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区间五 电化学
NO.1 “品”高考考情——考什么?怎么考?精准备考!
新型化学电源
1.(2020·全国Ⅰ卷,12)科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如下,电极为金属锌和选择性催化材料,放电时,温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等,为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是( D )
A.放电时,负极反应为Zn-2e-+4OH-Zn(OH)42-
B.放电时,1 mol CO2转化为HCOOH,转移的电子数为2 mol
C.充电时,电池总反应为2Zn(OH)42-2Zn+O2↑+4OH-+2H2O
D.充电时,正极溶液中OH-浓度升高
2.(2018·全国Ⅲ卷,11)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( D )
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-x2)O2
3.(2021·广东卷,9)火星大气中含有大量CO2,一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极,碳纳米管为正极,放电时( B )
A.负极上发生还原反应
B.CO2在正极上得电子
C.阳离子由正极移向负极
D.将电能转化为化学能
可逆电池充放电过程分析
1.(2019·全国Ⅲ卷,13)为提升电池循环效率和稳定性,科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点,设计了采用强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池,结构如图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列说法错误的是( D )
A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积,所沉积的ZnO分散度高
B.充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-NiOOH(s)+H2O(l)
C.放电时负极反应为Zn(s)+2OH-(aq)-2e-ZnO(s)+H2O(l)
D.放电过程中OH-通过隔膜从负极区移向正极区
2.(2018·全国Ⅱ卷,12)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液,钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料,电池的总反应为3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列说法错误的是( D )
A.放电时,ClO4-向负极移动
B.充电时释放CO2,放电时吸收CO2
C.放电时,正极反应为3CO2+4e-2CO32-+C
D.充电时,正极反应为Na++e-Na
3.(2021·湖南卷,10)锌/溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池,广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等。三单体串联锌/溴液流电池工作原理如图所示:
下列说法错误的是( B )
A.放电时,N极为正极
B.放电时,左侧贮液器中ZnBr2的浓度不断减小
C.充电时,M极的电极反应式为Zn2++2e-Zn
D.隔膜允许阳离子通过,也允许阴离子通过
离子交换膜在电化学中的应用
1.(2019·全国Ⅰ卷,12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意图如下所示。下列说法错误的是( B )
A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能
B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+2H++2MV+
C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3
D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
2.(2016·全国Ⅰ卷,11)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和SO42-可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述正确的是( B )
A.通电后中间隔室的SO42-向正极迁移,正极区溶液pH增大
B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品
C.负极反应为2H2O-4e-O2+4H+,负极区溶液pH降低
D.当电路中通过1 mol电子的电量时,会有0.5 mol的O2生成
电解原理在环保、新材料制备中的应用
1.(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( D )
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
2.(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( D )
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
3.(2020·全国Ⅱ卷,12)电致变色器件可智能调控太阳光透过率,从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时,Ag+注入无色WO3薄膜中,生成AgxWO3,器件呈现蓝色,对于该变化过程,下列叙述错误的是( C )
A.Ag为阳极
B.Ag+由银电极向变色层迁移
C.W元素的化合价升高
D.总反应为WO3+xAgAgxWO3
4.(2018·全国Ⅰ卷,13)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。示意图如图所示,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( C )
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
金属的腐蚀与防护
1.(2017·全国Ⅰ卷,11)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( C )
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
2.(2019·江苏卷,10)将铁粉和活性炭的混合物用NaCl溶液湿润后,置于如图所示装置中,进行铁的电化学腐蚀实验。下列有关该实验的说法正确的是( C )
A.铁被氧化的电极反应式为Fe-3e-Fe3+
B.铁腐蚀过程中化学能全部转化为电能
C.活性炭的存在会加速铁的腐蚀
D.以水代替NaCl溶液,铁不能发生吸氧腐蚀
电化学相关计算及电极反应式的书写
1.(2020·全国Ⅲ卷,12)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)-空气电池如图所示,其中在VB2电极发生反应:VB2+16OH--11e-VO43-+2B(OH)4-+4H2O,该电池工作时,下列说法错误的是( B )
A.负载通过0.04 mol电子时,有0.224 L(标准状况)O2参与反应
B.正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C.电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O8B(OH)4-+4VO43-
D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
2.(2017·全国Ⅲ卷,11)全固态锂硫电池能量密度高、成本低,其工作原理如图所示,其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料,电池反应为16Li+xS88Li2Sx(2≤x≤8)。下列说法错误的是( D )
A.电池工作时,正极可发生反应:2Li2S6+2Li++2e-3Li2S4
B.电池工作时,外电路中流过0.02 mol电子,负极材料减重0.14 g
C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性
D.电池充电时间越长,电池中Li2S2的量越多
3.(2021·河北卷,9)K-O2电池结构如图,a和b为两个电极,其中之一为单质钾片。关于该电池,下列说法错误的是( D )
A.隔膜允许K+通过,不允许O2通过
B.放电时,电流由b电极沿导线流向a电极;充电时,b电极为阳极
C.产生1 Ah电量时,生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为2.22
D.用此电池为铅酸蓄电池充电,消耗3.9 g钾时,铅酸蓄电池消耗0.9 g水
1.电化学是一个经久不衰的考题类型,无论是全国卷还是地方卷均不会爽约。
2.此类题型重点考查原电池,偶尔考查电解和金属腐蚀与防护。此类题难点是原理陌生、装置陌生,给考生带来非常大的挑战。
3.此类题目往往属于难度中档偏高类型的题目,解决好此题关系重大。
4.从2021年考题情况看,此区间有一些新的变化。全国甲、乙两卷均考查了电解原理,这是一个比较大的变化。那么是否说明电化学有转向的趋势呢?笔者认为有很大的可能,其主要原因是过去电化学以原电池为重点考查方向,导致各地模考也在这个方向猛挖深挖,各色电池轮番上场,甚至一些超出学生经验范围的浓差电池或非氧化还原电池也频频出现,导致原电池命题难度提升,要想出一个比较陌生的原电池的题非常难,基于上述分析,电解原理的命题频率会提高,所以可以强化电解原理的学习。
NO.2 “讲”必备知识——考什么,讲什么,实现精讲!
原电池原理及应用
1.原电池基本模型
2.解决原电池问题基本流程
(1)分析电池内存在的氧化还原反应,若存在多个氧化还原反应还要分析先后顺序。
(2)画出双线桥,分析“半反应”;根据电极材料,电子、电流流动方向,离子移动方向或者题目所给图示分析出正负极。
(3)综合考虑电极材料、电解质特点以及题目所给的电池构造图写出正负极电极反应式。
(4)对陌生装置尤其注意两点:一是装置图中相关物质化合价变化(从中可以分析氧化还原的情况),二是箭头表示的意义(表示微粒移动或表示微粒的转化)。
3.原电池基本解题规律
(1)大部分电池一般先写负极反应式,燃料电池一般先写正极反应式;然后用总反应(离子方程式)减去负极(燃料电池为正极)反应式即得正极(燃料电池为负极)反应式。
(2)燃料电池常见的四种正极反应式
①酸性燃料电池:O2+4H++4e-2H2O;
②中碱性燃料电池:O2+2H2O+4e-4OH-;
③熔融碳酸盐燃料电池:O2+2CO2+4e-2CO32-;
④熔融氧化物燃料电池:O2+4e-2O2-。
(3)可充电二次电池:先写放电(原电池)电极反应式,把放电电极反应式“颠倒过来”即充电(电解)电极反应式。
(4)注意近些年一些非常规原电池问题时而有所考查,这些电池有浓差电池、温差电池、非氧化还原型原电池等,这些电池不符合原电池基本理论(高中所学原电池理论是基于自发的氧化还原反应理论)。遇到此类问题要根据题意进行分析,而不能硬套我们所学的原电池理论。
电解池原理与应用
1.电解原理模型
2.离子放电顺序(惰性电极)
阳极:S2->I->Br->Cl->OH-(活泼电极作阳极时,放电的是阳极材料本身,注意Fe作阳极一般仅能失去2e-);
阴极:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Sn2+>Zn2+>Fe2+>H+(H2O)>Al3+。
3.电解原理应用、常见四种类型电解及电解质溶液复原。
4.电解原理解题基本流程
(1)先看阳极是否为“惰性电极”,若为活泼电极,则放电的就是阳极本身,直接写出阳极反应式;若为惰性电极,则根据阴离子放电顺序写出阳极反应式。
(2)根据阳离子放电顺序写出阴极反应式。
(3)根据阴、阳极反应式结合离子方程式书写规律,写出总反应方程式。
(4)根据电解总方程式以及阴、阳极反应式进行相关计算或判断。
[温馨提示] ①有些电解需要根据题意具体问题具体分析,不能生搬硬套。比如Al作阳极有些题目里可以写成Al-3e-Al3+,而有些题目说的是电解法在酸性介质中使Al表面形成一层氧化层,此时则应该写成2Al-6e-+3H2OAl2O3+6H+。②离子放电顺序只是一个在离子浓度相同条件下的理论顺序,实际离子放电顺序非常复杂,与温度、浓度、电流密度、电极材料等多种因素有关。有时阴离子会在阴极放电,阳离子也可能在阳极放电,不同离子很多时候会同时放电(离子放电顺序靠前的,放电的比例高于靠后的离子)。所以分析电解问题时,首先根据题意分析到底什么物质或微粒放电,仅在根据题意无法做出判断时才可根据“离子放电顺序”考虑。
电极反应式书写规律
电极反应式的书写规律类似于氧化还原反应离子方程式的书写规律:主要的思路是先分析化合价,搞清氧化剂→还原产物及还原剂→氧化产物,然后根据化合价及物质电离情况初步写出电极反应式,最后根据电荷守恒,结合内电路离子种类、交换膜情况及原子守恒补充相关离子,使电极反应式符合电荷守恒和原子守恒。例如:(2019·天津卷,6)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。
分析过程如下:电池右侧根据化合价和箭头(表示转化)Zn→Zn2+,知道属于氧化反应,应该是负极,写出负极反应式为Zn-2e-Zn2+(符合电荷守恒及原子守恒)。由于右侧为负极区,所以左侧为正极区,根据相关化合价知道得电子的为I元素。I2Br-中I元素为0价(因为Br非金属性大于I,所以考虑Br显-1价,I平均为0价),根据化合价变化,初步写出电极反应式为I2Br-+2e-2I-,根据电荷守恒及图内容,补充溴离子使之符合电荷守恒、原子守恒,最终写出正极反应式:I2Br-+2e-2I-+Br-。
[分析技巧]
1.有些元素化合价分析不出来,可以考虑整体化合价。例如:(2019年·全国Ⅰ卷,12)
MV2+MV+,虽然不清楚MV分别显示的化合价,但是可以总体分析,整体从+2价→+1价,所以该变化对应的电极反应式为MV2++e-MV+。
2.某物质是否可拆(是否完全电离)要综合考虑电解质有没有水、是否为熔融电解质、电解质强弱、装置图隐含的信息等。无水、没有熔融条件(电离条件不具备)一般不能拆;弱电解质或非电解质及单质、气体等一般不能拆。
电化学原理综合应用
1.金属腐蚀与防护
(1)金属腐蚀本质:金属没有负价,所以金属腐蚀本质就是金属失电子被氧化的过程:M-xe-Mx+。
(2)金属腐蚀类型:①化学腐蚀;②电化学腐蚀(又分为原电池腐蚀、电解原理腐蚀)。
(3)金属防腐原理
①涂覆保护层:原理是隔离氧化剂与还原剂(金属)。②电化学保护:根据原电池、电解池原理知,原电池负极发生氧化反应、电解池阳极发生氧化反应,据此我们知道金属原电池腐蚀是因为被腐蚀金属作了负极,电解腐蚀是因为被腐蚀金属作了阳极。电化学保护原理也就是让金属作原电池正极或作电解池阴极即可,其中利用原电池原理防护方法称牺牲阳极的阴极保护法,利用电解池原理防护方法称外加电流的阴极保护法。③加入Ni、Cr把铁制成不锈钢改变金属内部结构。
2.原电池、电解池串联装置
串联电路中阴阳极或正负极总是交替出现,只要分析出某个电极,则与之相邻的电极名称相反(比如某电极是阳极,则与之相邻的电极为阴极)。
3.电化学综合计算
(1)注意串联的原电池或电解池各个电极放电量相等的基本等量关系。
(2)注意能量与电量的不同,转移电量相同不代表消耗或释放能量相同。因为I=Q/t,所以W=I2Rt=Q2tR,电量Q一定时,电功多少与时间t有关。
(3)电化学计算一般比较复杂,耗时较多,所以遇到此类问题时可把选项暂时放一放,或利用排除法进行筛选。
4.电化学装置中离子的移动与电势高低
(1)电化学装置中离子移动方向可以总结为八个字“正正负负(原电池中阳离子移向正极,阴离子移向负极),正阴负阳(电解池中阳离子移向阴极,阴离子移向阳极)”。
(2)电势问题:原电池中正极电势高于负极,电解池中阳极电势高于阴极。
5.各种膜的用途
(1)原电池中一般是“单膜(正负极之间)”。原电池中膜的主要作用有两点:一是隔离正负极某些微粒,防止其发生反应造成内放电;二是防止某些微粒在电极表面沉淀析出导致电极活性降低。
(2)电解池中很多时候是“双膜或多膜”。多膜会把整个电解池分割成若干不同的“室”,比如有“阳极室”“阴极室”“产品室”等等。电解池中膜的主要作用是控制离子的移动以期获得所需的产品或达到除杂、提纯等目的。
NO.3 “练”关键能力——考什么,练什么,实现精练!
新型化学电源
1.(2021·江西抚州模拟)浓度差电池是指电池内物质变化仅是由一物质由高浓度变成低浓度且过程伴随着吉布斯自由能转变成电能的一类电池。如图所示的浓度差电池示意图,下列有关说法正确的是( C )
A.a极为原电池的负极
B.c为Cu2+交换膜
C.电流计为0时,两极的CuSO4浓度相等
D.转移1 mol 电子时,右池增重48 g
左侧硫酸铜溶液浓度大,所以左侧发生Cu2++2e-Cu,发生还原反应为正极,右侧硫酸铜溶液浓度小,所以右侧发生Cu-2e-Cu2+,发生氧化反应为负极。根据分析可知a极为原电池正极,A错误;左侧消耗Cu2+,右侧生成Cu2+,为了平衡电荷,左侧的SO42-需迁移到右侧,所以c为阴离子交换膜,B错误;根据浓度差电池的定义可知当两室硫酸铜溶液浓度相等时,将不再产生电流,C正确;转移1 mol 电子时,右池生成0.5 mol Cu2+,左侧迁移到右侧0.5 mol SO42-,所以右池增重即 0.5 mol CuSO4的质量,为0.5 mol ×160 g/mol =80 g,D错误。
2.(2021·广东佛山模拟)研究HCOOH燃料电池性能的装置如图所示,两电极区间用允许K+、H+通过的离子交换膜隔开,下列说法错误的是( A )
A.该燃料电池的总反应方程式为HCOOH+Fe3+CO2↑+H2O
B.放电过程中,K+向右移动
C.放电过程中需要补充的物质A为H2SO4
D.电池负极电极反应式为HCOO-+2OH--2e-HCO3-+H2O
该装置是燃料电池,因此总方程式为2HCOOH+O2+2OH-2HCO3-+2H2O,A错误;根据题图示,该燃料电池加入HCOOH的一端为负极,通入O2的一端为正极,因此放电时K+向正极移动,即向右移动,B正确;在正极一端发生的反应为O2+4Fe2++4H+4Fe3++2H2O,需要消耗H+,且排出K2SO4,可推出需要补充的物质A为H2SO4,C正确;根据题图示,负极的电极反应式为HCOO-+2OH--2e-HCO3-+H2O,D正确。
可逆电池充放电过程分析
1.(2021·天津高三一模)某大学团队以KSn合金为负极,以含羧基多壁碳纳米管(MWCNTs—COOH)为正极催化剂构建了可充电K-CO2电池(如图所示),电池反应为4KSn+3CO22K2CO3+C+4Sn,其中生成的K2CO3附着在正极上。该成果对改善环境和缓解能源问题具有巨大潜力。下列说法正确的是( C )
A.放电时,电子由KSn合金经酯基电解质流向 MWCNTs—COOH
B.电池每吸收22.4 L CO2,电路中转移4 mol e-
C.充电时,阳极电极反应式为C-4e-+2K2CO33CO2↑+4K+
D.为了更好地吸收温室气体CO2,可用适当浓度的KOH溶液代替酯基电解质
放电时,KSn合金作负极,MWCNTs—COOH作正极,在外电路中电子由负极经导线流向正极,电子不流经电解质溶液,A错误;气体未指明状况,无法根据体积确定其物质的量,B错误;充电时,阳极发生氧化反应,电极反应为C-4e-+2K2CO33CO2↑+4K+,C正确;若用KOH溶液代替酯基电解质,则KOH会与正极上的MWCNTs—COOH发生反应,因此不能使用KOH溶液代替酯基电解质,D错误。
2.(2021·天津高三三模)我国化学工作者提出一种利用有机电极(PTO/HQ)和无机电极(MnO2/石墨毡),在酸性环境中可充电的电池其放电时的工作原理如图所示:
下列说法错误的是( D )
A.放电时,MnO2/石墨毡为正极,发生还原反应
B.充电时,有机电极和外接电源的负极相连
C.放电时,MnO2/石墨毡电极的电极反应式为MnO2+2e-+4H+Mn2++2H2O
D.充电时,有机电极的电极反应式为PTO+4e-+4H2OHQ+4OH-
从工作原理图可知,MnO2生成Mn2+,得到了电子,则MnO2/石墨毡为电源正极,发生还原反应,A正确;充电时,有机电极得到电子,PTO得到电子和H+生成HQ结构,则有机电极和外接电源的负极相连,B正确;放电时,MnO2/石墨毡电极为电源正极,MnO2得电子被还原成Mn2+,则其电极反应式为MnO2+2e-+4H+Mn2++2H2O,C正确;充电时,有机电极的电极反应式为PTO+4e-+4H+HQ,故D错误。
离子交换膜在电化学中的应用
1.(2021·黑龙江哈尔滨模拟)某化物所的研究团队创新性地提出锌碘单液流电池的概念,实现锌碘单液流中电解液的利用率近100%,其原理如图所示。下列说法正确的是( C )
A.放电时A电极反应式为Zn2++2e-Zn
B.放电时电解质储罐中离子总浓度减小
C.M为阴离子交换膜,N为阳离子交换膜
D.充电时A极增重65 g,C区增加离子数为2NA
放电时A电极是负极,A极反应式为Zn-2e-Zn2+,A错误;放电时,A区发生反应Zn-2e-Zn2+,C区Cl-进入A区,所以电解质储罐中离子总浓度增大,B错误;放电时,C区Cl-进入A区、K+进入B区,所以M为阴离子交换膜,N为阳离子交换膜,C正确;充电时A极增重65 g,A区发生反应Zn2++2e-Zn,电路中转移2 mol 电子,根据电荷守恒,2 mol Cl-自A区进入C区,2 mol K+自B区进入C区,C区增加离子数为4NA,D错误。
2.(2021·辽宁沈阳模拟)某实验室设计了如图装置制备N2H4。双极膜是阴、阳复合膜,层间的H2O解离成H+和OH-并分别通过阴、阳膜定向移动。下列说法错误的是( D )
A.Pt为负极
B.石墨电极反应式为ClO-+2e-+2H+Cl-+H2O
C.双极膜中产生的OH-移向Pt电极
D.每消耗11.2 L NH3时双极膜中消耗1 mol H2O
Pt电极一侧通入NH3生成N2H4,发生了失电子的氧化反应,为负极,A正确;双极膜中的H+移向正极,ClO-得电子发生还原反应,B正确;阴离子移向负极,C正确;没有说明气体的存在状况,无法计算物质的量,D错误。
电解原理在环保、新材料制备中的应用
1.(2021·吉林长春模拟)某大学团队提出了一种如图所示的光电催化体系,该体系利用双极膜既能将SO2转化为SO42-所释放的化学能用于驱动阴极H2O2的高效生成,也可以实现烟气脱SO2。则下列说法错误的是( B )
A.阴极反应为2H++O2+2e-H2O2
B.电解液中有2个离子交换膜,膜b为阳离子交换膜,膜a为阴离子交换膜
C.随着反应的进行,阳极区pH降低
D.每生成1 mol SO42-,伴随着1 mol H2O2的生成
根据装置知道,左侧电极为二氧化硫转化为硫酸根离子的过程,S元素化合价升高,失电子,作阳极,则直流电源的左侧是正极;右侧电极是阴极,为氧气得电子转化为过氧化氢的过程。右侧电极是阴极,阴极反应为 2H++O2+2e-H2O2,A正确;根据装置知道,氢氧根离子通过靠近阳极的交换膜进入阳极参加反应,为阴离子交换膜,氢离子通过靠近阴极的交换膜进入阴极参加反应,为阳离子交换膜,B错误;根据装置知道,左侧电极为二氧化硫转化为硫酸根离子的过程,氢氧根离子被消耗,碱性减弱,pH降低,C正确;二氧化硫转化为硫酸根离子,每生成1 mol 硫酸根离子,伴随2 mol 电子转移,根据电子守恒,得到的过氧化氢是1 mol,D正确。
2.(2021·辽宁阜新模拟)科学家利用电化学装置实现了CH4和CO2的耦合转化,原理如图。下列说法错误的是( B )
A.电极A的电极反应式为CO2+2e-CO+O2-
B.该装置工作时,固体电解质中O2-向电极A移动
C.若一定条件下生成的乙烯和乙烷的体积比为3∶1,则消耗的CH4和CO2的体积比为8∶7
D.电催化CO2被还原为CO,可以改善温室效应,提供工业原料
根据题图可知,在阴极(A电极)反应式为CO2+2e-CO+O2-,A正确;该装置工作时,固体电解质中阴离子O2-向正电荷较多的阳极(B电极)定向移动,B错误;阳极乙烯和乙烷的体积比为3∶1,则B电极反应式为8CH4+7O2--14e-3C2H4+C2H6+7H2O,结合阴极反应式,可得总反应为8CH4+7CO23C2H4+C2H6+7CO+7H2O,可见反应时消耗的相同外界条件下CH4和CO2的体积比为8∶7,C正确;电催化CO2被还原为CO,能够降低空气中CO2的浓度,因此可有效改善温室效应,转化的CO可作为化工原料,D正确。
金属的腐蚀与防护
1.(2021·河北张家口三模)在缺乏氧气的深层潮湿土壤中存在的硫酸盐还原菌,会附着在钢管表面促进钢铁的腐蚀,这个过程被称为厌氧腐蚀,其反应原理如图所示,下列说法正确的是( B )
A.厌氧腐蚀属于化学腐蚀
B.负极的电极反应式为Fe-2e-=Fe2+
C.每生成1 mol FeS,最终转移的电子数为2NA
D.镀锌或铜的钢管破损后均会加快钢管的腐蚀
钢管中含有碳元素,铁、C与潮湿的土壤形成原电池,则厌氧腐蚀属于电化学腐蚀,A错误;根据图像可知,负极铁失电子生成亚铁离子,电极反应式为Fe-2e-Fe2+,B正确;硫酸根离子变为硫离子时,转移8个电子,则每生成1 mol FeS,最终转移的电子数为8NA,C错误;镀锌的钢管破损后锌比铁活泼,锌作负极,保护铁不被腐蚀,而铜比铁活泼性差,铜作正极,会加快钢管的腐蚀,D错误。
2.(2021·上海浦东新区二模)选取pH=2.5和pH=5.0的醋酸溶液分别与生铁反应,进行腐蚀实验,测量密闭容器内压强变化情况如图。下列结论错误的是( D )
A.pH=5.0的醋酸溶液中一定存在吸氧腐蚀
B.酸度不同,腐蚀的主要类型可能不同
C.两组溶液的pH一定逐渐变大
D.若改用盐酸进行实验,腐蚀速率一定变大
pH=2.5的醋酸溶液与铁反应时压强增大,则为析氢腐蚀,电极反应式为2CH3COOH+2e-H2↑+2CH3COO-,pH=5.0时压强减小,则是吸氧腐蚀,电极反应式为O2+4CH3COOH+4e-2H2O+4CH3COO-。pH=5.0的醋酸溶液,随着反应的进行密闭容器内压强减小,则是吸氧腐蚀,A正确;pH=2.5的醋酸溶液,随着反应的进行密闭容器中压强增大,是析氢腐蚀,pH=5.0 的醋酸溶液,随着反应的进行密闭容器中压强减小,是吸氧腐蚀,酸度不同,腐蚀的主要类型可能不同,B正确;两组溶液都在消耗氢离子,pH一定逐渐变大,C正确;腐蚀速率与氢离子浓度有关,换成盐酸,若pH相同时,与醋酸反应,pH下降较慢,改用盐酸进行实验,腐蚀速率不一定变大,故D错误。
电化学相关计算及电极反应式的书写
1.(2021·广东广州三模)中科院研制出了双碳双离子电池,以石墨(Cn)和中间相炭微粒球(MCMB)为电极,电解质溶液为含有KPF6的有机溶液,其充电示意图如下。下列说法错误的是( C )
A.固态KPF6为离子晶体
B.放电时,MCMB电极为负极
C.充电时,若阳极增重39 g,则阴极增重145 g
D.充电时,阳极发生反应为Cn+xPF6--xe-Cn(PF6)x
由题图可知,固态KPF6在有机溶液中能电离生成PF6-和K+,则固态KPF6为离子晶体,A正确;根据充电时离子的移动方向可知充电时石墨电极为阳极,MCMB电极为阴极,则放电时,石墨电极为正极,MCMB电极为负极,B正确;充电时,PF6-移向阳极、K+移向阴极,两者所带电荷数值相等,则移向阳极的PF6-和移向阴极的K+数目相等,即n(PF6-)=n(K+)=39 g÷39 g/mol =1 mol,m(PF6-)=nM=1 mol ×145 g/mol =145 g,即充电时,若阴极增重39 g,则阳极增重145 g,C错误;充电时,阳极发生失去电子的氧化反应,即反应为Cn+xPF6--xe-Cn(PF6)x,D正确。
2.(2021·云南昆明三模)某兴趣小组利用电化学原理降解酸性废水中的NO3-,装置如图所示。下列说法正确的是( D )
A.Pt电极可用Cu电极代替
B.负极反应式为2NO3-+10e-+12H+N2↑+6H2O
C.溶液中电子通过质子交换膜由Ag电极向Pt电极移动
D.若外电路转移1 mol 电子,则膜两侧电解液质量共减少38.3 g
由题中装置示意图可知,Pt电极上NO3-转化为N2,发生还原反应,故Pt电极为正极,则Ag电极为负极,发生的电极反应为Cl-+Ag-e-AgCl↓。由于Cu比Ag活泼,故Pt电极不可用Cu电极代替,否则Cu直接与酸性条件下的NO3-反应,不构成原电池,A错误;根据原电池中负极发生氧化反应,正极发生还原反应,故负极反应式为Cl-+Ag-e-AgCl↓,而2NO3-+10e-+12H+N2↑+6H2O是正极反应式,B错误;由分析可知,Pt电极是正极,Ag为负极,故溶液中H+通过质子交换膜由Ag电极向Pt电极移动,电子只能在导线上定向移动而不能通过溶液,C错误;根据电池的总反应可知,10Ag+10Cl-+12H++2NO3-10AgCl↓+N2↑+6H2O,转移10 mol 电子两侧电解液质量减少(10×35.5+28)g,故若外电路转移1 mol 电子,则膜两侧电解液质量共减少38.3 g,D正确。
[思维建模] 电化学类题解题模式是①读图:注意化合价变化与箭头意义(箭头一般表示物质的转化或微粒的移动方向),根据两个极区物质化合价变化,分析出正、负极或阴、阳极(失电子的为负极或阳极、得电子的为正极或阴极);②写式:写出正、负极或阴、阳极电极反应式(符合电子得失守恒、电荷守恒、原子守恒,还要注意物质是否可拆),可充电电池放电时的正、负极颠倒过来分别是充电时的阳、阴极;③判断:根据电极反应式或总反应方程式进行计算或判断各选项正误,作答即可。
特别提示:电解池类型题目要首先根据题目所给信息判断阴、阳极电极反应,只有当根据题意无法确定电极反应时才可以根据“离子放电顺序”进行判断。
NO.4 “测”限时检测——测速度,测准度,查漏补缺!
1.(2021·云南昆明模拟)地球上锂资源匮乏,应用受到极大制约,难以持续发展。钾元素储量大并且与锂元素具有类似的性质,赋予了钾离子电池良好的应用前景。某研究中的钾离子电池工作原理如图所示(放电时钾离子嵌入层状TiS2中,充电时钾离子则脱嵌)。电池总反应为TiS2+xKKxTiS2。下列叙述正确的是( B )
A.放电时,电子从Cu电极流出
B.放电时,正极的电极反应式为TiS2+xK++xe-KxTiS2
C.充电时,Cu电极的电势低于K电极
D.其电解质溶液可以用水作溶剂
放电时,K电极为负极,电子从K电极流出,A错误;放电时,正极发生还原反应,K+嵌入TiS2中,电极反应式为TiS2+xK++xe-KxTiS2,B正确;充电时,Cu电极为阳极,电势高于K电极(阴极),C错误;金属K与水剧烈反应,故其电解质溶液不能用水作溶剂,D错误。
2.(2021·广东广州三模)一种微生物电解池(MEC)既可以处理有机废水,又有助于降低碳排放,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是( D )
A.a电极为MEC的阳极
B.MEC工作时,质子将从a电极室向b电极室迁移
C.b电极的电极反应式为CO2+8e-+8H+CH4+2H2O
D.a电极室产生的CO2与b电极室消耗的CO2相等
电极a上有机质转化为CO2,发生氧化反应,所以a为阳极,电极b上CO2转化为CH4,发生还原反应,所以b为阴极。电极a上有机质转化为CO2,发生氧化反应,所以a为阳极,A正确;工作时为电解池,电解池中阳离子由阳极向阴极迁移,所以质子将从a电极室向b电极室迁移,B正确;电极b上CO2得电子被还原,结合迁移过来的氢离子生成CH4和H2O,根据电子守恒和元素守恒可得电极反应式为CO2+8e-+8H+CH4+2H2O,C正确;有机质中C元素的化合价不一定和甲烷中C元素的化合价相同,所以a电极室产生的CO2与b电极室消耗的CO2不一定相等,D不正确。
3.(2021·黑龙江大庆模拟)设计如图所示装置分离含BaSO4和Na2SO4的浆液,并联合制备硫酸和烧碱。下列说法错误的是( D )
A.电极M上的电势低于电极N上的电势
B.膜b适合选择阴离子交换膜
C.工作时阳极区溶液的pH逐渐减小
D.若导线中流过4 mol e-,理论上有4 mol SO42-通过膜b
由于设计装置的目的是分离硫酸钠和硫酸钡,N极区域为稀硫酸,所以可制备硫酸,M极区域为氢氧化钠溶液,所以可制备氢氧化钠,钠离子移向M极,所以可判断出M为阴极,其电极反应式为2H2O+2e-
H2↑+2OH-,阴离子增多,所以钠离子要迁移到M极,需采用阳离子交换膜;N为阳极,其电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,硫酸根离子需迁移到该极,所以采用阴离子交换膜。根据上述分析可知,M为阴极,N为阳极,则M极上电势低于N极上电势,A正确;根据上述分析可知,膜b适合选择阴离子交换膜,B正确;工作时阳极区电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,所以溶液的pH逐渐减小,C正确;若导线中流过4 mol e-,则产生 4 mol 氢离子需要2 mol SO42-通过膜b,使溶液呈现电中性,D错误。
4.(2021·上海徐汇区二模)锥形瓶内壁用某溶液润洗后,放入混合均匀的新制铁粉和碳粉,塞紧瓶塞,同时测量锥形瓶内压强的变化,如图所示。下列说法错误的是( B )
A.0～t1时,铁可能发生了析氢腐蚀
B.0～t1时,铁可能发生了吸氧腐蚀
C.t1～t2时,铁一定发生了吸氧腐蚀
D.用于润洗锥形瓶的溶液一定显酸性
由题图可知,0～t1时,压强逐渐增大,说明锥形瓶中气体体积增大,铁可能发生了析氢腐蚀,A正确;由题图可知,0～t1时,压强逐渐增大,说明锥形瓶中气体体积增大,吸氧腐蚀会导致锥形瓶中气体体积减小,与题给信息不符,故0～t1时,铁不可能发生吸氧腐蚀,B错误;
t1～t2时,压强逐渐减小,说明锥形瓶中气体体积减小,说明铁发生了吸氧腐蚀,C正确;由题给信息,0～t1时,压强逐渐增大,说明锥形瓶中气体体积增大,铁可能发生了析氢腐蚀,也可能是铁与酸性溶液发生了化学反应导致,D正确。
5.(2021·广东茂名二模)一种将工厂中含H2S废气先用NaOH溶液吸收,然后利用吸收液进行发电的装置示意图如图。装置工作时,下列说法正确的是( D )
A.Na+向a极区
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