新高考版高考化学一轮复习教师用书：专题十五 电解池 金属的腐蚀与防护

A.通电后,阳极附近pH增大 B.电子从负极经电解质溶液回到正极

C.通电后,A-通过阴离子交换膜从阴极室进入浓缩室 D.当电路中通过2 mol电子时,会有1 mol O2生成

命题角度3 四室电解池在化工生产中的应用(新角度)

9 [2014新课标全国卷Ⅰ,27(3)(4),8分]次磷酸(H3PO2)是一种精细磷化工产品,具有较强还原性。回答下列问题:

(1)H3PO2的工业制法是:将白磷(P4)与Ba(OH)2溶液反应生成PH3气体和Ba(H2PO2)2,后者再与H2SO4反应。写出白磷与Ba(OH)2溶液反应的化学方程式: 。

(2)H3PO2也可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过):

①写出阳极的电极反应式: 。

②分析产品室可得到H3PO2的原因: 。

③早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2:将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替,并撤去阳极室与产品室之间的阳膜,从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有 杂质,该杂质产生的原因是 。

(1)根据题中信息和反应前后元素化合价变化可写出化学方程式,即2P4+3Ba(OH)2+6H2O2H2O-4e-2PH3↑+3Ba(H2PO2)2。(2)①阳极为水电离出的OH-放电,电极反应式为

O2↑+4H+。②阳极室中的H+穿过阳膜进入产品室,原料室中的H2PO-2穿过阴膜扩散至产品室,二

3Ba(H2PO2)2+2PH3↑ (2)①2H2O-4e-O2↑+4H+ ②阳极室的H+穿

3-者反应生成H3PO2。③在阳极区H2PO-2或H3PO2可能失电子发生氧化反应,即生成物中会混有PO4。

(1)2P4+3Ba(OH)2+6H2OH3PO2被氧化

3--过阳膜扩散至产品室,原料室的H2PO-2穿过阴膜扩散至产品室,二者反应生成H3PO2 ③PO4 H2PO2或

6. [多膜室电解装置][2019湖北武汉调研测试]电渗析法淡化海水装置如图所示,电解槽中阴离

子交换膜和阳离子交换膜交替排列,将电解槽分隔成多个独立的间隔室,海水充满各个间隔室。通电后,一个间隔室的海水被淡化,而其相邻间隔室的海水被浓缩,从而实现了淡水和浓缩海水的分离。下列说法正确的是( )

A.离子交换膜b为阳离子交换膜 B.①③⑤⑦间隔室的排出液为淡水

C.通电时,电极1附近溶液的pH比电极2附近溶液的pH变化明显 D.淡化过程中,得到的浓缩海水没有任何使用价值

考法4与电化学有关的定量计算

命题角度1 根据电路中得失电子守恒计算

10 以石墨为电极电解200 mL CuSO4溶液,电解过程中转移电子的物质的量[n(e-)]与产生气体总体积[V(标准状况)]的关系如图所示。下列说法正确的是

A.电解前CuSO4溶液的物质的量浓度为C.当n(e-)=0.6 mol时,V(H2)∶V(O2)=3∶2

D.向电解后的溶液中加入16 g CuO,则溶液可恢复到电解前的浓度

电解CuSO4溶液时,阳极反应式为2H2O-4e-生反应:2H++2e-O2↑+4H+,阴极反应式为Cu2++2e-Cu,若阴极上由水

电离的H+不放电,则图中气体体积与转移电子的物质的量的关系曲线是直线,而题图中是折线,说明阴极上还发

H2↑。当转移0.4mol电子时,Cu2+恰好完全反应,n(Cu2+)=

0.2mol

=1mol·L-1,A0.2L

0.4mol

=0.2mol,根据铜原子守恒2

2 mol·L-1

B.忽略溶液体积变化,电解后所得溶液中c(H+)=2 mol·L-1

得,c(CuSO4)=c(Cu2+)=项错误。当转移0.4mol电子时,生成n(H2SO4)=0.2mol,随后相当于电

0.2mol×2

=2mol·L-1,B0.2L

解水,因为忽略溶液体积变化,所以电解后所得溶液中c(H+)=发生反应2CuSO4+2H2O2H2O

2Cu+O2↑+2H2SO4和

项正确。当n(e-)=0.6mol时,

2H2↑+O2↑,n(H2)=0.1mol,n(O2)=0.1mol+0.05mol=0.15mol,所以

V(H2)∶V(O2)=0.1mol∶0.15mol=2∶3,C项错误。因电解时溶液中消耗Cu2+、H2O,所以只加入CuO不能使溶液

恢复到电解前的浓度,D项错误。

B

命题角度2 结合电池或电解池的实际工作效率、能量密度和功率密度等进行计算

为衡量电池的性能好坏,工业上有电池的理论工作效率、实际工作效率、能量密度和功率密度等概念。命题人常通过提供表征电池性能的新概念,要求考生列式计算,其中,电池的电流效率、能量密度等已在高考中考查过,但功率密度等未考查过。

11 (1)[新课标全国卷Ⅰ高考]二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点,其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93 kW·h·kg-1)。若电解质为酸性,二甲醚直接燃料电池的负极反应为 ,一个二甲

醚分子经过电化学氧化,可以产生 个电子的电量;该电池的理论输出电压为1.20 V,能量密度E= (列式计算。能量密度=电池输出电能/燃料质量,1 kW·h=3.6×106 J)。

(2)[2014重庆,11(4),6分]一定条件下,如图所示装置可实现有机物的电化学储氢(忽略其他有机物)。

①导线中电子移动方向为 。(用A、D表示) ②生成目标产物的电极反应式为 。

③该储氢装置的电流效率η= 。(η=

生成目标产物消耗的电子数

转移的电子总数

×100%,计算结果保留小数点后1位)

(1)本题考查电极反应式的书写和电能计算等知识。电解质为酸性时,二甲醚在燃料电池的负极上发生氧化反应,生成CO2和H+,CH3OCH3中碳元素的化合价可看作-2,CO2中碳元素的化合价为+4,所以1molCH3OCH3失去12mol电子,负极反应为CH3OCH3+3H2O-12e-1000g

2CO2+12H+。假设燃料二甲醚的质量

1000g

1000g

46g·mol-1

为1kg,则我们只要知道电池的输出电能就能算出能量密度。1kg二甲醚的物质的量为电子的物质的量为

46g·mol

-1×12,那么

,1kg二甲醚失去

1kg二甲醚所产生的电荷量为

46g·mol-1

×12×96500C·mol-1。根据电能公式

W=UQ算出电能,再求出能量密度即可。(2)①仔细观察装置图可以发现:电解池左边电极D上发生的反应是“苯

加氢还原”,则发生还原反应的电极D是阴极,故导线中电子移动方向为A→D。②该电解池的目的是储氢,故目标产物为环己烷,其电极反应式为C6H6+6H++6e-C6H12。③阳极生成的H+经过高分子电解质膜移动至阴极,

H2↑,阴极的副反应),左边(阴极区)出来的

一部分H+与苯生成环己烷,还有一部分H+得电子生成H2(2H++2e-

混合气体为未参与反应的其他气体、未反应的苯(g)、生成的环己烷(g)和H2。设未反应的苯蒸气的物质的量为xmol,生成的氢气的物质的量为ymol,阴极生成的气态环己烷的物质的量为(2.4-x)mol,得到电子6×(2.4-x)mol,阴极生成ymolH2得到电子2ymol,阳极(E极)的电极反应式为2H2O-4e-极出来的混合气体中苯蒸气的物质的量分数为

6×(2.4-1.2)mol

×100%=64.3%。

11.2mol

??mol10mol+??mol

O2↑+4H+,生成

2.8molO2失去电子的物质的量为4×2.8mol=11.2mol,根据得失电子守恒有6×(2.4-x)mol+2ymol=11.2mol;阴

=0.1;联立解得x=1.2,电流效率为

1.20V×

(1)CH3OCH3+3H2O-12e-2CO2+12H+ 12

1000g-1

-1×12×96500C·mol46g·mol

1kg

÷(3.6×106

J·kW-1·h-1)=8.39 kW·h·kg-1 (2)①A→D ②C6H6+6H++6e-核心素养对接 1.电流效率的计算

C6H12 ③64.3%

核心素养之“模型认知”—— “电流效率”等概念模型

电流效率可以认为是电解时,在电极上实际析出或溶解的物质的量与按理论计算出的析出或溶解的物质的量的比值,通常用符号η表示。如图所示装置,燃料电池中负极消耗2.24L(标准状况)CH4,且能量完全转化为电能,电解池中回收制得19.5g单质Zn,则该装置的电流效率η= 。(η=

生成目标产物消耗的电子数

转移的电子总数

×100%)

分析:燃料电池中n(CH4)=2.24L÷22.4L·mol-1=0.1mol,由负极反应CH4-8e-+10OH-0.3molZn得到0.6mol电子;故该装置的电流效率η=

0.6mol

×100%=75%。 0.8mol

-CO23+7H2O知,消耗

0.1mol甲烷失去0.8mol电子;电解池中n(Zn)=19.5g÷65g·mol-1=0.3mol,由阴极反应Zn2++2e-Zn知,生成

2.法拉第常数的相关计算

跨学科命题是高考化学偶尔会采用的命题形式,如将电化学知识与物理学科知识中的法拉第常数结合进行命题,有关计算公式为Q=It=nF。例如,维持电流为0.5A,酸性锌锰电池持续工作5min,理论上消耗Zn g。(已知F=96500C·mol-1)

分析:Q=It=0.5A×5×60s=150C,转移电子的物质的量

??

150C96500C·mol

1.554×10-3mol

×65g·mol-1

2

n(e-)=??=-32+

-1≈1.554×10mol,m(Zn)=

≈0.05g。

命题角度3 根据膜两侧溶液质量的变化进行计算(新角度)

在离子交换膜电池或电解池中考查电化学的定量计算,要求考生具备较强的分析计算能力。

12 某甲醇燃料电池的工作原理如图所示,质子交换膜(只有质子能够通过)左右两侧的溶液均为1 L 2 mol·L-1 H2SO4溶液。当电池中有1 mol e-发生转移时,左右两侧溶液的质量之差为 g(假设反应物耗尽,忽略气体的溶解)。

根据电极反应式,结合得失电子守恒和差量法进行计算。通入甲醇的一极为负极,电极反应式为 CH3OH-6e-+H2O

1mol 2g

通入氧气的一极为正极,电极反应式为 O2+4e-+4H+

4mol 32g 1mol 8g

1mole-发生转移时,左侧还有1molH+穿过质子交换膜进入右侧,即左侧减少1gH+,右侧增加1gH+,故Δm左=3g,Δm右=

9g。两侧溶液的质量之差为Δm右+Δm左=9g+3g=12g。

12

考法点睛·学习理解

膜两侧溶液质量变化的计算

计算原电池或电解池膜两侧溶液质量变化时,要注意气体的排出或吸收、沉淀的析出或溶解,尤其不能忽略离子的转移对溶液质量的影响。

7. 利用在特定条件下用铂电极(阳极为铂)电解饱和硫酸氢钾溶液的方法制备K2S2O8(过二硫酸

钾)。电解液中主要含有K+、H+和HSO-4,阳极的电极反应式为 ,X为 (填“质子”“阳离子”或“阴离子”)交换膜,当电路中有0.2 mol电子转移时,两边溶液的质量之差为 。

2H2O Δm

CO2+6H+ Δm

6mol 44g-32g=12g

考点2 金属的腐蚀与防护