专题四 主观题突破 电极反应式的书写及电化学计算-【步步高·大二轮专题复习】2025年高考化学复习讲义课件(江苏专用)(课件PPT+word教案)

专题四 主观题突破 电极反应式的书写及电化学计算 核心精讲 01 1.分析电化学装置的物质变化书写电极反应式 (1)确定装置类型 原电池：外接用电器、电压表、负载等； 电解池：外接电源或题干给出信息； 二次电池：放电为原电池、充电为电解池。 3 (2)“四步法”书写电极反应式 2.已知总反应式，书写电极反应式 (1)书写三步骤 步骤一：根据电池总反应式，标出电子转移的方向和数目(ne-)。 步骤二：找出正(阴)、负(阳)极，失电子的电极为负(阳)极；确定溶液的酸碱性。 步骤三：写电极反应式。 负(阳)极反应：还原剂-ne-===氧化产物 正(阴)极反应：氧化剂+ne-===还原产物 (2)书写技巧 若某电极反应式较难写出时，可先写出较易的电极反应式，然后根据得失电子守恒，用总反应式减去较易的电极反应式，即可得出较难写出的电极反应式。 3.守恒法在电化学计算中的应用 (1)电子守恒和电荷守恒列关系式 ①电子守恒：两极得失电子数相等。 ②电荷守恒：1个电子对应1个正电荷(或负电荷)。 ③常用关系式：O2~4e-~4Ag~2Cu~2H2~2Cl2~4OH-~4H+~Mn+。 (2)几个注意问题 ①气体体积相关计算时，必须注明标准状况。 ②计算含交换膜电化学装置中某一区域质量变化，注意离子的迁移。 例1　盐酸羟胺(NH3OHCl)是一种常见的还原剂和显像剂，其化学性质类似NH4Cl。工业上采用如图所示装置进行制备。不考虑溶液体积的变化。 回答下列问题： (1)正极反应式为　　　 　。  (2)负极反应式为　　　　 。  (3)理论上，当有标准状况下3.36 L H2参与反 应时，左室溶液质量增加　　 g。  NO+3e-+4H+===NH3OH+ H2-2e-===2H+ 3.3 含铁的催化电极为正极，电极反应式为NO+3e- +4H+===NH3OH+；Pt电极为负极，电极反应式 为H2-2e-===2H+。 结合电极反应：H2-2e-===2H+，消耗标况3.36 L H2共转移0.3 mol电子，则必有0.3 mol H+由右室流向左室，同时由NO变成盐酸羟胺(NH3OHCl)，结合NO+3e-+4H+===NH3OH+可知，参加反应的NO为0.1 mol，故左室增加的为0.1 mol NO和0.3 mol H+，其质量总和为3.3 g。 例2　中科院研究出首例在室温条件超快传输的氢负离子导体LaHx，某小组据此设计了如图装置，以电化学方法进行反应：CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-49.5 kJ·mol-1。 (1)电极a为电源的　　　(填“正极”或 “负极”)。  负极 由信息可知，电解池装置中的离子导体可以传输氢负离子，氢气在惰性电极1上放电生成氢负离子，氢负离子在惰性电极2上失电子变为氢原子，然后氢原子将二氧化碳还原为甲醇和水，则电极a为电源的负极。 (2)生成CH3OH的电极反应式为 　　　　　　　　　　　　　。  CO2-6e-+6H-===CH3OH+H2O 在惰性电极2上氢负离子失电子变为氢原子，然后氢原子将二氧化碳还原为甲醇和水，根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极反应式：CO2-6e-+6H-===CH3OH+H2O。 (3)若反应：CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH=+41.2 kJ·mol-1(副反应)也同时发生，出口 Ⅱ 为CO、CH3OH、CO2的混合气，且n(CO)∶n(CH3OH)=1∶3，则惰性电极2的电 流效率η为　 　(η=×100%)。  90% 若副反应也同时发生，出口Ⅱ为CO、CH3OH、CO2的混合气，且n(CO)∶n(CH3OH)=1∶3，假设生成1 mol CO和3 mol CH3OH，转移电子1 mol×2+3 mol×6=20 mol，则惰性电极2的电流效率η为× 100%=90%。 真题演练 02 1.[2022·江苏，17(1)]氢气是一种清洁能源， 绿色环保制氢技术研究具有重要意义。 “CuCl⁃H2O热电循环制氢”经过溶解、 电解、热水解和热分解4个步骤，其过程如图所示。 1 2 3 +2Cl--e-=== ①电解在质子交换膜电解池中进行。阳极区为酸性溶液，阴极区为盐酸，电解过程中转化为。电解时阳极发生的主要电极反应为　　　　　　　 　　　(用电极反应式表示)。  1 2 3 电解在质子交换膜电解池中进行，H+可自由通过，阳极区为酸性溶液，电解过程中 转化为，电解时阳极发生的主要电极反应为+2Cl--e-===。 ②电解后，经热水解和热分解的物质可循环使用。在热水解和热分解过程中，发生化合价变化的元素有　　　　　(填元素符号)。  1 2 3 Cu、O 电解后，经热水解得到的HCl和热分解得到的CuCl等物质可循环使用，从图中可知，热分解产物还有O2，又电解后进入热水解的物质有，故发生化合价变化的元素有Cu、O。 1 2 3 2.[2020·江苏，20(2)]HCOOH燃料电池。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+通过的半透膜隔开。 ①电池负极电极反应式为______________ 　　　 　 　； 放电过程中需补充的 物质A为　　　　(填化学式)。  HCOO-+2OH--2e- ===HC+H2O H2SO4 1 2 3 由图示可知，燃料电池负极区是HCOO-→HC，因在碱性条件下，故电极反应式为HCOO-+2OH--2e-===HC+H2O。电池正极区发生反应：Fe3++e-===Fe2+，Fe2+又被通入的O2氧化为Fe3+：4Fe2++ O2+4H+===4Fe3++2H2O，同时还生成K2SO4，则需要补充的物质A为H2SO4。 1 2 3 ②如图所示的HCOOH燃料电池放电的本质是通过HCOOH与O2的反应，将化学能转化为电能，其反应的离子方程式为________________________________ 　　　 　　 　　。  2HCOOH+2OH-+O2===2HC+2H2O (或2HCOO-+O2===2HC) 根据电池反应的实质为HCOOH与O2反应生成HC，可写出电池反应的离子方程式为2HCOOH+2OH-+O2===2HC+2H2O或2HCOO-+O2 ===2HC。 1 2 3 3.[2024·北京，16(3)]研究表明可以用电解法以N2为氮源直接制备HNO3，其原理示意图如下。 ①电极a表面生成的电极反应式： 　　　 　　　　。  N2+6H2O-10e-===2N+12H+ 电极a上N2―→，氮元素化合价升高，发生氧化反应，电极a为阳极，电极反应式为N2+6H2O-10e-===2N+12H+。 1 2 3 ②研究发现：N2转化可能的途径为N2 NO 。电极a表面还发生ⅲ.H2O→O2。ⅲ的存在，有利于途径ⅱ，原因是____________ 　　　　 　　　。  反应ⅲ生成O2， O2将NO氧化成NO2，NO2更易转化成 模拟预测 03 4.(2023·泰州靖江调研)电解NaBO2溶液可制得NaBH4，电解装置示意图如图所示。 B+8e-+6H2O===B+8OH- 该电解池阴极的电极反应式为 。 4 5 6 7 8 9 10 5.(2023·姜堰中学、如东中学、沭阳中学联考)通过电化学循环法可将H2S转化为H2SO4和H2(如图所示)。其中氧化过程发生如下两步反应：H2S+ H2SO4===SO2↑+S↓+2H2O、S+O2===SO2。 (1)电极a上发生的电极反应为　　 　 　　　　。  SO2-2e-+2H2O===4H++S 4 5 6 7 8 9 10 由图可知，该装置为原电池，电极a为电池的负极，通入的二氧化硫气体在负极失去电子发生氧化反应生成硫酸，电极反应式为SO2-2e-+2H2O===4H++S。 5 6 7 8 9 10 4 (2)理论上1 mol H2S参加反应可产生H2的物质的量为　　　　。  2 mol 由反应H2S+H2SO4===SO2↑+S↓+2H2O、S+O2===SO2可知，1 mol H2S参加反应时，负极上有2 mol二氧化硫参与放电，由得失电子守恒可得：2 mol×2=n(H2)×2，解得n(H2)=2 mol。 5 6 7 8 9 10 4 6.(2023·南京、盐城模拟)(1)我国科学家以Si/Bi材料作光电阴极、CO2饱和的0.5 mol·L-1的KHCO3溶液作电解液(pH=7.4)，将CO2转化为HCOOH，原理如图所示。 根据图示，写出光电阴极电极反应式： 　　　  　　　　。  (2)碱性环境下直接电解NaGa(OH)4溶液 得到金属镓，阴极的电极反应式为　　　 　 　　　。  CO2+HC+2e-===HCOO-+C [Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH- 5 6 7 8 9 10 4 7.某实验小组想用铅酸蓄电池作电源， 并利用图1装置电解饱和食盐水制 NaOH溶液。 图1中NaOH溶液的作用是___________ 　　 　　， 反应的离子方程式为　　 　　。  利用实验过程中产生的a、b两种气体和NaOH溶液可设计成图2所示燃料电池，M电极的电极反应式为　　 　　。  该燃料电池工作一段时间后溶液的pH　　　　(填“减小”“增大”或“不变”)。  吸收Cl2， 2OH-+Cl2===Cl-+ClO-+H2O 防止污染空气 H2-2e-+2OH-===2H2O 减小 5 6 7 8 9 10 4 8.(2024·苏州高三开学考试)工业上采用如图所示装置电解制备甲醇，反应前后KHCO3浓度基本保持不变，生成CH3OH的电极反应式为________　　　 　　　　 　　　。  7CO2+6e- +5H2O===CH3OH+6HC 5 6 7 8 9 10 4 9.(2024·盐城高三阶段练习)二氧化氯(ClO2)是一种重要的氧化剂，可用于某些污染物的处理。ClO2可由图1所示装置制备(电极不反应)。 减小 (1)电解时阳极附近溶液的pH　　 (填“减小”“增大”或“不变”)。  电解时阳极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑，阳极附近溶液氢离子浓度增大，pH减小。 5 6 7 8 9 10 4 (2)阴极上产生ClO2的机理如图2所示(A、B均为含氯微粒，其他微粒未标出)。写出B与A反应生成ClO2的离子方程式：_____ 　　　 　。 Cl 根据图示，Cl在阴极上得电子生成ClO2：Cl+e-+2H+===ClO2↑ +H2O，生成的ClO2在阴极迅速得到电子生成Cl：ClO2+e-===Cl，Cl与溶液中的Cl发生反应生成ClO2，即Cl+Cl+2H+=== 2ClO2↑+H2O。 +Cl+2H+===2ClO2↑+H2O 5 6 7 8 9 10 4 10.工业上用电解法治理亚硝酸盐对水体的污染，模拟工艺如图所示，写出电解时铁电极发生的电极反应：　 　　　。  随后，铁电极附近有无色气体产生，写出有关反应的离子方程式： 　　　 　 　　　。  Fe-2e-===Fe2+ 2N+8H++6Fe2+===N2↑+6Fe3++4H2O 5 6 7 8 9 10 4 根据电解原理，阳离子向阴极移动，由装置图可知，A为电源的正极，B为电源的负极，铁作阳极，电极反应式为Fe-2e-===Fe2+；N在酸性条件下 具有强氧化性，能将Fe2+氧化，本身被还原成N2，其反应的离子方程式为2N+8H++6Fe2+===N2↑+6Fe3++4H2O。 5 6 7 8 9 10 4 题型突破练 04 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 b　2 1. (1)AB　 (2)Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2 2. (1)惰性电极2到电源正极、电源负极到惰性电极1　 (2)3H2-6e-+2N3-===2NH3　 (3)1∶6 3. 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 (1)14CO2+12e-+8H2O===C2H4+12HC　 (2)75% 4. (1)CO2+2N+18H++16e-===CO(NH2)2+7H2O　 (2)该条件下，CO2在阴极生成CO的速率比生成CH4的速率快 5. (1)2HCHO+4OH--2e-===2HCOO-+H2↑+2H2O　 (2)1 6. 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 (1)CO2+6e-+6H+===CH3OH+H2O　 (2)2.8　 (3)为确定阴极上生成的含碳化合物来自于CO2而非有机多孔电极材料 7. (1)碱性条件下，有部分CO2转化为C，用于生成CH4、C2H4的CO2的量减少，使总的选择性减小　 (2)CO2+8e-+6H2O===CH4+8OH-　 (3)37.5% 8. 1.H2还原CO电化学法制备甲醇(CO+2H2===CH3OH)的工作原理如图所示。放电时，电子由电极　　 (填“a”或“b”)沿导线流向另一电极。该电池工作时，通入CO一端硫酸溶液的质量变化16 g，理论上通过电路转移的电子为　　 mol。  1 2 3 4 5 6 7 8 答案 b 2 1 2 3 4 5 6 7 根据总反应CO+2H2===CH3OH可知，氢气在电极b发生氧化反应，b为负极发生反应：H2-2e-===2H+，电子流出；a为正极发生反应：CO+4e-+4H+===CH3OH，消耗的氢离子由负极区补充，因此通入CO一端硫酸溶液的质量变化16 g是生成的甲醇的质量，即0.5 mol，转移2 mol电子。 8 答案 2.(2024·南通高三下学期三模)锂电池的研发、使用及废电池的回收具有重要意义。 (1)比能量是指电池单位质量(或体积)输出的电能。锂金属电池放电时总反应为Li+MnO2===LiMnO2。下列关于锂金属电池说法正确的是　　(填字母)。  A.放电时Li作负极 B.比能量高于锌锰干电池 C.可用稀H2SO4作电解质 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 AB 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 由Li+MnO2===LiMnO2可知，放电时，Li失去电子，作负极，A项正确； 100 g Li可以失去×1≈14.3 mol电子，100 g Zn可以失去×2≈3.1 mol电子，则锂金属电池比能量高于锌锰干电池，B项正确； Li会直接和稀H2SO4反应，不能用稀H2SO4作电解质，C项错误。 (2)钴酸锂(LiCoO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)等锂离子二次电池应用普遍。 钴酸锂电池放电时示意图如图所示。放电时，Li+由LixC6中脱嵌。写出放电至完全时Li1-xCoO2电极的电极反应式：　　　 　　　　。  1 2 3 4 5 6 7 8 答案 Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2 3.合成氨也可以通过电化学过程实现，其装置如图所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 (1)导线中电子流动方向为________________ 　　　 　。  (2)生成NH3的电极反应式为______________ 　　　　。  惰性电极2到电源 正极、电源负极到惰性电极1 3H2-6e-+2N3-=== 2NH3 (3)若惰性电极2的电流效率η为75%，则惰性电极2处N2与NH3的物质的量之比为　　　　(η=×100%)。  1∶6 4.(2024·扬州中学高三模拟)电化学可以将CO2有限转化为有机物。 (1)多晶Cu是目前唯一被实验证实能高效催化CO2还原为烃类(如C2H4)的金属。如图所示，电解装置中分别以多晶Cu和Pt为电极材料，用阴离子交换膜分隔开阴、阳极室，反应前后KHCO3浓度基本保持不变，温度控制在10 ℃左右。阴极生成C2H4的电极反应式为______________________ 　　　　　　　。  1 2 3 4 5 6 7 8 答案 14CO2+12e-+8H2O=== C2H4+12HC (2)装置工作时，阴极主要生成C2H4，还可能生成副产物降低电解效率。标准状况下，当阳极生成O2的体积为224 mL时，测得阴极区生成C2H4 56 mL，则电解效率=　　　　(忽略电解前后溶液体积的变化)。  已知：电解效率=×100%。 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 75% 1 2 3 4 5 6 7 标准状况下，224 mL氧气的物质的量为0.01 mol，阳极生成0.01 mol氧气对应转移电子的物质的量为0.04 mol，56 mL C2H4的物质的量为0.002 5 mol，根据电极反应14CO2+12e-+8H2O===C2H4+12HC，则生成0.002 5 mol乙烯时转移电子的物质的量为0.03 mol，则电解效率=×100%=75%。 8 答案 5.(2024·连云港高级中学高三模拟)尿素[CO(NH2)2]的生产具有重要意义。 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 (1)电催化CO2和合成尿素的装置如图所示，生成尿素的电极反应式为____________________　　　　　　　　 　　 。  CO2+2N+18H++16e- ===CO(NH2)2+7H2O (2)电催化CO2和N2合成尿素。CO2先在阴极被还原为中间体CO，再与N2合成尿素。 已知：CO2在阴极还能被还原为CH4，其生成CH4的趋势比生成CO的趋势更大。但实验数据说明，一定时间内，阴极产物中CO的物质的量大于CH4，可能的原因为_____________________________________________ 　　 　。  1 2 3 4 5 6 7 8 答案 该条件下，CO2在阴极生成CO的速率比生成CH4的 速率快 6.(2024·苏锡常镇四市高三模拟)甲醛释氢对氢能源和含甲醛污水处理有重要意义。HCHO电催化释氢的原理如图。 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 (1)电解时，电极b上同时产生H2与HCOO-的物质的量之比为1∶2，则电极b上的电极反应式为　　　　　　 　　　。  2HCHO+4OH--2e-===2HCOO-+H2↑+2H2O 电解时，电极b与电源正极相连，是电解池的阳极，同时产生H2与HCOO-的物质的量之比为1∶2，则电极b上的电极反应式为2HCHO+ 4OH--2e-===2HCOO-+H2↑+2H2O。 (2)电解过程中每产生1 mol H2，通过阴离子交换膜的OH-为　mol。  1 2 3 4 5 6 7 8 答案 1 电极a是阴极，电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-，电解过程中每产生1 mol H2，每个电极上各产生0.5 mol H2，故通过阴离子交换膜的OH-为1 mol。 7.(2024·东台市安丰中学等六校高三模拟)电催化还原CO2是当今资源化利用二氧化碳的重点课题。一种有机多孔电极材料(铜粉沉积在一种有机物的骨架上)电催化还原CO2的装置示意图如图1所示。控制其他条件相同，将一定量的CO2通入该电催化装置中，阴极所得产物及其物质的量与电压的关系如图2所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 (1)阴极生成CH3OH的电极反应式为　　　 　　　　　　　。 CO2+6e-+6H+===CH3OH+H2O 1 2 3 4 5 6 7 b电极为阴极，二氧化碳得到电子在酸性环境下发生还原反应生成CH3OH，电极反应为CO2+6e-+6H+===CH3OH+H2O。 8 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 (2)控制电压为0.8 V，电解时转移电子的物质的量为　　 mol。  2.8 由图可知，控制电压为0.8 V，电解时生成0.2 mol乙醇和0.2 mol氢气，电极反应为2CO2+12e-+12H+===CH2CH3OH+3H2O、2H++2e-===H2↑，转移电子的物质的量为0.2 mol×12+0.2 mol×2=2.8 mol。 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 (3)科研小组利用13CO2代替原有的CO2进行研究，其目的是 ___________________________________________________________。  为确定阴极上生成的含碳化合物来自于CO2而非有机多孔电极材料 8.(2024·常州市第一中学高三模拟)利用电解法在碱性或酸性条件下将CO2还原为CH4和C2H4的原理如图所示： 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 已知：选择性(S)和法拉第效率(FE)的定义(X代表CH4或C2H4)如下： S(X)=×100% FE(X)=×100% (1)实验测得，碱性条件生成CH4、 C2H4总的选择性小于酸性条件，原因是_____________________________ 　　　　　　 　。  碱性条件下，有部分CO2转化为C，用于生成CH4、C2H4的CO2的量减少，使总的选择性减小 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 (2)写出碱性条件下CO2生成CH4的电极反应式：　　　　　　　 　　　。  (3)碱性条件下反应一段时间，实验测得CH4、C2H4的选择性及CH4的法拉第 效率如下表所示。则C2H4的法拉第效率FE(C2H4)为　　　　。    CH4 C2H4 S(X) 2% 8% FE(X) 12.5%   CO2+8e-+6H2O===CH4+8OH- 37.5% 1 2 3 4 5 6 7 假设有100 mol CO2参与反应，根据表中数据可知，生成甲烷所消耗的二氧化碳的物质的量为2 mol，结合碳元素的化合价变化，该过程共转移了16 mol电子，故通过电极的电子总物质的量为=128 mol，又由于乙烯的选择性为8%，故生成乙烯所消耗的二氧化碳的物质的量为8 mol，结合此过程中碳元素的化合价变化，该过程转移的电子的物质的量为48 mol，则C2H4的法拉第效率FE(C2H4)=×100%=37.5%。 8 答案   CH4 C2H4 S(X) 2% 8% FE(X) 12.5%   本课结束 THANKS $$ 　电极反应式的书写及电化学计算  1.分析电化学装置的物质变化书写电极反应式 (1)确定装置类型 原电池：外接用电器、电压表、负载等； 电解池：外接电源或题干给出信息； 二次电池：放电为原电池、充电为电解池。 (2)“四步法”书写电极反应式 2.已知总反应式，书写电极反应式 (1)书写三步骤 步骤一：根据电池总反应式，标出电子转移的方向和数目(ne-)。 步骤二：找出正(阴)、负(阳)极，失电子的电极为负(阳)极；确定溶液的酸碱性。 步骤三：写电极反应式。 负(阳)极反应：还原剂-ne-===氧化产物 正(阴)极反应：氧化剂+ne-===还原产物 (2)书写技巧 若某电极反应式较难写出时，可先写出较易的电极反应式，然后根据得失电子守恒，用总反应式减去较易的电极反应式，即可得出较难写出的电极反应式。 3.守恒法在电化学计算中的应用 (1)电子守恒和电荷守恒列关系式 ①电子守恒：两极得失电子数相等。 ②电荷守恒：1个电子对应1个正电荷(或负电荷)。 ③常用关系式：O2~4e-~4Ag~2Cu~2H2~2Cl2~4OH-~4H+~Mn+。 (2)几个注意问题 ①气体体积相关计算时，必须注明标准状况。 ②计算含交换膜电化学装置中某一区域质量变化，注意离子的迁移。 例1　盐酸羟胺(NH3OHCl)是一种常见的还原剂和显像剂，其化学性质类似NH4Cl。工业上采用如图所示装置进行制备。不考虑溶液体积的变化。 回答下列问题： (1)正极反应式为　　　　。  (2)负极反应式为　　　　。  (3)理论上，当有标准状况下3.36 L H2参与反应时，左室溶液质量增加　　　　 g。  答案　(1)NO+3e-+4H+===NH3OH+　(2)H2-2e-===2H+　(3)3.3 解析　含铁的催化电极为正极，电极反应式为NO+3e-+4H+===NH3OH+；Pt电极为负极，电极反应式为H2-2e-===2H+。(3)结合电极反应：H2-2e-===2H+，消耗标况3.36 L H2共转移0.3 mol电子，则必有0.3 mol H+由右室流向左室，同时由NO变成盐酸羟胺(NH3OHCl)，结合NO+3e-+4H+====NH3OH+可知，参加反应的NO为0.1 mol，故左室增加的为0.1 mol NO和0.3 mol H+，其质量总和为3.3 g。 例2　中科院研究出首例在室温条件超快传输的氢负离子导体LaHx，某小组据此设计了如图装置，以电化学方法进行反应：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-49.5 kJ·mol-1。 (1)电极a为电源的　　　　　　　　(填“正极”或“负极”)。  (2)生成CH3OH的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (3)若反应：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH=+41.2 kJ·mol-1(副反应)也同时发生，出口 Ⅱ 为CO、CH3OH、CO2的混合气，且n(CO)∶n(CH3OH)=1∶3，则惰性电极2的电流效率η为　　　　(η=×100%)。  答案　(1)负极　(2)CO2-6e-+6H-===CH3OH+H2O　(3)90% 解析　(1)由信息可知，电解池装置中的离子导体可以传输氢负离子，氢气在惰性电极1上放电生成氢负离子，氢负离子在惰性电极2上失电子变为氢原子，然后氢原子将二氧化碳还原为甲醇和水，则电极a为电源的负极。(2)在惰性电极2上氢负离子失电子变为氢原子，然后氢原子将二氧化碳还原为甲醇和水，根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极反应式：CO2-6e-+6H-===CH3OH+H2O。(3)若副反应也同时发生，出口Ⅱ为CO、CH3OH、CO2的混合气，且n(CO)∶n(CH3OH)=1∶3，假设生成1 mol CO和3 mol CH3OH，转移电子1 mol×2+3 mol×6=20 mol，则惰性电极2的电流效率η为×100%=90%。 1.［2022·江苏，17(1)］氢气是一种清洁能源，绿色环保制氢技术研究具有重要意义。 “CuCl⁃H2O热电循环制氢”经过溶解、电解、热水解和热分解4个步骤，其过程如图所示。 ①电解在质子交换膜电解池中进行。阳极区为酸性溶液，阴极区为盐酸，电解过程中转化为。电解时阳极发生的主要电极反应为　　　　　　　　　　(用电极反应式表示)。  ②电解后，经热水解和热分解的物质可循环使用。在热水解和热分解过程中，发生化合价变化的元素有　　　　　(填元素符号)。  答案　①+2Cl--e-=== ②Cu、O 解析　①电解在质子交换膜电解池中进行，H+可自由通过，阳极区为酸性溶液，电解过程中转化为，电解时阳极发生的主要电极反应为+2Cl--e-===。②电解后，经热水解得到的HCl和热分解得到的CuCl等物质可循环使用，从图中可知，热分解产物还有O2，又电解后进入热水解的物质有，故发生化合价变化的元素有Cu、O。 2.［2020·江苏，20(2)］HCOOH燃料电池。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+通过的半透膜隔开。 ①电池负极电极反应式为　　　 　　　　；  放电过程中需补充的物质A为　　　　　　(填化学式)。  ②如图所示的HCOOH燃料电池放电的本质是通过HCOOH与O2的反应，将化学能转化为电能，其反应的离子方程式为　　　  　　　　。  答案　①HCOO-+2OH--2e-===HC+H2O H2SO4 ②2HCOOH+2OH-+O2===2HC+2H2O(或2HCOO-+O2===2HC) 解析　①由图示可知，燃料电池负极区是HCOO-HC，因在碱性条件下，故电极反应式为HCOO-+2OH--2e-===HC+H2O。电池正极区发生反应：Fe3++e-===Fe2+，Fe2+又被通入的O2氧化为Fe3+：4Fe2++O2+4H+===4Fe3++2H2O，同时还生成K2SO4，则需要补充的物质A为H2SO4。②根据电池反应的实质为HCOOH与O2反应生成HC，可写出电池反应的离子方程式为2HCOOH+2OH-+O2===2HC+2H2O或2HCOO-+O2===2HC。 3.［2024·北京，16(3)］研究表明可以用电解法以N2为氮源直接制备HNO3，其原理示意图如下。 ①电极a表面生成的电极反应式：　　　 　　　　。  ②研究发现：N2转化可能的途径为N2NO。电极a表面还发生ⅲ.H2O→O2。ⅲ的存在，有利于途径ⅱ，原因是　　　 　　　　。  答案　①N2+6H2O-10e-===2N+12H+ ②反应ⅲ生成O2，O2将NO氧化成NO2，NO2更易转化成 解析　①电极a上N2，氮元素化合价升高，发生氧化反应，电极a为阳极，电极反应式为N2+6H2O-10e-===2N+12H+。 4.(2023·泰州靖江调研)电解NaBO2溶液可制得NaBH4，电解装置示意图如图所示。 该电解池阴极的电极反应式为B+8e-+6H2OB+8OH-。 5.(2023·姜堰中学、如东中学、沭阳中学联考)通过电化学循环法可将H2S转化为H2SO4和H2(如图所示)。其中氧化过程发生如下两步反应：H2S+H2SO4===SO2↑+S↓+2H2O、S+O2===SO2。 (1)电极a上发生的电极反应为　　　 　　　　。  (2)理论上1 mol H2S参加反应可产生H2的物质的量为　　　　。  答案　(1)SO2-2e-+2H2O===4H++S (2)2 mol 解析　(1)由图可知，该装置为原电池，电极a为电池的负极，通入的二氧化硫气体在负极失去电子发生氧化反应生成硫酸，电极反应式为SO2-2e-+2H2O===4H++S。(2)由反应H2S+H2SO4===SO2↑+S↓+2H2O、S+O2===SO2可知，1 mol H2S参加反应时，负极上有2 mol二氧化硫参与放电，由得失电子守恒可得：2 mol×2=n(H2)×2，解得n(H2)=2 mol。 6.(2023·南京、盐城模拟)(1)我国科学家以Si/Bi材料作光电阴极、CO2饱和的0.5 mol·L-1的KHCO3溶液作电解液(pH=7.4)，将CO2转化为HCOOH，原理如图所示。 根据图示，写出光电阴极电极反应式：　　　 　　　　。  (2)碱性环境下直接电解NaGa(OH)4溶液得到金属镓，阴极的电极反应式为　　　 　　　　。  答案　(1)CO2+HC+2e-===HCOO-+C (2)［Ga(OH)4］-+3e-Ga+4OH- 7.某实验小组想用铅酸蓄电池作电源，并利用图1装置电解饱和食盐水制NaOH溶液。 图1中NaOH溶液的作用是　　　　，  反应的离子方程式为　　　　。  利用实验过程中产生的a、b两种气体和NaOH溶液可设计成图2所示燃料电池，M电极的电极反应式为　　　　。  该燃料电池工作一段时间后溶液的pH　　　　(填“减小”“增大”或“不变”)。  答案　吸收Cl2，防止污染空气　2OH-+Cl2===Cl-+ClO-+H2O　H2-2e-+2OH-===2H2O　减小 8.(2024·苏州高三开学考试)工业上采用如图所示装置电解制备甲醇，反应前后KHCO3浓度基本保持不变，生成CH3OH的电极反应式为　　　　　　　　　　。  答案　7CO2+6e-+5H2O===CH3OH+6HC 9.(2024·盐城高三阶段练习)二氧化氯(ClO2)是一种重要的氧化剂，可用于某些污染物的处理。ClO2可由图1所示装置制备(电极不反应)。 (1)电解时阳极附近溶液的pH　　　　(填“减小”“增大”或“不变”)。  (2)阴极上产生ClO2的机理如图2所示(A、B均为含氯微粒，其他微粒未标出)。写出B与A反应生成ClO2的离子方程式：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  答案　(1)减小 (2)Cl+Cl+2H+===2ClO2↑+H2O 解析　(1)电解时阳极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑，阳极附近溶液氢离子浓度增大，pH减小。(2)根据图示，Cl在阴极上得电子生成ClO2：Cl+e-+2H+===ClO2↑+H2O，生成的ClO2在阴极迅速得到电子生成Cl：ClO2+e-===Cl，Cl与溶液中的Cl发生反应生成ClO2，即Cl+Cl+2H+===2ClO2↑+H2O。 10.工业上用电解法治理亚硝酸盐对水体的污染，模拟工艺如图所示，写出电解时铁电极发生的电极反应：　　　　。  随后，铁电极附近有无色气体产生，写出有关反应的离子方程式：　　　 　　　　。  答案　 Fe-2e-===Fe2+　 2N+8H++6Fe2+===N2↑+6Fe3++4H2O 解析　根据电解原理，阳离子向阴极移动，由装置图可知，A为电源的正极，B为电源的负极，铁作阳极，电极反应式为Fe-2e-===Fe2+；N在酸性条件下具有强氧化性，能将Fe2+氧化，本身被还原成N2，其反应的离子方程式为2N+8H++6Fe2+===N2↑+6Fe3++4H2O。 题型突破练 1.(4分)H2还原CO电化学法制备甲醇(CO+2H2===CH3OH)的工作原理如图所示。放电时，电子由电极　　　　　　　　(填“a”或“b”)沿导线流向另一电极。该电池工作时，通入CO一端硫酸溶液的质量变化16 g，理论上通过电路转移的电子为　　　　　 mol。  答案　b　2 解析　根据总反应CO+2H2===CH3OH可知，氢气在电极b发生氧化反应，b为负极发生反应：H2-2e-===2H+，电子流出；a为正极发生反应：CO+4e-+4H+===CH3OH，消耗的氢离子由负极区补充，因此通入CO一端硫酸溶液的质量变化16 g是生成的甲醇的质量，即0.5 mol，转移2 mol电子。 2.(5分)(2024·南通高三下学期三模)锂电池的研发、使用及废电池的回收具有重要意义。 (1)比能量是指电池单位质量(或体积)输出的电能。锂金属电池放电时总反应为Li+MnO2===LiMnO2。下列关于锂金属电池说法正确的是　　　　　(填字母)。  A.放电时Li作负极 B.比能量高于锌锰干电池 C.可用稀H2SO4作电解质 (2)钴酸锂(LiCoO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)等锂离子二次电池应用普遍。 钴酸锂电池放电时示意图如图所示。放电时，Li+由LixC6中脱嵌。写出放电至完全时Li1-xCoO2电极的电极反应式：　　　　　　　。  答案　(1)AB　(2)Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2 解析　(1)由Li+MnO2===LiMnO2可知，放电时，Li失去电子，作负极，A项正确；100 g Li可以失去×1≈14.3 mol电子，100 g Zn可以失去×2≈3.1 mol电子，则锂金属电池比能量高于锌锰干电池，B项正确；Li会直接和稀H2SO4反应，不能用稀H2SO4作电解质，C项错误。 3.(7分)合成氨也可以通过电化学过程实现，其装置如图所示。 (1)导线中电子流动方向为　　　　。  (2)生成NH3的电极反应式为　　　　。  (3)若惰性电极2的电流效率η为75%，则惰性电极2处N2与NH3的物质的量之比为　　　　(η=×100%)。  答案　(1)惰性电极2到电源正极、电源负极到惰性电极1　(2)3H2-6e-+2N3-===2NH3　(3)1∶6 4.(6分)(2024·扬州中学高三模拟)电化学可以将CO2有限转化为有机物。 (1)多晶Cu是目前唯一被实验证实能高效催化CO2还原为烃类(如C2H4)的金属。如图所示，电解装置中分别以多晶Cu和Pt为电极材料，用阴离子交换膜分隔开阴、阳极室，反应前后KHCO3浓度基本保持不变，温度控制在10 ℃左右。阴极生成C2H4的电极反应式为　　　　　　　。  (2)装置工作时，阴极主要生成C2H4，还可能生成副产物降低电解效率。标准状况下，当阳极生成O2的体积为224 mL时，测得阴极区生成C2H4 56 mL，则电解效率=　　　　　　　(忽略电解前后溶液体积的变化)。  已知：电解效率=×100%。 答案　(1)14CO2+12e-+8H2O===C2H4+12HC　(2)75% 解析　(2)标准状况下，224 mL氧气的物质的量为0.01 mol，阳极生成0.01 mol氧气对应转移电子的物质的量为0.04 mol，56 mL C2H4的物质的量为0.002 5 mol，根据电极反应14CO2+12e-+8H2O===C2H4+12HC，则生成0.002 5 mol乙烯时转移电子的物质的量为0.03 mol，则电解效率=×100%=75%。 5.(6分)(2024·连云港高级中学高三模拟)尿素[CO(NH2)2]的生产具有重要意义。 (1)电催化CO2和合成尿素的装置如图所示，生成尿素的电极反应式为　　　　　　　　　　。  (2)电催化CO2和N2合成尿素。CO2先在阴极被还原为中间体CO，再与N2合成尿素。 已知：CO2在阴极还能被还原为CH4，其生成CH4的趋势比生成CO的趋势更大。但实验数据说明，一定时间内，阴极产物中CO的物质的量大于CH4，可能的原因为　　　　　　　。  答案　(1)CO2+2N+18H++16e-===CO(NH2)2+7H2O　(2)该条件下，CO2在阴极生成CO的速率比生成CH4的速率快 6.(4分)(2024·苏锡常镇四市高三模拟)甲醛释氢对氢能源和含甲醛污水处理有重要意义。HCHO电催化释氢的原理如图。 (1)电解时，电极b上同时产生H2与HCOO-的物质的量之比为1∶2，则电极b上的电极反应式为　　　　　　　　　。  (2)电解过程中每产生1 mol H2，通过阴离子交换膜的OH-为　　　　mol。  答案　(1)2HCHO+4OH--2e-===2HCOO-+H2↑+2H2O　(2)1 解析　(1)电解时，电极b与电源正极相连，是电解池的阳极，同时产生H2与HCOO-的物质的量之比为1∶2，则电极b上的电极反应式为2HCHO+4OH--2e-===2HCOO-+H2↑+2H2O。(2)电极a是阴极，电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-，电解过程中每产生1 mol H2，每个电极上各产生0.5 mol H2，故通过阴离子交换膜的OH-为1 mol。 7.(9分)(2024·东台市安丰中学等六校高三模拟)电催化还原CO2是当今资源化利用二氧化碳的重点课题。一种有机多孔电极材料(铜粉沉积在一种有机物的骨架上)电催化还原CO2的装置示意图如图1所示。控制其他条件相同，将一定量的CO2通入该电催化装置中，阴极所得产物及其物质的量与电压的关系如图2所示。 (1)阴极生成CH3OH的电极反应式为　　　　　　　　　　。  (2)控制电压为0.8 V，电解时转移电子的物质的量为　　　　　　 mol。  (3)科研小组利用13CO2代替原有的CO2进行研究，其目的是　　　　　　　。  答案　(1)CO2+6e-+6H+===CH3OH+H2O　(2)2.8　(3)为确定阴极上生成的含碳化合物来自于CO2而非有机多孔电极材料 解析　(1)b电极为阴极，二氧化碳得到电子在酸性环境下发生还原反应生成CH3OH，电极反应为CO2+6e-+6H+===CH3OH+H2O。(2)由图可知，控制电压为0.8 V，电解时生成0.2 mol乙醇和0.2 mol氢气，电极反应为2CO2+12e-+12H+===CH2CH3OH+3H2O、2H++2e-===H2↑，转移电子的物质的量为0.2 mol×12+0.2 mol×2=2.8 mol。 8.(9分)(2024·常州市第一中学高三模拟)利用电解法在碱性或酸性条件下将CO2还原为CH4和C2H4的原理如图所示： 已知：选择性(S)和法拉第效率(FE)的定义(X代表CH4或C2H4)如下： S(X)=×100% FE(X)=×100% (1)实验测得，碱性条件生成CH4、C2H4总的选择性小于酸性条件，原因是　　　　　　　。  (2)写出碱性条件下CO2生成CH4的电极反应式：　　　　　　　　　　。  (3)碱性条件下反应一段时间，实验测得CH4、C2H4的选择性及CH4的法拉第效率如下表所示。则C2H4的法拉第效率FE(C2H4)为　　　　。  CH4 C2H4 S(X) 2% 8% FE(X) 12.5% 答案　(1)碱性条件下，有部分CO2转化为C，用于生成CH4、C2H4的CO2的量减少，使总的选择性减小　(2)CO2+8e-+6H2O===CH4+8OH-　(3)37.5% 解析　(3)假设有100 mol CO2参与反应，根据表中数据可知，生成甲烷所消耗的二氧化碳的物质的量为2 mol，结合碳元素的化合价变化，该过程共转移了16 mol电子，故通过电极的电子总物质的量为=128 mol，又由于乙烯的选择性为8%，故生成乙烯所消耗的二氧化碳的物质的量为8 mol，结合此过程中碳元素的化合价变化，该过程转移的电子的物质的量为48 mol，则C2H4的法拉第效率FE(C2H4)=×100%=37.5%。 学科网（北京）股份有限公司 $$