第1章 第3节 第3课时 电解原理的创新应用（Word教参）-【步步高】2024-2025学年高二化学选择性必修1学习笔记（鲁科版 京粤闽皖豫宁陕）

本讲义聚焦电解原理的创新应用核心知识点，系统梳理从电解基本原理（电极反应、离子移动规律）到工农业生产应用的脉络，通过物质转化与制备（如Cu₂O、KMnO₄制备）、水处理（电渗析法淡化海水、废水除磷）、废物回收（HCl制Cl₂、H₂S处理）等实例构建学习支架。 该资料特色在于结合真实应用情境设计例题，强调电极反应式配平的科学思维方法，融入资源回收、环境保护等真实问题培养科学态度与责任。课中助力教师讲解电解应用原理，课后通过多样化习题帮助学生巩固电极反应书写及电解计算，提升解决实际问题能力。

第3课时　电解原理的创新应用 [核心素养发展目标]　1.了解电解原理在工农业生产中的广泛应用。2.进一步掌握电解问题分析的一般方法，巩固陌生电解装置中电极反应式的书写方法。 类型一　电解在物质的转化与制备方面的应用 1．Cu2O是一种半导体材料，同时纳米级Cu2O又具有优良的催化性能。利用电解装置可以制取Cu2O。 (1)铜是________极，其电极反应式为______________________________________。 (2)电池的总反应为______________________________________________________。 (3)石墨电极附近的碱性________(填“增强”“减弱”或“不变”)。 (4)当电路中有0.1 mol电子通过时，生成Cu2O________ g。 答案　(1)阳　2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O　(2)2Cu＋H2OCu2O＋H2↑　(3)增强 (4)7.2 解析　利用电解装置可以制取Cu2O，则Cu作阳极，石墨作阴极。阳极：2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O，阴极：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。 2．将K2MnO4溶液采用惰性电极隔膜法电解，可制得KMnO4，装置如图： 写出电解的电极反应式和总反应方程式。 答案　阳极：2MnO－2e－===2MnO 阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ 总反应：2MnO＋2H2O2MnO＋H2↑＋2OH－ 3．许多有机化学反应包含电子的转移，使这些反应在电解池中进行时称为电有机合成。一种由丙烯腈电有机合成己二腈的反应为4CH2==CHCN＋2H2O2NC(CH2)4CN＋O2↑，写出电解时的电极反应式。 答案　阳极：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ 阴极：4CH2==CHCN＋4H＋＋4e－===2NC(CH2)4CN 配平电极反应式的思路方法 步骤1：运用得失电子守恒，配平变价物质的计量数和得失电子数。 步骤2：运用电荷守恒，配平H＋或OH—等离子的计量数。 一般，强酸性环境用H＋调电荷；强碱性环境用OH－调电荷。其他情况：生成物中加H＋或OH－。 步骤3：运用质量守恒配平其他物质的计量数，如H2O等。 类型二　电解原理在水处理方面的应用 4．电渗析法是一种利用离子交换膜进行海水淡化的方法，其原理如图所示，电极为惰性电极。已知海水中含Na＋、Cl－、Ca2＋、Mg2＋、SO等离子。下列叙述正确的是(　　) A．A膜是阳离子交换膜 B．通电后，海水中阴离子向b电极处移动 C．通电后，b电极上产生无色气体，溶液中出现白色沉淀 D．通电后，a电极的电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ 答案　C 解析　A错，a电极为电解池的阳极，且在电解池中阴离子向阳极移动，所以A膜是阴离子交换膜；B错，通电后，海水中阴离子向阳极(a电极)处移动；C对，阳离子放电能力：H＋>Mg2＋>Na＋>Ca2＋，所以通电后，H＋在阴极(b电极)上放电：2H＋＋2e－===H2↑，产生无色气体，由于破坏了附近水的电离平衡，在该区域c(OH－)增大，会发生反应：Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓，所以溶液中会出现白色沉淀；D错，阴离子放电能力：Cl－>OH－，所以通电后，在阳极发生反应：2Cl－－2e－===Cl2↑。 5.用铁和石墨作电极电解酸性废水，可将废水中的PO以FePO4(不溶于水)的形式除去，其装置如图所示。下列说法正确的是(　　) A．若X、Y电极材料连接反了，仍可将废水中的PO除去 B．X极为石墨，该电极上发生氧化反应 C．电解过程中Y极周围溶液的pH减小 D．电解时废水中会发生反应：4Fe2＋＋O2＋4H＋＋4PO===4FePO4↓＋2H2O 答案　D 解析　根据题意分析可知，X电极材料为铁，Y电极材料为石墨。若X、Y电极材料连接反了，铁就不能失电子变为离子，也就不能生成FePO4，A错误；Y极为石墨，该电极上发生还原反应，B错误；电解过程中Y极发生反应：2H＋＋2e－===H2↑，氢离子浓度减小，溶液的pH增大，C错误；铁在阳极失电子变为Fe2＋，通入的氧气把Fe2＋氧化为Fe3＋，Fe3＋与PO反应生成FePO4，D正确。 类型三　电解原理在废物回收利用方面的应用 6．利用电解技术，以氯化氢为原料回收氯气的过程如图所示，下列说法不正确的是(　　) A．H＋由阳极区向阴极区迁移 B．阳极反应式：2HCl＋2e－===Cl2＋2H＋ C．阴极反应式：Fe3＋＋e－===Fe2＋ D．阴极区发生的反应：4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O 答案　B 解析　B项，阳极失电子发生氧化反应，电极反应式：2HCl－2e－===2H＋＋Cl2，错误；C项，阴极发生还原反应，电极反应式：Fe3＋＋e－===Fe2＋，正确；D项，根据图中的循环，可以推出阴极区会发生反应：4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O，正确。 7．我国科研团队开发了一种新型铠甲催化剂Ni/Co@石墨烯，可以高效去除合成气中的H2S杂质并耦合产氢，其工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　) A．M电极为阴极 B．电极上生成H2和Sx的物质的量之比为1∶x C．阳极的电极反应式为xH2S－2xe－===Sx＋2xH＋ D．铠甲催化剂表面的石墨烯可以保护内部金属免受环境的影响 答案　B 解析　由题图可知，铠甲催化剂电极上H2S转化为Sx，S元素化合价升高，发生氧化反应，则铠甲催化剂电极为阳极，电极反应式为xH2S－2xe－===Sx＋2xH＋，M电极为阴极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，A、C项正确；根据得失电子守恒可得关系式：xH2～Sx～2xe－，则生成H2和Sx的物质的量之比为x∶1，B项错误；由于铠甲催化剂电极为阳极，若没有表面的石墨烯，内部金属容易放电，故铠甲催化剂表面的石墨烯可以保护内部金属免受环境的影响，D项正确。 8．电解法转化CO2可实现CO2的资源化利用，电解CO2制甲酸盐的装置如图所示。下列说法正确的是(　　) A．b是电源正极 B．K＋由乙池向甲池迁移 C．甲池中KHCO3溶液浓度增大，乙池中KHCO3溶液浓度降低 D．乙池电极反应式为CO2＋HCO＋2e－===HCOO－＋CO 答案　D 解析　通入CO2的乙池电极为阴极，所以b是电源负极，A错误；电解池中，阳离子向阴极(乙池)移动，B错误；甲池Pt电极作阳极，OH－失电子生成O2，促进水的电离，电极附近H＋浓度增大，HCO浓度减小，乙池Sn电极为阴极，发生的电极反应为CO2＋HCO＋2e－===HCOO－＋CO，HCO浓度减小，C错误、D正确。 (选择题1～8题，每小题7分，9～12题，每小题8分，共88分) 1．一种电解法制备高纯铬和硫酸的简单装置如图所示。下列说法正确的是(　　) A．a为直流电源的正极 B．阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑ C．工作时，乙池中溶液的c(H＋)不变 D．若有1 mol离子通过A膜，理论上阳极生成0.25 mol气体 答案　D 解析　A项，电解法制备铬，则Cr电极应该是阴极，即a为直流电源的负极，错误；B项，阴极反应式为Cr3＋＋3e－===Cr，错误；C项，工作时，甲池中硫酸根离子移向乙池，丙池中氢离子移向乙池，乙池中硫酸浓度增大，错误；D项，若有1 mol离子通过A膜，即丙池产生1 mol氢离子，则理论上阳极生成0.25 mol氧气，正确。 2．在熔融盐体系中，通过电解TiO2和SiO2获得电池材料(TiSi)，电解装置如图所示，下列说法错误的是(　　) A．反应后，石墨电极的质量发生变化 B．a极是电源的负极 C．该体系中，Cl－优先于石墨参与反应 D．电极A的电极反应：TiO2＋SiO2＋8e－===TiSi＋4O2－ 答案　C 解析　由图可知，在外加电源下石墨电极上的C转化为CO，失电子发生氧化反应，为阳极，与电源正极相连，则电极A作阴极，TiO2和SiO2获得电子产生电池材料(TiSi)，电极反应为TiO2＋SiO2＋8e－===TiSi＋4O2－。 3．我国学者以熔融的NaOH-KOH作电解质，在Fe2O3/AC催化条件下，以N2和H2O为原料气，在250 ℃、常压条件下成功实现电催化合成氨，其装置如图所示。下列有关说法不正确的是(　　) A．电极a应连接电源负极 B．电极b上的反应为N2＋6H2O(g)＋6e－===2NH3＋6OH－ C．反应过程中，OH－由 b 极区向a极区迁移 D．该电催化合成氨反应的化学方程式为2N2＋6H2O(g)4NH3＋3O2 答案　A 解析　该装置为电解池，介质为碱性物质，反应为N2和H2O合成氨，由N元素化合价从0价降低至－3价知，N2在阴极得电子，则b连接电源负极，a连接电源正极，A错误；电极b为阴极，电极反应式为N2＋6H2O(g)＋6e－===2NH3＋6OH－，B正确；电解池中阴离子移向阳极，a为阳极，则OH－由b极区向a极区迁移，C正确；总反应为2N2＋6H2O(g)4NH3＋3O2，D正确。 4.21世纪是钛的世纪，在800～1 000 ℃时电解TiO2可制得钛，装置如图所示，下列叙述正确的是(　　) A．a为电源的正极 B．石墨电极上发生还原反应 C．阴极发生的反应为TiO2＋4e－===Ti＋2O2－ D．每生成0.1 mol Ti，转移0.2 mol电子 答案　C 解析　由O2－的移动方向可知，b为电源正极，A错误；石墨电极作阳极，发生氧化反应，B错误；每生成0.1 mol Ti，转移0.4 mol电子，D错误。 5．一种微生物电化学方法生产甲烷的装置如图所示。下列说法正确的是(　　) A．a为电源的负极 B．反应过程中阴极附近的氢离子浓度不变 C．阳极的电极反应式为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2＋7H＋ D．每生成1.12 L甲烷，电路中转移电子0.4 mol 答案　C 解析　由图示知，左池中CH3COO－在电极上失电子被氧化为CO2，故左池为阳极室，右池为阴极室，a为电源正极，b为电源负极；阳极电极反应式为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2＋7H＋；阴极电极反应式为CO2＋8H＋＋8e－===CH4＋2H2O，消耗H＋，阴极附近氢离子浓度减小。 6.NaClO2(亚氯酸钠)是常用的消毒剂和漂白剂，工业上可采用电解法制备，工作原理如图所示。下列叙述正确的是(　　) A．若直流电源为铅蓄电池，则b极为Pb B．阳极反应式为ClO2＋e－===ClO C．交换膜左侧NaOH的物质的量不变，气体X为Cl2 D．制备18.1 g NaClO2时理论上有0.2 mol Na＋由交换膜左侧向右侧迁移 答案　C 解析　二氧化氯转化为NaClO2(亚氯酸钠)的过程发生了还原反应，应该发生在阴极，所以a是负极，b是正极，若直流电源为铅蓄电池，则b极应该是PbO2，故A错误；阳离子交换膜只允许阳离子通过，所以交换膜左侧NaOH的物质的量不变，在阳极上氯离子失电子，发生氧化反应，产生氯气，气体X为Cl2，故B错误、C正确；Na＋由交换膜右侧向左侧迁移，故D错误。 7．科学家设计利用电化学原理回收CO2达到节能减排的目的，实验装置如图所示。已知在碱性条件下，卤素单质可以将乙醇氧化为乙醛，一段时间后测得a电极有HCOO－生成，下列说法不正确的是(　　) A．b为负极 B．当电路中转移1 mol e－时，d电极产生1 mol CH3CHO C．e为阳离子交换膜、f为阴离子交换膜 D．a电极的电极反应式为CO2＋2e－＋H2O===HCOO－＋OH－ 答案　B 8．工业上用电解法处理含镍酸性废水并得到单质Ni的原理如图所示。下列说法错误的是(　　) 已知：①Ni2＋在弱酸性溶液中发生水解 ②氧化性： Ni2＋(高浓度) ＞H＋＞ Ni2＋(低浓度) A．碳棒上发生的电极反应：4OH－ －4e－===O2↑＋2H2O B．电解过程中，B室中NaCl溶液的浓度将不断减小 C．为了提高Ni的产率，电解过程中需要控制废水pH D．若将阳离子膜去掉，电解时的阳极产物发生改变 答案　B 解析　根据题图可知碳棒为阳极，阳极电极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，阴极电极反应式为Ni2＋＋2e－===Ni、2H＋＋2e－===H2↑，A正确；由于C室中Ni2＋、H＋不断减少，Cl－通过阴离子膜从C室移向B室，A室中OH－不断减少，Na＋通过阳离子膜从A室移向B室，所以B室中NaCl溶液的物质的量浓度不断增大，B错误；由于H＋氧化性大于Ni2＋(低浓度)，所以为了提高Ni的产率，电解过程中需要控制废水的pH，C正确；若去掉阳离子膜，在阳极Cl－首先放电生成Cl2，阳极产物发生改变，D正确。 9．厨房垃圾发酵液可通过电渗析法处理，同时得到乳酸的原理如图所示(图中HA表示乳酸分子，A－表示乳酸根离子)。下列有关说法正确的是(　　) A．交换膜Ⅰ为阴离子交换膜，A－从浓缩室通过交换膜Ⅰ向阳极移动 B．交换膜Ⅱ为阳离子交换膜，H＋从浓缩室通过交换膜Ⅱ向阴极移动 C．阳极的电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋ O2↑ D．400 mL 0.1 mol·L－1乳酸溶液通电一段时间后，浓度上升到0.6 mol·L－1，则阴极上产生的H2在标准状况下的体积为4.48 L 答案　C 解析　左边电极上电极反应式为2H2O － 4e－===4H＋＋ O2↑，生成的H＋通过交换膜Ⅰ进入浓缩室，所以交换膜Ⅰ为阳离子交换膜，右边电极反应式为2H2O ＋ 2e－===2OH－＋ H2↑，溶液中A－从右侧通过交换膜Ⅱ进入浓缩室，所以交换膜Ⅱ为阴离子交换膜，A、B错误，C正确；400 mL 0.1 mol·L－1乳酸溶液通电一段时间后，浓度上升到0.6 mol·L－1，则生成乳酸的物质的量为0.4 L×(0.6－0.1)mol·L－1＝0.2 mol，转移n(H＋)等于生成n(HA)为0.2 mol，同时转移电子的物质的量为0.2 mol，根据2H2O ＋ 2e－===2OH－＋ H2↑知，生成氢气的物质的量为0.1 mol，在标准状况下的体积是2.24 L，D错误。 10．(2023·广东韶关高二期中)KIO3是一种重要的无机化合物，可作为食盐中的补碘剂，KIO3可采“电解法”制备，装置如图所示。下列说法正确的是(　　) A．溶液中K＋的迁移方向是从乙室到甲室 B．装置中每转移2 mol e－，产生气体体积为22.4 L C．电解过程中，阴极区溶液的pH增大 D．电解时阳极的电极反应式为I2－10e－＋6H2O===2IO＋12H＋ 答案　C 解析　根据题意和图示装置分析，阳极反应为I2－10e－＋12OH－===2IO＋6H2O，阴极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－；惰性电极a为阳极，惰性电极b为阴极。电解时甲室K＋通过阳离子交换膜向乙室移动，A错误；没有指明气体所处的状况，无法确定气体体积，B错误；电解时阴极生成OH－，故阴极区溶液pH增大，C正确。 11.某工厂采用电解法处理含铬废水，耐酸电解槽用铁板作阴、阳极，原理示意图如图。经过一段时间后，有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀随废水排出，从而使废水中铬含量低于排放标准。下列说法不正确的是(　　) A．阴极区发生的电极反应包括：2H＋＋2e－===H2↑ B．还原Cr2O的主要反应是Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O C．废水的pH过高或过低均会降低铬的去除率 D．电解槽工作时，Cr2O通过阴离子交换膜从阳极室进入阴极室 答案　D 解析　耐酸电解槽用铁板作阴、阳极，在阴极区H＋得电子，发生的电极反应包括：2H＋＋2e－===H2↑，A正确；在阳极区Fe失电子生成的Fe2＋还原Cr2O，主要反应是Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O，B正确；若废水的pH过高，会直接与Fe2＋反应生成Fe(OH)2沉淀，影响Cr2O的还原，若pH过低，会将Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀溶解，都会降低铬的去除率，C正确；电解槽工作时，因为Cr2O要进入阳极区被Fe2＋还原，所以Cr2O通过阴离子交换膜从阴极室进入阳极室，D错误。 12．某污水处理厂利用电解法处理含酚(C6H5OH)废水并制氢，工作原理如图所示。已知苯酚的水溶液呈弱酸性。下列说法正确的是(　　) A．X为电源的正极，a极发生还原反应 B．a极电极反应式为C6H5OH＋11H2O－28e－===6CO2↑＋28H＋ C．产生标准状况下4.48 L CO2，则有1.4 mol H＋通过质子交换膜 D．电解后将两极区溶液混合，与原废水相比较，溶液的酸碱性不变 答案　B 解析　由工作原理图可知，X为电源的正极，b极连电源负极作阴极，发生还原反应，A错误；a极发生氧化反应，电极反应式为C6H5OH＋11H2O－28e－===6CO2↑＋28H＋，B正确；产生标准状况下4.48 L CO2，即0.2 mol二氧化碳，根据a极反应可知约有0.93 mol H＋通过质子交换膜，C错误；电解后将两极区溶液混合，与原废水相比较，原废液为苯酚，显弱酸性，电解总反应为C6H5OH＋11H2O6CO2↑＋14H2↑，电解后溶液的pH发生改变，D错误。 13．氮氧化物(NOx)造成酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏等危害，不仅破坏自然生态环境，而且严重危害人类健康。采用合适的还原剂能够实现烟气的高效脱硝。 (1)用食盐水作电解液电解烟气脱氮的原理如图所示，NO被阳极产生的氧化性物质氧化为NO，尾气经氢氧化钠溶液吸收后排入空气。电流密度和溶液pH对烟气脱氮的影响如图所示。 ①NO被阳极产生的氧化性物质氧化为NO，反应的离子方程式为________________。 ②溶液的pH对NO去除率影响的原因是_______________________________________。 (2)采用电解法处理含氮氧化物废气，可回收硝酸，具有较高的环境效益和经济效益。实验室模拟电解法吸收NOx的装置如图所示(图中电极均为石墨电极)。 ①直流电源的负极为______(填“A”或“B”)；该电解装置应选择______(填“阳”或“阴”)离子交换膜。 ②若以处理NO2为模拟实验，阳极发生的电极反应为____________________________。 (3)含铈溶液可以处理大气中的氮氧化物，并可通过电解法再生。铈元素(Ce)常见的化合价有＋3价、＋4价。NO可以被含Ce4＋的溶液吸收，生成NO、NO。可采用电解法将上述吸收液中的NO转化为无毒物质，同时再生Ce4＋，其原理如图所示。阴极的电极反应式为________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　(1)①3Cl2＋8OH－＋2NO===2NO＋6Cl－＋4H2O　②次氯酸钠在酸性条件下氧化能力增强　(2)①A　阳　②NO2－e－＋H2O===NO＋2H＋　(3)2NO＋8H＋＋6e－===N2↑＋4H2O 学科网（北京）股份有限公司 $