,原理如图所示,该装置中阴、阳两极为惰性电极,两极室均可产生乙醛酸,其中乙二醛与M电极的产物反应生成乙醛酸。下列说法正确的是 (　　)‎ A.M极与直流电源的负极相连 B.每得到1 mol乙醛酸将有2 mol H+从右室迁移到左室 C.N电极上的电极反应式:HOOC—COOH-2e-+2H+HOOC—CHO+H2O D.每消耗0.1 mol乙二醛在M电极生成2.24 L气体(标准状况)‎ ‎【解析】选D。根据质子的移动方向,确定M电极是阳极,M极与直流电源的正极相连,故A错误;2 mol H+通过质子交换膜,则电池中转移2 mol电子,根据电极反应式HOOC—COOH+2e-+2H+HOOC—CHO+H2O,可知N极生成1 mol乙醛酸,由左极室发生反应:2Cl--2e-Cl2↑、Cl2+OHC—CHO+H2O2Cl-+OHC—COOH+2H+可知,每消耗0.1 mol乙二醛转移电子0.2 mol,M电极上所得氯气的物质的量为0.1 mol,体积为2.24 L(标准状况),故D正确;由于两极均有乙醛酸生成,所以生成的乙醛酸为2 mol,故B、C错误。‎ ‎2.(2020·武汉模拟)锌银电池的负极为锌,正极为氧化银,电解质是KOH,电池反应为Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag。以锌银电池为电源,电解硫酸镍溶液冶炼纯镍,装置如图所示。‎ 下列说法正确的是 (　　)‎ A.装置中使用阳离子交换膜 B.锌银电池a极反应式为Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-‎ C.镍极的主要反应为2H++2e-H2↑‎ D.若锌银电池溶解13 g锌,则镍极净增质量最多为5.9 g ‎【解析】选B。A项,观察题图知,交换膜左侧硫酸浓度增大,说明S由交换膜右侧向左侧迁移,交换膜为阴离子交换膜,错误;B项,铂极为阳极,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,则a极为锌银电池的正极,根据电池反应可书写正极反应式,正确;C项,本实验的主要目的是冶炼纯镍,所以,镍极的主要反应是Ni2++2e-Ni,错误;D项,b极的电极反应式为Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2,理论上,消耗65 g锌析出59 g镍,则溶解13 g锌,最多析出11.8 g Ni,错误。‎ ‎3.SO2和NOx是主要大气污染物,利用如图装置可同时吸收SO2和NO。下列有关说法错误的是 (　　)‎ A.a极为直流电源的负极,与其相连的电极发生还原反应 B.阴极得到2 mol电子时,通过阳离子交换膜的H+为2 mol C.吸收池中发生反应的离子方程式为2NO+2S2+2H2ON2+4HS D.阳极发生的反应式为SO2+2e-+2H2OS+4H+‎ ‎【解析】选D。A项,阴极发生还原反应,亚硫酸氢根离子得电子生成连二亚硫酸根离子,a是直流电源的负极,正确;B项,阴极发生还原反应,电极反应式为2HS+2e-+2H+S2+2H2O,阴极得到2 mol电子时,通过阳离子交换膜的H+为 ‎2 mol,正确;C项,连二亚硫酸根离子与一氧化氮发生氧化还原反应,生成氮气,离子反应方程式为2NO+2S2+2H2ON2+4HS,正确;D项,阳极发生失去电子的氧化反应,错误。‎ 二、非选择题(本题包括2小题,共32分)‎ ‎4.(16分)“长征”火箭发射使用的燃料是液态偏二甲肼(C2H8N2),并使用四氧化二氮作为氧化剂,这种组合的两大优点是既能在短时间内产生巨大能量将火箭送上太空,产物又不污染空气(产物都是空气成分)。某校外研究性学习小组拟将此原理设计为原电池,如图所示,结合学习过的电化学原理分析其设计方案,回答相关问题:‎ ‎(1)从a口加入　　　　(填名称)。H+移动方向是　　　　(填“A到B”或“B到A”)。 ‎ ‎(2)A极发生的电极反应式:　 　　　 　　　 　　　。 ‎ ‎(3)若以该电池为电源,用石墨作电极电解200 mL 0.5 mol·L-1的CuSO4溶液,电解一段时间后,两极收集到相同体积(相同条件)的气体,则整个电解过程转移的电子的数目是　　　　　　　　　。 ‎ ‎【解析】(1)由电子转移方向可知A为负极,B为正极,根据原电池原理,还原剂在负极上失去电子发生氧化反应,氧化剂在正极上得到电子发生还原反应,则从a口通入偏二甲肼;内电路一般是阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,所以H+移动方向是A到B。‎ ‎(2)A为负极,还原剂在负极上失去电子发生氧化反应,又已知产物中气体均为空气组分,所以A极发生的电极反应式为C2H8N2-16e-+4H2O2CO2↑+N2↑+16H+。‎ ‎(3)两极收集到相同体积(相同条件)的气体,则阴极除了Cu2++2e-Cu,还应有2H++2e-H2↑,阳极的电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,设生成n(O2)=n(H2)=x,因为n(Cu2+)=0.5 mol·L-1×0.2 L=0.1 mol,由得失电子守恒得0.1×2+2x=‎ ‎4 x,x=0.1 mol,所以n(O2)=n(H2)=0.1 mol,则整个电解过程转移的电子0.1 mol ‎×4=0.4 mol,即0.4 NA。‎ 答案:(1)偏二甲肼　A到B ‎(2)C2H8N2-16e-+4H2O2CO2↑+N2↑+16H+　(3)0.4 NA(或2.408×1023)‎ ‎5.(16分)根据下列要求回答下列问题。‎ ‎(1)次磷酸钴[Co(H2PO2)2]广泛用于化学镀钴,以金属钴和次磷酸钠为原料,采用四室电渗析槽电解法制备,原理如下图。 ‎ 则Co的电极反应式为　　　　　　　　　　,A、B、C为离子交换膜,其中B为　　　　离子交换膜(填“阳”或“阴”)。 ‎ ‎ (2)我国科研人员研制出的可充电“Na-CO2”电池,以钠箔和多壁碳纳米管(MWCNT)为电极材料,总反应方程式为4Na+3CO22Na2CO3+C。放电时该电池“吸入”CO2,其工作原理如图所示。‎ ‎①放电时,正极的电极反应式为　　　　　　　　　　。 ‎ ‎②若生成的Na2CO3和C全部沉积在正极表面,当正极增加的质量为28 g时,转移电子的物质的量为　　　　　　　。 ‎ ‎③可选用高氯酸钠-四甘醇二甲醚作电解液的理由是　　　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　。 ‎ ‎(3)用电化学法模拟工业处理SO2。将硫酸工业尾气中的SO2通入如图装置(电极均为惰性材料)进行实验,可用于制备硫酸,同时获得电能:‎ ‎①M极发生的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　。 ‎ ‎②质子交换膜右侧的溶液在反应后pH　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。 ‎ ‎③当外电路通过0.2 mol e-时,质子交换膜左侧的溶液质量　　　　(填“增大”或“减小”)　　　　克。 ‎ ‎【解析】(1)以金属钴和次磷酸钠为原料,用电解法制备次磷酸钴[Co(H2PO2)2],Co的化合价从0升高到+2,则Co的电极反应式为Co-2e-Co2+,‎ 产品室可得到次磷酸钴的原因是阳极室的Co2+通过阳离子交换膜进入产品室,原料室的H2P通过阴离子交换膜进入产品室与Co2+结合生成Co(H2PO2)2,所以B是阴离子交换膜;(2)①放电时,正极发生得到电子的还原反应,则根据总反应式可知电极反应式为3CO2+4Na++4e-2Na2CO3+C;②根据反应式可知每转移4 mol电子,正极质量增加2×106 g+12 g=224 g,所以当正极增加的质量为28 g时,转移电子的物质的量为×4 mol=0.5 mol。③根据题干信息以及金属钠的化学性质可知可选用高氯酸钠-四甘醇二甲醚作电解液的理由是导电性好、与金属钠不反应,难挥发等。(3)①该装置是原电池,反应原理为二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸,通入氧气的N电极是正极,原电池放电时,氢离子由负极移向正极,正极上氧气得电子和氢离子反应生成水,电极反应式为O2+4e-+4H+2H2O,负极M上,二氧化硫失电子和水反应生成硫酸,电极反应式为SO2-2e-+2H2O4H++S;②质子交换膜右侧为正极区,正极上氧气得电子和氢离子反应生成水,溶液中的氢离子浓度减小,pH增大;③质子交换膜左侧为负极区,负极上,二氧化硫失电子和水反应生成硫酸,电极反应式为SO2-2e-+2H2O4H++S,当外电路通过0.2 mol e-时,生成0.4 mol H+,有0.2 mol H+通过质子交换膜移向右侧,左侧的溶液质量增大64 g·‎ mol-1×0.1 mol-0.2 mol×1 g·mol-1=6.2 g。‎ 答案:(1)Co-2e-Co2+　阴 ‎(2)①3CO2+4Na++4e-2Na2CO3+C ‎②0.5 mol　③导电性好、与金属钠不反应、难挥发等(答案合理即可)‎ ‎(3)①SO2+2H2O-2e-S+4H+‎ ‎②增大　③增大　6.2‎