第04講 電化學原理綜合應用（講義）（學生版） 2025年高考化學一輪復習講練測（新教材新高考）

第04講電化學原理綜合應用目錄01TOC\o"1-3"\h\u考情透視·目標導航 02知識導圖·思維引航 03考點突破·考法探究 考點一電解原理創(chuàng)新應用 知識點1電解原理 知識點2電解原理創(chuàng)新應用 考點二串聯(lián)類電化學裝置 知識點1常見串聯(lián)裝置圖 知識點2多池串聯(lián)裝置中電池類型判斷 考點三離子交換膜裝置 知識點1離子交換膜類型 知識點2含膜電解池裝置分析 考點四電化學綜合計算 04真題練習·命題洞見 04真題練習·命題洞見 考點要求考題統(tǒng)計考情分析電解創(chuàng)新應用2024·甘肅卷，7，3分；2024·遼吉黑卷，12，3分；2024·山東卷，13，4分；2023?浙江省1月選考，11，3分；2023?湖北省選擇性考試，10，3分；2023?山東卷，11，3分；2022?重慶卷，12，4分；2022?湖北卷，14，3分；2021?遼寧選擇性考試，13，3分；2021?海南選擇性考試，9，4分；2021·江蘇卷，12，3分；近年來，高考試題中電化學是重點內容之一，將原電池和電解池結合在一起，綜合考查化學反應中的能量變化、氧化還原反應、化學實驗和化學計算等知識，是高考試卷中電化學部分的重要題型。考查的電化學裝置常啋用串聞裝置，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?？汲Ｐ拢擃愵}目的考查內容通常有以下幾個方面：電極的判斷、電極反應式及電池反應總方程式的書寫、實驗現(xiàn)象的描述、溶液中離子的移動、溶液pH的變化、電解質溶液的恢復及運用得失電子守恒進行相關計算等。由于離子交換膜能將工業(yè)生產(chǎn)與化學知識有機的融合，實現(xiàn)資源的最優(yōu)配置，考查學生學以致用的能力，故近幾年的電化學高考試題中年年涉及。通過陌生電化學的裝置圖，考查學生接受、吸收、整合化學信息的能力，也體現(xiàn)了對“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養(yǎng)考查。串聯(lián)類連接裝置2022?山東卷，13，4分；離子交換膜裝置2024·湖北卷，14，3分；2023?遼寧省選擇性考試，11，3分；2023?全國甲卷，12，6分；2023?浙江省6月選考，13，3分；2023?北京卷，5，3分；2023?廣東卷，16，4分；(2022?全國甲卷，10，6分；2022·浙江省6月選考，21，2分；2021?全國甲卷，13，6分；2021?廣東卷，16，4分；2021?湖北選擇性考試，15，3分；電化學綜合計算2024·廣東卷，16，3分；2021?天津卷，11，3分；復習目標：1．掌握多池連接的分析應用。2．了解離子交換膜的分類及特點，理解離子交換膜在電化學裝置中的作用。 3．掌握電化學的計算。4．提升應用電化學原理解決工業(yè)生產(chǎn)、生活中實際問題的能力?？键c一電解原理創(chuàng)新應用知識點1電解原理知識點2電解原理創(chuàng)新應用1．電解原理常見的考查點電解原理及應用是高考高頻考點，該類試題往往與生產(chǎn)、生活及新科技等相聯(lián)系，以裝置圖或流程圖為載體呈現(xiàn)，題材廣、信息新，題目具有一定難度。主要考查陰、陽極的判斷、電極反應式、電解反應方程式的書寫、溶液離子濃度變化及有關計算等。2．“5點”突破電解綜合應用題(1)分清陰、陽極，與電源正極相連的為陽極，與電源負極相連的為陰極，兩極反應為“陽氧陰還”。(2)剖析離子移向，陽離子移向陰極，陰離子移向陽極。(3)注意放電順序，正確判斷放電的微粒或物質。(4)注意介質，正確判斷反應產(chǎn)物，酸性介質不出現(xiàn)OH－，堿性介質不出現(xiàn)H＋；不能想當然地認為金屬作陽極，電極產(chǎn)物為金屬陽離子。(5)注意得失電子守恒和電荷守恒，正確書寫電極反應式?！纠?】(2024·甘肅卷，7，3分)某固體電解池工作原理如圖所示，下列說法錯誤的是()A．電極1的多孔結構能增大與水蒸氣的接觸面積B．電極2是陰極，發(fā)生還原反應：O2+4e-=2O2-C．工作時O2-從多孔電極1遷移到多孔電極2D．理論上電源提供能分解1molH2O【變式訓練】電化學修復技術是近年迅速發(fā)展的一種污染土壤綠色原位修復技術。處理土壤重金屬污染時，在污染土壤區(qū)域插入電極(下圖)，土壤中污染物定向遷移，富集在電極區(qū)域，再通過其他方法(電鍍、沉淀/共沉淀、抽出、離子交換樹脂等)去除。下列說法正確的是()A．H+在陽極區(qū)反應B．土壤中膠體粒子不帶電C．陰極區(qū)抽提物發(fā)生的是陰離子交換D．金屬離子在堿性區(qū)域去除考點二串聯(lián)類連接裝置知識點1常見串聯(lián)裝置圖將原電池和電解池結合在一起，或幾個電解池串聯(lián)在一起，綜合考查化學反應中的能量變化、氧化還原反應、化學實驗和化學計算等知識，是高考中電化學部分的重要題型。解答該類試題時電池種類的判斷是關鍵，整個電路中各個電池工作時得失電子守恒是數(shù)據(jù)處理的法寶。模型一外接電源與電解池的串聯(lián)(如圖)A、B為兩個串聯(lián)電解池，相同時間內，各電極得失電子數(shù)相等。模型二原電池與電解池的串聯(lián)(如圖)顯然兩圖中，A均為原電池，B均為電解池。知識點2多池串聯(lián)裝置中電池類型的判斷1．直接判斷非常直觀明顯的裝置，如有燃料電池、鉛蓄電池等在電路中時，則其他裝置為電解池。如圖：A為原電池，B為電解池。2．根據(jù)電池中的電極材料和電解質溶液判斷原電池一般是兩個不同的金屬電極或一個金屬電極和一個碳棒電極；而電解池則一般都是兩個惰性電極，如兩個鉑電極或兩個碳棒電極。原電池中的電極材料和電解質溶液之間能發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應，電解池的電極材料一般不能和電解質溶液自發(fā)反應。如圖：A為電解池，B為原電池。3．根據(jù)電極反應現(xiàn)象判斷在某些裝置中根據(jù)電極反應現(xiàn)象可判斷電極，并由此判斷電池類型。如圖：若C極溶解，D極上析出Cu，B極附近溶液變紅，A極上放出黃綠色氣體，則可知乙是原電池，D是正極，C是負極，甲是電解池，A是陽極，B是陰極。B、D極發(fā)生還原反應，A、C極發(fā)生氧化反應。【名師點晴】【例2】(2022?山東卷，13)設計如圖裝置回收金屬鈷。保持細菌所在環(huán)境pH穩(wěn)定，借助其降解乙酸鹽生成CO2，將廢舊鋰離子電池的正極材料LiCoO2轉化為Co2+，工作時保持厭氧環(huán)境，并定時將乙室溶液轉移至甲室。已知電極材料均為石墨材質，右側裝置為原電池。下列說法正確的是()A．裝置工作時，甲室溶液pH逐漸增大B．裝置工作一段時間后，乙室應補充鹽酸C．乙室電極反應式為LiCoO2+2H2O+e-+4H+=Li++Co2++4OH-D．若甲室Co2+減少，乙室Co2+增加，則此時已進行過溶液轉移【思維建模】“串聯(lián)”類電池的解題流程【變式訓練】中科院長春應化所張新波團隊提出了一種獨特的鋰—氮電池(Li—N2)，該電池在放電過程中消耗氮氣，充電過程中釋放氮氣，實現(xiàn)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：2Li3N=N2↑＋6Li。現(xiàn)以該電池為電源進行如圖所示實驗，下列說法正確的是()A．乙電極上的反應為2Li3N－6e－=N2↑＋6Li＋B．充電過程Li＋由甲電極遷移向乙電極，并在多孔碳布表面生成Li3NC．石墨a電極和m、n處均可能有銅析出D．鋰—氮電池為綠色固氮提供了一種可能考點三離子交換膜裝置離子交換膜是一種含離子基團的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。因它對離子具有選擇透過性，且電化學性能優(yōu)良，在涉及電化學的工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用。知識點1離子交換膜類型(1)交換膜類型及特點交換膜類型陽膜陰膜雙極膜特定的交換膜允許通過的離子及移動方向陽離子移向原電池的正極(電解池的陰極)陰離子移向原電池的負極(電解池的陽極)中間層中的H2O解離出H＋和OH－，H＋移向原電池的正極(電解池的陰極)，OH－移向原電池的負極(電解池的陽極)只允許特定的離子或分子通過，如質子交換膜只允許H＋通過，氯離子交換膜只允許Cl－通過通性無論是原電池還是電解池中，陽離子均移向得電子的一極，陰離子均移向失電子的一極(2)離子交換膜的功能：選擇性透過離子，平衡電荷，形成閉合回路。(3)離子交換膜的作用及意義①隔離某些物質，防止發(fā)生反應，常用于物質制備。②限制某些離子的移動，常用于物質制備及純化。③雙極膜：由一張陽膜和一張陰膜復合制成的陰、陽復合膜。該膜的特點是在直流電的作用下，陰、陽膜復合層間的H2O解離成H＋和OH－并分別通過陽膜和陰膜，作為H＋和OH－的離子源?！久麕燑c晴】知識點2含膜電解池裝置分析(1)兩室電解池：例如，工業(yè)上利用如圖兩室電解裝置制備燒堿：陽極室中電極反應：2Cl－－2e－=Cl2↑，陰極室中的電極反應：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，陰極區(qū)H＋放電，破壞了水的電離平衡，使OH－濃度增大，陽極區(qū)Cl－放電，使溶液中的c(Cl－)減小，為保持電荷守恒，陽極室中的Na＋通過陽離子交換膜與陰極室中生成的OH－結合，得到濃的NaOH溶液。利用這種方法制備物質，純度較高，基本沒有雜質。(2)三室電解池例如，利用三室電解裝置制備NH4NO3，其工作原理如圖所示。陰極的NO被還原為NHeq\o\al(＋,4)：NO＋5e－＋6H＋=NHeq\o\al(＋,4)＋H2O，NHeq\o\al(＋,4)通過陽離子交換膜進入中間室；陽極的NO被氧化為NOeq\o\al(－,3)：NO－3e－＋2H2O=NOeq\o\al(－,3)＋4H＋，NOeq\o\al(－,3)通過陰離子交換膜進入中間室。根據(jù)電路中轉移電子數(shù)相等可得電解總反應：8NO＋7H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))3NH4NO3＋2HNO3，為使電解產(chǎn)物全部轉化為NH4NO3，補充適量NH3可以使電解產(chǎn)生的HNO3轉化為NH4NO3。(3)多室電解池例如，“四室電滲析法”制備H3PO2(次磷酸)，其工作原理如圖所示：電解稀硫酸的陽極反應：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，產(chǎn)生的H＋通過陽離子交換膜進入產(chǎn)品室，原料室中的H2POeq\o\al(－,2)穿過陰離子交換膜進入產(chǎn)品室，與H＋結合生成弱電解質H3PO2；電解NaOH稀溶液的陰極反應：4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通過陽離子交換膜進入陰極室，可得副產(chǎn)品NaOH。3．離子交換膜類型的判斷方法(1)首先寫出陰、陽兩極上的電極反應。(2)依據(jù)電極反應確定該電極附近哪種離子剩余。(3)根據(jù)電極附近溶液呈電中性，從而判斷出離子移動的方向。(4)根據(jù)離子移動的方向，確定離子交換膜的類型。4．有“膜”條件下離子定向移動方向的判斷方法【例3】(2024·湖北卷，14)我國科學家設計了一種雙位點PbCu電催化劑，用H2C2O4和NH2OH電化學催化合成甘氨酸，原理如圖，雙極膜中H2O解離的H+和OH-在電場作用下向兩極遷移。已知在KOH溶液中，甲醛轉化為HOCH2O-，存在平衡HOCH2O-+OH-[OCH2O]2-+H2O。Cu電極上發(fā)生的電子轉移反應為[OCH2O]2--e-=HCOO-+H?。下列說法錯誤的是()A．電解一段時間后陽極區(qū)c(OH-)減小B．理論上生成1molH3N+CH2COOH雙極膜中有4molH2O解離C．陽極總反應式2HCHO-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2OD．陰極區(qū)存在反應H2C2O4+2e-+2H+=OHC—COOH+H2O【思維建模】“隔膜”電解池的解題步驟第一步，分清隔膜類型。即交換膜屬于陽膜、陰膜或質子膜中的哪一種，判斷允許哪種離子通過隔膜。第二步，寫出電極反應式，判斷交換膜兩側離子變化，推斷電荷變化，根據(jù)電荷平衡判斷離子遷移方向。第三步，分析隔膜作用。在產(chǎn)品制備中，隔膜作用主要是提高產(chǎn)品純度，避免產(chǎn)物之間發(fā)生反應，或避免產(chǎn)物因發(fā)生反應而造成危險。【變式訓練】現(xiàn)代膜技術可使某種離子具有單向通過能力，常用于電解池、原電池中。電解NaB(OH)4溶液可制備H3BO3，其工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是()A．NaB(OH)4中B的化合價為+3價B．N室發(fā)生的電極反應式為2H2O+2e-=H2↑+2OH-C．去掉a膜，陽極區(qū)用稀硫酸作電解液，不影響H3BO3的純度D．a(chǎn)、c膜均為陽離子交換膜，b膜為陰離子交換膜考點四電化學綜合計算原電池和電解池的計算包括：兩極產(chǎn)物的定量計算、溶液的計算、相對原子質量的計算和阿伏伽德羅常數(shù)測定的計算、根據(jù)電荷守恒量求產(chǎn)物的量。電化學的反應本質是氧化還原反應，各電極上轉移電子的物質的量相等，無論是單一電池還是串聯(lián)電解池，均可抓住電子守恒計算。1．解題關鍵(1)電極名稱要區(qū)分清楚；(2)電極產(chǎn)物要判斷準確；(3)各產(chǎn)物間量的關系遵循得失電子守恒。2．三種計算方法(1)根據(jù)總反應式計算先寫出電極反應式，再寫出總反應式，最后根據(jù)總反應式列出比例式計算。(2)根據(jù)電子守恒計算①用于串聯(lián)電路中陰陽兩極產(chǎn)物、正負兩極產(chǎn)物、相同電量等類型的計算，其依據(jù)是電路中轉移的電子數(shù)相等。②用于混合溶液中電解的分階段計算。(3)根據(jù)關系式計算根據(jù)得失電子守恒建立起已知量與未知量之間的橋梁，構建計算所需的關系式。如以電路中通過4mole－為橋梁可構建以下關系式：(式中M為金屬，n為其離子的化合價數(shù)值)該關系式具有總攬電化學計算的作用和價值，熟記電極反應式，靈活運用關系式便能快速解答常見的電化學計算問題?！久麕熖嵝选吭陔娀瘜W計算中，還常利用Q＝I·t和Q＝n(e－)×NA×1.60×10－19C來計算電路中通過的電量?！纠?】(2024·廣東卷，16)一種基于氯堿工藝的新型電解池(下圖)，可用于濕法冶鐵的研究。電解過程中，下列說法不正確的是()A．陽極反應：2Cl--2e-=Cl2↑B．陰極區(qū)溶液中OH-濃度逐漸升高C．理論上每消耗1mol2O3，陽極室溶液減少D．理論上每消耗1mol2O3，陰極室物質最多增加【名師點睛】原電池和電解池綜合裝置的有關計算的根本依據(jù)就是得失電子守恒，分析時要注意兩點：①串聯(lián)電路中各支路電流相等；②并聯(lián)電路中總電流等于各支路電流之和。在此基礎上分析處理其他各種數(shù)據(jù)。圖中裝置甲是原電池，裝置乙是電解池，若電路中有0.2mol電子轉移，則Zn極溶解6.5g，Cu極上析出H22.24L(標準狀況)，Pt極上析出Cl20.1mol，C極上析出Cu6.4g。甲池中H＋被還原生成H2，溶液pH變大；乙池中是電解CuCl2，電解后再加入適量CuCl2固體可使溶液復原。【變式訓練】在如圖所示的裝置中，若通直流電5min時，銅電極的質量增加2.16g。試回答下列問題。(1)電源中X為直流電源的________極。(2)pH變化：A__________(填“增大”“減小”或“不變”，下同)，B________，C________。(3)通電5min時，B中共收集224mL(標準狀況下)氣體，溶液體積為200mL，則通電前CuSO4溶液的物質的量濃度為________(設電解前后溶液體積無變化)。(4)常溫下，若A中KCl足量且溶液的體積也是200mL，電解后，溶液的pH為__________(設電解前后溶液體積無變化)。【思維建?！看?lián)電化學裝置中陰、陽兩極產(chǎn)物，正負兩極產(chǎn)物間的計算，常依據(jù)電子守恒計算，即每個電極上轉移的電子數(shù)相同。1．(2024·山東卷，13，4分)以不同材料修飾的Pt為電極，一定濃度的NaBr溶液為電解液，采用電解和催化相結合的循環(huán)方式，可實現(xiàn)高效制H2和O2，裝置如圖所示。下列說法錯誤的是()A．電極a連接電源負極B．加入Y的目的是補充NaBrC．電解總反應式為Br-+3H2OBrO3-+3H2↑D．催化階段反應產(chǎn)物物質的量之比n(Z)∶n(Br-)=3∶22．(2024·遼吉黑卷，12，3分)“綠色零碳”氫能前景廣闊。為解決傳統(tǒng)電解水制“綠氫”陽極電勢高、反應速率緩慢的問題，科技工作者設計耦合HCHO高效制H2的方法，裝置如圖所示。部分反應機理為：。下列說法錯誤的是()A．相同電量下H2理論產(chǎn)量是傳統(tǒng)電解水的1.5倍B．陰極反應：2H2O+2e-=H2↑+2OH-C．電解時OH-通過陰離子交換膜向b極方向移動D．陽極反應：3．(2023?浙江省1月選考，11)在熔融鹽體系中，通過電解TiO2和SiO2獲得電池材料(TiSi)，電解裝置如圖，下列說法正確的是()A．石墨電極為陰極，發(fā)生氧化反應B．電極A的電極反應：8H++TiO2+SiO2+8e-=TiSi+4H2OC．該體系中，石墨優(yōu)先于Cl-參與反應D．電解時，陽離子向石墨電極移動4．(2023?山東卷，11)利用熱再生氨電池可實現(xiàn)電鍍廢液的濃縮再生。電池裝置如圖所示，甲、乙兩室均預加相同的電鍍廢液，向甲室加入足量氨水后電池開始工作。下列說法正確的是()A．甲室電極為正極B．隔膜為陽離子膜C．電池總反應為：Cu2++4NH3=[Cu(NH3)4]2+D．NH3擴散到乙室將對電池電動勢產(chǎn)生影響5．(2023?廣東卷，16)用一種具有“卯榫”結構的雙極膜組裝電解池(下圖)，可實現(xiàn)大電流催化電解KNO3溶液制氨。工作時，H2O在雙極膜界面處被催化解離成H+和OH-，有利于電解反應順利進行。下列說法不正確的是()A．電解總反應：NH3·H2O+2O2↑+KOHB．每生成molNH3·H2O，雙極膜處有9mol的H2O解離C．電解過程中，陽極室中的物質的量不因反應而改變D．相比于平面結構雙極膜，“卯榫”結構可提高氨生成速率6．(2022?重慶卷，12)硝酮是重要的有機合成中間體，可采用“成對間接電氧化”法合成。電解槽中水溶液的主要成分及反應過程如圖所示。下列說法錯誤的是()A．惰性電極2為陽極 B．反應前后WO42-/WO52-數(shù)量不變C．消耗1mol氧氣，可得到1mol硝酮 D．外電路通過1mol電子，可得到1mol水7．(2022?全國甲卷，10)一種水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42-存在)。電池放電時，下列敘述錯誤的是()A．Ⅱ區(qū)的K+通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移B．Ⅰ區(qū)的SO42-通過隔膜向Ⅱ區(qū)遷移C．MnO2電極反應：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2OD．電池總反應：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)42-+Mn2++2H2O8．(2022?湖北卷，14)含磷有機物應用廣泛。電解法可實現(xiàn)由白磷直接制備Li[P(CN)2]，過程如圖所示(為甲基)。下列說法正確的是()A．生成1molLi[P(CN)2]，理論上外電路需要轉移2mol電子B．陰極上的電極反應為：P4+8CN--4e-=4[P(CN)2]-C．在電解過程中CN-向鉑電極移動D．電解產(chǎn)生的H2中的氫元素來自于LiOH9．(2021?廣東卷，16)鈷(Co)的合金材料廣泛應用于航空航天、