第四章 化学反应与电能复习提升-《精讲精练》26版高中同步新教材化学人教A版（2019）选必修1

第四章　化学反应与电能
本章复习提升
易混易错练
易错点1　忽视介质信息,错误判断电极产物
1.某燃料电池以乙醇为燃料,氧气为氧化剂,强碱溶液为电解质溶液。下列有关该电池的说法正确的是 (　　)
A.放电时正极发生氧化反应
B.放电一段时间后,正极附近溶液的pH减小
C.放电时负极反应为C2H5OH+16OH--12e- 2C+11H2O
D.消耗0.2 mol乙醇,有1.2 mol e-转移
2.设计如图装置回收金属钴。保持细菌所在环境pH稳定,借助其降解乙酸盐生成CO2,将废旧锂离子电池的正极材料LiCoO2(s)转化为Co2+,工作时保持厌氧环境,并定时将乙室溶液转移至甲室。已知电极材料均为石墨,右侧装置为原电池。下列说法正确的是 (　　)
A.装置工作一段时间后,乙室应补充盐酸
B.装置工作时,甲室溶液pH逐渐增大
C.乙室电极反应式为LiCoO2+2H2O+e- Li++Co2++4OH-
D.若甲室Co2+减少200 mg,乙室Co2+增加400 mg,则此时已进行过溶液转移
易错点2　电池工作原理分析不清楚,导致离子迁移方向或离子交换膜类型判断错误
3.三室式电渗析法处理含NH4NO3废水的原理如图所示,在直流电源的作用下,Ⅱ室中的N可通过离子交换膜,而Ⅰ、Ⅲ室中离子被阻挡不能进入Ⅱ室。工作一段时间后,在两极区均得到副产品NH4NO3。下列叙述正确的是 (　　)
A.a极为电源正极,b极为电源负极
B.c膜是阳离子交换膜,d膜是阴离子交换膜
C.阴极电极反应式为2N+12H++10e- N2↑+6H2O
D.当电路中通过1 mol电子时,会有5.6 L O2生成
4.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,用双极膜电解制备金属钴,工作原理如图所示。下列说法错误的是 (　　)
A.电极a接电源的正极
B.电解过程中阴极区溶液中的S透过阴离子交换膜向左移动
C.当电路中转移2 mol电子时,阳极产生22.4 L O2(标准状况)
D.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
易错点3　被复杂的情境材料迷惑,不能利用电池的工作原理解决问题
5.我国某科研团队设计了一种新型能量存储/转化装置(如图所示)。闭合K2、断开K1时,制氢并储能;断开K2、闭合K1时,供电。下列说法错误的是 (　　)
A.制氢时,溶液中K+向Pt电极移动
B.供电时,Zn电极附近溶液的pH不变
C.供电时,X电极发生还原反应
D.制氢时,X电极的电极反应式为Ni(OH)2-e-+OH- NiO(OH)+H2O
6.钛酸锂电池由于具有体积小、重量轻、能量密度高、安全稳定、绿色环保等特点,具有非常广泛的应用前景。其工作原理如图所示,下列说法正确的是 (　　)
A.放电时,Li+移向N极
B.充电时,M极接外电源的负极
C.充电时,N极的电极反应式为Ti5O12+4Li++4e- Li4Ti5O12
D.用该电池电解精炼铜,当M、N两极质量变化差为14 g时,理论上可生成64 g精铜
易错点4　分析不全面,导致离子迁移数目、电解质溶液质量变化等计算错误
7.羟基自由基(·OH)是自然界中氧化性仅次于氟的氧化剂。我国科学家设计了一种能将苯酚氧化为CO2和H2O的原电池—电解池组合装置(如图所示)。下列说法错误的是 (　　)
A.a极为正极,c极为阴极
B.a极区每产生1 mol Cr(OH)3,c极区溶液质量减轻3 g
C.d极的电极反应式为H2O-e- ·OH+H+
D.工作时,如果Ⅱ室中Na+、Cl-数目都减小,则N为阴离子交换膜
8.光电池在光照条件下可产生电流,如图装置可以实现光能源的充分利用,双极膜可将水解离为H+和OH-,并实现其定向移动。下列说法不正确的是 (　　)
A.该装置可利用光能实现水的分解
B.光照过程中阴极区溶液的pH变小
C.再生池中的反应为2V2++2H+ 2V3++H2↑
D.电路中每有2 mol电子通过,阳极区溶液质量增加2 g
思想方法练
运用守恒思想突破电化学计算题
方法概述
　　转移电子数相等是联系电路中各个电极变化的工具,利用守恒思想可以迅速解决电化学相关计算。串联电路中,各电极上转移电子的物质的量是相等的,这是电化学计算的依据。
1.电解Na2SO4溶液制备NaOH和H2SO4的装置示意图如下。
下列说法不正确的是 (　　)
A.Ⅰ区溶液pH减小
B.Ⅲ区发生电极反应:2H2O+2e- H2↑+2OH-
C.理论上,每生成1 mol NaOH,同时生成0.5 mol H2SO4
D.离子交换膜a为阳离子交换膜
2.在如图串联装置中,通电片刻即发现乙装置左侧电极表面出现红色固体,则下列说法不正确的是 (　　)
A.当甲中产生4.48 L(标准状况下)气体时,丙中Cu电极质量增加21.6 g
B.电解过程中丙中溶液pH无变化
C.向甲中加入适量的盐酸,可使溶液恢复到电解前的状态
D.乙中左侧电极反应式:Cu2++2e- Cu
3.一种三室微生物燃料电池污水净化系统原理如图所示,图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示。有关说法错误的是 (　　)
A.该装置为原电池,b为原电池的正极
B.a极区溶液的pH增大
C.当左室有4.48 L(标准状况下)CO2生成时,右室产生的N2为0.08 mol
D.b极的电极反应式:2N+10e-+12H+ N2↑+6H2O
4.如图所示装置中,甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100 g 5% NaOH溶液、足量CuSO4溶液和100 g 10% K2SO4溶液,a、b、c、d、e、f电极均为石墨电极。
(1)接通电源一段时间后,测得丙中K2SO4溶液的质量分数为10.47%,乙中c电极质量增加。
①电源的N端为　　　　极;
②电极b上发生的电极反应为　　　　　　;
③电极b上生成的气体在标准状况下的体积为　　　　L;
④电解后丙中溶液的pH　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)乙装置中如果电解过程中铜全部析出,此时电解能否继续进行:　　　　(填“能”或“不能”),原因是　　　　　　　　　　　　　　　。
答案与分层梯度式解析
易混易错练
1.C 2.A 3.B 4.C 5.B 6.C 7.B 8.D
1.C　燃料电池中,放电时负极发生氧化反应,正极发生还原反应,A错误;正极上O2得电子被还原,其电极反应式为O2+4e-+2H2O 4OH-,OH-浓度增大,正极附近溶液的pH增大,B错误;碱性条件下,C2H5OH在负极被氧化为C,电极反应为C2H5OH+16OH--12e- 2C+11H2O,C正确;结合负极反应式C2H5OH+16OH--12e- 2C+11H2O可知,反应中消耗0.2 mol乙醇时,应转移2.4 mol e-,D错误。
易错分析　忽视介质的成分及其存在形式,导致电极产物判断错误是本类题的易错之处。做题时,要运用“看环境,定产物”的方法确定产物,避免死记硬背。
2.A　由题意可知,右侧装置为原电池,则左侧装置为电解池。乙室发生还原反应,LiCoO2+e-+4H+ Li++Co2++2H2O,从原电池左侧迁移过来的H+不够(CH3COO--8e-+2H2O 2CO2↑+7H+),盐酸被消耗,因此工作一段时间,乙室应补充盐酸,A正确、C错误;细菌所在环境pH稳定,借助其降解乙酸盐生成CO2为氧化反应,甲室应发生还原反应Co2++2e- Co,左侧装置细菌所在电极的电极反应为CH3COO--8e-+2H2O 2CO2↑+7H+,产生的氢离子通过阳膜向甲室移动,甲室溶液pH逐渐减小,B错误;甲室内Co从+2价降低到0价,乙室内Co从+3价降低到+2价,根据得失电子守恒,甲中Co2+减少和乙室中Co2+增加的质量之比为1∶2,因此若甲室Co2+减少200 mg,乙室Co2+增加400 mg,未进行溶液转移,D错误。
3.B　根据两极区均得到了副产品NH4NO3,可知Ⅱ室中N通过c膜进入Ⅰ室,N通过d膜进入Ⅲ室,则左侧石墨电极为阴极,a极为电源负极,b极为电源正极,A错误;结合A项分析可知,c膜为阳离子交换膜,d膜为阴离子交换膜,B正确;阴极是H+放电,其电极反应式为2H++2e- H2↑,C错误;未给出气体所处状况,无法计算O2的体积,D错误。
4.C　由离子移动方向可知,电极a为电解池的阳极,电极a接电源的正极,A正确;电极a为阳极,电极b为阴极,则电解过程中阴极区溶液中的硫酸根离子透过阴离子交换膜向左移动,B正确;阳极发生的电极反应为2H2O-4e- O2↑+4H+,当电路中转移2 mol电子时,标准状况下阳极生成氧气的体积为2 mol××22.4 L/mol=11.2 L,C错误;电解池工作时,电极b是阴极,电极a是阳极,阴极区硫酸根离子通过阴离子交换膜向左移动,双极膜电离出的氢离子向右移动,则阴离子交换膜与双极膜之间的溶液pH减小,D正确。
易错分析　离子迁移方向或离子交换膜类型判断错误往往是因为电极判断错误,准确判断电化学装置中的电极是解答该类题的关键。在准确判断电极后,离子移动方向可以根据“阳离子移向得电子的电极,阴离子移向失电子的电极”进行分析;离子交换膜类型可以根据溶液呈电中性、离子的移动方向等进行判断。
5.B　闭合K2、断开K1时,制氢并储能,构成电解池,Pt电极发生还原反应,为阴极,X电极发生氧化反应,为阳极;断开K2、闭合K1时,构成原电池,X电极发生还原反应,为正极,Zn电极发生氧化反应,为负极。制氢时,Pt电极为阴极,溶液中K+向Pt电极移动,A正确;供电时,Zn电极发生氧化反应,消耗OH-,Zn电极附近溶液的pH减小,B错误;供电时,X电极发生还原反应,NiO(OH)转化为Ni(OH)2,C正确;制氢时,X电极为阳极,X电极的电极反应式为Ni(OH)2-e-+OH- NiO(OH)+H2O,D正确。
易错分析　解答本题的关键是根据题中信息弄清楚什么时候是原电池,什么时候是电解池;结合图示装置从熟悉的电极材料或电极反应、物质变化等入手,在陌生情境中学会综合分析与判断。
6.C　分析题图中充放电时元素化合价的变化,根据反应类型分析电极类型。
放电时,N极为负极,M极为正极,阳离子向正极移动,即Li+移向M极,A错误;充电时M极为阳极,与外电源正极相连,B错误;充电时,N极为阴极,发生还原反应,电极反应式为Ti5O12+4Li++4e- Li4Ti5O12,C正确;当两极的质量差为14 g时,转移的电子物质的量为1 mol,根据装置中转移电子数相等可知,电解精炼铜装置中阴极增加的铜的质量为1 mol÷2×64 g/mol=32 g,D错误。
7.B　电解水生成的羟基自由基(·OH)能将苯酚氧化为CO2和H2O,故左池为原电池,右池为电解池。Ⅰ室中Cr2发生还原反应生成Cr(OH)3,则a极为正极,b极为负极,c极为阴极,A正确;a极区每产生1 mol Cr(OH)3,转移3 mol电子,c极的电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-,生成1.5 mol H2时转移3 mol电子,同时有3 mol H+从d极室透过质子交换膜进入阴极室,故c极区溶液质量不变,B错误;据图可知,d极上发生的电极反应为H2O-e- ·OH+H+,C正确;由于阴离子移向负极,阳离子移向正极,Ⅱ室中Na+、Cl-数目都减小,说明Na+、Cl-从Ⅱ室分别向Ⅰ室和Ⅲ室移动,可判断N和M分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜,D正确。
易错分析　判断电解质溶液质量变化时,不能只关注电极反应造成的质量变化,还要关注离子迁移对质量的影响。
8.D　由题图可知,该装置的总反应为2H2O 2H2↑+O2↑,A正确;由题图中电子的移动方向可知,M极为阴极,N极为阳极,双极膜可将水解离为H+和OH-,H+进入阴极区,阴极区溶液的pH变小,B正确;阳极上OH-失电子生成氧气和水,电极反应式为4OH--4e- 2H2O+O2↑,阴极的电极反应式为V3++e- V2+,再生池中有氢气产生,涉及的反应为2V2++2H+ 2V3++H2↑,C正确;阳极的电极反应为4OH--4e- 2H2O+O2↑,电路中每有2 mol电子通过,会有2 mol氢氧根离子进入阳极区,生成0.5 mol氧气和1 mol H2O,阳极区溶液质量增加18 g,D错误。
思想方法练
1.D 2.C 3.B
1.D　电解槽中右侧电极为阴极,左侧电极为阳极,阳极上水失电子生成氧气和氢离子,电极反应为2H2O-4e- O2↑+4H+,阴极上水发生得电子的还原反应生成氢气,电极反应为2H2O+2e- H2↑+2OH-,钠离子通过离子交换膜b进入Ⅲ区,离子交换膜b为阳离子交换膜,硫酸根离子通过离子交换膜a进入Ⅰ区,离子交换膜a为阴离子交换膜,B正确、D错误;阳极的电极反应为2H2O-4e- O2↑+4H+,有H+生成且H+不能通过阴离子交换膜a,所以Ⅰ区溶液pH减小,A正确;理论上,每生成1 mol NaOH,转移电子1 mol,生成0.5 mol H2SO4,C正确。
2.C　根据通电片刻乙装置左侧电极表面出现红色固体,可知乙装置左侧电极为阴极,电极反应式为Cu2++2e- Cu。甲中阴极和阳极的电极反应分别为2H2O+2e- H2↑+2OH-和2Cl--2e- Cl2↑,产生标准状况下4.48 L气体为H2和Cl2的混合气体,产生H2、Cl2的物质的量均为0.1 mol,转移0.2 mol电子,即整个电路中转移0.2 mol电子,丙中Cu电极为阴极,电极反应为Ag++e- Ag,电极增重108 g/mol×0.2 mol=21.6 g,A正确;丙中阳极和阴极的电极反应分别为Ag-e- Ag+和Ag++e- Ag,电解过程中丙中溶液pH无变化,B正确;甲中阳极和阴极分别生成Cl2和H2,相当于从溶液中逸出HCl气体,要使溶液复原应通入适量HCl,而不是加入盐酸,C错误;乙中左侧电极是Cu2+放电,电极反应式为Cu2++2e- Cu,D正确。
方法点津　串联电路中各电极上转移的电子数目相等,可以通过某电极的变化数据确定得失电子的数目,继而推断其他电极的变化情况。
3.B　题图装置为原电池,左室中C6H10O5被氧化生成二氧化碳,C元素化合价升高,故a极是负极,右室硝酸根离子被还原生成氮气,N元素的化合价降低,硝酸根离子得电子,发生还原反应,则b极是正极,A正确;a极是负极,电极反应式为C6H10O5-24e-+7H2O 6CO2↑+24H+,a极区溶液的H+浓度增大,pH减小,B错误;左室有4.48 L(标准状况下)CO2生成,即生成0.2 mol CO2气体,根据负极的电极反应式C6H10O5-24e-+7H2O 6CO2↑+24H+可知,转移 mol=0.8 mol电子,正极(b极)的电极反应式为2N+10e-+12H+ N2↑+6H2O,可知生成N2的物质的量为 mol=0.08 mol,C、D正确。
方法点津　原电池、电解池均是基于氧化还原反应设计的,在电化学装置中电解池阳极(或原电池负极)上还原剂失去的电子数等于电解池阴极(或原电池正极)上氧化剂得到的电子数,据此可以建立两极变化的关系。
4.答案　(1)①正　②4OH--4e- O2↑+2H2O
③2.8　④不变
(2)能　CuSO4溶液变为H2SO4溶液,可继续电解H2SO4溶液,实质为电解水
解析　(1)①接通电源一段时间后,乙中c电极质量增加,说明c电极表面析出Cu,则该电极为阴极,从而推知M端为电源的负极,N端为电源的正极。②电极b为阳极,用惰性电极电解NaOH溶液相当于电解水,阳极上OH-放电生成O2,电极反应式为4OH--4e- O2↑+2H2O。③用惰性电极电解K2SO4溶液相当于电解水,设电解过程中消耗水的质量为x g,据电解前后溶质的质量不变可得:100 g×10%=(100-x)g×10.47%,解得x≈4.5,则电解过程中消耗水的物质的量为=0.25 mol,转移电子的物质的量为0.5 mol,故电极b上生成的O2在标准状况下的体积为0.5 mol××22.4 L·mol-1=2.8 L。④丙中用惰性电极电解K2SO4溶液相当于电解水,电解过程中c(K2SO4)增大,但溶液的pH不变。
(2)当电解过程中乙装置中的铜全部析出时,CuSO4溶液变为H2SO4溶液,继续电解则为电解H2SO4溶液,相当于电解水。
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