备考2024届高考化学一轮复习讲义第六章化学反应与能量变化第7讲电解池工作原理的新型应用

第7讲电解池工作原理的新型应用课标要求核心考点五年考情核心素养对接能分析、解释电解池的工作原理电解池工作原理的新型应用2023北京，T5、T16；2023全国甲，T12；2023湖北，T10；2022湖北，T14；2021辽宁，T13；2021天津，T11；2021广东，T16证据推理与模型认知：能分析、识别复杂的电解池装置并进行推理命题分析预测1.电解池工作原理的新型应用常结合工业生产中的多室膜电解槽（电渗析法）制备或分离提纯物质，考查多室膜电解槽中离子交换膜类型的判断、电解质溶液中离子的移动方向等。2.预计2025年高考仍会结合工业生产实际考查电解池工作原理的应用，要重点关注：（1）温室气体（如CO2）的还原，体现电解池原理在物质与能量转化中的作用；（2）结合工业流程通过电解制备金属单质；（3）通过电解治理污染考点电解池工作原理的新型应用应用电解池进行物质制备（多室电解池）装置工作原理四室电渗析法制备H3PO2（次磷酸）阳极反应式：[1]2H2O－4e－O2↑＋4H＋。阴极反应式：[2]2H2O＋2e－H2↑＋2OH－（1）若去掉阳极室与产品室之间的阳离子交换膜，生成物中除H3PO2外，还有[3]H3PO4，生成该物质的电极反应式为[4]H2PO2－－4e－＋2H2OH3PO4＋3H＋（2）若原料室中物质改为NaNO3浓溶液，则产品室中溶质为[5]HNO3（填化学式，下同）。（3）若原料室中物质改为NaHSO3浓溶液，则产品室中可能的产物为[6]H2SO3（或SO2）。（4）若原料室中物质改为NaBr浓溶液，则产品室中溶质为[7]HBr2.应用电解池除去有害或有毒物质装置工作原理阳极区反应式：[8]2Cl－－2e－Cl2↑、Cl2＋H2O⇌HCl＋HClO、3HClO＋CO（NH2）2CO2↑＋N2↑＋3HCl＋2H2O。提示：HClO氧化尿素生成CO2、N2。阴极反应式：[9]2H2O＋2e－H2↑＋2OH－若将尿素更换为少量NaCN，则次氯酸氧化CN－生成CO2、N2的离子方程式为[10]5HClO＋2CN－2CO2↑＋N2↑＋5Cl－＋H2O＋3H＋3.电解池与“碳中和”装置工作原理（1）CO2制备乙烯时，阳极反应式为[11]4OH－－4e－O2↑＋2H2O；阴极反应式为[12]2CO2＋12e－＋12H＋CH2CH2＋4H2O。（2）CO2制备HCOOH时，阴极反应式为[13]CO2＋2e－＋2H＋HCOOH。（3）CO2制备CH3OH（CH3CH2CH2OH）时，阴极反应式为[14]CO2＋6e－＋6H＋CH3OH＋H2O（3CO2＋18e－＋18H＋CH3CH2CH2OH＋5H2O）双极膜中水电离出的H＋移向[15]右（填“左”或“右”）池4.应用电解池实现有机物的转化装置工作原理CH4和CO2的耦合转化CH4→CH3CH3时，阳极反应式：[16]2CH4－2e－＋O2－CH3CH3＋H2O。CH4→C2H4时，阳极反应式：[17]2CH4－4e－＋2O2－CH2CH2＋2H2O。阴极反应式：[18]CO2＋2e－CO＋O2－。电解池反应：[19]2CH4＋CO2CH3CH3＋CO＋H2O，[20]2CH4＋2CO2CH2CH2＋2CO＋2H2O研透高考明确方向命题点1多室电解池1.[2021天津]如图所示电解装置中，通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成，Fe2O3逐渐溶解，下列判断错误的是（C）A.a是电源的负极B.通电一段时间后，向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出现红色C.随着电解的进行，CuCl2溶液浓度变大D.当0.01molFe2O3完全溶解时，至少产生气体336mL（折合成标准状况下）解析由上述分析知，A项正确；石墨电极Ⅱ上H2O放电产生O2和H＋：2H2O－4e－4H＋＋O2↑，通电一段时间后，石墨电极Ⅱ附近溶液显酸性，能使石蕊显红色，B项正确；电解时，Cu2＋在石墨电极Ⅰ上放电生成Cu，左室中Cl－通过阴离子交换膜进入中间室，故CuCl2溶液的浓度减小，C项错误；由Fe2O3＋6H＋2Fe3＋＋3H2O和阳极反应式可得Fe2O3～32O2，故产生O2的体积是32×0.01mol×22.4L·mol－1×103mL·L－1＝336mL，D项正确。命题拓展[选项拓展]判断正误：通电一段时间后，若要使CuCl2溶液恢复至原浓度，需加入一定量的CuCl2固体。（√）命题点2电解池实现有机物转化2.[浙江高考]电解高浓度RCOONa（羧酸钠）的NaOH溶液，在阳极RCOO－放电可得到R—R（烷烃）。下列说法不正确的是（A）A.电解总反应方程式：2RCOONa＋2H2O电解R—R＋2CO2↑＋H2↑＋2NaOHB.RCOO－在阳极放电，发生氧化反应C.阴极的电极反应：2H2O＋2e－2OH－＋H2↑D.电解CH3COONa、CH3CH2COONa和NaOH混合溶液可得到乙烷、丙烷和丁烷解析RCOO－在阳极放电可得到R—R（烷烃）和CO2，在强碱性环境中，CO2会与OH－反应生成CO32－和H2O，则阳极的电极反应式为2RCOO－－2e－＋4OH－R—R＋2CO32－＋2H2O，阴极上H2O电离产生的H＋放电生成H2，电极反应式为2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，因而电解总反应式为2RCOONa＋2NaOH电解R—R＋2Na2CO3＋H2↑，A项错误，B、C项正确；根据电解RCOONa的NaOH溶液生成R—R可知，电解CH3COONa、CH3CH2COONa和NaOH的混合溶液，CH3—、CH3CH2命题拓展[变式拓展]Kolbe电解羧酸盐法可制取高纯度的烷烃。以Pt为电极，电解高浓度的丙酸钠（CH3CH2COONa）溶液可获得丁烷、CO2。（1）该装置应选择阳（填“阳”或“阴”）离子交换膜；（2）A电极的电极反应式为2CH3CH2COO－－2e－CH3CH2CH2CH3↑＋2CO2↑。命题点3电解池实现金属的制备3.[2021广东]钴（Co）的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是（D）A.工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B.生成1molCo，Ⅰ室溶液质量理论上减少16gC.移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变D.电解总反应：2Co2＋＋2H2O电解2Co＋O2↑＋4H＋解析题给装置为电解池，石墨电极为阳极，水在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子，电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动；钴电极为阴极，钴离子在阴极得到电子发生还原反应生成钴，电极反应式为Co2＋＋2e－Co，Ⅲ室中氯离子通过阴离子交换膜由Ⅲ室向Ⅱ室移动。由以上分析可知，氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动，使Ⅱ室中氢离子浓度增大，溶液pH减小，A项错误；阴极生成1mol钴时电路中转移2mol电子，阳极产生0.5molO2（16g），且有2molH＋从Ⅰ室进入Ⅱ室，即生成1molCo时，Ⅰ室溶液质量理论上减少18g，B项错误；若移除离子交换膜，由于氯离子的放电能力强于水，氯离子会在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气，则石墨电极的电极反应会发生变化，C项错误；电解总反应为2Co2＋＋2H2O电解2Co＋O2↑＋4H＋，D项正确。命题拓展[变式拓展]用双极膜电解制备金属钴的装置如图所示。双极膜是一种离子交换复合膜，在直流电场作用下能将中间层的水分子解离成H＋和OH－，并分别向两极迁移。下列说法错误的是（C）A.电解池工作时，阴离子交换膜与双极膜之间的溶液的pH减小B.当电路中转移2mol电子时，阴离子交换膜左侧溶液的质量理论上增加80gC.电解过程中溶液中的SO42D.阳极的电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋解析电解池工作时，双极膜中的H＋向阴极移动，所以电极b是阴极，SO42－透过阴离子交换膜向左移动，与H＋结合生成硫酸，所以阴离子交换膜与双极膜之间的溶液的pH减小，A项正确，C项错误；当电路中转移2mol电子时，阳极产生0.5molO2，同时有1molSO42－透过阴离子交换膜向左移动，所以阴离子交换膜左侧溶液的质量理论上增加96g－16g＝80g，B项正确；电极a为阳极，阳极上水放电产生O2命题点4电解池实现无机化合物的合成4.[2022海南]一种采用H2O（g）和N2（g）为原料制备NH3（g）的装置示意图如图。下列有关说法正确的是（A）A.在b电极上，N2被还原B.金属Ag可作为a电极的材料C.改变工作电源电压，反应速率不变D.电解过程中，固体氧化物电解质中O2－不断减少解析b电极上N2转化为NH3，氮元素由0价降低为－3价，N2被还原，b电极为阴极，A项正确；a电极上O2－转化为O2，为阳极，若用金属Ag作为电极材料，则阳极反应为2Ag－2e－＋O2－Ag2O，B项错误；改变工作电源电压，反应速率发生改变，C项错误；电解总反应为2N2＋6H2O电解4NH3＋3O2，固体氧化物电解质不参与总反应，因此固体氧化物电解质中O2－数目不变，D项错误。命题点5电解池与“碳中和”5.[2023全国甲]用可再生能源电还原CO2时，采用高浓度的K＋抑制酸性电解液中的析氢反应可提高多碳产物（乙烯、乙醇等）的生成率，装置如下图所示。下列说法正确的是（C）A.析氢反应发生在IrOx－Ti电极上B.Cl－从Cu电极迁移到IrOx－Ti电极C.阴极发生的反应有：2CO2＋12H＋＋12e－C2H4＋4H2OD.每转移1mol电子，阳极生成11.2L气体（标准状况）解析IrOx－Ti电