第四章测评
一、选择题(本题包括10小题,每小题2分,共20分。每小题只有一个选项符合题意)
1.下列事实不能用电化学原理解释的是( )
A.铝片不用特殊方法保护
B.轮船水线下的船体上装一定数量的锌块
C.纯锌与稀硫酸反应时,滴入少量CuSO4溶液后速率增大
D.镀锌铁比较耐用
解析铝能与空气中的O2化合生成致密的氧化膜,保护铝不受腐蚀;B项是牺牲阳极法;C项锌与置换出的铜构成原电池,增大反应速率;镀锌铁破损后,锌比铁活泼,仍能起保护作用,比较耐用。
答案A
2.下列叙述正确的是( )
A.电解饱和食盐水制烧碱时,Fe作阳极,石墨作阴极
B.电解氯化铜溶液时,阳极上产生的气体质量和阴极上析出的铜的质量相等
C.钢铁在空气中发生电化学腐蚀时,铁作负极
D.原电池工作时,阳离子移向电池的负极
解析电解饱和食盐水制烧碱时,阳极必须是惰性电极,A错误;电解氯化铜溶液时,实质是电解氯化铜本身,阳极上产生的气体质量和阴极上析出的铜的质量不相等,B错误;钢铁在空气中发生电化学腐蚀,不论是析氢腐蚀还是吸氧腐蚀,均是铁作负极,C正确;原电池工作时,阳离子移向电池的正极,D错误。
答案C
3.下列叙述中,正确的是( )
①电解池是将化学能转变为电能的装置 ②原电池是将电能转变成化学能的装置 ③金属和石墨导电均为物理变化,电解质溶液导电是化学变化 ④不能自发进行的氧化还原反应,通过电解的原理有可能实现 ⑤电镀过程相当于金属的“迁移”,可视为物理变化
A.①②③④
B.只有③④
C.③④⑤
D.只有④
答案B
4.化学用语是学习化学的重要工具,下列用来表示物质变化的化学用语中,正确的是( )
A.电解饱和食盐水时,阳极的电极反应为2Cl--2e-Cl2↑
B.氢氧燃料电池的负极反应:O2+2H2O+4e-4OH-
C.粗铜精炼时,与电源正极相连的是纯铜,电极反应为Cu-2e-Cu2+
D.钢铁发生电化学腐蚀的正极反应:Fe-2e-Fe2+
解析在氢氧燃料电池的负极上反应的是氢气;粗铜精炼时,纯铜与电源的负极相连,电极反应为Cu2++2e-Cu;钢铁腐蚀的负极反应是Fe-2e-Fe2+。
答案A
5.观察下列几个装置示意图,有关叙述正确的是( )
A.装置①中阳极上析出红色固体
B.装置②的待镀铁制品应与电源正极相连
C.装置③闭合电键后,外电路电子由a极流向b极
D.装置④的离子交换膜允许阳离子、阴离子、水分子自由通过
解析装置①中阳极上氯离子放电生成氯气,故A错误;装置②是电镀装置,待镀铁制品作阴极,应与电源负极相连,故B错误;装置③闭合电键后,a极是负极,因此外电路电子由a极流向b极,故C正确;装置④的离子交换膜只允许阳离子、水分子自由通过,故D错误。
答案C
6.某小组为研究电化学原理,设计右图装置,下列叙述不正确的是( )
A.a和b不连接时,铁片上会有金属铜析出
B.a和b用导线连接时,铜片上发生的反应为Cu2++2e-Cu
C.无论a和b是否连接,铁片均会溶解,溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色
D.a和b分别连接直流电源正、负极,电压足够大时,Cu2+向铜电极移动
解析a和b不连接时,铁与CuSO4溶液发生反应:Fe+Cu2+Fe2++Cu,A项正确;a和b用导线连接时,组成了原电池,Fe为负极,Cu为正极,铜片上发生还原反应:Cu2++2e-Cu,铁片上发生氧化反应:Fe-2e-Fe2+,B项正确;通过以上分析可知,无论a和b是否连接,均发生反应Fe+Cu2+Fe2++Cu,故溶液均从蓝色(Cu2+的颜色)逐渐变成浅绿色(Fe2+的颜色),C项正确;a和b分别连接直流电源正、负极时,构成电解池,铜片为阳极,铁片为阴极,Cu2+应向阴极(铁电极)移动,D项错误。
答案D
7.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有少量的Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,用电解法制备高纯度的镍,下列叙述中正确的是( )
A.阳极发生还原反应,其电极反应式为Ni2++2e-Ni
B.电解过程中,阳极减少的质量与阴极增加的质量相等
C.电解后,溶液中存在的金属阳离子只有Fe2+和Zn2+
D.电解后,电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt
解析A项,阳极应发生氧化反应。C项,根据金属活动性顺序和金属阳离子的氧化强弱,阳极反应为Zn-2e-Zn2+、Fe-2e-Fe2+、Ni-2e-Ni2+,Cu、Pt在该条件下不失电子,阴极反应为Ni2++2e-Ni。比较两电极反应,因Zn、Fe、Ni的相对原子质量不等,当两极通过相同的电量时,阳极减少的质量与阴极增加的质量不等。
答案D
8.(2019天津卷)我国科学家研制了一种新型的高比能量锌-碘溴液流电池,其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液,提高电池的容量。下列叙述不正确的是( )
A.放电时,a电极反应为I2Br-+2e-2I-+Br-
B.放电时,溶液中离子的数目增大
C.充电时,b电极每增重0.65
g,
溶液中有0.02
mol
I-被氧化
D.充电时,a电极接外电源负极
解析根据离子和电子的移动方向可知,a电极是正极,b电极是负极。放电时,负极电极反应为Zn-2e-Zn2+,正极电极反应为I2Br-+2e-2I-+Br-,显然A、B正确;充电时,b电极电极反应为Zn2++2e-Zn,每增重0.65
g转移0.02
mol
e-,根据以上分析,可知溶液中有0.02
mol
I-被氧化,C正确;充电时,阳极接电源正极,故D错误。
答案D
9.
(2017全国Ⅰ)支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流法进行防腐,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
解析外加电流法可使被保护的钢管桩上无腐蚀电流,A项正确;通电后,高硅铸铁为惰性阳极,钢管桩为阴极,外电路电子从阳极流向阴极,B项正确;由于高硅铸铁为惰性阳极,因此应是海水中的OH-失电子,2H2O-4e-O2↑+4H+,因此阳极材料不被损耗,C项错误;用外加电流法进行防腐时,应依据环境条件变化调整电流大小。
答案C
10.按下图装置实验,若x轴表示流入阴极的电子的物质的量,则y轴可表示( )
①c(Ag+) ②c(AgNO3) ③a棒的质量 ④b棒的质量 ⑤溶液的pH
A.①③
B.③④
C.①②④
D.①②⑤
解析该电解池中,随着电解的进行,c(Ag+)不变,c(AgNO3)不变,溶液的pH不变。因为阳极反应式为Ag-e-Ag+,阴极反应式为Ag++e-Ag,故b棒质量减小,a棒质量增大。
答案D
二、选择题(本题包括5小题,每小题4分,共20分。每小题有一个或两个选项符合题意)
11.(2020辽宁锦州模拟)肼(N2H4)暴露在空气中容易爆炸,但是以其为燃料的燃料电池是一种理想的电池,具有容量大、能量转化率高、产物无污染等特点,其工作原理如图所示,下列叙述正确的是( )
A.电池工作时,正极附近的pH增大
B.当消耗1
mol
O2时,有2
mol
Na+由甲槽向乙槽迁移
C.负极反应式为4OH-+N2H4-4e-N2↑+4H2O
D.若去掉阳离子交换膜,电池也能正常工作
解析电池工作时,O2在正极发生还原反应:O2+2H2O+4e-4OH-,由于生成OH-,溶液的pH增大,A正确;当消耗1
mol
O2时,电路中转移4
mol电子,生成4
mol
OH-,为保持溶液呈电中性,应有4
mol
Na+由甲槽向乙槽迁移,B错误;N2H4在负极上失电子发生氧化反应,则负极反应式为4OH-+N2H4-4e-N2↑+4H2O,C正确;若去掉阳离子交换膜,肼会与水中溶解的氧气直接接触,发生爆炸,无法正常工作,D错误。
答案AC
12.(2018全国Ⅰ)最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置,实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示,其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯电极区发生反应为:
①EDTA-Fe2+-e-EDTA-Fe3+
②2EDTA-Fe3++H2S2H++S+2EDTA-Fe2+
该装置工作时,下列叙述错误的是( )
A.阴极的电极反应:CO2+2H++2e-CO+H2O
B.协同转化总反应:CO2+H2SCO+H2O+S
C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性
解析根据图示可知,ZnO@石墨烯电极上发生还原反应,则该电极为阴极,电极反应式为CO2+2H++2e-CO+H2O,A项正确;根据题干信息及图中两电极上的反应可知,该电化学装置(电解池)中的总反应为CO2+H2SCO+S+H2O,B项正确;石墨烯作阳极,ZnO@石墨烯作阴极,阳极上的电势应高于阴极上的电势,C项错误;若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性,否则Fe3+、Fe2+可形成沉淀,且H2S和S不能稳定存在,D项正确。
答案C
13.(2018全国Ⅲ)一种可充电锂-空气电池如图所示。当电池放电时,O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x(x=0或1)。下列说法正确的是( )
A.放电时,多孔碳材料电极为负极
B.放电时,外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极
C.充电时,电解质溶液中Li+向多孔碳材料区迁移
D.充电时,电池总反应为Li2O2-x2Li+(1-)O2
解析放电时,该电池中锂作负极,多孔碳材料作正极,A项错误;放电时,外电路电子由负极流向正极,即由锂电极流向多孔碳材料电极,B项错误;充电时,锂电极作阴极,多孔碳材料电极作阳极,电解质溶液中Li+应向锂电极区移动,C项错误;充电反应与放电反应相反:Li2O2-x2Li+(1-)O2,D项正确。
答案D
14.500
mL
KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(N)=6.0
mol·L-1,用石墨作电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到22.4
L气体(标准状况),假定电解后溶液体积仍为500
mL,下列说法正确的是( )
A.原混合溶液中c(K+)为2
mol·L-1
B.上述电解过程中共转移4
mol电子
C.电解得到的Cu的物质的量为0.5
mol
D.电解后溶液中c(H+)为2
mol·L-1
解析两极都收集到22.4
L气体,说明阴极上发生的反应依次为:①Cu2++2e-Cu;②2H++2e-H2↑,阳极只生成O2:4OH--4e-O2↑+2H2O,n(H2)=n(O2)=1
mol,则n(e-)=4
mol,B正确。根据电子转移守恒得,原溶液中n(Cu2+)=1
mol,根据电荷守恒有n(K+)+n(Cu2+)×2=n(N),所以n(K+)=1
mol,c(K+)=2
mol·L-1,A正确。根据Cu析出后,溶液中只有KNO3和HNO3,由电荷守恒可推出c(H+)=4
mol·L-1。
答案AB
15.某兴趣小组设计如下微型实验装置。实验时,先断开K2,闭合K1,两极均有气泡产生:一段时间后,断开K1,闭合K2,发现电流表A指针偏转。下列有关描述正确的是( )
A.断开K2,闭合K1时,总反应的离子方程式为2H++2Cl-Cl2↑+H2↑
B.断开K2,闭合K1时,石墨电极附近溶液变红
C.断开K1,闭合K2时,铜电极上的电极反应为Cl2+2e-2Cl-
D.断开K1,闭合K2时,石墨电极作正极
解析由题意知,断开K2,闭合K1时,两极均有气泡产生,则说明铜电极没有参与反应,则铜电极一定作阴极,石墨电极作阳极,所以总反应的离子方程式应为2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH-,铜电极附近溶液变红,故A、B项均错误;断开K1,闭合K2时,氯气在石墨电极上得到电子生成Cl-,氢气在铜电极上失去电子生成氢离子,所以此时石墨电极作正极,铜电极作负极,故C项错误,D项正确。
答案D
三、非选择题(本题共5小题,共60分)
16.(12分)如图是一个甲烷燃料电池工作时的示意图,乙池中的两个电极一个是石墨电极,一个是铁电极,工作时,M、N两个电极的质量都不减少,请回答下列问题:
(1)M电极的材料是 ,其电极名称是
,?
N的电极反应式为
,?
乙池的总反应是
,?
通入甲烷的铂电极的电极反应式为?
。?
(2)在此过程中,乙池中某一电极析出金属银4.32
g
时,甲池中理论上消耗氧气 L(标准状况下),若此时乙池溶液的体积为400
mL,则乙池溶液的H+的浓度为
。?
解析(1)通入甲烷的一极为燃料电池的负极,与其相连的M电极为阴极,通入O2的一极为燃料电池的正极,与其相连的N电极为阳极,工作时M、N两个电极的质量都不减少,故N极为石墨电极,M极为铁电极,乙池为电解池。
(2)设甲池中理论上消耗氧气体积为x,乙池中生成H+的物质的量为y。则:
4AgNO3~4Ag ~ O2 ~4H+
4×108
g 22.4
L 4
mol
4.32
g x y
解得:x=0.224
L,y=0.04
mol。
c(H+)==0.1
mol·L-1。
答案(1)铁 阴极 4OH--4e-O2↑+2H2O
4AgNO3+2H2O4Ag+4HNO3+O2↑ CH4+10OH--8e-C+7H2O
(2)0.224 0.1
mol·L-1
17.(12分)如图装置所示,C、D、E、F都是惰性电极,甲、乙中溶液的体积和浓度都相同(假设通电前后溶液体积不变),A、B为外接直流电源的两极。将直流电源接通后,F极附近呈红色。
请回答:
(1)B极是电源的 ,一段时间后,甲中溶液颜色 。?
(2)若甲、乙装置中的C、D、E、F电极均只有一种单质生成时,对应单质的物质的量之比为 。?
(3)现用丙装置给铜件镀银,则H应是 ,电镀液是 溶液。?
(4)若将C电极换为铁,其他装置都不变,则甲中发生的总反应的离子方程式为 。?
解析(1)F极附近溶液呈红色,说明F极是阴极,产生了NaOH,则B极是电源的负极。(2)甲中,C极为阳极,阳极发生氧化反应:4OH--4e-2H2O+O2↑;D极为阴极,阴极发生还原反应:2Cu2++4e-2Cu。乙中,E极为阳极,电极反应为4Cl--4e-2Cl2↑,F极为阴极,电极反应为4H++4e-2H2↑。甲、乙串联,转移电子的数目相同,故C、D、E、F电极产生单质的物质的量之比为n(O2)∶n(Cu)∶n(Cl2)∶n(H2)=1∶2∶2∶2。(3)H极与电源负极相连,H极为阴极,电镀时,镀件应作阴极,即H应该是镀件,电镀液可以是AgNO3溶液。(4)若C电极为铁,铁为活性电极,阳极反应为Fe-2e-Fe2+,阴极反应为Cu2++2e-Cu,总反应为Fe+Cu2+Cu+Fe2+。
答案(1)负极 变浅
(2)1∶2∶2∶2
(3)铜件 AgNO3
(4)Fe+Cu2+Cu+Fe2+
18.(12分)(1)(2018天津卷,10节选)O2辅助的Al-CO2电池工作原理如图所示。该电池电容量大,能有效利用CO2,电池反应产物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。
电池的负极反应式: 。?
电池的正极反应式:6O2+6e-6
6CO2+63C2+6O2
反应过程中O2的作用是 。?
该电池的总反应式: 。?
(2)(2018全国Ⅰ,27节选)制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术,装置如图所示,其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为 。电解后, 室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水,可得到Na2S2O5。?
解析(1)该电池中Al作负极,电解质为含AlCl3的离子液体,故负极反应为Al-3e-Al3+。正极为多孔碳电极,根据正极反应式,得正极总反应为6CO2+6e-3C2,O2不参与正极的总反应,故O2为催化剂。将负极反应:2Al-6e-2Al3+和正极总反应:6CO2+6e-3C2相加,可得该电池的总反应式为2Al+6CO2Al2(C2O4)3。
(2)阳极发生氧化反应:2H2O-4e-4H++O2↑,阳极室H+向a室迁移,a室中的Na2SO3转化成NaHSO3。阴极发生还原反应析出H2,OH-增多,Na+由a室向b室迁移,则b室中Na2SO3浓度增大。
答案(1)Al-3e-Al3+(或2Al-6e-2Al3+) 催化剂 2Al+6CO2Al2(C2O4)3
(2)2H2O-4e-4H++O2↑ a
19.(12分)(2018全国Ⅲ)KIO3是一种重要的无机化合物,可作为食盐中的补碘剂。回答下列问题:
(1)KIO3的化学名称是 。?
(2)利用“KClO3氧化法”制备KIO3工艺流程如下图所示:
“酸化反应”所得产物有KH(IO3)2、Cl2和KCl。“逐Cl2”采用的方法是 。“滤液”中的溶质主要是 。“调pH”中发生反应的化学方程式为 ?
。?
(3)KIO3也可采用“电解法”制备,装置如图所示。
①写出电解时阴极的电极反应式 。?
②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为 ,其迁移方向是 。?
③与“电解法”相比,“KClO3氧化法”的主要不足之处有 (写出一点)。?
解析(2)温度升高气体溶解度减小;Cl2被逐出,KH(IO3)2结晶析出,“滤液”中溶质主要是KCl;“调pH”目的是生成KIO3,所以选用KOH溶液,发生反应的化学方程式为KH(IO3)2+KOH2KIO3+H2O(或HIO3+KOHKIO3+H2O)。
(3)①阴极区电解质是KOH,被电解的是H2O:2H2O+2e-2OH-+H2↑;
②电解时,阳离子向阴极区移动,故K+由a向b迁移;
③“KClO3氧化法”中产生有毒气体Cl2,易污染环境。
答案(1)碘酸钾
(2)加热 KCl KH(IO3)2+KOH2KIO3+H2O(或HIO3+KOHKIO3+H2O)
(3)①2H2O+2e-2OH-+H2↑ ②K+ 由a到b ③产生Cl2易污染环境等
20.(12分)(1)(2019北京卷,27节选)可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢,工作示意图如下。通过控制开关连接K1或K2,可交替得到H2和O2。
①制H2时,连接 。?
产生H2的电极方程式是 。?
②改变开关连接方式,可得O2。
③结合①和②中电极3的电极反应式,说明电极3的作用:??
。?
(2)(2019全国Ⅱ,27节选)环戊二烯可用于制备二茂铁[Fe(C5H5)2],结构简式为),后者广泛应用于航天、化工等领域中。二茂铁的电化学制备原理如下图所示,其中电解液为溶解有溴化钠(电解质)和环戊二烯的DMF溶液(DMF为惰性有机溶剂)。
该电解池的阳极为 ,总反应为 。电解制备需要在无水条件下进行,原因为 ??
。?
(3)(2019全国Ⅲ,28节选)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上,科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案,主要包括电化学过程和化学过程,如下图所示:
负极区发生的反应有 (写反应方程式)。电路中转移1
mol电子,需消耗氧气 L(标准状况)。?
解析(1)①根据题图示中电极3的转化关系可知,制H2时,连接K1。碱性条件下,生成H2的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-。
③①中电极3反应式为Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O,消耗生成H2时产生的OH-。而②中电极3的电极反应式为NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-,补充生成O2所需的OH-,同时保证电极3得以循环使用。
(2)根据Fe的化合价升高为+2价可知,Fe发生氧化反应,故Fe作阳极;根据二茂铁的分子式可知,两个环戊二烯去掉2个H原子,再结合所给信息,可得总反应方程式为Fe+2+H2↑[Fe+2C5H6Fe(C5H5)2+H2↑]。有水存在的条件下,Na+不能得到电子生成Na,而是H2O得电子生成H2和OH-,OH-会与Fe2+反应生成Fe(OH)2。
(3)根据图示可知,负极区(指电解池的阴极区)发生的电极反应(还原反应)为Fe3++e-Fe2+,随之发生4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O。根据电子守恒可知,电路中每转移1
mol电子消耗0.25
mol
O2,在标准状况下的体积为5.6
L。
答案(1)①K1 2H2O+2e-H2↑+2OH-
③制H2时,电极3发生反应:Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O。制O2时,上述电极反应逆向进行,使电极3得以循环使用
(2)Fe电极 Fe+2+H2↑(Fe+2C5H6Fe(C5H5)2+H2↑) 水会阻碍中间物Na的生成;水会电解生成OH-,进一步与Fe2+反应生成Fe(OH)2
(3)Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O 5.6(共39张PPT)
本章整合
突破一
突破二
突破三
燃料电池电极反应式的书写
典例1(1)肼(N2H4)又称联氨,是一种可燃性液体,可用作火箭燃料。肼—空气燃料电池是一种碱性燃料电池,电解质溶液是20%~30%的KOH溶液。肼—空气燃料电池放电时,正极反应式是 ;负极反应式是 。?
突破四
突破一
突破二
突破三
(2)科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池,其效率更高,可用于航天航空。如图所示装置中,以稀土金属材料电极作惰性电极,在电极上分别通入CH4和空气,其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体,它在高温下能传导O2-(O2+4e-=2O2-)。
c电极为该燃料电池的 ,d电极上的电极反应式为 。?
突破四
突破一
突破二
突破三
突破四
答案:(1)O2+4e-+2H2O==4OH- N2H4+4OH--4e-==N2↑+4H2O
(2)正极
CH4+4O2--8e-==CO2+2H2O
解析:(1)对于肼—空气燃料电池,正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O==4OH-,用总反应减去正极反应式即为负极的电极反应式。
(2)原电池中电流的方向是从正极流向负极,故c电极为正极;d电极为负极,通入的气体为甲烷,d电极反应式为CH4+4O2--8e-==CO2+2H2O。
突破一
突破二
突破三
1.燃料电池的组成
(1)电极:惰性电极。
(2)燃料:包括H2、烃(如CH4)、醇(如C2H5OH)、肼(N2H4)等。
(3)电解质:酸性电解质溶液,如H2SO4溶液;碱性电解质溶液,如NaOH溶液;熔融氧化物,如Y2O3;熔融碳酸盐,如K2CO3等。
2.书写燃料电池电极反应式的基本步骤
(1)第一步:写出电池总反应式。
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应,则总反应为加和后的反应。
如氢氧燃料电池的总反应为2H2+O2=2H2O;甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应:
CH4+2O2=CO2+2H2O①
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O②
①+②式得燃料电池总反应为CH4+
2O2+2NaOH=Na2CO3+3H2O。
突破四
突破一
突破二
突破三
(2)第二步:写出电池的正极反应式。
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质都是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应有所不同,一般为以下四种情况:
①酸性电解质溶液环境下电极反应式:O2+4H++4e-=2H2O。
②碱性电解质溶液环境下电极反应式:O2+2H2O+4e-=4OH-。
③固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:O2+4e-=2O2-。
④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式:O2+2CO2+4e-
突破四
突破一
突破二
突破三
(3)第三步:根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式。
电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系:电池的总反应式=电池正极反应式+电池负极反应式(消去电子)。故根据第一、二步写出的反应:电池的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式,注意在将两个反应式相减时,要约去正极的反应物O2。
突破四
突破一
突破二
突破三
3.实例
以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法:
(1)酸性条件
突破四
突破一
突破二
突破三
突破四
突破一
突破二
突破三
对点训练1-1用两根铂丝作电极插入KOH溶液中,再分别向两极通入甲烷气体和氧气,可形成燃料电池,该电池放电时发生的反应为CH4+2KOH+2O2=K2CO3+3H2O,下列说法错误的是( )
A.通甲烷的一极为负极,通氧气的一极为正极
B.放电时,通入O2一极附近溶液的pH升高
C.放电一段时间后,KOH的物质的量不发生变化
突破四
突破一
突破二
突破三
突破四
答案:C
解析:原电池的负极发生氧化反应,正极发生还原反应,由总反应式知,此燃料电池的电极反应式是:正极2O2+4H2O+8e-==8OH-;
突破一
突破二
突破三
对点训练1-2某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H+,其基本结构见下图,电池总反应可表示为2H2+O2=2H2O,下列有关说法正确的是( )
A.电子通过外电路从b极流向a极
B.b极上的电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-
C.每转移0.1
mol电子,消耗1.12
L的H2
D.H+由a极通过固体酸电解质传递到b极
突破四
突破一
突破二
突破三
突破四
答案:D
解析:此装置为燃料电池,充入还原剂H2的一极为负极,电子从负极(a极)流向正极(b极),A项错。电解质为酸性电解质,不可能有大量OH-存在,负极反应为H2-2e-==2H+,正极(b极)反应为O2+4e-+4H+==2H2O,B项错。C项,气体的体积没有指明标准状况,故C错。由反应式知,负极(a极)产生H+,由固体酸电解质传到正极(b极),D项正确。
突破一
突破二
突破三
氯碱工业生产法——离子交换膜法
典例2氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下:
依据上图,完成下列填空。
(1)在电解过程中,与电源正极相连的电极上所发生反应的电极反应式为
,?
与电源负极相连的电极附近,溶液的pH (填“不变”“升高”或“下降”)。?
突破四
突破一
突破二
突破三
a.先加NaOH,后加Na2CO3,再加钡试剂
b.先加NaOH,后加钡试剂,再加Na2CO3
c.先加钡试剂,后加NaOH,再加Na2CO3
(4)脱盐工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差异,通过 (填操作名称,下同)、冷却、 、 除去NaCl。?
(5)用隔膜法电解食盐水,电解槽分隔为阳极区和阴极区,防止Cl2和NaOH反应。采用无隔膜法电解冷的食盐水时,Cl2与NaOH充分接触,产物仅是NaClO和H2,相应的化学方程式为? 。?
突破四
突破一
突破二
突破三
突破四
突破一
突破二
突破三
1.阳离子交换膜的作用
电解饱和食盐水是氯碱工业的基础,能制得氯气、氢气、氢氧化钠等重要的化工原料。电解过程中,在电场的作用下,阳离子向阴极移动,而阴离子向阳极移动。由于在阳极氯离子失去电子生成氯气,若不采取措施,氢氧根离子会向阳极移动,从而与氯气发生反应,既减少了氯气的产量,又会使得到的氢氧化钠不纯。因此,必须阻止氢氧根离子向阳极移动。
目前,常用的隔膜有石棉隔膜和阳离子交换膜。石棉隔膜能阻止气体通过,但允许水分子及离子通过。由于氢氧根离子能透过该隔膜,因此氯气会与氢氧根发生反应,导致制得的氢氧化钠不纯。阳离子交换膜只允许阳离子通过,而不允许阴离子及气体通过,也就是说,只允许钠离子、氢离子通过,氯离子、氢氧根离子和氢气、氯气均不能通过。这样既可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气相混合,在一定条件下引起爆炸,又能避免氯气与氢氧化钠作用生成次氯酸钠而影响烧碱的质量。
突破四
突破一
突破二
突破三
2.原料的精制
杂质,不符合电解要求,因此必须经过精制。
(2)杂质的危害:Ca2+、Mg2+、Fe3+等金属离子在碱性环境中会产生沉淀,损坏离子交换膜,此外,杂质的存在会使得到的产品不纯。
(3)除杂质的过程:
突破四
突破一
突破二
突破三
①除杂质时所加试剂的顺序要求是:a.Na2CO3必须在BaCl2之后;b.盐酸在过滤之后加入。
②试剂加入顺序有多种选择,如:a.BaCl2、NaOH、Na2CO3、过滤、HCl;b.BaCl2、Na2CO3、NaOH、过滤、HCl;c.NaOH、BaCl2、Na2CO3、过滤、HCl。
突破四
突破一
突破二
突破三
对点训练2用酸性氢氧燃料电池电解苦卤水(含Cl-、Br-、Na+、Mg2+)的装置如图所示(a、b为石墨电极)。下列说法中正确的是( )
A.电池工作时,正极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-
B.电解时,a电极周围首先生成Cl2
C.电解时,电子流动路径是:负极→外电路→阴极→溶液→阳极→正极
D.忽略能量损耗,当电池中消耗0.02
g
H2时,b极周围会产生0.02
g
H2
突破四
突破一
突破二
突破三
突破四
答案:D
解析:由于磷酸为电解质,电池的正极反应为O2+4H++4e-==2H2O,选项A不正确;a电极与原电池正极相连,为电解池的阳极,由于Br-还原性强于Cl-,因此Br-先放电生成Br2,选项B不正确;电解时,电子流动路径是:负极→阴极,阳极→正极,电子不能从溶液中通过,选项C不正确;根据电子守恒规律,当电池中消耗0.02
g
H2时,b极周围会产生0.02
g
H2,选项D正确。
突破一
突破二
突破三
“三池”的比较和联系
典例3将Fe片和Zn片放入盛有NaCl溶液(其中滴有酚酞)的表面皿中,如图所示。最先观察到变为红色的区域为
( )
A.Ⅰ和Ⅲ
B.Ⅰ和Ⅳ
C.Ⅱ和Ⅲ
D.Ⅱ和Ⅳ
突破四
答案:B
解析:本题考查原电池和电解池的判断以及各自的工作原理。甲图是原电池,负极(Zn):Zn-2e-==Zn2+;正极(Fe):2H++2e-==H2↑,在Ⅰ区域H2O电离出的OH-浓度较Ⅱ高,能使无色酚酞溶液变成红色。乙图是电解池,阳极(Fe):Fe-2e-==Fe2+;阴极(Zn):2H++2e-==H2↑,在Ⅳ区域H2O电离出的OH-浓度相对Ⅲ较高,能使无色酚酞溶液变红色,综上所述选项B正确。
突破一
突破二
突破三
“三池”的比较与联系
突破四
突破一
突破二
突破三
突破四
突破一
突破二
突破三
突破四
突破一
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突破三
突破四
突破一
突破二
突破三
突破四
突破一
突破二
突破三
区分原电池、电解池、电镀池方法:首先看有无外接电源:①若无则可能是原电池,然后按照原电池形成条件分析判定(看电极材料、电解质溶液,是否形成闭合回路等)。②若有外接电源,两极插入电解质溶液中,当电解质溶液中含阳极金属离子时则为电镀池,否则为电解池。
“两池”中电极的判断易混淆,现总结口诀如下:原电池,正负极;电解池,阴阳极;失去电子负(原电池)阳(电解池)极;发生氧化定无疑。
我们还可以根据上述原理总结出一些规律,如:质量增加的电极一般为原电池的正极、电解池的阴极;质量减轻的电极一般为原电池的负极、电解池的阳极。
突破四
突破一
突破二
突破三
对点训练3-1下列图示中关于铜电极的连接错误的是( )
突破四
答案:C
解析:电镀铜时,Cu作阳极,镀件作阴极,故C错。
突破一
突破二
突破三
对点训练3-2下列四种装置中,溶液的体积均为250
mL,开始时电解质溶液的浓度均为0.10
mol·L-1,工作一段时间后,测得导线上均通过0.02
mol电子,若不考虑溶液体积的变化,则下列叙述正确的是( )
A.工作一段时间后溶液的浓度:①=②=③=④
B.工作一段时间后溶液的pH:④>③>①>②
C.产生气体的总体积:④>③>①>②
D.电极上析出固体的质量:①>②>③>④
突破四
突破一
突破二
突破三
突破四
答案:B
解析:装置①是用惰性电极电解CuSO4溶液,电解时的总反应式为2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4,当测得导线上通过0.02
mol电子时,共消耗0.01
mol
CuSO4,生成0.01
mol
Cu、0.005
mol
O2和0.01
mol
H2SO4。装置②为锌铜原电池装置,原电池的总反应式为Zn+H2SO4==ZnSO4+H2↑,当测得导线上通过0.02
mol电子时,共消耗0.01
mol
H2SO4,还余0.015
mol
H2SO4,生成0.005
mol
H2,无固体析出。装置③为电镀锌装置,阴极铁棒上的电极反应式为Zn2++2e-==Zn,随着电解的进行,电解液的浓度不发生变化,导线中通过0.02
mol电子时,阴极上析出0.01
mol锌。装置④相当于用惰性电极电解NaCl溶液,电解时的总反应式为2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,当测得导线上通过0.02
mol电子时,共消耗0.02
mol
NaCl,生成0.02
mol气体和0.02
mol
NaOH,无固体析出。
突破一
突破二
突破三
突破四
电化学组合装置的分析
典例4(2020重庆巴蜀中学月考)储氢材料是当前新能源领域研究的一类热门材料。在一定条件下,以Cu-Zn原电池作电源,利用下图所示装置可实现有机物的储氢,下列有关说法正确的是( )
突破一
突破二
突破三
突破四
A.在Cu-Zn原电池装置工作时,盐桥内的Cl-向铜电极一端移动
B.电极C为阳极,在电极D上发生还原反应
C.气体X的主要成分是H2
D.H+透过高分子膜从右室进入左室,在电极C上发生还原反应
答案:D
解析:在Cu-Zn原电池装置工作时,锌为负极,铜为正极,阴离子向负极移动,因此盐桥内的Cl-向锌电极一端移动,A错误;锌为负极,铜为正极,因此电极C为阴极,电极D为阳极,阳极上发生氧化反应,B错误;电极D为阳极,阳极上发生氧化反应,溶液中的氢氧根离子放电生成氧气,C错误;电解池工作时,阳离子从阳极室移向阴极室,H+透过高分子膜从右室进入左室,在电极C上发生还原反应,D正确。
突破一
突破二
突破三
突破四
判断“多池组合”中装置的种类
(1)直接判断
非常直观明显的装置,如燃料电池、铅酸蓄电池等在电路中为原电池,则其他装置为电解池。如下图,A为原电池,B为电解池。
突破一
突破二
突破三
突破四
(2)根据电池中的电极材料判断
原电池一般是两种不同的金属电极或一种金属电极、一种导电的非金属电极;而电解池则一般是两个惰性电极,如两个铂电极或两个石墨棒。
(3)根据电池中的电解质溶液判断
原电池中的负极材料和电解质溶液之间一般能发生自发的氧化还原反应,电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。如下图,B为原电池,A为电解池。
突破一
突破二
突破三
突破四
(4)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类型,并由此判断装置类型。如下图,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。
突破一
突破二
突破三
突破四
对点训练4空间实验室“天宫一号”的供电系统中有再生氢氧燃料电池(RFC),RFC是一种将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的可充电电池。下图为RFC工作原理示意图,有关说法正确的是( )
突破一
突破二
突破三
突破四
答案:C
解析:由图可知,a为阴极、b为阳极,气体X为H2、气体Y为O2,c为正极、d为负极。正极、阴极发生还原反应,负极、阳极发生氧化反应,A项、B项、D项错误;在原电池中阳离子移向正极,C项正确。
