资源描述
专题强化训练(八)
电化学原理的综合应用
(45分钟 100分)
一、选择题(本题包括7小题，每题6分，共42分)
1.(2021·保定模拟)把握合适的条件，KI溶液过量，将反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成如下图所示的原电池。下列推断正确的是( )
A.反应开头时，甲中石墨电极上Fe3+发生氧化反应
B.反应开头时，乙中石墨电极的反应式：I2+2e-2I-
C.电流计读数为零时，在甲中加入KSCN溶液，毁灭红色
D.电流计读数为零时，反应处在停止状态
【解析】选C。本题考查原电池原理及化学平衡，依据所给原电池的反应原理可知，Fe3+在正极发生还原反应，甲池中存在Fe3+，故A错误；乙池为负极，失电子的物质是I-，B错误；此反应是可逆反应，电流计的读数为零时说明反应处于平衡状态，故甲池中含有Fe3+，C正确，D错误。
【互动探究】
(1)电流计指针为零时，上述反应的正反应速率与逆反应速率的大小关系如何？
提示：当电流计指针为零时，说明没有电子发生转移，则反应达到平衡，正逆反应速率相等。
(2)平衡时甲中溶入FeCl2固体后，电流计读数是否为零？
提示：当加入Fe2+，导致平衡逆向移动，则Fe2+失去电子生成Fe3+，作为负极，而乙中石墨成为正极，故电流计读数不为零。
2.(2021·牡丹江模拟)有关下列四个常用电化学装置的叙述中正确的是( )
图Ⅰ碱性锌锰电池
图Ⅱ铅蓄电池
图Ⅲ电解精炼铜
图Ⅳ银锌纽扣电池
A.图Ⅰ所示电池中，负极电极反应为Zn-2e-Zn2+
B.图Ⅱ所示电池放电过程中，硫酸浓度不断增大
C.图Ⅲ所示装置工作过程中，电解质溶液中Cu2+浓度始终不变
D.图Ⅳ所示电池中，Ag2O是氧化剂，电池工作过程中被还原为Ag
【解析】选D。A项在碱性条件下不能生成Zn2+；B项放电时正极和负极都要生成PbSO4，硫酸的浓度减小；C项中比铜活泼的金属以阳离子的形式残留在溶液中，依据电子守恒可知，溶液中Cu2+浓度要降低；D项Ag2O作正极，发生还原反应：Ag2O+2e-+H2O2Ag+2OH-。
3.可用于电动汽车的铝-空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是( )
A.以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正极反应都为O2+2H2O+4e-4OH-
B.以NaOH溶液为电解液时，负极反应为Al-3e-Al3+
C.以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解液的pH保持不变
D.电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极
【解析】选A。B项，以NaOH为电解液时，不应生成Al3+，而应生成Al；C项，电解液的pH应减小；D项，电子通过外电路从负极流向正极。
【易错提示】该题易错选B项。只留意了负极是铝失去电子生成Al3+，忽视了生成的Al3+还能与电解质溶液中的OH-反应，若写成Al-3e-+3OH-Al(OH)3↓也是错误的，由于OH-过量时应生成Al，正确的电极反应是Al-3e-+4OH-Al+2H2O。即在书写电极反应方程式时，若正、负极得失电子后的微粒能与电解质发生后续反应，则应当写出该电极总的方程式。
4.下图装置中发生反应的离子方程式为Zn+2H+Zn2++H2↑，下列说法错误的是
( )
A.a、b不行能是同种材料的电极
B.该装置可能是电解池，电解质溶液为稀盐酸
C.该装置可能是原电池，电解质溶液为稀盐酸
D.该装置可看作是铜-锌原电池，电解质溶液是稀硫酸
【解析】选A。图示装置既可以是电解池，阳极的电极材料为Zn、阴极的电极材料为Zn或其他可导电的材料，如Cu、石墨等，电解质溶液为盐酸或硫酸等，故A项错、B项正确；该装置也可是原电池，此时电池负极材料为Zn、正极材料为比Zn活泼性差的可导电的材料，如Cu、石墨等，电解质溶液为盐酸或硫酸等，故C、D项正确。
5.甲图为一种新型污水处理装置，该装置可利用一种微生物将有机废水的化学能直接转化为电能。乙图是一种家用环保型消毒液发生器，用惰性电极电解饱和食盐水。下列说法中不正确的是( )
A.装置乙的a极要与装置甲的X极连接
B.装置乙中b极的电极反应式为2Cl--2e-Cl2↑
C.若有机废水中主要含有葡萄糖，则装置甲中M极发生的电极反应为C6H12O6+6H2O-24e-6CO2↑+24H+
D.N电极发生还原反应，当N电极消耗5.6 L(标准状况下)气体时，则有2NA个H+通过离子交换膜
【解析】选D。由题图甲分析得出M(或X)为负极，N(或Y)为正极，由图乙分析得出a为阴极，b为阳极。乙的a极要与甲的X极相连接，A项正确；乙的b极为阳极，氯离子放电，B项正确；因图甲中传递的是质子，葡萄糖在M极放电，故电极反应式为C6H12O6+6H2O-24e-6CO2↑+24H+，C项正确；氧气在N电极得到电子，电极反应式为O2+4H++4e-2H2O，故消耗标准状况下5.6 L氧气时，转移1 mol电子，即有NA个H+通过离子交换膜，D项错误。
6.(2021·南平模拟)可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF2-CaO作电解质，利用图示装置获得金属钙，并以钙为还原剂还原二氧化钛制备金属钛。下列说法中不正确的是( )
A.熔融的CaF2-CaO起到了导电的作用
B.阳极的电极反应式为C+2O2--4e-CO2↑
C.在制备金属钛前后，整套装置中CaO的总量不变
D.若用铅蓄电池作该装置的供电电源，“+”接线柱应连接Pb电极
【解析】选D。熔融的CaF2-CaO电离成自由移动的离子导电，A正确；由图可知B正确；阴极反应式为Ca2++2e-Ca，2Ca+TiO2Ti+2CaO，故C正确；Pb是铅蓄电池的负极，应接“-”接线柱，故D错误。
【加固训练】由于具有超低耗电量、寿命长的特点，LED产品越来越受人欢迎。下图是氢氧燃料电池驱动LED发光的装置。
①a处通入的气体是氢气，b处通入的气体是氧气；②该装置中只涉及两种形式的能量变化；③电池正极的电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-；④P型半导体连接的是电池负极。上述说法中正确的是( )
A.①② B.①③
C.③④ D.②④
【解析】选B。依据电子的流向可知，a极是电子流出的极(负极)，所以a处通入H2，b处通入O2，①正确；该装置至少涉及化学能、电能、光能的转化，②错误；碱性条件时，电池正极的电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-，③正确；P型半导体连接的是电池正极，④错误。综合得到正确选项是B。
7.(2021·嘉兴模拟)如图所示，将两烧杯中电极用导线相连，四个电极分别为Mg、Al、Pt、C。当闭合开关S后，以下表述正确的是( )
A.电流表指针不发生偏转
B.Al、Pt两极有H2产生
C.甲池pH减小，乙池pH不变
D.Mg、C两极生成的气体在确定条件下可以恰好完全反应
【解析】选D。甲池Al能与NaOH溶液反应，所以为原电池，乙池Pt、C均不与NaOH溶液反应，故乙池为电解池，电流表指针偏转。甲池中Mg为正极，产生H2，Al为负极溶解，Pt作阴极产生H2，C作阳极产生O2，甲池消耗NaOH，pH减小，乙池消耗水，pH增大。依据电子转移数目相等，则C、Mg两极产生的O2、H2体积比为1∶2，在确定条件下可以完全反应。
【方法规律】原电池、电解池、电镀池等的判定技巧
(1)无外接电源者，必定是原电池。
(2)有外接电源，两极插入电解质溶液中，且阳极金属与电解质溶液中的金属阳离子不同则为电解池。
(3)有外接电源，两极插入电解质溶液中，且阳极金属与电解质溶液中的金属阳离子相同则为电镀池。
(4)有外接电源，两极插入电解质溶液中，且阳极金属、阴极金属与电解质溶液中的金属阳离子均相同则为电解精炼装置。
二、非选择题(本题包括4小题，共58分)
8.(14分)某校化学爱好小组为了探究原电池工作原理，进行如下系列试验，请分析试验结果后回答相应问题。
(1)试验一中铜片、锌片表面均有红色物质析出，电流计指针偏转，但较短时间内电流明显减小。试验结束时测得锌片削减了3.94 g，铜片增重了3.84 g，则该原电池的工作效率是________(指参与原电池反应的锌占反应总量的百分率)。
(2)试验二中刚将铜、锌片插入溶液中时电流计指针有偏转，但马上就归零了。为什么锌的电子不能持续通过导线流向铜极给Cu2+？___________________。
(3)试验三中盐桥中K+流向____________溶液(填“ZnSO4”或“CuSO4”)，假如Zn的消耗速率为110-3mol·s-1，则K+的迁移速率为________mol·s-1。与试验一比较，试验三原电池的工作效率大大提高，缘由是____________________。
(4)依据试验一、二、三可得出的结论是_________________________________
____________________(写出两点即可)。
【解析】(1)铜片质量增加是由于溶液中的Cu2+在Cu极获得电子变为Cu，Zn失电子的物质的量等于Cu2+获得电子的物质的量，即参与形成原电池的n(Zn)=n(Cu)==0.06 mol，其质量为0.06 mol65 g·mol-1=3.9 g。实际测得锌片削减了3.94 g，说明Zn直接与Cu2+发生置换反应在锌片上析出Cu，由反应：Zn+Cu2+Cu+Zn2+，结合差值法可得Zn的质量为65 g=2.6 g，参与反应的Zn的总质量为3.9 g+2.6 g=6.5 g，所以原电池的工作效率为100%=60%。(2)将铜片、锌片插入溶液中的瞬间，Zn、Cu之间存在电势差，能产生短暂的电流，但整个装置没形成闭合回路，锌的电子就不能持续通过导线流向铜极给Cu2+，所以马上就归零了。(3)试验三中，Zn为原电池的负极，Cu极上富集有大量的负电荷，所以带正电荷的K+向CuSO4溶液迁移。依据电子守恒可知K+的迁移速率为Zn的消耗速率的两倍，即为210-3mol·s-1。对比试验一和试验三的装置特点可知，锌片没有直接插入CuSO4溶液中，Zn不能直接与Cu2+发生置换反应，从而大大提高了原电池的工作效率。(4)依据试验一、二、三的现象和原电池的形成条件、应用即可分析得出结论。
答案：(1)60% (2)未形成闭合的回路
(3)CuSO4 210-3 氧化剂和还原剂互不接触，电子只能通过导线发生转移
(4)Zn的活泼性比Cu强、原电池的两极需形成闭合回路才能产生电流或正、负极在同一电解质溶液中时工作效率降低(其他合理答案也可)
【加固训练】某化学活动小组利用如下甲装置对原电池进行探究，请回答以下问题：(其中盐桥为含有饱和KCl溶液的琼脂)
(1)在甲装置中，当电流计中指针发生偏转时，盐桥中的K+移向________烧杯(填“A”或“B”)，装置中电子的移动路径和方向为______________。
该小组同学提出设想：假如将试验中的盐桥换为导线(铜制)，电流表是否也发生偏转呢？带着疑问，该小组利用乙装置进行了试验，发觉电流计指针同样发生偏转。回答下列问题：
(2)对于试验中产生电流的缘由，起初认为该装置照旧为原电池，但老师提示留意使用的是铜导线，经深化探讨后认为烧杯A实际为原电池，在此问题上，该小组成员的意见发生了很大分歧；
①一部分同学认为是由于ZnSO4溶液水解显酸性，此时原电池实际是由Zn、Cu作电极，H2SO4溶液作为电解质溶液而构成的原电池。假如这个观点正确，写出烧杯B中铜片上发生反应的电极反应式_____________________________。
②另一部分同学认为是溶液酸性较弱，由于溶解在溶液中的氧气的作用，使得Zn、Cu之间形成原电池。假如这个观点正确，那么原电池的正极反应式为____________________________________。
(3)若第(2)小题中观点②正确，则可以利用此原理设计电池为在偏远海岛工作的灯塔供电。其具体装置为以金属铝和石墨为电极，以海水为电解质溶液，请写出该电池工作时总反应的化学方程式________________________________。
【解析】(1)甲装置中Zn为负极，Cu为正极，电流方向为Cu→电流计→Zn→盐桥→Cu，电流的方向为正电荷运动的方向，负电荷运动的反方向，故K+移向B烧杯，电子由Zn电极经外电路流向Cu电极。
(2)若盐桥改为铜导线，且仍有电流产生，说明A为原电池，而B为电解池。A中Zn为负极，Cu为正极，氧化性微粒可能为Zn2+水解产生的H+或溶解于溶液中的O2。则B中铜片为阴极，电极反应式为Cu2++2e-Cu。如②所述，A中正极上O2获得电子。
(3)Al为负极，石墨为正极，海水为电解质溶液，O2为氧化剂，总反应方程式为4Al+3O2+6H2O4Al(OH)3。
答案：(1)B 由Zn电极沿导线流向Cu电极
(2)①Cu2++2e-Cu ②O2+2H2O+4e-4OH-
(3)4Al+3O2+6H2O4Al(OH)3
9.(14分)A、B、C三种强电解质，它们在水中电离出的离子如下表所示：
阳离子
Na+、K+、Cu2+
阴离子
S、OH-
如图1所示装置中，甲、乙、丙三个烧杯分别盛放足量的A溶液、足量的B溶液、足量的C溶液，电极均为石墨电极。
接通电源，经过一段时间后，测得乙中c电极质量增加了16 g。常温下各烧杯中溶液的pH与电解时间t的关系如图2。据此回答下列问题：
(1)M为电源的________极(填“正”或“负”)；电极b上发生的电极反应式为__________________________________________。
(2)计算电极e上生成的气体在标准状况下的体积为________。
(3)写出乙烧杯中发生电解的总反应式____________________。
(4)假如电解过程中B溶液中的金属离子全部析出，此时电解能否连续进行，为什么？__________________________________________________。
(5)此时要使丙中溶液恢复到原来的状态，操作是_________________________。
【解析】乙中c电极质量增加，则c极发生的反应为Cu2++2e-Cu，即c极为阴极，由此可推出b为阳极，a为阴极，M为负极，N为正极。测得乙中c电极质量增加了16 g，有金属析出的是含Cu2+的水溶液，其他的都不行能，而Cu2+只能和S结合，可以确定B为硫酸铜；由常温下各烧杯中溶液的pH与电解时间t的关系图，可以确定A为KOH或NaOH溶液，C为Na2SO4或K2SO4溶液。甲中为KOH或NaOH溶液，相当于电解H2O，阳极b处为阴离子OH-放电，即4OH--4e-2H2O+
O2↑。当乙中有16 g Cu析出时，转移的电子为0.5 mol，2CuSO4+2H2O2Cu+
O2↑+2H2SO4。而整个电路是串联的，故每个烧杯中的电极上转移的电子数是相等的。丙中为Na2SO4或K2SO4溶液，相当于电解水，由方程式2H2O2H2↑+O2↑可知，生成2 mol H2，转移4 mol电子，所以当整个反应中转移0.5 mol电子时，生成的H2为0.25 mol，标准状况下的体积为0.25 mol22.4 L·mol-1=5.6 L。铜全部析出后，电解质变为H2SO4，所以电解反应仍能进行。甲和丙烧杯中均消耗水0.25 mol，若要恢复到原来的状态，应向烧杯中加4.5 g水。
答案：(1)负 4OH--4e-2H2O+O2↑
(2)5.6 L
(3)2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4
(4)能，由于此时CuSO4溶液已转变为H2SO4溶液，反应变为电解水的反应
(5)向丙烧杯中加4.5 g水
【方法规律】推断电解后溶液pH变化的方法
依据原溶液的酸、碱性和电极产物即可对电解后溶液pH的变化作出正确的推断，其方法如下：
(1)若电极产物只有H2而无O2，则pH变大。
(2)若电极产物只有O2而无H2，则pH变小。
(3)若电极产物既有O2又有H2，原溶液呈酸性则pH变小，原溶液呈碱性则pH变大，原溶液呈中性则pH不变。
10.(15分)(2021·许昌模拟)一百多年以前，人们曾用金属钠还原氧化铝得到金属铝，由于当时钠很贵，因而铝比钠更贵，价格跟黄金不相上下。直到19世纪末，人们制造了生产铝的新方法——电解冰晶石(Na3AlF6)和氧化铝的熔融混合物，才能够大规模冶炼金属铝。其电解反应式为
2Al2O34Al+3O2↑。
回答下列问题：
(1)氯化铝的熔点为190℃(2.5105Pa条件下，常压下在180℃时升华)，比氧化铝的熔点(2 025℃)要低得多，为何不用电解熔融氯化铝的方法冶炼金属铝？__________________。
(2)电解时阳极反应式是____________________，阴极反应式是____________________。
(3)电解槽中阴极和阳极材料都是碳块，哪一极的碳块消耗较快？答：________。为什么？_______________________________________________。
(4)在海洋工程上，通常用铝合金(Al-Zn-Cd)疼惜海底钢铁设施，其原理如下图所示：
其中负极发生的电极反应为____________________；在实际应用中，用铝合金而不选用纯铝。纯铝不能很好地起到疼惜作用，其缘由是___________________。
【解析】本题主要考查电解的应用以及金属的防护方法。
(1)AlCl3是共价化合物，熔融态不导电。
(2)阳极阴离子(O2-)放电，阴极阳离子(Al3+)放电。
(3)留意分析电极产物以及所处的环境条件。
(4)机敏应用原电池原理进行分析推断。
答案：(1)AlCl3是共价化合物，熔融状态下不能发生电离
(2)6O2--12e-3O2↑ 4Al3++12e-4Al
(3)阳极 阳极生成的氧气在高温下很简洁与碳块发生反应
(4)Al-3e-Al3+ 纯铝表面易被氧化，生成一层致密的氧化膜，使其不易被腐蚀，无法起到疼惜钢铁设施的作用
11.(15分)(2021·邢台模拟)纯铜(纯度可达99.99%)广泛应用于电气工业。某粗铜样品中含Fe、Ni、Ag、Au等四种金属杂质，可用电解法进行精炼制得高纯铜。
(1)请在下图甲中标明电极材料和电解质溶液的名称：
(2)已知Ni的金属活动性介于Fe和Sn之间，则精炼完成后，在阳极底部的沉积物中可回收到的金属为________________(填化学式)。
(3)若在试验室中完成此试验，可用铅蓄电池作电源。铅蓄电池的电池总反应式为
Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
在完全放电耗尽PbO2和Pb时，若按上图乙所示连接进行充电，充电一段时间后，则在A电极上生成____________(填化学式)，B电极上生成____________(填化学式)；充电完毕，铅蓄电池的正极是________极(填“A”或“B”)。
【解析】本题考查铜的电解精炼、铅蓄电池原理、电极的推断、微粒的放电挨次。(1)在粗铜的提纯中，粗铜作阳极，精铜作阴极，电解质溶液为硫酸铜溶液。(2)由于银和金的活泼性比铜弱，故电解时它们不放电，在阳极形成了阳极泥。(3)依据铅蓄电池的电池反应可知，在放电时，铅作负极，二氧化铅作正极。在充电时，硫酸铅在阳极发生氧化反应生成二氧化铅，硫酸铅在阴极发生还原反应生成铅，故依据图乙可知A电极上生成铅，B电极上生成二氧化铅，充电完成时，正极是二氧化铅，即B极。
答案：(1)左：精铜 右：粗铜 硫酸铜
(2)Ag、Au (3)Pb PbO2 B
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