2022届新高考化学一轮复习电化学原理的综合应用学案

电化学原理的综合应用

导读:在近几年高考中，电化学是高考重点，电化学综合题是常考题

型,考查的电化学装置常采用串联装置,且常采用交换膜,特别是离子

交换膜的应用及电解质介质对电极反应的影响的试题比较多，且常出

常新,离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些离子

来隔离某些物质，电解质介质主要对电极反应产物进行二次反应,此

类题能大大提高学生的证据推理和模型认知核心素养。

类型一“多池组合”电化学综合分析

5此WfE-----------------------

[典例1]（2020•湖南长沙月考）中科院长春应化所张新波团队提出

了一种独特的锂一氮电池（Li-N，该电池在放电过程中消耗氮气,充

电过程中释放氮气,实现氮气的循环,并对外提供电能。该电池在充

电时发生反应：2LisN—岫t+6Lio现以该电池为电源进行如图所示

实验,下列说法正确的是（）

维隔板碳布

+

3N-6e^_N2↑+6Li

+由甲电极迁移向乙电极,并在多孔碳布表面生成LisN

C.电极“石墨a”和m、n处均可能有铜析出

D.锂一氮电池为绿色固氮提供了一种可能

考查情境:本题情境是基于锂一氮电池的新型固氮技术,该技术不仅

扩展了人工固氮的新方法,将固氮技术与新能源联系在一起,而且填

补了锂一氮二次电池技术领域的空白，该情境设置是对题目的创新，

也能引导学生对科学的探究。

必备知识:本题考查的必备知识有电极反应式的书写、电解质溶液中

离子移动方向、二次电池各电极之间的关系和固氮原理分析。

关键能力：该电池具有创新性和应用性，既可实现绿色固氮,还可对外

提供电能。考查了学生的探究与创新能力，要求学生在解决化学问题

的过程中，运用科学的方法,初步了解二次电池的充、放电规律,并对

化学原理和现象做出科学、合理的解释。

解析:放电时该原电池中锂失电子作负极,氮气得电子作正极,故乙

+

电极是正极,发生反应:N2+6Li+6e=2Li3N,A错误;充电过程是电解

池原理,Li'由乙电极移向甲电极，多孔碳布表面Li3N分解生成附和

Li+,B错误;石墨a是阳极，电解稀硫酸,在阳极:2H?0-4e_4H+02t,

产生氧气,C错误;反应N2+6Li=2Li3N属于氮的固定,锂一氮电池为

绿色固氮提供了一种可能,D正确。

答案:D

⑤思维建模

“串联”类装置的解题流程

■。考向一借助电化学原理分析“串联”电池电极反应

1.（2014・广东卷）某同学组装了如图所示的电化学装置，电极I为

Al,其它均为Cu,则（A）

A.电流方向：电极IV电极I

I发生还原反应

C.电极∏逐渐溶解

D.电极HI的电极反应:Cu"+2d—Cu

解析：由左至右三个装置分别记为①、②、③,带盐桥的①、②装置

构成原电池，电极I为负极，电极∏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,c『在电极π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一，电极本身被氧化,生

成的离子进入溶液中，因为电极∏为正极，因此电极HI为电解池的阳

极,其电极反应式为Cu-2e=Cu2+,错误。

2.（2021•四川德阳月考）合成绿色能源、消除环境污染是新时代化

学研究的热点课题,在这一领域的研究中，电化学可以大有作为。如

图就是一种利用氢气来消除CO、NH3、NO等污染气体的电化学装置，

在消除污染气体的同时,还可获得绿色能源甲醇，以及化工产品KOH

溶液和H2SO∣溶液等。下列说法中错误的是（C）

ll

质子交换膜t阳离子阴离子

（只允许H*通过）ɪ交换膜交换膜Y

NH3

A.消除CO污染的工作池内要先加入稀硫酸，以提供合成甲醇所需的

原料

B.从B、C出口逸出的气体相同,都是空气中含量最多的气体

C.从A、D出口分别获得的化工产品是硫酸和氢氧化钾

322.4L,需消耗氢气3g

解析：由图可知,CO发生还原反应生成CHQH,即通入CO的电极为正

极,通入上的电极为负极;题给右图为电解池,其中左侧和右侧电极分

别为阴极和阳极。稀硫酸在消除CO污染的工作池中作电解质溶液，

可传导H：即该工作池要先加入稀硫酸,A正确;NR,在阳极被氧化为

+

N2,即2NA—6e一一N2+6H,NO在阴极发生还原反应，SP2N0+4e>2⅛0—

N2+40H,则B、C出口逸出的气体均为N2,是空气中含量最多的气体,B

正确;SOf通过阴离子交换膜,K'通过阳离子交换膜,最终从A、D出

口分别获得KoH溶液和H2SO4溶液,C错误;标准状况下22.4LN⅛为

1mol,完全生成N转移3mol电子,氢气被氧化为H1,据得失电子守

恒可知,消耗1.5mol电其质量为3g,D正确。

底考向二“串联”电池各电极关系分析

3.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

合该装置的电键时,观察到检流计的指针发生了偏转。

电键

---------©----------∙s,--

c

¾l（kɪct∕∣∣*1Λ-fcl

J，♦♦一：,一--j:：：^：：：ZJ.

KoH溶液AgNo,溶液CUCh溶液

甲池乙池丙池

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。

⑵乙池中A（石墨）电极的名称为（填“正极”“负极”

“阴极”或”阳极”），总反应式为o

（3）当乙池中B极质量增加5.40g时一，甲池中理论上消耗的体积

为mL（标准状况），丙池中极析出g

铜。

⑷若丙中电极不变,将其溶液换成NaCl溶液，电键闭合一段时间后,

甲中溶液的PH将（填“增大”“减小”或“不变”，下

同）；丙中溶液的pH将o

解析：(1)甲池为原电池,通入ChOH的电极为负极，电极反应式为

CH30H-6e+80H—C0∣^+6H20o

⑵乙池中电解AgNO3溶液,其中C作阳极,Ag作阴极,总反应式为

4AgN03+2H20±±4Ag+02↑+4HN03o

⑶根据各电极上转移的电子数相同，得n(Ag)=4n(O2)=2n(Cu),故

V(O2)=(ɪ×X22.4)L=O.28L=280

mL,m(Cu)=(∣×-∣^×64)g=l.60g0

⑷若丙中电极不变,将其溶液换成NaCl溶液,根据丙中总反

应:2岫d+2达01±2岫0口+乩1+Cl2↑,则丙中溶液PH增大,而甲中总反

应为2CH30H+302+4K0H±±2K2C03+6H20,则甲中溶液pH减小。

答案：⑴原电池CH30H-6e"+80H_Cθf+6H20

⑵阳极4AgN03+2H20≡4Ag+02t+4HN03

(4)减小增大

类型二电化学中的介质和交换膜

Ui¾⅛iW≡⅛-------------------------------

[典例2](2020・浙江杭州期中)利用膜技术原理和电化学原理制备

少量硫酸和绿色硝化剂N2O5,装置如图所示。下列说法正确的是

质子膜隔膜

(只允许H+通过)(阻止水分子通过)

甲乙

电极反应式是02+4e-+2H20-40H

B.甲中每消耗1molS02,a电极附近溶液H'增加2mol

电极反应式是N204-2e+H20—N205+2H,

D.甲、乙装置中分别生成的硫酸和岫。5的物质的量相等

考查情境:膜技术的核心在于膜的应用，也就是通过具有选择性分离

功能的薄膜材料，以其为核心进行的装置的集成与应用，膜技术在电

化学制备和除污上有着广泛的应用，该情境的引入,能激发学生对交

换膜的作用的探究。

必备知识:本题考查的必备知识有串联装置中四个电极的关系、串联

电路中原电池和电解池的区分、电极反应式的书写、电路中转移电

子及各电极产生物质的物质的量关系和交换膜的作用分析。

关键能力：本题主要考查的关键能力侧重于分析与推测、探究与创新

能力：一是掌握研究电化学装置的方法和技能;二是能够通过对串联

装置的观察,获取有关的感性知识和印象,并进行初步加工、吸收、

有序存储的能力;三是能够从试题提供的新信息中，准确地提取实质

性内容,并与已有知识块整合、重组为新知识块,运用到题目解答

中。

解析：甲装置能自发地进行氧化还原反应且没有外接电源,是原电池,

电极a为负极，电极b为正极,正极发生的还原反应为02+4e+4H=

2H20,电解液为硫酸溶液,不能出现氢氧根离子,A错误;依据转移电子

数相同可知，甲装置a电极反应为SO2-2葭+2乩0—4H'+S0f,总反应为

2SO2+O2+2H2O—2球0」,可知甲消耗1molSO2时,a电极附近溶液H'增

加2mol,B正确;C电极是阳极,d电极是阴极,阳极上N2O∣放电生成

N2O5,电极反应为N204-2e+2HN03=2N205+2H1,C错误;依据转移电子数

相同可知，转移2mole时一，甲装置生成1molH2SOb乙装置生成2

molN2O5,故转移相同电子数时,生成硫酸和岫。5的物质的量之比为

1：2,D错误。

答案:B

⑤思维建模

不同介质电极反应式的书写

电化学中常见的五大介质（以CH3OH.燃料电池为例）：

中性溶液、碱性介质、酸性介质、熔融盐介质（如熔融的

五大

K2CO3）＞掺杂Y2O3的ZrO3固体电解质（在高温下能传导正极

介质

生成的02^）

熔融盐介质，如熔融的K2CO3

书写总反应:2CH30H+302—2C02+4H20

-

举例(一)负极:2CH30H-12e+6C0∣—8C02+4H20

(+)正极:302+12e+6C02—6C0f

首先要分析介质是否参与总反应,然后写出总反应方程式，

根据在不同介质中的转化关系:碱性（中性）溶液中转化

书写

为0田,酸性溶液中转化为乩0,熔融碳酸盐中转化为COf,

规律

固体氧化物转化为02；写出正极反应,利用相减法（总反应-

正极反应=负极反应），写出负极反应

2考向专练

©考向一电化学中的交换膜

1.（2020・山东等级考）

质

子

交

换

膜

采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装

置如图所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是（D）

f

2θ-4e—4H+02↑

B.电解一段时间后，阳极室的pH未变

C.电解过程中,H由a极区向b极区迁移

D.电解一段时间后,a极生成的与b极反应的等量

解析:结合题图，可知a极上产生O2,发生的反应为水被氧化生成O2的

反应，即a极为阳极,b极为阴极，电极反应式如表：

电极名称电极反应式

+

a极（阳极）2H20-4e^—^4H+02t

b极（阴极）2H+02+2e^—H2O2

结合上述分析可知,A项正确；电解一段时间后,溶液中H,浓度未变，

即阳极室的PH未变,B项正确；电解过程中H通过质子交换膜,从a

极区向b极区迁移,C项正确；由阴、阳极的电极反应式,可知电解一

段时间后,b极消耗的量是a极生成的量的2倍，即a极生成的

与b极反应的0?的量不相等,D项错误。

2.（2021・重庆新高考适应性考试）双极膜在电渗析中应用广泛,它是

由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层，工作

时水层中的H2O解离成H和OH,并分别通过离子交换膜向两侧发生

迁移。下图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。

NazSO”溶液循环液NaBr溶液循环液Na2SO4溶液

十

・

阴

IT阳♦♦,

离

离

交

交

双

双

惰

惰

子

子

阴

阳

盐

换

换

极

极

性

性

交

交

极

极

室

膜

室

膜

电

室

换

换

液

电

液

极12

膜

膜

极

—

——

.——

一I

J水层J水层I

出口1出口2出口3出口4出口5

下列说法正确的是（D）

HBr溶液

可从盐室最终进入阳极液中

*+2e-H2t

解析：A项,盐室中的钠离子通过阳离子交换膜进入交换室1,左侧双

极膜中水解离出的氢氧根离子通过双极膜的阴离子交换膜进入交换

室1,因此出口2的产物为氢氧化钠溶液,错误;B项，阳极上OH一放电

（40H-4et+2H20或2H20-4e-O2t+4田），右侧双极膜中水解离

出的氢氧根离子通过双极膜的阴离子交换膜进入阳极液，因此出口5

的产物为硫酸钠溶液,错误;C项,双极膜由阳离子交换膜和阴离子交

换膜复合而成,浸离子无法通过，因此不能进入阳极液中，错误;D项，

阴极反应为2l+2e_凡t,正确。

考向二电化学中的介质

3.（2020•山东济南质检）2019年诺贝尔化学奖由Whittingham、

John和吉野彰三位科学家分享，以表彰他们在锂电池发展上做出的

杰出贡献。以石墨烯和金属锂为电极的锂一空气电池原理如图所

示。下列关于该电池的说法错误的是（C）

-----U®]-----

空气

A.锂电极的电极反应式:Li-e=Lit

2在石墨烯电极上发生还原反应

烯电极

烯电极方向移动

解析:在锂一空气电池中，锂失电子作负极,负极区是有机电解液,锂

不与有机电解液直接反应,负极反应式为Li-e—Li：故A正确；以空

气中的氧气作为正极反应物,则空气中的Oz在石墨烯电极上发生还原

反应,故B正确；电池工作时电流从正极石墨烯电极沿导线流向负极

锂电极,故C错误；电池工作时锂离子向正极石墨烯电极方向移动，故

D正确。

2S0,溶液，已知固体氧化物在高温下允许氧离子（（T）在其间通过,其工

作原理如图所示（c、d均为惰性电极）。下列有关说法正确的是

(D)

A.电路中电子流向为a-*d~*c-*b

2

B.电极b为负极，电极反应式为02+4e—20^

解析:在溶液中没有电子的移动，只有离子的移动,A项错误;通入。2

的一极(电极b)为电池的正极,发生还原反应,B项错误;惰性电极电

解NazSOi溶液实质上是电解水,溶液的PH不变,C项错误;C极生成

O2,根据得失电子守恒可知D项正确。

类型三得失电子守恒在电化学计算中的应用

皿仞WfE--------------------

[典例3](2020・黑龙江哈尔滨期中)在500mLKNO3和CU(NO3)2的

混合溶液中，c(NO。=6mol∕L,用石墨电极电解此溶液，当通电一段时

间后,两极均收集到22.4L气体(标准状况)，假定电解后溶液体积仍

为500mL,下列说法正确的是()

A.电解得到的Cu的物质的量为0.5mol

B.向电解后的溶液中加入98g的CU(OH)2可恢复为原溶液

C.原混合溶液中c(K1)=4mol/L

D.电解后溶液中c(H+)=2mol/L

考查情境:本题以电解原理为载体,在简单的研究对象及问题情境下，

体现了对化学计算、两电极转移电子等基础性、综合性的考查。

必备知识:本题考查的必备知识包括三个方面:一是考查电解规律、

放电顺序,二是考查物质的量浓度的求算,三是考查得失电子守恒的

应用。

关键能力:本题考查的关键能力为归纳与论证能力(处理转化数据)，

能够对电解原理的基础知识融会贯通,有正确复述、再现的能力，能

够将实际问题分解,通过运用相关知识,采用分析、综合的方法,解决

化学计算的问题。

解析：由题意可知,石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后,两极

均收集到22.4L气体(标准状况)，则nɑ)=L「1ɪnol,

22.4L∕mol

阳极发生:40H-4e—O2↑+2H20

4mol4ɪnol1mol

阴极发生:Cu2'+2e—Cu

mol2mol1mol

+

2H+2e：—H2↑

2mol2mol1mol

根据以上分析可知，电解得到的Cu的物质的量为1mol,故A错误；

溶液中析出1molCu>1mol是和1mol(λ,根据少什么加什么，则

加入98g即1mol的CU(OH)2可恢复为原溶液,故B正

确;C(CU2+)=罂=2mol∕L,由电荷守恒可知,原混合溶液中c(K*)为6

mol/L-2mol∕L×2=2mol∕L,故C错误；电解后溶液中c(H')为

答案:B

©规律方法

电化学计算的三大方法

_j先写出电极反应式,再写出总反应式,最后

1根据总反应式列比例式计算

:①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两

根

失:极产物、相同电量等类型的计算,其依据是

守;电路上转移的电子数目相等

:②用于混合溶液中电解的分阶段计算

根据关口根据得失电子守恒建立已知量与未知量之

系式∏间的关系,得出计算所需的关系式

1.

a

铅蓄电池。

X

阴离子交换膜

以铅蓄电池为电源、石墨为电极电解CUSoI溶液,装置如图。若一段

时间后Y电极上有6.4g红色物质析出，停止电解。下列说法正确的

是(C)

为铅蓄电池的负极

B.电解过程中，SOf向右侧移动

C.电解结束时,左侧溶液质量增重8g

D.铅蓄电池工作时，正极的电极反应式为PbS04+2e≈Pb+S0f

解析:Y极有Cu析此发生还原反应,Y极为阴极,故b为负极,a为正

极,A错误；电解过程中，阴离子向阳极移动,B