2022年 江苏高考 命题区间七 角度一 原电池、电解池的工作原理　电极反应式的书写

角度一　原电池、电解池的工作原理　电极反应式的书写
1．构建模型，类比分析原电池、电解池工作原理
2．电极反应式的书写思路
(1)列变价——写出电极上发生变价的主要反应物和主要产物。
(2)标电子——由化合价写出得失电子数。
(3)调电荷——由电荷守恒依据介质环境将反应式两边的电荷调平，酸性溶液用H＋，碱性溶液用OH－，若是熔融电解质，则依据具体题目信息，一般熔融氧化物用O2－，熔融碳酸盐用CO。
(4)后补水——由原子守恒配平电极反应，一般看氢原子，哪边少氢原子就在哪边以水的形式补上相应数目的氢原子。也被称为“氢不够，水来凑”。
(5)检查氧——最后用“O”守恒检查是否正确。
典例　已知高铁电池的总反应为3Zn(OH)2＋4KOH＋2Fe(OH)33Zn＋2K2FeO4＋8H2O，则充电时阳极反应为____________________________________________。
[书写过程]
(1)先写出电极主要反应物和主要产物。
Fe(OH)3―→FeO
(2)由化合价变化及变价原子数目综合判断得失电子数(Fe元素由＋3价变为＋6价，失去3e－)。
Fe(OH)3－3e－―→FeO
(3)调平电荷，箭头左边有3个正电荷，右边有2个负电荷，根据信息推断此电池介质为碱性环境，由电荷守恒知应在左边补“5OH－”。
Fe(OH)3－3e－＋5OH－―→FeO
(4)由原子守恒，右边还缺8个氢原子，故在右边补“4H2O”。
Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO＋4H2O
(5)最后检查氧原子也守恒，说明电极反应式正确。
3．金属的腐蚀与防护
(1)判断金属腐蚀快慢的规律
①对同一电解质溶液来说，腐蚀速率的快慢：电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防腐措施的腐蚀。
②对同一金属来说，在不同溶液中腐蚀速率的快慢：强电解质溶液中＞弱电解质溶液中＞非电解质溶液中。
③活动性不同的两种金属，活动性差别越大，腐蚀速率越快。
④对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，金属腐蚀越快。
(2)根据介质判断析氢腐蚀和吸氧腐蚀
正确判断“介质”溶液的酸碱性是分析析氢腐蚀和吸氧腐蚀的关键。潮湿的空气、酸性很弱或中性溶液发生吸氧腐蚀；NH4Cl溶液、稀硫酸等酸性溶液发生析氢腐蚀。
(3)金属的电化学保护
1．(2021·江苏1月适应性考试，9)利用电解法将CO2转化为CH4的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．电解过程中，H＋由a极区向b极区迁移
B．电极b上反应为：CO2＋8HCO－8e－===CH4＋8CO＋2H2O
C．电解过程中化学能转化为电能
D．电解时Na2SO4溶液浓度保持不变
答案　A
解析　由a极生成O2可以判断电极a为阳极，电极b为阴极，阳离子向阴极流动，则H＋由a极区向b极区迁移，故A正确；电极b上的反应为CO2＋8HCO＋8e－===CH4＋8CO＋2H2O，故B错误；电解过程是电能转化为化学能，故C错误；电解时OH－比SO更容易失去电子，所以电解Na2SO4溶液的实质是电解水，溶液中的水发生消耗，Na2SO4溶液的浓度增大，故D错误。
2．(2020·江苏，11)将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在题图所示的情境中，下列有关说法正确的是(　　)
A．阴极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
B．金属M的活动性比Fe的活动性弱
C．钢铁设施表面因积累大量电子而被保护
D．钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快
答案　C
解析　阴极得电子，A错误；金属M失电子，其活动性应比铁强，B错误；M失去的电子流入钢铁设施表面，钢铁设施不易失去电子而被保护，C正确；海水中所含电解质的浓度远大于河水中的，因此钢铁设施在海水中被腐蚀的速率快，D错误。
3．(2021·全国甲卷，13)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是(　　)
A．KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用
B．阳极上的反应式为＋2H＋＋2e－―→＋H2O
C．制得2 mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1 mol电子
D．双极膜中间层中的H＋在外电场作用下向铅电极方向迁移
答案　D
解析　KBr在上述电化学合成过程中除作电解质外，同时还是电解过程中阳极的反应物，生成的Br2为乙二醛制备乙醛酸的中间产物，故A错误；阳极上Br－失去电子生成Br2，Br2将乙二醛氧化为乙醛酸，故B错误；电解过程中阴、阳极均生成乙醛酸，1 mol乙二酸生成1 mol乙醛酸转移的电子为2 mol,1 mol乙二醛生成1 mol乙醛酸转移电子为2 mol，根据转移电子守恒可知制得2 mol乙醛酸时，理论上外电路中迁移了2 mol电子，故C错误；由上述分析可知，双极膜中间层的H＋在外电场作用下移向阴极，即H＋移向铅电极，故D正确。
4．(2021·全国乙卷，12)沿海电厂采用海水为冷却水，但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率。为解决这一问题， 通常在管道口设置一对惰性电极(如图所示)，通入一定的电流。
下列叙述错误的是(　　)
A．阳极发生将海水中的Cl－氧化生成Cl2的反应
B．管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClO
C．阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气
D．阳极表面形成的Mg(OH)2等积垢需要定期清理
答案　D
解析　根据题干信息分析可知，阳极区海水中的Cl－会优先失去电子生成Cl2，发生氧化反应，A正确；设置的装置为电解池原理，根据分析知，阳极区生成的Cl2与阴极区生成的OH－在管道中会发生反应生成NaCl、NaClO和H2O，其中NaClO具有强氧化性，可氧化灭杀附着的生物，B正确；因为H2是易燃性气体，所以阴极区生成的H2需及时通风稀释，安全地排入大气，以排除安全隐患，C正确；阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，会使海水中的Mg2＋沉淀积垢，所以阴极表面会形成Mg(OH)2等积垢，需要定期清理，D错误。
5.[2021·河北，16(4)节选]我国科学家研究Li—CO2电池，取得了重大科研成果，回答下列问题：
①Li—CO2电池中，Li为单质锂片，则该电池中的CO2在________(填“正”或“负”)极发生电化学反应。研究表明，该电池反应产物为碳酸锂和单质碳，且CO2电还原后与锂离子结合形成碳酸锂按以下4个步骤进行，写出步骤Ⅲ的离子方程式。
Ⅰ.2CO2＋2e－===C2O　 Ⅱ.C2O===CO2＋CO
Ⅲ.__________________　 Ⅳ.CO＋2Li＋===Li2CO3
②研究表明，电解质水溶液中，CO2气体可被电化学还原。
CO2在碱性介质中电还原为正丙醇(CH3CH2CH2OH)的电极反应方程式为_______________。
答案　①正　2CO＋CO2===2CO＋C　②12CO2＋18e－＋4H2O===CH3CH2CH2OH＋9CO
解析　①由题意知，Li—CO2电池的总反应式为4Li＋3CO2===2Li2CO3＋C，CO2发生得电子的还原反应，则CO2作电池的正极；CO2还原后与Li＋结合成Li2CO3，按4个步骤进行，由步骤Ⅱ可知生成了CO，而步骤Ⅳ需要CO参加反应，所以步骤Ⅲ的离子方程式为2CO＋CO2===2CO＋C。②CO2在碱性条件下得电子生成CH3CH2CH2OH，根据电子守恒和电荷守恒写出电极反应式为12CO2＋18e－＋4H2O===CH3CH2CH2OH＋9CO。
6．[2021·湖南，16(4)(5)]氨电解法制氢气利用电解原理，将氨转化为高纯氢气，其装置如图所示。
(4)电解过程中OH－的移动方向为____________(填“从左往右”或“从右往左”)。
(5)阳极的电极反应式为____________________________________________________。
答案　(4)从右往左　(5)2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O
解析　(4)由图可知，通NH3的一极氮元素化合价升高，发生氧化反应，为电解池的阳极，则另一电极为阴极，电解过程中OH－移向阳极，则从右往左移动。
(5)阳极NH3失电子发生氧化反应生成N2，结合碱性条件，电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O。
近几年全国高考化学试题中每年都会结合图形考查原电池或电解池原理及其在工业生产中的应用，并且试题的背景较为新颖，原电池和电解池原理及应用、电极材料及电极反应式的判断、溶液pH的变化和有关计算等是高考命题的热点，以选择题为主。填空题一般不单独命题，常在实验、化工流程、化学平衡等综合性大题中穿插考查电极反应式的书写等。
题组一　原电池工作原理
1．下面是利用盐桥电池从某些含碘盐中提取碘的两个装置，下列说法正确的是(　　)
A．两个装置中石墨Ⅰ和石墨Ⅱ均作负极
B．碘元素在装置①中被还原，在装置②中被氧化
C．①中MnO2极的电极反应式为MnO2＋2H2O＋2e－===Mn2＋＋4OH－
D．装置①②中生成等量的I2时，导线上通过的电子数之比为1∶5
答案　D
解析　装置①中碘离子失去电子，石墨Ⅰ作负极，装置②中碘酸钠得到电子，石墨Ⅱ作正极，A项错误；根据A项分析可知，碘元素在装置①中被氧化，在装置②中被还原，B项错误；①中MnO2得到电子，溶液呈酸性，则电极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O，C项错误；①中1 mol碘化钠失去1 mol电子，②中1 mol碘酸钠得到5 mol电子，则装置①②中生成等量的I2时，导线上通过的电子数之比为1∶5，D项正确。
2．“太阳水”电池装置如图所示，该电池由三个电极组成，其中a为TiO2电极，b为Pt电极，c为WO3电极，电解质溶液为pH＝3的Li2SO4—H2SO4溶液。锂离子交换膜将电池分为A、B两个区，A区与大气相通，B区为封闭体系并有N2保护。下列关于该电池的说法错误的是(　　)
A．若用导线连接a、c，则a为负极，该电极附近pH减小
B．若用导线连接a、c，则c电极的电极反应式为HxWO3－xe－===WO3＋xH＋
C．若用导线先连接a、c，再连接b、c，可实现太阳能向电能的转化
D．若用导线连接b、c，b电极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
答案　B
解析　用导线连接a、c，a极发生氧化反应，为负极，电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，a电极周围H＋浓度增大，溶液pH减小，故A正确；用导线连接a、c，c极为正极，发生还原反应，电极反应为WO3＋xH＋＋xe－===HxWO3，故B错误；用导线先连接a、c，再连接b、c，由光电池转化为原电池，实现太阳能向电能的转化，故C正确；用导线连接b、c，b电极为正极，电极表面氧气得电子，发生还原反应，电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故D正确。
题组二　电解池原理
3．(2020·苏锡常镇模拟)如图所示的电解装置可实现低电位下高效催化还原CO2。下列说法不正确的是(　　)
A．a极连接外接电源的负极
B．电解过程中Na＋从右池移向左池
C．b极的电极反应式：Cl－－2e－＋H2O===ClO－＋2H＋
D．外电路上每转移1 mol电子，理论可催化还原标准状况下CO2气体11.2 L
答案　C
解析　A项，如图所示，左侧通入CO2逸出CO，C元素化合价降低，发生还原反应，是阴极，故a极连接电源负极，正确；B项，电解池中阳离子向阴极移动，电解过程中Na＋从右池移向左池，正确；C项，右侧Cl－变为ClO－，化合价升高，发生氧化反应，故为阳极，故b极连接电源正极，Cl元素电解质溶液呈碱性，故电极反应式为Cl－－2e－＋2OH－===ClO－＋H2O，错误；D项，依据阴极电极反应CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，每转移1 mol电子，被还原的CO2为0.5 mol，在标况下的体积为0.5 mol×22.4 L·mol－1＝11.2 L，正确。
4．将NO2、O2和熔融KNO3制成燃料电池，电解处理含Cr2O的废水，工作原理如图所示。电解过程中发生反应：Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O。下列说法正确的是(　　)
A．石墨Ⅱ是电池的负极
B．若溶液中减少了0.01 mol Cr2O，则电路中至少通过了0.12 mol电子
C．Fe(a)棒上发生的电极反应为Fe－3e－===Fe3＋
D．在相同条件下，消耗的O2和NO2的体积比为4∶1
答案　B
解析　左侧为原电池，通入氧气的电极为正极，通入二氧化氮的电极为负极，则a为阳极，b为阴极。A项，石墨Ⅱ电极上O2得电子发生还原反应，所以石墨Ⅱ为电池的正极，错误；B项，根据题给方程式Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O，溶液中减少了0.01 mol Cr2O，则消耗0.06 mol Fe2＋，阳极需要生成0.06 mol Fe2＋，则电路中至少转移的电子的物质的量为0.06 mol×2＝0.12 mol，正确；C项，a电极上Fe失电子生成亚铁离子，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，错误；D项，石墨Ⅰ电极反应式为NO2＋NO－e－===N2O5，石墨Ⅱ电极反应式为O2＋4e－＋2N2O5===4NO，在相同条件下，根据电子守恒，消耗的O2与NO2的体积比为1∶4，错误。
题组三　金属的腐蚀与防护
5．深埋在大海里的桥墩中的钢材，在海水和水泥中的硫酸盐作用下易被腐蚀，腐蚀过程中，SO转化为HS－。下列说法不正确的是(　　)
A．排尽钢筋混凝土中的空气能达到防护效果
B．桥墩中的硫酸盐导致钢材腐蚀时正极主要的电极反应为SO＋5H2O＋8e－===HS－＋9OH－
C．大桥的钢结构上刷富锌油漆可以延缓其腐蚀
D．在此环境下桥墩钢材发生吸氧腐蚀
答案　D
解析　排尽钢筋混凝土中的空气可有效防止形成原电池，能起到较好的防护效果，A项正确；由题意知，SO在正极获得电子转化为HS－，故正极发生的电极反应为SO＋5H2O＋8e－===HS－＋9OH－，B项正确；在大桥的钢结构上刷富锌油漆，可形成Zn－Fe原电池，Fe作正极被保护，可延缓其腐蚀，C项正确；在SO作用下的钢材腐蚀不是吸氧腐蚀，D项错误。
6．支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示，其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是(　　)
A．通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零
B．通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩
C．高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流
D．通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整
答案　C
解析　钢管桩接电源的负极，高硅铸铁接电源的正极，通电后，外电路中的电子从高硅铸铁(阳极)流向正极，从负极流向钢管桩(阴极)，A、B正确；题给信息高硅铸铁为惰性辅助阳极，不损耗，C错误。