2022屆新高考化學一輪復習電化學原理的綜合應用學案

電化學原理的綜合應用

導讀:在近幾年高考中，電化學是高考重點，電化學綜合題是常考題

型,考查的電化學裝置常采用串聯(lián)裝置,且常采用交換膜,特別是離子

交換膜的應用及電解質介質對電極反應的影響的試題比較多，且常出

常新,離子交換膜的功能在于選擇性地通過某些離子和阻止某些離子

來隔離某些物質，電解質介質主要對電極反應產物進行二次反應,此

類題能大大提高學生的證據推理和模型認知核心素養(yǎng)。

類型一“多池組合”電化學綜合分析

5此WfE-----------------------

[典例1]（2020?湖南長沙月考）中科院長春應化所張新波團隊提出

了一種獨特的鋰一氮電池（Li-N，該電池在放電過程中消耗氮氣,充

電過程中釋放氮氣,實現氮氣的循環(huán),并對外提供電能。該電池在充

電時發(fā)生反應：2LisN—岫t+6Lio現以該電池為電源進行如圖所示

實驗,下列說法正確的是（）

維隔板碳布

+

3N-6e^_N2↑+6Li

+由甲電極遷移向乙電極,并在多孔碳布表面生成LisN

C.電極“石墨a”和m、n處均可能有銅析出

D.鋰一氮電池為綠色固氮提供了一種可能

考查情境:本題情境是基于鋰一氮電池的新型固氮技術,該技術不僅

擴展了人工固氮的新方法,將固氮技術與新能源聯(lián)系在一起,而且填

補了鋰一氮二次電池技術領域的空白，該情境設置是對題目的創(chuàng)新，

也能引導學生對科學的探究。

必備知識:本題考查的必備知識有電極反應式的書寫、電解質溶液中

離子移動方向、二次電池各電極之間的關系和固氮原理分析。

關鍵能力：該電池具有創(chuàng)新性和應用性，既可實現綠色固氮,還可對外

提供電能?？疾榱藢W生的探究與創(chuàng)新能力，要求學生在解決化學問題

的過程中，運用科學的方法,初步了解二次電池的充、放電規(guī)律,并對

化學原理和現象做出科學、合理的解釋。

解析:放電時該原電池中鋰失電子作負極,氮氣得電子作正極,故乙

+

電極是正極,發(fā)生反應:N2+6Li+6e=2Li3N,A錯誤;充電過程是電解

池原理,Li'由乙電極移向甲電極，多孔碳布表面Li3N分解生成附和

Li+,B錯誤;石墨a是陽極，電解稀硫酸,在陽極:2H?0-4e_4H+02t,

產生氧氣,C錯誤;反應N2+6Li=2Li3N屬于氮的固定,鋰一氮電池為

綠色固氮提供了一種可能,D正確。

答案:D

⑤思維建模

“串聯(lián)”類裝置的解題流程

■?？枷蛞唤柚娀瘜W原理分析“串聯(lián)”電池電極反應

1.（2014?廣東卷）某同學組裝了如圖所示的電化學裝置，電極I為

Al,其它均為Cu,則（A）

A.電流方向：電極IV電極I

I發(fā)生還原反應

C.電極∏逐漸溶解

D.電極HI的電極反應:Cu"+2d—Cu

解析：由左至右三個裝置分別記為①、②、③,帶鹽橋的①、②裝置

構成原電池，電極I為負極，電極∏為正極,裝置③為電解池。A項，

電子移動方向：電極I電極IV,電流方向與電子移動方向相反,

正確;B項,原電池負極在工作中發(fā)生氧化反應,錯誤;C項,原電池正

極上發(fā)生還原反應,c『在電極π上得電子生成銅單質，該電極質量逐

漸增大,錯誤;D項，電解池中陽極為活性電極時一，電極本身被氧化,生

成的離子進入溶液中，因為電極∏為正極，因此電極HI為電解池的陽

極,其電極反應式為Cu-2e=Cu2+,錯誤。

2.（2021?四川德陽月考）合成綠色能源、消除環(huán)境污染是新時代化

學研究的熱點課題,在這一領域的研究中，電化學可以大有作為。如

圖就是一種利用氫氣來消除CO、NH3、NO等污染氣體的電化學裝置，

在消除污染氣體的同時,還可獲得綠色能源甲醇，以及化工產品KOH

溶液和H2SO∣溶液等。下列說法中錯誤的是（C）

ll

質子交換膜t陽離子陰離子

（只允許H*通過）?交換膜交換膜Y

NH3

A.消除CO污染的工作池內要先加入稀硫酸，以提供合成甲醇所需的

原料

B.從B、C出口逸出的氣體相同,都是空氣中含量最多的氣體

C.從A、D出口分別獲得的化工產品是硫酸和氫氧化鉀

322.4L,需消耗氫氣3g

解析：由圖可知,CO發(fā)生還原反應生成CHQH,即通入CO的電極為正

極,通入上的電極為負極;題給右圖為電解池,其中左側和右側電極分

別為陰極和陽極。稀硫酸在消除CO污染的工作池中作電解質溶液，

可傳導H：即該工作池要先加入稀硫酸,A正確;NR,在陽極被氧化為

+

N2,即2NA—6e一一N2+6H,NO在陰極發(fā)生還原反應，SP2N0+4e>2?0—

N2+40H,則B、C出口逸出的氣體均為N2,是空氣中含量最多的氣體,B

正確;SOf通過陰離子交換膜,K'通過陽離子交換膜,最終從A、D出

口分別獲得KoH溶液和H2SO4溶液,C錯誤;標準狀況下22.4LN?為

1mol,完全生成N轉移3mol電子,氫氣被氧化為H1,據得失電子守

恒可知,消耗1.5mol電其質量為3g,D正確。

底考向二“串聯(lián)”電池各電極關系分析

3.某興趣小組的同學用如圖所示裝置研究有關電化學的問題。當閉

合該裝置的電鍵時,觀察到檢流計的指針發(fā)生了偏轉。

電鍵

---------?----------?s,--

c

?l（k?ct∕∣∣*1Λ-fcl

J，??一：,一--j:：：^：：：ZJ.

KoH溶液AgNo,溶液CUCh溶液

甲池乙池丙池

請回答下列問題:

（1）甲池為（填“原電池”“電解池”或“電鍍池”），通入

CH3OH的電極的電極反應式為。

⑵乙池中A（石墨）電極的名稱為（填“正極”“負極”

“陰極”或”陽極”），總反應式為o

（3）當乙池中B極質量增加5.40g時一，甲池中理論上消耗的體積

為mL（標準狀況），丙池中極析出g

銅。

⑷若丙中電極不變,將其溶液換成NaCl溶液，電鍵閉合一段時間后,

甲中溶液的PH將（填“增大”“減小”或“不變”，下

同）；丙中溶液的pH將o

解析：(1)甲池為原電池,通入ChOH的電極為負極，電極反應式為

CH30H-6e+80H—C0∣^+6H20o

⑵乙池中電解AgNO3溶液,其中C作陽極,Ag作陰極,總反應式為

4AgN03+2H20±±4Ag+02↑+4HN03o

⑶根據各電極上轉移的電子數相同，得n(Ag)=4n(O2)=2n(Cu),故

V(O2)=(?×X22.4)L=O.28L=280

mL,m(Cu)=(∣×-∣^×64)g=l.60g0

⑷若丙中電極不變,將其溶液換成NaCl溶液,根據丙中總反

應:2岫d+2達01±2岫0口+乩1+Cl2↑,則丙中溶液PH增大,而甲中總反

應為2CH30H+302+4K0H±±2K2C03+6H20,則甲中溶液pH減小。

答案：⑴原電池CH30H-6e"+80H_Cθf+6H20

⑵陽極4AgN03+2H20≡4Ag+02t+4HN03

(4)減小增大

類型二電化學中的介質和交換膜

Ui??iW≡?-------------------------------

[典例2](2020?浙江杭州期中)利用膜技術原理和電化學原理制備

少量硫酸和綠色硝化劑N2O5,裝置如圖所示。下列說法正確的是

質子膜隔膜

(只允許H+通過)(阻止水分子通過)

甲乙

電極反應式是02+4e-+2H20-40H

B.甲中每消耗1molS02,a電極附近溶液H'增加2mol

電極反應式是N204-2e+H20—N205+2H,

D.甲、乙裝置中分別生成的硫酸和岫。5的物質的量相等

考查情境:膜技術的核心在于膜的應用，也就是通過具有選擇性分離

功能的薄膜材料，以其為核心進行的裝置的集成與應用，膜技術在電

化學制備和除污上有著廣泛的應用，該情境的引入,能激發(fā)學生對交

換膜的作用的探究。

必備知識:本題考查的必備知識有串聯(lián)裝置中四個電極的關系、串聯(lián)

電路中原電池和電解池的區(qū)分、電極反應式的書寫、電路中轉移電

子及各電極產生物質的物質的量關系和交換膜的作用分析。

關鍵能力：本題主要考查的關鍵能力側重于分析與推測、探究與創(chuàng)新

能力：一是掌握研究電化學裝置的方法和技能;二是能夠通過對串聯(lián)

裝置的觀察,獲取有關的感性知識和印象,并進行初步加工、吸收、

有序存儲的能力;三是能夠從試題提供的新信息中，準確地提取實質

性內容,并與已有知識塊整合、重組為新知識塊,運用到題目解答

中。

解析：甲裝置能自發(fā)地進行氧化還原反應且沒有外接電源,是原電池,

電極a為負極，電極b為正極,正極發(fā)生的還原反應為02+4e+4H=

2H20,電解液為硫酸溶液,不能出現氫氧根離子,A錯誤;依據轉移電子

數相同可知，甲裝置a電極反應為SO2-2葭+2乩0—4H'+S0f,總反應為

2SO2+O2+2H2O—2球0」,可知甲消耗1molSO2時,a電極附近溶液H'增

加2mol,B正確;C電極是陽極,d電極是陰極,陽極上N2O∣放電生成

N2O5,電極反應為N204-2e+2HN03=2N205+2H1,C錯誤;依據轉移電子數

相同可知，轉移2mole時一，甲裝置生成1molH2SOb乙裝置生成2

molN2O5,故轉移相同電子數時,生成硫酸和岫。5的物質的量之比為

1：2,D錯誤。

答案:B

⑤思維建模

不同介質電極反應式的書寫

電化學中常見的五大介質（以CH3OH.燃料電池為例）：

中性溶液、堿性介質、酸性介質、熔融鹽介質（如熔融的

五大

K2CO3）＞摻雜Y2O3的ZrO3固體電解質（在高溫下能傳導正極

介質

生成的02^）

熔融鹽介質，如熔融的K2CO3

書寫總反應:2CH30H+302—2C02+4H20

-

舉例(一)負極:2CH30H-12e+6C0∣—8C02+4H20

(+)正極:302+12e+6C02—6C0f

首先要分析介質是否參與總反應,然后寫出總反應方程式，

根據在不同介質中的轉化關系:堿性（中性）溶液中轉化

書寫

為0田,酸性溶液中轉化為乩0,熔融碳酸鹽中轉化為COf,

規(guī)律

固體氧化物轉化為02；寫出正極反應,利用相減法（總反應-

正極反應=負極反應），寫出負極反應

2考向專練

?考向一電化學中的交換膜

1.（2020?山東等級考）

質

子

交

換

膜

采用惰性電極，以去離子水和氧氣為原料通過電解法制備雙氧水的裝

置如圖所示。忽略溫度變化的影響，下列說法錯誤的是（D）

f

2θ-4e—4H+02↑

B.電解一段時間后，陽極室的pH未變

C.電解過程中,H由a極區(qū)向b極區(qū)遷移

D.電解一段時間后,a極生成的與b極反應的等量

解析:結合題圖，可知a極上產生O2,發(fā)生的反應為水被氧化生成O2的

反應，即a極為陽極,b極為陰極，電極反應式如表：

電極名稱電極反應式

+

a極（陽極）2H20-4e^—^4H+02t

b極（陰極）2H+02+2e^—H2O2

結合上述分析可知,A項正確；電解一段時間后,溶液中H,濃度未變，

即陽極室的PH未變,B項正確；電解過程中H通過質子交換膜,從a

極區(qū)向b極區(qū)遷移,C項正確；由陰、陽極的電極反應式,可知電解一

段時間后,b極消耗的量是a極生成的量的2倍，即a極生成的

與b極反應的0?的量不相等,D項錯誤。

2.（2021?重慶新高考適應性考試）雙極膜在電滲析中應用廣泛,它是

由陽離子交換膜和陰離子交換膜復合而成。雙極膜內層為水層，工作

時水層中的H2O解離成H和OH,并分別通過離子交換膜向兩側發(fā)生

遷移。下圖為NaBr溶液的電滲析裝置示意圖。

NazSO”溶液循環(huán)液NaBr溶液循環(huán)液Na2SO4溶液

十

?

陰

IT陽??,

離

離

交

交

雙

雙

惰

惰

子

子

陰

陽

鹽

換

換

極

極

性

性

交

交

極

極

室

膜

室

膜

電

室

換

換

液

電

液

極12

膜

膜

極

—

——

.——

一I

J水層J水層I

出口1出口2出口3出口4出口5

下列說法正確的是（D）

HBr溶液

可從鹽室最終進入陽極液中

*+2e-H2t

解析：A項,鹽室中的鈉離子通過陽離子交換膜進入交換室1,左側雙

極膜中水解離出的氫氧根離子通過雙極膜的陰離子交換膜進入交換

室1,因此出口2的產物為氫氧化鈉溶液,錯誤;B項，陽極上OH一放電

（40H-4et+2H20或2H20-4e-O2t+4田），右側雙極膜中水解離

出的氫氧根離子通過雙極膜的陰離子交換膜進入陽極液，因此出口5

的產物為硫酸鈉溶液,錯誤;C項,雙極膜由陽離子交換膜和陰離子交

換膜復合而成,浸離子無法通過，因此不能進入陽極液中，錯誤;D項，

陰極反應為2l+2e_凡t,正確。

考向二電化學中的介質

3.（2020?山東濟南質檢）2019年諾貝爾化學獎由Whittingham、

John和吉野彰三位科學家分享，以表彰他們在鋰電池發(fā)展上做出的

杰出貢獻。以石墨烯和金屬鋰為電極的鋰一空氣電池原理如圖所

示。下列關于該電池的說法錯誤的是（C）

-----U?]-----

空氣

A.鋰電極的電極反應式:Li-e=Lit

2在石墨烯電極上發(fā)生還原反應

烯電極

烯電極方向移動

解析:在鋰一空氣電池中，鋰失電子作負極,負極區(qū)是有機電解液,鋰

不與有機電解液直接反應,負極反應式為Li-e—Li：故A正確；以空

氣中的氧氣作為正極反應物,則空氣中的Oz在石墨烯電極上發(fā)生還原

反應,故B正確；電池工作時電流從正極石墨烯電極沿導線流向負極

鋰電極,故C錯誤；電池工作時鋰離子向正極石墨烯電極方向移動，故

D正確。

2S0,溶液，已知固體氧化物在高溫下允許氧離子（（T）在其間通過,其工

作原理如圖所示（c、d均為惰性電極）。下列有關說法正確的是

(D)

A.電路中電子流向為a-*d~*c-*b

2

B.電極b為負極，電極反應式為02+4e—20^

解析:在溶液中沒有電子的移動，只有離子的移動,A項錯誤;通入。2

的一極(電極b)為電池的正極,發(fā)生還原反應,B項錯誤;惰性電極電

解NazSOi溶液實質上是電解水,溶液的PH不變,C項錯誤;C極生成

O2,根據得失電子守恒可知D項正確。

類型三得失電子守恒在電化學計算中的應用

皿仞WfE--------------------

[典例3](2020?黑龍江哈爾濱期中)在500mLKNO3和CU(NO3)2的

混合溶液中，c(NO。=6mol∕L,用石墨電極電解此溶液，當通電一段時

間后,兩極均收集到22.4L氣體(標準狀況)，假定電解后溶液體積仍

為500mL,下列說法正確的是()

A.電解得到的Cu的物質的量為0.5mol

B.向電解后的溶液中加入98g的CU(OH)2可恢復為原溶液

C.原混合溶液中c(K1)=4mol/L

D.電解后溶液中c(H+)=2mol/L

考查情境:本題以電解原理為載體,在簡單的研究對象及問題情境下，

體現了對化學計算、兩電極轉移電子等基礎性、綜合性的考查。

必備知識:本題考查的必備知識包括三個方面:一是考查電解規(guī)律、

放電順序,二是考查物質的量濃度的求算,三是考查得失電子守恒的

應用。

關鍵能力:本題考查的關鍵能力為歸納與論證能力(處理轉化數據)，

能夠對電解原理的基礎知識融會貫通,有正確復述、再現的能力，能

夠將實際問題分解,通過運用相關知識,采用分析、綜合的方法,解決

化學計算的問題。

解析：由題意可知,石墨作電極電解此溶液，當通電一段時間后,兩極

均收集到22.4L氣體(標準狀況)，則nɑ)=L「1?nol,

22.4L∕mol

陽極發(fā)生:40H-4e—O2↑+2H20

4mol4?nol1mol

陰極發(fā)生:Cu2'+2e—Cu

mol2mol1mol

+

2H+2e：—H2↑

2mol2mol1mol

根據以上分析可知，電解得到的Cu的物質的量為1mol,故A錯誤；

溶液中析出1molCu>1mol是和1mol(λ,根據少什么加什么，則

加入98g即1mol的CU(OH)2可恢復為原溶液,故B正

確;C(CU2+)=罌=2mol∕L,由電荷守恒可知,原混合溶液中c(K*)為6

mol/L-2mol∕L×2=2mol∕L,故C錯誤；電解后溶液中c(H')為

答案:B

?規(guī)律方法

電化學計算的三大方法

_j先寫出電極反應式,再寫出總反應式,最后

1根據總反應式列比例式計算

:①用于串聯(lián)電路中陰陽兩極產物、正負兩

根

失:極產物、相同電量等類型的計算,其依據是

守;電路上轉移的電子數目相等

:②用于混合溶液中電解的分階段計算

根據關口根據得失電子守恒建立已知量與未知量之

系式∏間的關系,得出計算所需的關系式

1.

a

鉛蓄電池。

X

陰離子交換膜

以鉛蓄電池為電源、石墨為電極電解CUSoI溶液,裝置如圖。若一段

時間后Y電極上有6.4g紅色物質析出，停止電解。下列說法正確的

是(C)

為鉛蓄電池的負極

B.電解過程中，SOf向右側移動

C.電解結束時,左側溶液質量增重8g

D.鉛蓄電池工作時，正極的電極反應式為PbS04+2e≈Pb+S0f

解析:Y極有Cu析此發(fā)生還原反應,Y極為陰極,故b為負極,a為正

極,A錯誤；電解過程中，陰離子向陽極移動,B