2025届高考化学一轮复习 课件 微专题15　电解原理的应用

微专题15　电解原理的应用 高考怎么考 高考考什么 命题角度一 电解原理的应用 命题角度二 离子交换膜的应用 高考精准练 1 高考怎么考 1. [2023•湖北卷] 我国科学家设计如图所示的电解池,实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变,电解生成氢气的速率为x mol·h-1。下列说法错误的是 ( 　) A.b电极反应式为2H2O+2e- =H2↑+2OH- B.离子交换膜为阴离子交换膜 C.电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜 D.海水为电解池补水的速率为2x mol·h-1 D 　　　 高考怎么考 [解析]由图可知,该装置为电解水制取氢气的装置,a电极与电源正极相连,为电解池的阳极,b电极与电源负极相连,为电解池的阴极,阴极反应为2H2O+2e- =H2↑+2OH-,阳极反应为4OH--4e- =O2↑+2H2O,电解池总反应为2H2O 2H2↑+O2↑,据此解答。 b电极为阴极,发生还原反应,b电极反应式为2H2O+2e- =H2↑+2OH-,故A正确; 该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变,阳极发生的电极反应为4OH--4e- =O2↑+2H2O,为保持OH-浓度不变,则阴极产生的OH-要通过离子交换膜进入阳极室,即离子交换膜应为阴离子交换膜,故B正确; 高考怎么考 PTFE膜可透气但不透液态水,电解时电解槽中不断有水被消耗,海水中动能高的水分子即气态水而非液态水可穿过PTFE膜,为电解池补水,使KOH溶液的浓度不变,故C正确; 由电解总反应可知,每生成1 mol H2要消耗1 mol H2O,生成H2的速率为x mol·h-1,则补水的速率也应是x mol·h-1,故D错误。 高考怎么考 2. [2022•辽宁卷] 如图,c管为上端封口的量气管,为测定乙酸溶液浓度,量取10.00 mL 待测样品加入b容器中,接通电源,进行实验。下列说法正确的是 (　 ) A.左侧电极反应:2H2O-4e- =O2↑+4H+ B.实验结束时,b中溶液红色恰好褪去 C.若c中收集气体11.20 mL,则样品中乙酸 浓度为0.1 mol·L-1 D.把盐桥换为U形铜导线,不影响测定结果 A　 高考怎么考 [解析]本装置为电解池,为测定乙酸溶液的浓度,右侧电极消耗CH3COOH电离产生的H+析出H2,pH增大,酚酞指示终点,则右侧电极为阴极,左侧阳极析出氧气,据此分析解题。 左侧阳极析出氧气,左侧电极反应为2H2O-4e- =O2↑+4H+,A正确; 右侧电极反应为2CH3COOH+2e- =H2↑+2CH3COO-,反应结束时溶液中存在CH3COO-,水解后溶液显碱性,故b中溶液为红色,B错误; 高考怎么考 c中收集气体11.20 mL,若在标准状况下,c中收集气体的物质的量为5×10-4 mol,转移电子的物质的量为5×10-4 mol×4=2×10-3 mol,故产生氢气的物质的量为1×10-3 mol,则样品中乙酸浓度为2×10-3 mol ÷(10×10-3 L)=0.2 mol·L-1,但题中未给定气体所处状况,不能准确计算,C错误; 盐桥换为U形铜导线后,右池Pt电极为阴极,Cu导线为阳极,则有Cu2+进入溶液,电解过程中Cu2+会在Pt电极上析出,影响CH3COOH的反应,从而影响测定结果,D错误。 高考怎么考 3. [2023•广东卷] 用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池(下图),可实现大电流催化电解KNO3溶液制氨。工作时,H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH-,有利于电解反应顺利进行。下列说法不正确的是 ( 　) A.电解总反应:KNO3+3H2O=NH3·H2O+ 2O2↑+KOH B.每生成1 mol NH3·H2O,双极膜处有 9 mol的H2O解离 C.电解过程中,阳极室中KOH的物质的量不因反应而改变 D.相比于平面结构双极膜,“卯榫”结构可提高氨生成速率 B　 高考怎么考 [解析]由信息“大电流催化电解KNO3溶液制氨”可知,在电极a处KNO3放电生成NH3,发生还原反应,故电极a为阴极,电极反应式为N+8e-+7H2O =NH3·H2O+9OH-,电极b为阳极,电极反应式为4OH--4e- =O2↑+2H2O,“卯榫”结构的双极膜中的H+移向电极a,OH-移向电极b。 由分析中阴、阳极电极反应式可知,电解总反应为KNO3+3H2O =NH3·H2O+2O2↑+ KOH,故A正确; 高考怎么考 每生成1 mol NH3·H2O,阴极得8 mol e-,同时双极膜处有8 mol H+进入阴极室,即有 8 mol的H2O解离,故B错误; 电解过程中,阳极室每消耗4 mol OH-,同时有4 mol OH-通过双极膜进入阳极室,KOH的物质的量不因反应而改变,故C正确; 相比于平面结构双极膜,“卯榫”结构具有更大的膜面积,有利于H2O被催化解离成H+和OH-,可提高氨生成速率,故D正确。 高考怎么考 4. [2022•重庆卷] 硝酮是重要的有机合成中间体,可采用“成对间接电氧化”法合成。电解槽中水溶液的主要成分及反应过程如图所示。 下列说法错误的是 ( 　) A.惰性电极2为阳极 B.反应前后W/W数量不变 C.消耗1 mol氧气,可得到1 mol硝酮 D.外电路通过1 mol电子,可得到1 mol水 C　 高考怎么考 [解析]惰性电极2,Br-被氧化为Br2,惰性电极2为阳极,故A正确; W/W循环反应,反应前后W/W数量不变,故B正确; 总反应为氧气把二丁基-N-羟基胺氧化为硝酮,1 mol二丁基-N-羟基胺失去2 mol H原子生成1 mol硝酮,氧气最终生成水,根据氧原子守恒,消耗1 mol O2,可得到2 mol硝酮,故C错误; 外电路通过1 mol电子,生成0.5 mol H2O2,H2O2最终生成H2O,根据氧原子守恒,可得到1 mol水,故D正确。 命题角度一 电解原理的应用 整合要点·夯实必备 高考考什么 1. 构建电解池模型 整合要点·夯实必备 高考考什么 2. 电解池阴、阳极的判断方法 整合要点·夯实必备 高考考什么 3. 电解计算破题“3方法” 探究典例·提升能力 高考考什么 例1 [2023•辽宁卷] 某无隔膜流动海水电解法制H2的装置如下图所示,其中高选择性催化剂PRT可抑制O2产生。下列说法正确的是 (　 )  A.b端电势高于a端电势 B.理论上转移2 mol e-生成4 g H2 C.电解后海水pH下降 D.阳极发生:Cl-+H2O-2e- =HClO+H+ D　 [解析]由图可知,右侧电极产生氢气,则右侧钛箔-MnOx电极为阴极,b电极为负极,左侧钛网-PRT电极为阳极,a电极为正极,以此解题。 由分析可知,a为正极,b为负极,则a端电势高于b端电势,A错误; 该电解装置的目的是制H2,阴极发生反应2H2O+2e- =H2↑+2OH-,则理论上转移2 mol e-时,生成2 g H2,B错误; 探究典例·提升能力 高考考什么 例1 [2023•辽宁卷] 某无隔膜流动海水电解法制H2的装置如下图所示,其中高选择性催化剂PRT可抑制O2产生。下列说法正确的是 (　 )  A.b端电势高于a端电势 B.理论上转移2 mol e-生成4 g H2 C.电解后海水pH下降 D.阳极发生:Cl-+H2O-2e- =HClO+H+ D　 高选择性催化剂PRT可抑制O2产生,则阳极上的电极反应式为Cl-+H2O-2e- =HClO+ H+,结合阴极反应式可知,电解后海水pH不会下降,C错误,D正确。 迁移应用 [2021•湖北卷] Na2Cr2O7的酸性水溶液随着H+浓度的增大会转化为CrO3。电解法制备CrO3的原理如图所示。下列说法错误的是 (　 ) A.电解时只允许H+通过离子交换膜 B.生成O2和H2的质量比为8∶1 C.电解一段时间后阴极区溶液OH-的浓度增大 D.CrO3的生成反应为Cr2+2H+ =2CrO3+H2O A [解析]左侧生成O2为阳极区,电极反应为2H2O-4e- =4H++O2↑,导致阳极区H+浓度增大,Cr2+2H+ =2CrO3+H2O,因此电解时H+不能通过离子交换膜,通过离子交换膜的是Na+,A项错误,D项正确; 探究典例·提升能力 高考考什么 迁移应用 [2021•湖北卷] Na2Cr2O7的酸性水溶液随着H+浓度的增大会转化为CrO3。电解法制备CrO3的原理如图所示。下列说法错误的是 (　 ) A.电解时只允许H+通过离子交换膜 B.生成O2和H2的质量比为8∶1 C.电解一段时间后阴极区溶液OH-的浓度增大 D.CrO3的生成反应为Cr2+2H+ =2CrO3+H2O A 阴极区电极反应为2H2O+2e- =2OH-+H2↑,根据得失电子守恒,由阳极反应和阴极反应知,生成O2和H2的物质的量之比为1∶2,生成O2和H2的质量比为8∶1,B项正确; 阴极区电极反应为2H2O+2e- =2OH-+H2↑,电解一段时间后阴极区溶液OH-的浓度增大,C项正确。 探究典例·提升能力 高考考什么 命题角度二 离子交换膜的应用 整合要点·夯实必备 高考考什么 1. 离子交换膜的分类与作用 整合要点·夯实必备 高考考什么 2. 含膜电化学装置原理分析 整合要点·夯实必备 高考考什么 3. 电渗析法的应用模型 将含AnBm的废水再生为HnB和 A(OH)m的模型及原理如下,已知 A为金属活动顺序中氢之前的 金属,Bn-为含氧酸根离子。 探究典例·提升能力 高考考什么 例2 硼酸(H3BO3)为一元弱酸,已知H3BO3与足量NaOH溶液反应的离子方程式为H3BO3+OH- =[B(OH)4]-,H3BO3可以通过电解的方法制备。电解Na[B(OH)4]溶液制备H3BO3的原理如图所示,下列叙述正确的是 ( 　) A.通电片刻后,从左至右,各室的 pH依次增大、不变、不变、减小 B.a膜、c膜为阴离子交换膜,b膜 为阳离子交换膜 C.产品室中发生的反应为[B(OH)4]-+H+ =H3BO3+H2O D.理论上每生成1 mol H3BO3,两极室共产生标准状况下11.2 L气体 C 探究典例·提升能力 高考考什么 [解析] M室中石墨电极为阳极,电解时阳极上水失电子生成O2和H+,电极反应式为2H2O-4e- =O2↑+4H+,H+透过a膜进入产品室,但水减少,M室pH减小;N室中石墨电极为阴极,电解时阴极上水得电子生成H2和OH-,电极反应式为2H2O+2e- =H2↑+2OH-,原料室中Na+透过c膜进入N室,N室pH增大,A项错误。 原料室中的[B(OH)4]-通过b膜进入产品室,Na+通过c膜进入N室,M室中H+通过a膜进入产品室,所以产品室中发生的反应为[B(OH)4]-+H+ =H3BO3+H2O,则a膜、c膜为阳离子交换膜,b膜为阴离子交换膜,B项错误,C项正确。 理论上每生成1 mol H3BO3,M室生成1 mol H+, 转移电子1 mol,N室生成0.5 mol H2,M室生成 0.25 mol O2,两极室共产生标准状况下16.8 L气体, D项错误。 【思维过程】 探究典例·提升能力 高考考什么 试题信息解读 电极 反应 原理 分析 　由图中电源的正负极可知M室为阳极室,发生电极反应为2H2O-4e- =O2↑+4H+,又因为H3BO3应该在产品室中产生,则产品室发生反应为[B(OH)4]-+H+ =H3BO3+H2O 膜的 分析 　M室中产生的H+通过a膜进入产品室,故a膜为阳离子交换膜,同时需要原料室中的[B(OH)4]-通过b膜进入产品室,则b膜为阴离子交换膜;N室为阴极室,发生的电极反应为2H2O+2e- =H2↑+2OH-,则原料室中的Na+通过c膜进入N室,c膜为阳离子交换膜 迁移应用 次磷酸钴[Co(H2PO2)2]广泛应用于化学电镀,工业上利用电渗析法制取次磷酸钴的原理如图所示。 已知:①该装置的电极材料分别 为金属钴和不锈钢; ②Co(H2PO2)2溶液在强碱性条件下 通过自身催化发生氧化还原反应实现化学镀钴。 下列说法中正确的是 (　 ) A.M电极材料为不锈钢 B.膜Ⅰ、膜Ⅴ为阳离子交换膜,膜Ⅱ、膜Ⅳ为阴离子交换膜 C.M电极反应为2H2O-4e- =O2↑+4H+ D.化学镀钴过程中的反应可能为Co2++H2P+3OH- =Co+HP+2H2O D 探究典例·提升能力 高考考什么 [解析]该装置为电解池,以金属钴和次磷酸钠为原料,采用六室、5个离子交换膜电解法制备次磷酸钴[Co(H2PO2)2],由图可知,M为阳极,则a为电源的正极,阳极上Co失去电子生成Co2+,通过膜Ⅰ进入产品室,H2P通过膜Ⅲ、膜Ⅱ进入产品室,阴极室NaOH溶液中H2O得到电子生成H2,电极反应式为2H2O+2e- =2OH-+H2↑,原料室中Na+通过膜Ⅳ和膜Ⅴ进入阴极室。 由题意可知,M为阳极,阳极上Co失去电子生成Co2+,则M电极材料为金属钴,故A项错误。 探究典例·提升能力 高考考什么 根据分析可知,Co2+通过膜Ⅰ进入产品室,H2P通过膜Ⅲ、膜Ⅱ进入产品室,则膜Ⅰ为阳离子交换膜,膜Ⅱ、膜Ⅲ为阴离子交换膜;根据分析,阴极会产生OH-,Co(H2PO2)2溶液在强碱性条件下通过自身催化发生氧化还原反应,膜Ⅴ要阻止OH-向阳极移动,膜Ⅳ允许Na+通过,膜Ⅳ、膜Ⅴ应为阳离子交换膜,故B错误。 根据分析,M为阳极,阳极上Co失去电子生成Co2+,M电极反应为Co-2e- =Co2+,故C错误。 Co(H2PO2)2通过自身催化发生氧化还原反应实现化学镀钴,则根据氧化还原反应规律,生成物可为Co和HP,Co(H2PO2)2溶液化学镀钴过程中的反应可能为Co2++H2P+3OH- =Co+HP+2H2O,故D正确。 探究典例·提升能力 高考考什么 1. [2023•全国甲卷] 用可再生能源电还原CO2时,采用高浓度的K+抑制酸性电解液中的析氢反应来提高多碳产物(乙烯、乙醇等)的生成率,装置如下图所示。下列说法正确的是 (　 ) A.析氢反应发生在IrOx-Ti电极上 B.Cl-从Cu电极迁移到IrOx-Ti电极 C.阴极发生的反应有:2CO2+12H++12e- = C2H4+4H2O D.每转移1 mol电子,阳极生成11.2 L气体(标准状况) C　　　 高考精准练 29 高考精准练 [解析]结合图示装置中电源正负极连接情况,可知IrOx-Ti电极为阳极,Cu电极为阴极,析氢时H+得电子被还原,该反应应在Cu电极上进行,A错误; 质子交换膜不允许Cl-通过,B错误; 左侧的H+可通过质子交换膜进入阴极区,酸性条件下CO2在阴极发生还原反应生成乙烯、乙醇等,电极反应式有2CO2+12H++12e- =C2H4+4H2O,C正确; 阳极上H2O放电,电极反应式为2H2O-4e- =O2↑+4H+,生成标准状况下11.2 L气体,其物质的量为0.5 mol,此时电路中转移2 mol电子,D错误。 30 2. [2022•湖北卷] 含磷有机物应用广泛。电解法可实现由白磷直接制备Li[P(CN)2],过程如图所示(Me为甲基)。下列说法正确的是 (　 ) A.生成1 mol Li[P(CN)2],理论上外电路 需要转移2 mol电子 B.阴极上的电极反应为P4+8CN--4e- =4[P(CN)2]- C.在电解过程中CN-向铂电极移动 D.电解产生的H2中的氢元素来自于LiOH D [解析] P4→Li[P(CN)2],P元素的化合价升高,发生氧化反应,所以石墨电极为阳极,对应的电极反应式为P4+8CN--4e- =4[P(CN)2]-,则生成1 mol Li[P(CN)2],理论上外电路需要转移1 mol电子,A错误; 阴极上得电子发生还原反应,对应的电极反应式为2HCN+2e- =H2↑+2CN-,B错误; 高考精准练 31 2. [2022•湖北卷] 含磷有机物应用广泛。电解法可实现由白磷直接制备Li[P(CN)2],过程如图所示(Me为甲基)。下列说法正确的是 (　 ) A.生成1 mol Li[P(CN)2],理论上外电路 需要转移2 mol电子 B.阴极上的电极反应为P4+8CN--4e- =4[P(CN)2]- C.在电解过程中CN-向铂电极移动 D.电解产生的H2中的氢元素来自于LiOH D 电解过程中,CN-应该向阳极移动,即移向石墨电极,C错误; 由图示可知HCN在阴极放电,产生CN-和H2,而HCN中的H来自LiOH,则电解产生的H2中的氢元素来自LiOH,D正确。 高考精准练 32 3. [2023•湖北十堰一模] 1,2-二氯乙烷主要用作聚氯乙烯单体制取过程的中间体,用电有机合成法合成1,2-二氯乙烷的装置如图所示。下列说法中正确的是 ( 　) A.直流电源电极a为负极 B.X为阳离子交换膜,Y为阴离子交换膜 C.液相反应中,C2H4被氧化为1,2-二氯乙烷 D.该装置总反应为2Cl-+2H2O 2OH-+ H2↑+Cl2↑ 高考精准练 C 33 高考精准练 [解析]由电解池装置图可知,左侧CuCl被氧化为CuCl2,为电解池的阳极,则a为电源正极, A错误; 溶液中Cl-经过阴离子交换膜X移向阳极,溶液中Na+经过阳离子交换膜Y移向阴极,同时生成NaOH,故X为阴离子交换膜,Y为阳离子交换膜,B错误; 液相反应中,C2H4与CuCl2反应生成1,2-二氯乙烷时碳元素化合价升高,发生氧化反应,应为C2H4被CuCl2氧化为1,2-二氯乙烷,C正确; 以NaCl溶液和乙烯为原料合成1,2-二氯乙烷, CuCl循环使用,其实质是NaCl、H2O与 CH2 CH2反应,故总反应为CH2 =CH2+2H2O+2NaCl H2↑+2NaOH+ClCH2CH2Cl,D错误。 34 4. [2023•辽宁鞍山一模] 处理高浓度的乙醛废水的新方法——隔膜电解法,总反应为2CH3CHO+H2O CH3CH2OH+CH3COOH(不考虑其他反应)。实验室中,以一定浓度的乙醛和H2SO4溶液为电解质溶液,模拟含乙醛的工业废水,用惰性电极进行电解,其装置如图所示,下列说法错误的是 ( 　) A.b电极反应式为CH3CHO+H2O-2e- = CH3COOH+2H+ B.电解一段时间后,电解池右侧pH增大 C.若以CH4-空气燃料电池为直流电源,a极 应该与燃料电池中通入CH4的一极相连 D.理论上处理1 mol乙醛,将有1 mol H+通过质子交换膜 高考精准练 B 35 高考精准练 [解析] b电极为阳极,电极反应式为CH3CHO+H2O-2e- =CH3COOH+2H+,A正确; 电解一段时间后,电解池右侧消耗水,生成弱酸CH3COOH和H+,H+通过质子交换膜移向左侧,故pH减小,B错误; 若以CH4-空气燃料电池为直流电源,燃料电池与a极相连的电极为负极,应该通入CH4,C正确; 阳极反应为CH3CHO+H2O-2e- =CH3COOH+2H+,阴极反应为CH3CHO+2H++2e-= CH3CH2OH,理论上处理1 mol乙醛,有1 mol电子发生转移,将有1 mol H+通过质子交换膜,D正确。 36 $$