2023届新高考化学选考一轮总复习学案-热点10　电化学原理的综合应用

热点10电化学原理的综合应用考点一含离子交换膜电池的应用1.常见的离子交换膜(1)阳离子交换膜,简称阳膜,只允许阳离子通过,即允许H+和其他阳离子通过,不允许阴离子通过。(2)阴离子交换膜,简称阴膜,只允许阴离子通过,即允许OH-和其他阴离子通过,不允许阳离子通过。(3)质子交换膜,只允许H+通过,不允许其他阳离子和阴离子通过。2.隔膜的作用(1)能将两极区隔离,阻止两极区产生的物质接触,防止发生化学反应。(2)能选择性地允许离子通过,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。3.判断离子交换膜类型的步骤第一步:明确电解质溶液中存在的粒子。第二步:结合题设信息,确定物质生成或消耗的电极区域。第三步:运用电化学原理写出电极反应式,依据电中性原则,确定离子的移动方向。第四步:依据离子移动方向,判断离子交换膜类型。4.离子交换膜试题的解题例析如电解法可将含有AnBm的废水再生为HnB和A(OH)m,已知A为金属活动性顺序表中H前金属,Bn-为含氧酸根离子。[典例1](2021·广东卷)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()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++2H2O2Co+O2↑+4H+解析:石墨电极为阳极,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,H+通过阳离子交换膜由Ⅰ室进入Ⅱ室,右侧Co电极为阴极,电极反应式为Co2++2e-Co,Cl-通过阴离子交换膜由Ⅲ室进入Ⅱ室,与H+结合生成盐酸。由上述分析知,Ⅰ室中水放电使硫酸浓度增大,Ⅱ室中生成盐酸,故Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均减小,A错误;生成1molCo时,转移2mol电子,Ⅰ室有0.5mol(即16g)O2逸出,有2mol(即2g)H+通过阳离子交换膜进入Ⅱ室,则Ⅰ室溶液质量理论上减少18g,B错误;移除两交换膜后,石墨电极上的电极反应为2Cl--2e-Cl2↑,C错误;根据上述分析可知,电解时生成了O2、Co、H+,则电解总反应为2Co2++2H2O2Co+O2↑+4H+,D正确。答案:D三步法解答有关“膜”装置题[对点精练1]一种新型镁硫二次电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是(D)A.b电极添加石墨烯可以提高电池正极材料导电性B.放电时,正极反应包括Mg2++MgS2+2e-2MgSC.隔膜是阳离子交换膜,充电时Mg2+从b极移向a极D.充电时,若发生2mol电子转移,则阳极增加的质量为24g解析:A.Mg为负极,被氧化生成Mg2+,b电极为正极,石墨烯可以导电,则b电极添加石墨烯可以提高电池正极材料导电性,正确;B.放电时,正极上发生还原反应,得电子,根据装置图可判断正极反应包括Mg2++MgS2+2e-2MgS,正确;C.据题图可知,溶液中的阳离子Mg2+通过隔膜移向正极,所以使用的隔膜是阳离子交换膜,充电时Mg2+从b极移向a极,正确;D.充电时,阳极发生失去电子的氧化反应,电极反应式包括2MgS-2e-MgS2+Mg2+,则阳极质量减少,错误。[对点精练2]某混合物浆液含有Al(OH)3、MnO2和少量Na2CrO4。考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出,某研究小组利用设计的电解分离装置(见图),使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液,并回收利用。下列说法不正确的是(C)A.用惰性电极电解时,CrO42-B.通电后,阴极室溶液pH增大C.分离后,含铬元素的粒子是CrOD.通电后,相同条件下阴、阳两极产生气体体积之比为2∶1解析:A.电解时,阴离子向阳极移动,即在直流电场作用下,CrO42-通过阴离子交换膜向阳极室移动,脱离浆液,正确;B.通电后,阴极上水中的氢离子放电,即2H2O+2e-H2↑+2OH-,OH-浓度增大,pH增大,正确;C.电解时,阳极上水中的氢氧根离子放电,即2H2O-4e-O2↑+4H+,H+在阳极区增多,CrO42-向阳极移动,由于存在2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O,H+浓度增大,平衡向右移动,所以分离后含铬元素的粒子是Cr考点二“串联”类电池的识别与分析一、电解池的“串联”——有外接电源型1.常见模型装置A、B为两个串联电解池,相同时间内,各电极得失电子数相等。2.判断方法与电源负极相连的是阴极,或根据“电解池串联时阴、阳极交替出现”的原则正推电极,也可以通过装置中某极的变化、现象反推电极。电极位置相同,作用也相同。若电解池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同,则该装置为电镀池。则甲为电镀池,乙、丙均为电解池。二、原电池与电解池的“串联”——无外接电源型一般多个电池“串联”在一起,但没有外接直流电源,其中一个装置是原电池,在装置中两个电极活泼性差异较大的为原电池,较活泼的电极作负极,其余均为电解池。具体可从三个角度进行判断:1.根据电极材料和电解质溶液判断原电池一般是两种材料不同的电极;而电解池则一般都是两个惰性电极。原电池中的电极材料和电解质溶液能发生自发氧化还原反应,电解池的电极材料和电解质溶液一般不能发生自发氧化还原反应。如图中B为原电池,A为电解池。2.根据电极反应现象判断在某些装置中根据电极反应或反应现象可判断电极,并由此判断电池类型。如图所示,若C极溶解,D极上析出Cu,B极附近溶液变红,A极上放出黄绿色气体,则可知乙是原电池,D是正极,C是负极;甲是电解池,A是阳极,B是阴极。B、D极发生还原反应,A、C极发生氧化反应。3.根据“盐桥”判断“串联”各装置中如果用“盐桥”将两装置相连接,则这两装置及盐桥组成原电池,其中较活泼的金属作原电池的负极,较不活泼的金属作原电池的正极,其他装置为电解池。如图所示,乙、丙及盐桥组成原电池,Fe为负极,Ag为正极;甲为电解池,A为阳极,B为阴极。[典例2](2021·嘉兴二模)如图为拟通过甲装置除去污水中的乙酸钠和对氯苯酚,同时利用此装置产生的电能进行粗铜的精炼。下列说法不正确的是()A.B极为负极,发生氧化反应B.当电路中有0.2mol电子通过时,Y极质量可能减少3.2gC.A极的电极反应式:+e-+Cl-D.反应一段时间后,经甲装置排出的污水pH减小解析:A.由图示可知,氢离子由B极移向A极,所以B极为负极,发生氧化反应,正确;B.B极是负极,A极是正极,则Y极是阳极,Y极可能是粗铜中铜、铁等金属失电子,当电路中有0.2mol电子通过时,Y极质量可能减少3.2g,正确;C.A极是正极,发生还原反应,电极反应式为+2e-+H++Cl-,错误;D.负极反应式为CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,正极反应式为+2e-+H++Cl-,转移相同电子时,负极生成的氢离子多于正极消耗的氢离子,则反应一段时间后,经甲装置排出的污水pH减小,正确。答案:C“串联”类电池的解题流程[对点精练3]钴酸锂电池是目前用量最大的锂离子电池,用它作电源按如图装置进行电解。通电后,a电极上一直有气泡产生;d电极附近先出现白色沉淀(CuCl),后白色沉淀逐渐转变成橙黄色沉淀(CuOH)。下列有关叙述正确的是(D)A.已知钴酸锂电池放电时总反应为Li1-xCoO2+LixC6LiCoO2+6C,则Li1-xCoO2作负极,失电子B.当外电路中转移0.2mol电子时,理论上装置Ⅰ中加入100mL2mol/L盐酸可复原C.d电极为阴极,电解过程中发生反应Cu+Cl--e-CuClD.随着电解的进行,装置Ⅱ中发生转化:CuCl+OH-CuOH+Cl-解析:A项,根据电池总反应知,LixC6作负极,则Li1-xCoO2作正极,得电子,错误;B项,盐酸中的水会稀释Ⅰ中的溶液,故不可复原,错误;C项,a电极上一直有气泡产生,且a电极的材料为铜,故a电极为阴极,d电极为阳极,d极反应式为Cu+Cl--e-CuCl,错误;D项,d电极附近先产生白色沉淀(CuCl),后白色沉淀逐渐转变成橙黄色沉淀(CuOH),发生的反应是CuCl+OH-CuOH+Cl-,正确。[对点精练4]碳呼吸电池被誉为改变世界的创新技术,设想用碳呼吸电池为钠硫电池充电的装置如图所示。下列说法不正确的是(C)A.b极是多孔碳电极B.充电时,Na+通过固体氧化铝陶瓷向M极移动C.随着反应的进行,碳呼吸电池中C2O4D.充电过程中,碳呼吸电池每消耗1molAl,N极上可生成1.5xmolS单质解析:A项,M电极是阴极,则a极为外接电源的负极,应是铝电极,多孔碳电极为正极,正确;B项,充电时,M电极是阴极,Na+通过固体氧化铝陶瓷向M极移动,正确;C项,多孔碳电极的电极反应式为6CO2+6e-3C2O42-,铝极反应为2Al-6e-+3C2O42-Al2(C2O4)3,随着反应的进行,碳呼吸电池中C2O42-考点三电化学中的定量计算1.解题关键(1)电极名称要区分清楚。(2)电极产物要判断准确。(3)各产物间量的关系遵循得失电子守恒。2.计算步骤(1)根据现象或其他条件(如果是电解池,可以根据与电源正负极的连接情况),准确判定电极上发生氧化还原反应的类型和电极名称。(2)准确写出电极反应式。(3)根据题目所给条件和所要求解的问题,使用上述合适的方法建立等量关系求解。[典例3](2021·杭州二模)以NaCl溶液模拟海水,采用惰性电极处理有机废水的装置如图所示(以含CH3COO-的溶液为例)。下列说法不正确的是()A.负极反应为CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+B.隔膜1为阴离子交换膜,隔膜2为阳离子交换膜C.当电路中转移1mol电子时,模拟海水理论上最多可除盐58.5gD.电池工作一段时间后,正、负极产生气体的物质的量之比为1∶2解析:A.a极为负极,b极为正极,有机废水中的CH3COO-在负极失电子生成CO2,电极反应式为CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,正确;B.原电池工作时,阴离子移向负极,阳离子移向正极,即NaCl溶液中的Na+通过阳离子交换膜移向b极,Cl-通过阴离子交换膜移向a极,达到海水淡化目的,所以隔膜1为阴离子交换膜,隔膜2为阳离子交换膜,正确;C.由于电子与Na+、Cl-所带电荷数相等,所以电路中转移1mol电子时,通过离子交换膜的Na+、Cl-的物质的量均为1mol,质量为1mol×58.5g/mol=58.5g,即模拟海水理论上最多可除盐58.5g,正确;D.负极反应式为CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,正极反应式为2H++2e-H2↑,若转移8mole-,正极得到4molH2,负极得到2molCO2,即正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1,错误。答案:D电化学三种计算方法[对点精练5]科学家设计出质子膜H2S燃料电池,实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如图所示。下列说法错误的是(D)A.电极a发生氧化反应B.电极b上发生的电极反应:O2+4H++4e-2H2OC.电路中每通过4mol电子,在正极消耗标准状况下44.8LH2SD.每17gH2S参与反应,有2molH+经质子膜进入正极区解析:根据燃料电池的特点知,通氧气的一极为正极,故电极b为正极,电极a为负极,失去电子,发生氧化反应,A项正确;电极b为正极,氧气得电子生成水,B项正确;从装置图可以看出,电池总反应为2H2S+O2S2+2H2O,电路中每通过4mol电子,正极应该消耗1molO2,负极应该有2molH2S反应,在标准状况下,体积为44.8L,C项正确;17gH2S为0.5mol,每0.5molH2S参与反应会消耗0.25molO2,根据正极反应式O2+4H++4e-2H2O可知,有1molH+经质子膜进入正极区,D项错误。[对点精练6](2020·全国Ⅱ卷节选)CH4和CO2都是比较稳定的分子,科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化,其原理如图所示:(1)阴极上的反应式为。(2