2021届高考化学一轮复习串联电池与膜电池作业
串联电池与膜电池常考题型
一、选择题(本题包括6小题,每小题7分,共42分)
1.某同学组装了如图所示的电化学装置,电极Ⅰ为Al,其他均为Cu,则 ( )
A.电流方向:电极Ⅳ→Ⓐ→电极Ⅰ
B.电极Ⅰ发生还原反应
C.电极Ⅱ逐渐溶解
D.电极Ⅲ的电极反应:Cu2++2e-Cu
【解析】选A。带盐桥的装置①、②构成原电池,Ⅰ为负极,Ⅱ为正极,装置③为电解池。A项,电子移动方向:电极Ⅰ→Ⓐ→电极Ⅳ,电流方向与电子移动方向相反,正确;B项,原电池负极在工作中发生氧化反应,错误;C项,原电池正极上发生还原反应,Cu2+在电极Ⅱ上得电子,生成铜单质,该电极质量逐渐增大,错误;D项,电解池中阳极为活性电极时,电极本身被氧化,生成的离子进入溶液中,因为电极Ⅱ为正极,因此电极Ⅲ为电解池的阳极,其电极反应式为Cu-2e-Cu2+,错误。
2.下图所示的电解池Ⅰ和Ⅱ中,a、b、c和d均为Pt电极。电解过程中,电极b和d上没有气体逸出,但质量均增大,且增重量b
d,故B项不合题意。
3.重铬酸钾又名红矾钾,是化学实验室中的一种重要分析试剂。工业上以铬酸钾(K2CrO4) 为原料,采用电化学法制备重铬酸钾(K2Cr2O7)。制备装置如图所示(阳离子交换膜只允许阳离子通过)下列说法错误的是 ( )
A.阳极室中溶液的颜色逐渐由黄色变为橙色
B.装置中的隔膜为阴离子交换膜
C.电解的过程中阴极附近溶液pH变大
D.阴极每生成1 mol气体,电路中转移2NA个电子
【解析】选B。A.阳极室发生氧化反应,氢氧根离子失去电子放电,电极反应为4OH--4e-O2↑+2H2O 或2H2O-4e-O2↑+4H+,阳极区氢离子浓度增大, 2Cr(黄色)+2H+Cr2(橙色)+H2O,平衡右移,溶液由黄色逐渐变为橙色,故A正确;B.装置中的隔膜为阳离子交换膜,故B错误;C.电解的过程中阴极附近溶液pH变大,2H2O+2e-H2+2OH-,故C正确;D.由2H2O+2e-H2+2OH-可知,阴极每生成1 mol 气体,电路中转移2NA个电子,故D正确。
4.图中X为电源,Y为浸透饱和食盐水和酚酞试液的滤纸,滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液,通电后Y中央的紫红色斑向d端扩散。下列判断正确的是 ( )
A.滤纸上d点附近会变红色
B.Cu电极质量减小,Pt电极质量增大
C.Z中溶液的pH不断减小
D.溶液中的S向Cu电极定向移动
【解析】选C。紫红色斑即Mn向d端扩散,根据阴离子向阳极移动的原理,可知d端为阳极,即b为正极,a为负极。c端为阴极,NaCl溶液中H+放电,产生OH-,c点附近会变红色,A错误;电解硫酸铜溶液时,Pt为阳极,溶液中的OH-放电: 4OH--4e-O2↑+2H2O,Cu为阴极,溶液中的Cu2+得电子,生成铜,总反应式为2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4,Pt电极附近生成H+,则S向Pt极移动,B、D不正确;随着电解的进行,Z中溶液变为硫酸溶液,再电解则为电解水,硫酸浓度不断增大,pH不断减小,C正确。
5.探索二氧化碳在海洋中的转移和归宿,是当今海洋科学研究的前沿领域。研究表明,溶于海水的二氧化碳主要以无机碳形式存在,其中HC占95%。科学家利用如图所示装置从海水中提取CO2,有利于减少环境温室气体含量。
下列说法不正确的是 ( )
A.a室中OH-在电极板上被氧化
B.b室发生反应的离子方程式为H++HCCO2↑+H2O
C.电路中每有0.2 mol 电子通过时,就有0.2 mol阳离子从c室移至b室
D.若用氢氧燃料电池供电,则电池负极可能发生的反应为H2+2OH--2e-2H2O
【解析】选C。a室是阳极室,OH-在电极板上失电子被氧化生成氧气,A正确;a室中生成的氢离子移入b室, b室发生反应的离子方程式为:H++HCCO2↑+H2O,B正确;阳离子由阳极移向阴极,所以阳离子从b室移至c室,C错误;碱性氢氧燃料电池的负极反应为:H2+2OH--2e-2H2O,D正确。
6.(2019·重庆模拟)用甲醇燃料电池作电源,用铁作电极电解含Cr2的酸性废水,利用生成的Fe2+可将Cr2转化成Cr(OH)3沉淀而除去,装置如图。下列说法正确的是 ( )
A.由b口加入物质为O2
B.燃料电池负极的电极反应式为CH3OH+8OH--6e-C+6H2O
C.电解过程中,Fe(Ⅰ)质量减少,Fe(Ⅱ)上有气体产生
D.电路中每转移6 mol 电子,最多有1 mol Cr2被还原
【解析】选C。由图中质子的迁移方向可知,M为负极、N为正极,所以b口进入的是甲醇、c口进入的是氧气,Fe(Ⅰ)是阳极、Fe(Ⅱ)是阴极。由b口加入物质为甲醇,A项错误;燃料电池负极的电极反应式为CH3OH-6e-+2H2OC+8H+,B项错误;电解过程中,Fe(Ⅰ)是阳极,其质量减少,Fe(Ⅱ)是阴极,氢离子放电产生氢气,C正确;电路中每转移6 mol 电子,可以生成3 mol Fe2+,所以最多有0.5 mol Cr2被还原,D项错误。
二、非选择题(本题包括4小题,共58分)
7.(14分)某兴趣小组的同学用如图所示装置研究有关电化学的问题。当闭合该装置的开关时,观察到电流计的指针发生了偏转。
请回答下列问题:
(1)甲池为________(填“原电池”“电解池”或“电镀池”),通入CH3OH的电极的电极反应式为______________。
(2)乙池中A(石墨)电极的名称为________(填“正极”“负极”“阴极”或“阳极”),乙池中发生反应的总电极反应式为__________________________。
(3)当乙池中B极质量增加5.40 g时,甲池中理论上消耗O2的体积为________mL(标准状况),丙池中________(填“C”或“D”)极析出________g铜。
【解析】(1)甲池为原电池,通入CH3OH的电极发生氧化反应,为负极,电极反应式为CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O。
(2)乙池为用惰性电极电解AgNO3溶液,总电极反应式为4AgNO3+2H2O4Ag+O2↑+4HNO3。
(3)根据各电极上转移电子的数目相同得n(Ag)=4n(O2)=2n(Cu),V(O2)=××22.4 L·mol-1=0.28 L=280 mL,m(Cu)=××
64 g·mol-1=1.60 g。
答案:(1)原电池 CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O (2)阳极 4AgNO3+2H2O4Ag+O2↑+4HNO3 (3)280 D 1.60
8.(14分)(用于物质制备)SO2、CO、CO2、NOx是对环境影响较大的几种气体,对它们的合理控制和治理是优化我们生存环境的有效途径。
(1)利用电化学原理将CO、SO2转化为重要化工原料,装置如图所示:
①若A为CO,B为H2,C为CH3OH,则通入CO的一极为________极。
②若A为SO2,B为O2,C为H2SO4,则负极的电极反应式为____________。
③若A为NO2,B为O2,C为HNO3,则正极的电极反应式为_________________。
(2)某研究小组利用下列装置用N2O4生产新型硝化剂N2O5。
①现以H2、O2、熔融盐Na2CO3组成燃料电池,采用电解法制备N2O5,装置如图所示,其中Y为CO2。在该电极上同时还引入CO2的目的是______________________。
②电解过程中,生成N2O5的电极反应方程式为_______________________。
【解析】(1)①一氧化碳和氢气反应转化为甲醇的过程中氢元素的化合价升高,碳元素的化合价降低,因此氢气被氧化在负极反应,一氧化碳被还原在正极反应。②二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸过程中,硫元素化合价升高,二氧化硫被氧化在负极反应。③二氧化氮、氧气和水反应生成硝酸过程中,氧元素的化合价降低,氧气被还原在正极反应。
(2)①燃料电池工作时燃料失电子,在负极反应,因此氢气在负极反应,失去电子被氧化,转化为氢离子,氢离子和碳酸根离子结合,最终转化为二氧化碳和水,氧气在正极反应,得到电子被还原,转化为氧负离子,氧负离子和二氧化碳结合,最终转化为碳酸根离子,进而保证了电解质熔融盐成分不变。②四氧化二氮转化为五氧化二氮,氮元素化合价升高,发生氧化反应。
答案:(1)①正 ②SO2-2e-+2H2OS+4H+
③O2+4e-+4H+2H2O
(2)①在电极上与O2共同转化为C,保持熔融盐成分不变
②N2O4+2HNO3-2e-2N2O5+2H+
9.(15分)如图所示装置中,甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100 g 5.00%的NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和100 g 10.00%的K2SO4溶液,电极均为石墨电极。
(1)接通电源,经过一段时间后,测得丙中K2SO4浓度为10.47%,乙中c电极质量增加。据此回答问题:
①电源的N端为________极;
②电极b上发生的电极反应为________________________________;
③列式计算电极b上生成的气体在标准状况下的体积:
_________________________________________________________;
④电极c的质量变化是________g;
⑤电解前后各溶液的酸、碱性大小是否发生变化,简述其原因:
甲溶液_________________________________________________________;
乙溶液_________________________________________________________;
丙溶液_________________________________________________________;
(2)如果电解过程中铜全部析出,此时电解____________(填“能”或“不能”)继续进行,原因是_______________________________________________。
【解析】(1)乙中c电极质量增加,则c处发生的反应为Cu2++2e-Cu,即c为阴极,由此可推出b为阳极,a为阴极,M为负极,N为正极。丙中为电解K2SO4溶液相当于电解水,设电解的水的质量为x g。由电解前后溶质质量相等有:100× 10.00%=(100-x)×10.47%,得x=4.5 g,故为0.25 mol。由方程式2H2O2H2↑+
O2↑可知,消耗2 mol H2O,转移4 mol电子,所以整个反应中转移0.5 mol电子,而整个电路是串联的,故每个烧杯中的电极上转移电子数是相等的。甲中为NaOH,相当于电解H2O,阳极b处为阴离子OH-放电。即4OH--4e-2H2O+O2↑。转移0.5 mol电子,则生成O2为0.5/4=0.125 mol,标准状况下的体积为0.125 mol×
22.4 L·mol-1=2.8 L。Cu2++2e-Cu,转移0.5 mol电子,则生成的m(Cu)=0.5/2
×64=16 g。甲中相当于电解水,故NaOH的浓度增大,碱性增大。乙中阴极为Cu2+放电,阳极为OH-放电,所以H+增多,故酸性增大。丙中为电解水,对于K2SO4而言。其pH几乎不变。(2)铜全部析出,可以继续电解H2SO4,有电解液即可电解。
答案:(1)①正 ②4OH--4e-2H2O+O2↑
③水减少的质量:100 g×=4.5 g,
在标准状况下生成氧气的体积:××22.4 L·mol-1=2.8 L
④16 ⑤碱性增大,因为电解水后,水量减少,溶液中NaOH浓度增大 酸性增大,因为阳极上OH-生成O2,H+浓度增大 酸、碱性大小没有变化,因为K2SO4是强酸强碱盐,浓度增加不影响溶液的酸碱性
(2)能 CuSO4溶液已转变为H2SO4溶液,反应也就变为水的电解反应
10.(15分)燃料电池具有广阔的发展前途,科学家近年研制出一种微型的燃料电池,采用甲醇取代氢气作燃料可以简化电池设计,该电池有望取代传统电池。某学生在实验室利用碱性甲醇燃料电池电解Na2SO4溶液。
请根据图示回答下列问题:
(1)图中a电极是__________(填“正极”“负极”“阴极”或“阳极”),该电极上发生的电极反应式为__ ________________________________。
(2)碱性条件下,通入甲醇的一极发生的电极反应式为____________________。
(3)当消耗3.36 L氧气时(已折合为标准状况),理论上电解Na2SO4溶液生成气体的总物质的量是__________mol。
(4)若a、b电极材料分别为铁和石墨,则电解总反应化学方程式为________。
(5)N2O5是一种新型硝化剂,其性质和制备受到人们的关注。现以H2、O2、熔融盐Na2CO3组成的燃料电池,采用电解法制备N2O5,装置如图所示,其中Y为CO2。
写出石墨Ⅰ电极上发生反应的电极反应式 ____________________________;
在电解池中生成N2O5的电极反应式为 ________________________________。
【解析】(1)燃料电池中,通入燃料甲醇的电极是负极,通入氧气的电极是正极,电解池中,和电源负极相连的b极是阴极,和电源正极相连的a极是阳极,电解硫酸钠溶液,在阳极上是氢氧根离子发生失电子的氧化反应,该电极上发生的电极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O。
(2)燃料电池的负极上是燃料甲醇发生失电子的氧化反应,装置中存在质子交换膜,则电极反应为CH3OH-6e- +8OH-C +6H2O。
(3)氧气在燃料电池的正极上通入,正极反应:O2+4H++4e-2H2O,当消耗3.36 L即0.15 mol氧气时(已折合为标准状况),转移电子的量是0.15 mol×4=0.6 mol,电解Na2SO4溶液的实质是电解水,根据电解方程式:2H2O2H2↑+O2↑,转移电子的量是0.6 mol时,生成气体的物质的量是0.45 mol。
(4)若a、b电极材料分别为铁和石墨,铁失去电子,阴极石墨上氢离子放电,则电解总反应化学方程式为Fe+2H2OFe(OH)2+H2↑。
(5)燃料原电池中,负极上燃料失电子和碳酸根离子反应生成二氧化碳和水,电极反应式为H2+C-2e-CO2+H2O;N2O5中氮元素的化合价是+5价,而硝酸中氮元素也是+5价。因此应该在左侧生成N2O5,即在阳极区域生成。据电极反应离子放电顺序可知:阴极发生2H++2e-H2↑的反应,则阳极为N2O4+2HNO3-2e- N2O5+2H+。
答案:(1)阳极 4OH--4e-O2+2H2O
(2)CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O
(3)0.45
(4)Fe+2H2OFe(OH)2+H2↑
(5)H2+C-2e-CO2+H2O
N2O4+2HNO3-2e-2N2O5+2H+
