大单元四 第十章 第40讲 电解原理应用新拓展（教师用书word）-【步步高】2025年高考化学大一轮复习讲义（人教版 浙江专用）

第40讲　电解原理应用新拓展 [复习目标]　1.深化对电解原理及规律的理解，提升应用电解原理综合分析解决实际问题的能力。2.熟知电解原理创新试题的呈现方式及问题设置，总结解答此类问题的一般方法及规律。 1．电解原理常见的考查点 电解原理及应用是高考高频考点，该类试题往往与生产、生活及新科技等相联系，以装置图或流程图为载体呈现，题材广、信息新，题目具有一定难度。主要考查阴、阳极的判断、电极反应式及电解反应方程式的书写、溶液离子浓度变化及有关计算等。 2．“5点”突破电解综合应用题 (1)分清阴、阳极，与电源正极相连的为阳极，与电源负极相连的为阴极，两极反应为“阳氧阴还”。 (2)剖析离子移向，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极。(注意离子交换膜会限制某些离子的移动方向) (3)注意放电顺序，正确判断放电的微粒或物质。 (4)注意介质，正确判断反应产物，酸性介质不出现OH－，碱性介质不出现H＋；不能想当然地认为金属作阳极，电极产物为金属阳离子。 (5)注意得失电子守恒和电荷守恒，正确书写电极反应式。 类型一　电解与物质制备 1．(2023·浙江1月选考，11)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，下列说法正确的是(　　) A．石墨电极为阴极，发生氧化反应 B．电极A的电极反应：8H＋＋TiO2＋SiO2＋8e－===TiSi＋4H2O C．该体系中，石墨优先于Cl－参与反应 D．电解时，阳离子向石墨电极移动 答案　C 解析　由图可知，石墨优先于Cl－参与反应，在外加电源下石墨电极上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得到电子产生电池材料(TiSi)，电极反应为TiO2＋SiO2＋8e－===TiSi＋4O2－。 2．(2022·重庆，12)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WO、WO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 答案　C 解析　惰性电极2，Br－被氧化为Br2，为阳极，故A正确；WO、WO循环反应，反应前后WO、WO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氧气，可得到2 mol硝酮，故C错误；外电路通过1 mol电子时生成0.5 mol H2O2，H2O2最终生成水，根据氧原子守恒，可得到1 mol水，故D正确。 3．(2022·湖北，14)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 答案　D 解析　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；阴极上发生还原反应，应该得电子，电极反应式为2HCN＋2e－===H2↑＋2CN－，B错误；石墨电极为阳极，铂电极为阴极，CN－应该向阳极移动，即移向石墨电极，C错误；由所给图示可知HCN在阴极放电，产生CN－和H2，而HCN中的H来自于LiOH，则电解产生的H2中的氢元素来自于LiOH，D正确。 类型二　电解与分离、提纯 4．我国科学家以石墨烯壳层封装钴镍纳米粒子的“铠甲”催化剂作电极，实现了合成气中H2S杂质的高效去除，其工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　) A．x为电源负极，阴极区溶液的pH增大 B．为同时实现氢气和硫粉的分离与回收，隔膜为阳离子交换膜 C．阳极的电极反应式为H2S－2e－===S↓＋2H＋ D．通电一段时间后，阴极区的溶液可以补充到阳极区，实现电解液的再生 答案　C 解析　据图可知与电源y连接的电极上H2S发生氧化反应转化为S，所以y为电源正极，x为电源负极，阴极发生还原反应，电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，所以阴极区溶液的pH增大，A正确；阳极发生氧化反应，电极反应式为H2S＋2CO－2e－===S↓＋2HCO，C错误；通电一段时间后，阴极区得到氢氧化钠溶液，阳极区得到NaHCO3，NaHCO3溶液与NaOH溶液反应生成Na2CO3，所以将阴极区溶液补充到阳极区可实现电解液的再生，D正确。 5．电解法常用于分离提纯物质，某混合物浆液含Al(OH)3、MnO2和少量Na2CrO4。考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出，某研究小组利用设计的电解分离装置(如图)，使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液进行回收利用(已知：2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O)，下列说法不正确的是(　　) A．阴极室生成的物质为NaOH和H2 B．阳极发生的电极反应是2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ C．a离子交换膜为阳离子交换膜 D．当外电路中转移2 mol电子时，阳极室可生成1 mol Cr2O 答案　D 解析　电解时，阳极上水中的氢氧根离子放电：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，故CrO通过阴(b)离子交换膜向阳极移动，因2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O为可逆反应，故外电路中转移2 mol电子时，阳极室生成的Cr2O小于1 mol；阴极上水中的氢离子放电：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，混合物浆液中的Na＋通过阳(a)离子交换膜进入阴极，故阴极反应生成H2和NaOH。 类型三　电解与“三废”治理 6．(2022·浙江6月选考，21)通过电解废旧锂电池中的LiMn2O4可获得难溶性的Li2CO3和MnO2，电解示意图如下(其中滤布的作用是阻挡固体颗粒，但离子可自由通过。电解过程中溶液的体积变化忽略不计)。下列说法不正确的是(　　) A．电极A为阴极，发生还原反应 B．电极B的电极反应：2H2O＋Mn2＋－2e－===MnO2＋4H＋ C．电解一段时间后溶液中Mn2＋浓度保持不变 D．电解结束，可通过调节pH除去Mn2＋，再加入Na2CO3溶液以获得Li2CO3 答案　C 解析　由电解示意图可知，电极B上Mn2＋转化为MnO2，锰元素化合价升高，失电子，则电极B为阳极，电极A为阴极，得电子，发生还原反应，A正确；电极B上Mn2＋失电子转化为MnO2，电极反应式为2H2O＋Mn2＋－2e－===MnO2＋4H＋，B正确；电极A为阴极，LiMn2O4得电子，电极反应式为LiMn2O4＋3e－＋8H＋===Li＋＋2Mn2＋＋4H2O，依据得失电子守恒，电解池总反应为2LiMn2O4＋4H＋===2Li＋＋Mn2＋＋3MnO2＋2H2O，反应生成了Mn2＋，Mn2＋浓度增大，C错误；电解池总反应为2LiMn2O4＋4H＋===2Li＋＋Mn2＋＋3MnO2＋2H2O，电解结束后，可通过调节溶液pH将锰离子转化为沉淀除去，然后再加入碳酸钠溶液，从而获得碳酸锂，D正确。 课时精练 1．利用废料Ce2O3制备Ce(SO4)2的工作原理如图，下列说法不正确的是(　　) A．电极b为阴极，发生还原反应 B．电解总反应方程式：Ce2O3＋8H＋2Ce4＋＋3H2O＋H2↑ C．离子交换膜为阴离子交换膜 D．X可以是H2SO4溶液 答案　C 解析　由图可知，与直流电源正极相连的电极a为阳极，酸性条件下三氧化二铈在阳极失去电子发生氧化反应生成铈离子和水，电极b为阴极，氢离子在阴极得到电子发生还原反应生成氢气，则X为硫酸溶液，铈离子通过阳离子交换膜由阳极室移向阴极室，电解的总反应方程式为Ce2O3＋8H＋2Ce4＋＋3H2O＋H2↑。 2.(2021·海南，9)液氨中存在平衡：2NH3NH＋NH。如图所示为电解池装置，以KNH2的液氨溶液为电解液，电解过程中a、b两个惰性电极上都有气泡产生。下列有关说法正确的是(　　) A．b电极连接的是电源的负极 B．a电极的电极反应式为2NH3＋2e－===H2↑＋2NH C．电解过程中，阴极附近K＋浓度减小 D．理论上两极产生的气体物质的量之比为1∶1 答案　B 解析　根据图示可知，在b电极上产生N2，N元素失去电子化合价升高，所以b电极为阳极，连接电源的正极，A错误；a电极上产生H2，a电极为阴极，电极反应式为2NH3＋2e－===H2↑＋2NH，B正确；电解过程中，K＋会向阴极区定向移动，最终导致阴极附近K＋浓度增大，C错误；每产生1 mol H2，转移2 mol电子，每产生1 mol N2，转移6 mol电子，故阴极产生的H2与阳极产生的N2的物质的量之比是3∶1，D错误。 3.(2023·台州模拟)1825年丹麦化学家奥斯特用电解法以钾汞齐还原无水氯化铝得到铝，从而发现了铝。模拟装置如图所示(电极为惰性材料)。已知：电子由a极流向X极。下列说法错误的是(　　) A．b极为正极 B．Cl－向Y极迁移 C．Y极的电极反应式为K(Hg)n－e－===K＋＋nHg D．转移1 mol电子，理论上析出18 g铝 答案　D 解析　在电解装置中，电子由电源的负极流入阴极，所以a极为负极，X极为阴极，Y极为阳极，b极为正极，A正确；在电解池中，阴离子向阳极(Y极)迁移，B正确；Y极上钾汞齐发生氧化反应，C正确；析出1 mol铝时转移3 mol电子，即转移1 mol电子理论上析出9 g Al，D错误。 4.电解K2MnO4水溶液制备KMnO4的装置如图所示。电解后测得b极区溶液中溶质的总物质的量增大。下列说法错误的是(　　) A．K2MnO4水溶液盛放在a极区 B．离子交换膜为阳离子交换膜 C．当外电路转移2 mol电子时，两极室溶液质量变化相差76 g D．“电解法”所得副产品可用作“酸性歧化法”制备KMnO4的原料 答案　C 解析　电解K2MnO4水溶液制备KMnO4，阳极反应为MnO－e－===MnO，阴极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，K＋向阴极移动，使KOH物质的量增大，所以b极为阴极，a极为阳极；当外电路转移2 mol电子时，有2 mol K＋移向阴极，生成1 mol H2，阴极质量增大(39×2－2)g＝76 g，阳极质量减少2×39 g＝78 g，两极室溶液质量变化相差154 g，C错误。 5．(2023·广东佛山模拟)过硫酸铵[(NH4)2S2O8]可用作氧化剂、漂白剂。利用电解法在两极分别生产过硫酸铵和过氧化氢的装置如图所示。下列说法错误的是(　　) A．a为外接电源的负极 B．电解总反应：O2＋2H＋＋2SOH2O2＋S2O C．阴离子交换膜可用阳离子交换膜替代 D．电解池工作时，Ⅰ室溶液质量理论上逐渐减小 答案　C 解析　由(NH4)2SO4→(NH4)2S2O8，氧元素化合价升高被氧化，故右侧Pt电极为阳极，b为外接电源正极，a为外接电源负极，左侧Pt电极为阴极。阴极氧气被还原，阳极硫酸根离子被氧化，电解总反应正确，B正确；根据阳极产物可知，反应需要消耗硫酸根离子，阴离子交换膜不可用阳离子交换膜替代，C错误；电解池工作时，Ⅰ室发生反应：O2＋2e－＋2H＋===H2O2，同时SO移向阳极，故Ⅰ室溶液质量理论上逐渐减小，D正确。 6．(2023·杭州重点中学高三联考)科学家利用多晶铜高效催化电解CO2制乙烯，原理如图所示。已知：电解前后电解液浓度几乎不变。下列说法正确的是(　　) A．铂电极为阳极，产生的气体是O2和CO2 B．多晶铜电极的电极反应式为2CO2＋12HCO＋12e－===C2H4＋12CO＋4H2O C．通电过程中，溶液中HCO通过阴离子交换膜向右槽移动 D．当电路中通过0.6 mol电子时，理论上能产生C2H4 1.12 L 答案　A 解析　该电解池的总反应方程式为2CO2＋2H2O===C2H4＋3O2，多晶铜电极为阴极，该电极的电极反应式为14CO2＋8H2O＋12e－===C2H4＋12HCO，铂电极为阳极，该电极的反应式为12HCO－12e－===12CO2＋3O2＋6H2O。HCO在铂电极发生反应，并且电解前后电解液浓度几乎不变，所以溶液中HCO通过阴离子交换膜向左槽移动，故C错误；由多晶铜电极电极反应式分析可知，当电路中通过0.6 mol电子时，理论上能产生0.05 mol C2H4，该题目没有说明条件为标准状况，故D错误。 7．(2023·浙江省金、丽、衢十二校高三模拟)微生物电解池(MEC)是近年来快速发展的一种生物制氢技术。其中一种实验装置如图所示。若以葡萄糖为底物，下列说法不正确的是(　　) A．A膜是阴离子交换膜 B．电极Y为阴极，发生还原反应 C．阳极的电极反应：C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋ D．电极X和电极Y附近溶液的pH不同 答案　A 解析　A膜允许氢离子通过，是阳离子交换膜，故A错误；电极Y上是氢离子得电子生成氢气，是阴极，发生还原反应，故B正确；阳极底物失去电子生成二氧化碳和氢离子，电极反应：C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，故C正确。 8．氯气是一种重要的工业原料，在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上，科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新工艺方案，如图所示。下列说法正确的是(　　) A．电极A发生还原反应：O2＋4e－＋4H＋===2H2O B．电极B与外接电源的负极相连 C．电解时，电流经电极B、电解质溶液流向电极A D．当有2 mol电子转移时，两室溶液中H＋数目理论上相差4NA 答案　C 解析　由图分析，B极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，发生氧化反应，为电解池的阳极，与电源正极相连。A为电解池的阴极，发生还原反应，Fe3＋变为Fe2＋，Fe2＋再经O2氧化变回Fe3＋。A极电极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，A项错误；电极B为电解池的阳极，与电源正极相连，B项错误；电流从正极流出经电极B、再由电解质溶液流经电极A，再到负极，C项正确；A极区发生的反应为4Fe2＋＋O2＋4H＋===2H2O＋4Fe3＋，该反应中每转移2 mol电子需要消耗2 mol H＋。同时，电解池工作时，每转移2 mol电子，有2 mol H＋从B极经质子交换膜流向A极，即A极H＋没有发生变化。而B极由于H＋移走而减少了2 mol，所以两极H＋数目相差2NA，D项错误。 9．(2023·浙江省浙南名校联盟高三联考)利用电解池原理可将CO2转化为燃料或者化学品。如图通过将CO2与辛胺反应耦合，实现了两电极体系中产物的高选择性合成。下列说法正确的是(　　) A．装置中b电极为阴极，发生还原反应 B．电极a的电极反应可能为CO2＋H2O＋2e－ ===HCOO－＋OH C．中间的离子交换膜一定是质子交换膜 D．电解过程中，a、b两极反应物物质的量之比为2∶1 答案　B 解析　a极为阴极，CO2转化为燃料或者化学品，b极为阳极，辛胺转化为辛腈。装置中b电极为阳极，失去电子，发生氧化反应，故A错误；电极a为阴极，电极反应可能为CO2＋H2O＋2e－ ===HCOO－＋OH－，故B正确；若电解液为中性时，中间的离子交换膜是质子交换膜，若电解液为碱性时，中间的离子交换膜是阴离子交换膜，故C错误；电解过程中，a极CO2转化为燃料或者化学品，b极辛胺转化为辛腈，由于电极a的产物不确定，则两极反应物物质的量之比不确定，故D错误。 10．科学家采用电渗析法提纯乳清(富含NaCl的蛋白质)，有价值的蛋白质回收率达到98%，工作原理如图所示： 下列说法错误的是(　　) A．膜1为阳离子交换膜，膜2为阴离子交换膜 B．膜1、膜2孔径不大于半透膜孔径 C．a极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑ D．每转移2 mol电子，理论上乳清质量减少58.5 g 答案　D 解析　a极区的稀氢氧化钠溶液变为浓氢氧化钠溶液，说明a极区生成了氢氧化钠，即钠离子通过膜1向a极区迁移，膜1为阳离子交换膜；同理，氯离子通过膜2向b极区迁移，膜2为阴离子交换膜，A项正确；提纯蛋白质，不能让蛋白质(胶体粒子)通过膜1、膜2，所以膜1、膜2的孔径应不大于半透膜的孔径，B项正确；a极为阴极，发生还原反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，C项正确；每转移2 mol电子，结合电极反应和电荷守恒可知，理论上乳清减少的质量为2 mol NaCl的质量，即质量减少117 g，D项错误。 11．(2023·长春模拟)羟基自由基(·OH)具有极强的氧化能力，它能有效地氧化降解废水中的有机污染物。在直流电源作用下，利用双极膜电解池产生羟基自由基(·OH)处理含苯酚废水和含甲醛废水，原理如图所示。已知：双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－。下列说法错误的是(　　) A．M极为阴极，电极反应式：O2＋2e－＋2H＋===2·OH B．双极膜中H2O解离出的OH－透过膜a向N极移动 C．每处理6.0 g甲醛，理论上有0.4 mol H＋透过膜b D．通电一段时间后，理论上苯酚和甲醛转化生成CO2物质的量之比为6∶7 答案　C 解析　M电极通入O2，发生反应生成自由基·OH，反应式为O2＋2e－＋2H＋===2·OH，M作阴极，A正确；N为阳极，电解时阴离子向阳极移动，所以OH－透过膜a向N极移动，B正确；1 mol甲醛生成1 mol CO2转移4 mol电子，1 mol 苯酚生成6 mol CO2转移28 mol电子，理论上苯酚和甲醛转化生成CO2物质的量之比为6∶7，D正确。 12．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＋　 2NO＋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＋；NO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2NO＋8H＋＋6Fe2＋===N2↑＋6Fe3＋＋4H2O。 13．工业上用PbSiF6、H2SiF6混合溶液作电解液，用电解法实现粗铅(主要杂质为Cu、Ag、Fe、Zn，杂质总质量分数约为4%)提纯，装置示意图如图1所示。 (1)电解产生的阳极泥的主要成分为________，工作一段时间后，溶液中c(Pb2＋)__________(填“增大”“减小”或“不变”)。 (2)铅的电解精炼需要调控好电解液中的c(H2SiF6)。其他条件相同时，测得槽电压(槽电压越小，对应铅产率越高)随起始时溶液中c(H2SiF6)的变化趋势如图2所示。由图可推知，随c(H2SiF6)增大，铅产率先增大后减小，减小的原因可能是____________________________。 答案　(1)Cu、Ag　减小　(2)c(H2SiF6)增大，电解液中c(H＋)增大，阴极发生副反应：2H＋＋2e－===H2↑，影响Pb2＋放电，使铅产率减小 解析　(1)粗铅中的Cu、Ag活泼性比Pb差，故电解产生的阳极泥的主要成分为Cu和Ag；阳极上溶解的金属有Pb、Fe、Zn，阴极上析出的金属只有Pb，两极上得失电子守恒，故工作一段时间后，溶液中Pb2＋浓度有所下降。 14．电催化还原CO2是当今资源化利用二氧化碳的重点课题，常用的阴极材料有有机多孔电极材料、铜基复合电极材料等。 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)电解前需向电解质溶液中持续通入过量CO2的原因是_____________________________。 (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)使阴极表面尽可能被CO2附着，减少析氢反应的发生(减少氢离子在阴极上放电的几率)，提高含碳化合物的产率　(2)2.8　(3)为确定阴极上生成的含碳化合物源自CO2而非有机多孔电极材料 解析　(2)控制电压为0.8 V，产生0.2 mol氢气和0.2 mol乙醇，根据电极反应2H＋＋2e－===H2↑，2CO2＋12e－＋12H＋===C2H5OH＋3H2O，故电解时转移电子的物质的量为0.4 mol＋2.4 mol＝2.8 mol。 学科网（北京）股份有限公司 $