2023屆新高考化學選考一輪總復習學案-熱點10　電化學原理的綜合應用

熱點10電化學原理的綜合應用考點一含離子交換膜電池的應用1.常見的離子交換膜(1)陽離子交換膜,簡稱陽膜,只允許陽離子通過,即允許H+和其他陽離子通過,不允許陰離子通過。(2)陰離子交換膜,簡稱陰膜,只允許陰離子通過,即允許OH-和其他陰離子通過,不允許陽離子通過。(3)質(zhì)子交換膜,只允許H+通過,不允許其他陽離子和陰離子通過。2.隔膜的作用(1)能將兩極區(qū)隔離,阻止兩極區(qū)產(chǎn)生的物質(zhì)接觸,防止發(fā)生化學反應。(2)能選擇性地允許離子通過,起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。3.判斷離子交換膜類型的步驟第一步:明確電解質(zhì)溶液中存在的粒子。第二步:結(jié)合題設信息,確定物質(zhì)生成或消耗的電極區(qū)域。第三步:運用電化學原理寫出電極反應式,依據(jù)電中性原則,確定離子的移動方向。第四步:依據(jù)離子移動方向,判斷離子交換膜類型。4.離子交換膜試題的解題例析如電解法可將含有AnBm的廢水再生為HnB和A(OH)m,已知A為金屬活動性順序表中H前金屬,Bn-為含氧酸根離子。[典例1](2021·廣東卷)鈷(Co)的合金材料廣泛應用于航空航天、機械制造等領域。如圖為水溶液中電解制備金屬鈷的裝置示意圖。下列說法正確的是()A.工作時,Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B.生成1molCo,Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少16gC.移除兩交換膜后,石墨電極上發(fā)生的反應不變D.電解總反應:2Co2++2H2O2Co+O2↑+4H+解析:石墨電極為陽極,電極反應式為2H2O-4e-O2↑+4H+,H+通過陽離子交換膜由Ⅰ室進入Ⅱ室,右側(cè)Co電極為陰極,電極反應式為Co2++2e-Co,Cl-通過陰離子交換膜由Ⅲ室進入Ⅱ室,與H+結(jié)合生成鹽酸。由上述分析知,Ⅰ室中水放電使硫酸濃度增大,Ⅱ室中生成鹽酸,故Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均減小,A錯誤;生成1molCo時,轉(zhuǎn)移2mol電子,Ⅰ室有0.5mol(即16g)O2逸出,有2mol(即2g)H+通過陽離子交換膜進入Ⅱ室,則Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少18g,B錯誤;移除兩交換膜后,石墨電極上的電極反應為2Cl--2e-Cl2↑,C錯誤;根據(jù)上述分析可知,電解時生成了O2、Co、H+,則電解總反應為2Co2++2H2O2Co+O2↑+4H+,D正確。答案:D三步法解答有關“膜”裝置題[對點精練1]一種新型鎂硫二次電池的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是(D)A.b電極添加石墨烯可以提高電池正極材料導電性B.放電時,正極反應包括Mg2++MgS2+2e-2MgSC.隔膜是陽離子交換膜,充電時Mg2+從b極移向a極D.充電時,若發(fā)生2mol電子轉(zhuǎn)移,則陽極增加的質(zhì)量為24g解析:A.Mg為負極,被氧化生成Mg2+,b電極為正極,石墨烯可以導電,則b電極添加石墨烯可以提高電池正極材料導電性,正確;B.放電時,正極上發(fā)生還原反應,得電子,根據(jù)裝置圖可判斷正極反應包括Mg2++MgS2+2e-2MgS,正確;C.據(jù)題圖可知,溶液中的陽離子Mg2+通過隔膜移向正極,所以使用的隔膜是陽離子交換膜,充電時Mg2+從b極移向a極,正確;D.充電時,陽極發(fā)生失去電子的氧化反應,電極反應式包括2MgS-2e-MgS2+Mg2+,則陽極質(zhì)量減少,錯誤。[對點精練2]某混合物漿液含有Al(OH)3、MnO2和少量Na2CrO4?？紤]到膠體的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出,某研究小組利用設計的電解分離裝置(見圖),使?jié){液分離成固體混合物和含鉻元素溶液,并回收利用。下列說法不正確的是(C)A.用惰性電極電解時,CrO42-B.通電后,陰極室溶液pH增大C.分離后,含鉻元素的粒子是CrOD.通電后,相同條件下陰、陽兩極產(chǎn)生氣體體積之比為2∶1解析:A.電解時,陰離子向陽極移動,即在直流電場作用下,CrO42-通過陰離子交換膜向陽極室移動,脫離漿液,正確;B.通電后,陰極上水中的氫離子放電,即2H2O+2e-H2↑+2OH-,OH-濃度增大,pH增大,正確;C.電解時,陽極上水中的氫氧根離子放電,即2H2O-4e-O2↑+4H+,H+在陽極區(qū)增多,CrO42-向陽極移動,由于存在2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O,H+濃度增大,平衡向右移動,所以分離后含鉻元素的粒子是Cr考點二“串聯(lián)”類電池的識別與分析一、電解池的“串聯(lián)”——有外接電源型1.常見模型裝置A、B為兩個串聯(lián)電解池,相同時間內(nèi),各電極得失電子數(shù)相等。2.判斷方法與電源負極相連的是陰極,或根據(jù)“電解池串聯(lián)時陰、陽極交替出現(xiàn)”的原則正推電極,也可以通過裝置中某極的變化、現(xiàn)象反推電極。電極位置相同,作用也相同。若電解池陽極材料與電解質(zhì)溶液中的陽離子相同,則該裝置為電鍍池。則甲為電鍍池,乙、丙均為電解池。二、原電池與電解池的“串聯(lián)”——無外接電源型一般多個電池“串聯(lián)”在一起,但沒有外接直流電源,其中一個裝置是原電池,在裝置中兩個電極活潑性差異較大的為原電池,較活潑的電極作負極,其余均為電解池。具體可從三個角度進行判斷:1.根據(jù)電極材料和電解質(zhì)溶液判斷原電池一般是兩種材料不同的電極;而電解池則一般都是兩個惰性電極。原電池中的電極材料和電解質(zhì)溶液能發(fā)生自發(fā)氧化還原反應,電解池的電極材料和電解質(zhì)溶液一般不能發(fā)生自發(fā)氧化還原反應。如圖中B為原電池,A為電解池。2.根據(jù)電極反應現(xiàn)象判斷在某些裝置中根據(jù)電極反應或反應現(xiàn)象可判斷電極,并由此判斷電池類型。如圖所示,若C極溶解,D極上析出Cu,B極附近溶液變紅,A極上放出黃綠色氣體,則可知乙是原電池,D是正極,C是負極;甲是電解池,A是陽極,B是陰極。B、D極發(fā)生還原反應,A、C極發(fā)生氧化反應。3.根據(jù)“鹽橋”判斷“串聯(lián)”各裝置中如果用“鹽橋”將兩裝置相連接,則這兩裝置及鹽橋組成原電池,其中較活潑的金屬作原電池的負極,較不活潑的金屬作原電池的正極,其他裝置為電解池。如圖所示,乙、丙及鹽橋組成原電池,Fe為負極,Ag為正極;甲為電解池,A為陽極,B為陰極。[典例2](2021·嘉興二模)如圖為擬通過甲裝置除去污水中的乙酸鈉和對氯苯酚,同時利用此裝置產(chǎn)生的電能進行粗銅的精煉。下列說法不正確的是()A.B極為負極,發(fā)生氧化反應B.當電路中有0.2mol電子通過時,Y極質(zhì)量可能減少3.2gC.A極的電極反應式:+e-+Cl-D.反應一段時間后,經(jīng)甲裝置排出的污水pH減小解析:A.由圖示可知,氫離子由B極移向A極,所以B極為負極,發(fā)生氧化反應,正確;B.B極是負極,A極是正極,則Y極是陽極,Y極可能是粗銅中銅、鐵等金屬失電子,當電路中有0.2mol電子通過時,Y極質(zhì)量可能減少3.2g,正確;C.A極是正極,發(fā)生還原反應,電極反應式為+2e-+H++Cl-,錯誤;D.負極反應式為CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,正極反應式為+2e-+H++Cl-,轉(zhuǎn)移相同電子時,負極生成的氫離子多于正極消耗的氫離子,則反應一段時間后,經(jīng)甲裝置排出的污水pH減小,正確。答案:C“串聯(lián)”類電池的解題流程[對點精練3]鈷酸鋰電池是目前用量最大的鋰離子電池,用它作電源按如圖裝置進行電解。通電后,a電極上一直有氣泡產(chǎn)生;d電極附近先出現(xiàn)白色沉淀(CuCl),后白色沉淀逐漸轉(zhuǎn)變成橙黃色沉淀(CuOH)。下列有關敘述正確的是(D)A.已知鈷酸鋰電池放電時總反應為Li1-xCoO2+LixC6LiCoO2+6C,則Li1-xCoO2作負極,失電子B.當外電路中轉(zhuǎn)移0.2mol電子時,理論上裝置Ⅰ中加入100mL2mol/L鹽酸可復原C.d電極為陰極,電解過程中發(fā)生反應Cu+Cl--e-CuClD.隨著電解的進行,裝置Ⅱ中發(fā)生轉(zhuǎn)化:CuCl+OH-CuOH+Cl-解析:A項,根據(jù)電池總反應知,LixC6作負極,則Li1-xCoO2作正極,得電子,錯誤;B項,鹽酸中的水會稀釋Ⅰ中的溶液,故不可復原,錯誤;C項,a電極上一直有氣泡產(chǎn)生,且a電極的材料為銅,故a電極為陰極,d電極為陽極,d極反應式為Cu+Cl--e-CuCl,錯誤;D項,d電極附近先產(chǎn)生白色沉淀(CuCl),后白色沉淀逐漸轉(zhuǎn)變成橙黃色沉淀(CuOH),發(fā)生的反應是CuCl+OH-CuOH+Cl-,正確。[對點精練4]碳呼吸電池被譽為改變世界的創(chuàng)新技術,設想用碳呼吸電池為鈉硫電池充電的裝置如圖所示。下列說法不正確的是(C)A.b極是多孔碳電極B.充電時,Na+通過固體氧化鋁陶瓷向M極移動C.隨著反應的進行,碳呼吸電池中C2O4D.充電過程中,碳呼吸電池每消耗1molAl,N極上可生成1.5xmolS單質(zhì)解析:A項,M電極是陰極,則a極為外接電源的負極,應是鋁電極,多孔碳電極為正極,正確;B項,充電時,M電極是陰極,Na+通過固體氧化鋁陶瓷向M極移動,正確;C項,多孔碳電極的電極反應式為6CO2+6e-3C2O42-,鋁極反應為2Al-6e-+3C2O42-Al2(C2O4)3,隨著反應的進行,碳呼吸電池中C2O42-考點三電化學中的定量計算1.解題關鍵(1)電極名稱要區(qū)分清楚。(2)電極產(chǎn)物要判斷準確。(3)各產(chǎn)物間量的關系遵循得失電子守恒。2.計算步驟(1)根據(jù)現(xiàn)象或其他條件(如果是電解池,可以根據(jù)與電源正負極的連接情況),準確判定電極上發(fā)生氧化還原反應的類型和電極名稱。(2)準確寫出電極反應式。(3)根據(jù)題目所給條件和所要求解的問題,使用上述合適的方法建立等量關系求解。[典例3](2021·杭州二模)以NaCl溶液模擬海水,采用惰性電極處理有機廢水的裝置如圖所示(以含CH3COO-的溶液為例)。下列說法不正確的是()A.負極反應為CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+B.隔膜1為陰離子交換膜,隔膜2為陽離子交換膜C.當電路中轉(zhuǎn)移1mol電子時,模擬海水理論上最多可除鹽58.5gD.電池工作一段時間后,正、負極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為1∶2解析:A.a極為負極,b極為正極,有機廢水中的CH3COO-在負極失電子生成CO2,電極反應式為CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,正確;B.原電池工作時,陰離子移向負極,陽離子移向正極,即NaCl溶液中的Na+通過陽離子交換膜移向b極,Cl-通過陰離子交換膜移向a極,達到海水淡化目的,所以隔膜1為陰離子交換膜,隔膜2為陽離子交換膜,正確;C.由于電子與Na+、Cl-所帶電荷數(shù)相等,所以電路中轉(zhuǎn)移1mol電子時,通過離子交換膜的Na+、Cl-的物質(zhì)的量均為1mol,質(zhì)量為1mol×58.5g/mol=58.5g,即模擬海水理論上最多可除鹽58.5g,正確;D.負極反應式為CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,正極反應式為2H++2e-H2↑,若轉(zhuǎn)移8mole-,正極得到4molH2,負極得到2molCO2,即正、負極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為2∶1,錯誤。答案:D電化學三種計算方法[對點精練5]科學家設計出質(zhì)子膜H2S燃料電池,實現(xiàn)了利用H2S廢氣資源回收能量并得到單質(zhì)硫。質(zhì)子膜H2S燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。下列說法錯誤的是(D)A.電極a發(fā)生氧化反應B.電極b上發(fā)生的電極反應:O2+4H++4e-2H2OC.電路中每通過4mol電子,在正極消耗標準狀況下44.8LH2SD.每17gH2S參與反應,有2molH+經(jīng)質(zhì)子膜進入正極區(qū)解析:根據(jù)燃料電池的特點知,通氧氣的一極為正極,故電極b為正極,電極a為負極,失去電子,發(fā)生氧化反應,A項正確;電極b為正極,氧氣得電子生成水,B項正確;從裝置圖可以看出,電池總反應為2H2S+O2S2+2H2O,電路中每通過4mol電子,正極應該消耗1molO2,負極應該有2molH2S反應,在標準狀況下,體積為44.8L,C項正確;17gH2S為0.5mol,每0.5molH2S參與反應會消耗0.25molO2,根據(jù)正極反應式O2+4H++4e-2H2O可知,有1molH+經(jīng)質(zhì)子膜進入正極區(qū),D項錯誤。[對點精練6](2020·全國Ⅱ卷節(jié)選)CH4和CO2都是比較穩(wěn)定的分子,科學家利用電化學裝置實現(xiàn)兩種分子的耦合轉(zhuǎn)化,其原理如圖所示:(1)陰極上的反應式為。(2