高中化學(xué)新教材同步選擇性必修第一冊 第4章 微專題12 電化學(xué)原理在污染治理中的應(yīng)用（同步講義）

微專題12電化學(xué)原理在污染治理中的應(yīng)用利用電化學(xué)原理把空氣中、溶液中的污染物去除或把有毒物質(zhì)變?yōu)闊o毒、低毒物質(zhì)，其具有易于控制、無污染或少污染、高度靈活性和經(jīng)濟性等優(yōu)點，也可以綜合運用原電池、電解池原理來解決生活生產(chǎn)中的實際問題。1．利用反應(yīng)6NO2＋8NH37N2＋12H2O構(gòu)成電池的方法，既能實現(xiàn)有效消除氮氧化物的排放，減輕環(huán)境污染，又能充分利用化學(xué)能，裝置如圖所示，下列說法不正確的是()A．電流從右側(cè)電極經(jīng)過負載后流向左側(cè)電極B．為使電池持續(xù)放電，離子交換膜需選用陰離子交換膜C．電極A極反應(yīng)式為2NH3－6e－N2＋6H＋D．當(dāng)有4.48LNO2(標準狀況)被處理時，轉(zhuǎn)移電子為0.8mol答案C解析由反應(yīng)6NO2＋8NH37N2＋12H2O可知，反應(yīng)中NO2為氧化劑，NH3為還原劑，則A為負極，B為正極。B為正極，A為負極，電流由正極經(jīng)導(dǎo)線流向負極，故A正確；原電池工作時，陰離子向負極移動，為使電池持續(xù)放電，離子交換膜需選用陰離子交換膜，防止二氧化氮反應(yīng)生成硝酸鹽和亞硝酸鹽，導(dǎo)致原電池不能正常工作，故B正確；電解質(zhì)溶液呈堿性，則負極電極反應(yīng)式為2NH3－6e－＋6OH－N2＋6H2O，故C錯誤；當(dāng)有4.48LNO2(標準狀況)即0.2mol被處理時，轉(zhuǎn)移電子為0.2mol×(4－0)＝0.8mol，故D正確。2．鈰(Ce)是鑭系金屬元素。空氣污染物NO通常用含Ce4＋的溶液吸收，生成HNO2、NOeq\o\al(－,3)，再利用電解法將上述吸收液中的HNO2轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)，同時生成Ce4＋，其原理如圖所示。下列說法正確的是()A．H＋由右室進入左室B．Ce4＋從電解槽的c口流出，且可循環(huán)使用C．陰極的電極反應(yīng)式：2HNO2＋6H＋＋6e－N2↑＋4H2OD．若用甲烷燃料電池作為電源，當(dāng)消耗標準狀況下33.6L甲烷時，理論上可轉(zhuǎn)化HNO22mol答案C解析A項，根據(jù)電解原理，H＋由左室向右室移動，錯誤；B項，空氣污染物NO通常用含Ce4＋的溶液吸收，生成HNO2、NOeq\o\al(－,3)，N的化合價升高，Ce4＋的化合價降低，然后對此溶液進行電解，又產(chǎn)生Ce4＋，根據(jù)電解原理，應(yīng)在陽極上產(chǎn)生，即Ce4＋從a口流出，可循環(huán)使用，錯誤；C項，根據(jù)電解原理，陰極上得電子，化合價降低，HNO2轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)，即轉(zhuǎn)化為N2，陰極電極反應(yīng)式為2HNO2＋6H＋＋6e－N2↑＋4H2O，正確；D項，標準狀況下，33.6L甲烷參與反應(yīng)轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量為eq\f(33.6×8,22.4)mol＝12mol，理論上可轉(zhuǎn)化HNO2的物質(zhì)的量為eq\f(12×2,6)mol＝4mol，錯誤。3．(2018·全國卷Ⅰ，13)最近我國科學(xué)家設(shè)計了一種CO2＋H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置，實現(xiàn)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(qū)發(fā)生反應(yīng)為：①EDTA-Fe2＋－e－EDTA-Fe3＋②2EDTA-Fe3＋＋H2S2H＋＋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(yīng)：CO2＋2H＋＋2e－CO＋H2OB．協(xié)同轉(zhuǎn)化總反應(yīng)：CO2＋H2SCO＋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＋，溶液需為酸性答案C解析由題中信息可知，石墨烯電極發(fā)生氧化反應(yīng)，為電解池的陽極，則ZnO@石墨烯電極為陰極。陽極接電源正極，電勢高，陰極接電源負極，電勢低，故石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯上的高，C項錯誤；由題圖可知，電解時陰極反應(yīng)式為CO2＋2H＋＋2e－CO＋H2O，A項正確；將陰、陽兩極反應(yīng)式合并可得總反應(yīng)式為CO2＋H2SCO＋H2O＋S，B項正確；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D項正確。4．(2019·南京建鄴區(qū)月考)H2S廢氣資源化利用途徑之一是回收能量并得到單質(zhì)硫。反應(yīng)原理為2H2S(g)＋O2(g)S2(s)＋2H2O(l)ΔH＝－632kJ·mol－1。如圖為質(zhì)子膜H2S燃料電池的示意圖。下列說法正確的是()A．電極a為電池的正極B．電極b上發(fā)生的電極反應(yīng)為O2＋2H2O＋4e－4OH－C．電路中每流過4mol電子，電池內(nèi)部釋放632kJ熱能D．每17gH2S參與反應(yīng)，有1molH＋經(jīng)質(zhì)子膜進入正極區(qū)答案D解析由2H2S＋O2S2＋2H2O得出負極H2S失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則a為電池的負極，故A錯誤；正極O2得電子發(fā)生還原反應(yīng)，所以電極b上發(fā)生的電極反應(yīng)為O2＋4H＋＋4e－2H2O，故B錯誤；電路中每流過4mol電子，則消耗1mol氧氣，但該裝置將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，所以電池內(nèi)部幾乎不放出熱能，故C錯誤；每17g即eq\f(17g,34g·mol－1)＝0.5molH2S參與反應(yīng)，則消耗0.25mol氧氣，則根據(jù)O2＋4H＋＋4e－2H2O可知，有1molH＋經(jīng)質(zhì)子膜進入正極區(qū)，故D正確。5．按照要求回答下列問題。(1)工業(yè)上，在強堿性條件下用電解法除去廢水中的CN－，裝置如圖所示，依次發(fā)生的反應(yīng)有：ⅰ.CN－－2e－＋2OH－CNO－＋H2Oⅱ.2Cl－－2e－Cl2↑ⅲ.3Cl2＋2CNO－＋8OH－N2＋6Cl－＋2COeq\o\al(2－,3)＋4H2O①a為電源________極。②通電過程中溶液pH不斷________(填“增大”“減小”或“不變”)。③除去1molCN－，外電路中至少需要轉(zhuǎn)移________mol電子。④為了使電解池連續(xù)工作，需要不斷補充________。答案①正②減?、?④NaOH和NaCl解析①電解時鐵電極作陰極，則b為電源負極，a為電源正極；②陰極反應(yīng)式為：2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，根據(jù)反應(yīng)ⅰ、ⅱ、ⅲ及陰極反應(yīng)式可知，通電過程中消耗OH－的量大于生成OH－的量，故溶液pH不斷減小；③反應(yīng)ⅰ轉(zhuǎn)移2e－，反應(yīng)ⅲ轉(zhuǎn)移6e－，故除去1molCN－，外電路中至少需要轉(zhuǎn)移2mol＋eq\f(1,2)×6mol＝5mol電子；④通電過程中OH－不斷被消耗，且有部分Cl2逸出，為了使電解池連續(xù)工作，需要不斷補充NaOH和NaCl。(2)利用如圖所示裝置(電極均為惰性電極)可吸收SO2，并用陰極排出的溶液吸收NO2來解決環(huán)境污染問題。①陰極的電極反應(yīng)式為：_________________________________________________________；②陽極的電極反應(yīng)式為：_________________________________________________________；③電解時，H＋通過陽離子交換膜的移動方向是_______________________________________。答案①2HSOeq\o\al(－,3)＋2H＋＋2e－S2Oeq\o\al(2－,4)＋2H2O②SO2＋2H2O－2e－SOeq\o\al(2－,4)＋4H＋③由陽極室到陰極室解析由圖中信息可知，兩電極連接在直流電源上，所以該裝置為電解池；二氧化硫被氧化為硫酸，而HSOeq\o\al(－,3)被還原為S2Oeq\o\al(2－,4)。根據(jù)電解原理，陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)而陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，所以通入二氧化硫的為陽極室，另一側(cè)為陰極室，所以a連接電源的正極，b連接電源的負極，電解池中一般溶液中的陽離子向陰極定向移動，而陰離子向陽極定向移動，但是由動。(3)用NaOH溶液吸收煙氣中的SO2，將所得的Na2SO3溶液進行電解，可循環(huán)再生NaOH，同時得到H2SO4，其原理如下圖所示(電極材料為石墨)。①圖中a極要連接電源的________(填“正”或“負”)極，C口流出的物質(zhì)是________。②SOeq\o\al(2－,3)放電的電極反應(yīng)式為_____________________________________。③電解過程中陰極區(qū)堿性明顯增強，用平衡移動原理解釋原因：_________________________________________________________________________________________。答案①負硫酸②SOeq\o\al(2－,3)－2e－＋H2OSOeq\o\al(2－,4)＋2H＋③水為弱電解質(zhì)，存在H2OH＋＋OH－，在陰極H＋放電生成H2，c(H＋)減小，水的電離平衡正向移動，堿性增加解析根據(jù)Na＋、SOeq\o\al(2－,3)的移向判斷陰、陽極。Na＋移向陰極區(qū)，a極應(yīng)接電源負極，b極應(yīng)接電源正極，其電極反應(yīng)式分別為陽極：SOeq\o\al(2－,3)－2e－＋H2OSOeq\o\al(2－,4)＋2H＋陰極：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－所以從C口流出的是H2SO4，在陰極區(qū)，由于H＋放電，破壞了水的電離平衡，c(H＋)減小，c(OH－)增大，生成NaOH，堿性增強，從B口流出的是濃度較大的NaOH溶液。(4)用零價鐵(Fe)去除水體中的硝酸鹽(NOeq\o\al(－,3))已成為環(huán)境修復(fù)研究的熱點之一。Fe還原水體中的NOeq\o\al(－,3)的反應(yīng)原理如圖1所示。①作負極的物質(zhì)是________。②正極的電極反應(yīng)式是________________________________________________________