2023届新高考化学一轮复习电化学专题学案.docx
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1、电化学专题突破考点一:离子交换膜电池(应用性考点)(一)隔膜的作用及应用1隔膜的作用(1)能将两极区隔离,阻止两极区产生的物质接触,防止发生化学反应。(2)能选择性地允许离子通过,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。(3)隔膜的分类2离子交换膜类型的判断方法(1)首先写出阴、阳(或正、负)两极上的电极反应。(2)依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余。(3)根据电极附近溶液呈电中性,从而判断出离子移动的方向。(4)根据离子移动的方向,确定离子交换膜的类型。3应用离子交换膜的常考装置多室电解池多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性,即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过,将电解池分
2、为两室、三室、多室等,以达到物质制备、浓缩、净化、提纯的目的。(1)两室电解池制备原理:工业上利用如图两室电解装置制备烧碱阳极室中电极反应:2Cl2e=Cl2,阴极室中的电极反应:2H2O2e=H22OH,阴极区H放电,破坏了水的电离平衡,使OH浓度增大,阳极区Cl放电,使溶液中的c(Cl)减小,为保持电荷守恒,阳极室中的Na通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH结合,得到浓的NaOH溶液。利用这种方法制备物质,纯度较高,基本没有杂质。阳离子交换膜的作用:它只允许Na通过,而阻止阴离子(Cl)和气体(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸,又避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应
3、生成NaClO而影响烧碱的质量。(2)三室电解池利用三室电解装置制备NH4NO3,其工作原理如图所示。阴极的NO被还原为NH:NO5e6H=NHH2O,NH通过阳离子交换膜进入中间室;阳极的NO被氧化为NO:NO3e2H2O=NO4H,NO通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得电解总反应:8NO7H2O3NH4NO32HNO3,为使电解产物全部转化为NH4NO3,补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3。(3)多室电解池利用“四室电渗析法”制备H3PO2(次磷酸),其工作原理如图所示。电解稀硫酸的阳极反应:2H2O4e=O24H,产生的H通过阳离子交换膜进入产
4、品室,原料室中的H2PO穿过阴离子交换膜进入产品室,与H结合生成弱电解质H3PO2;电解NaOH稀溶液的阴极反应:4H2O4e=2H24OH,原料室中的Na通过阳离子交换膜进入阴极室。4含离子交换膜电化学装置题的解题步骤(二)思维建模【题目】三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na和SO可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。判断ab、cd是什么交换膜;判断离子的迁移方向;书写电极反应式;判断电极产物。【思维模板】弄清是原电池还是电解池,判断电极有外接电源电解池;n阳极,m阴极根据电极判断离
5、子的移动方向和交换膜的种类Na通过ab阴极ab是阳离子交换膜SO通过cd阳极cd是阴离子交换膜根据放电顺序写出电极反应式阴极,阳离子竞争放电,放电顺序:HNa,阴极的电极反应式为2H2O2e=H22OH;阳极,阴离子竞争放电,放电顺序:OHSO,阳极的电极反应式为2H2O4e=O24H。根据电极反应式和离子移动方向确定电极反应物阴极H放电生成H2,剩余OH与迁移过来的Na生成NaOH;阳极OH放电生成O2,剩余H与迁移过来的SO生成H2SO4。【典例】(2021广东选择考)钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是()A.
6、工作时,室和室溶液的pH均增大B生成1 mol Co,室溶液质量理论上C后,石墨电极上发生的反应不变D电解总反应:2Co22H2O2CoO24H 解题思维解答本题的思维流程如下:信息提取阳离子交换膜;阴离子交换膜;减少16 g;移除两交换膜信息转化阳离子交换膜只允许阳离子通过,阳离子在电解池中向阴极移动,故室中的H移向室;阴离子交换膜只允许阴离子通过,阴离子在电解池中向阳极移动,故室中的Cl移向室;根据室中发生的反应分析计算,不要忘了通过交换膜离开的离子;移除交换膜后,阳极附近有Cl,它的失去电子能力大于OH,先放电。联想质疑为什么室中离子不能通过离子交换膜离开?提示:室中氢离子要向阴极移动,
7、但室和室之间是阴离子交换膜,氢离子不能通过;同理,室中氯离子要向阳极移动,但室和室之间是阳离子交换膜,氯离子不能通过。【解析】选D。由图可知,该装置为电解池,石墨电极为阳极,水在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子,电极反应式为2H2O4e=O24H,室中阳离子电荷数大于阴离子电荷数,放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由室向室移动,钴电极为阴极,钴离子在阴极得到电子发生还原反应生成钴,电极反应式为Co22e=Co,室中阴离子电荷数大于阳离子电荷数,氯离子通过阴离子交换膜由室向室移动,电解的总反应的离子方程式为2Co22H2O2Co O24H。由分析可知,放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由室向
8、室移动,使室中氢离子浓度增大,溶液pH减小,故A错误;由分析可知,阴极生成1 mol钴,阳极有1 mol水放电,则室溶液质量减少18 g,故B错误;移除离子交换膜,氯离子的放电能力强于水,氯离子会在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气,则移除离子交换膜,石墨电极的电极反应会发生变化,故C错误;由分析可知,电解的总反应的离子方程式为2Co22H2O2CoO24H,故D正确。思维拓展延伸设问(1)室中的HCl浓度将怎样变化?提示:增大。因为室中的氢离子和室中的氯离子都移向室。(2)为什么用Co电极作阴极?提示:Co电极作阴极并不参加电极反应,能生产纯净的钴。(2022佛山模拟)电化学原理在工业生产中发
9、挥着巨大的作用。Na2FeO4是制造高铁电池的重要原料,同时也是一种新型的高效净水剂。在工业上通常利用如图装置生产Na2FeO4,下列说法正确的是()A阳极的电极反应式为Fe8OH6e=FeO4H2OB右侧的离子交换膜为阳离子交换膜C阴极区a%b%D阴极产生的气体是氧气【解析】选A。由图所示,Fe为阳极,故发生氧化反应生成FeO,电极反应式为Fe8OH6e=FeO4H2O,A正确;阳极反应消耗阴离子氢氧根离子,氢氧根向右侧阳极移动,故右侧交换膜为能使阴离子通过的阴离子交换膜,B错误;阴极区水被电解产生H2和OH,故产出的NaOH浓度变大,a%b%,C错误;阴极区为水被电解发生还原反应得到电子,
10、生成氢气,D错误。【加固训练】1(2022清远模拟)将电化学法和生物还原法有机结合,利用微生物电化学方法生产甲烷,装置如图所示。下列说法错误的是()A.离子交换膜可允许H通过B通电时,电流方向为a电子导体离子导体电子导体bC阳极的电极反应式为CH3COO2H2O6e=2CO27HD生成0.1 mol CH4时阳极室中理论上生成CO2的体积是4.48 L(STP)【解析】选C。由图示知,左池中CH3COO在电极上失电子被氧化为CO2,故左池为电解的阳极室,右池为电解的阴极室,电源a为正极,b为负极。由图示知,阳极反应产生H,阴极反应消耗H,故H通过交换膜由阳极移向阴极,A正确;这个装置中电子的移
11、动方向为电源负极(b)电解阴极,电解阳极电源正极(a),故电流方向为电源正极(a)外电路(电子导体)电解质溶液(离子导体,阳极阴极)外电路(电子导体)电源负极(b),形成闭合回路,B正确;由分析知,左池为阳极,初步确定电极反应为CH3COO8e2CO2,根据图示知可添加H配平电荷守恒,添加H2O配平元素守恒,得完整方程式为CH3COO8e2H2O=2CO27H,C错误;由图示知,右池生成CO2转化为CH4,根据转移电子关系CH48e,0.1 mol CH4生成转移0.8 mol电子,由C选项知:CO24e,故生成CO2的n(CO2)0.2 mol,故V(CO2)0.2 mol22.4 Lmol
12、14.48 L,D正确。2高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型绿色水处理剂。工业上可用电解浓NaOH溶液制备Na2FeO4,其工作原理如图所示,两端隔室中离子不能进入中间隔室。下列说法错误的是()A阳极反应式:Fe6e8OH=FeO4H2OB甲溶液可循环利用C离子交换膜a是阴离子交换膜D当电路中通过2 mol电子的电量时,会有1 mol H2生成【解析】选C。A项,阳极发生氧化反应,电极反应式:Fe6e8OH=FeO4H2O,正确;B项,阴极发生还原反应,水电离出的氢离子放电生成氢气和氢氧根,甲溶液为浓的氢氧化钠溶液,可循环利用,正确;C项,电解池中阳离子向阴极移动,通过离子交换膜a的是Na,
13、故a为阳离子交换膜,错误;D项,阴极发生还原反应,水电离出的氢离子放电生成氢气和氢氧根,电极反应式为2H2O2e=H22OH,当电路中通过2 mol电子的电量时,会有1 mol H2生成,正确。考点二:新型电化学装置分析(应用性考点)(一)以“本”为本破解新型电化学装置1燃料电池的迁移应用项目教材装置高考装置图示原理负极H2-2e-=2H+(氧化反应)H2CO2CO4e=3CO2H2O(氧化反应)正极O22H2e=H2O(还原反应)2CO2O24e=2CO(还原反应)总反应H2O2=H2OH2+CO+O2=CO2+H2O2二次电池的迁移应用项目教材装置高考装置图示原理放电负极:Pb(s)SO(
14、aq)2e=PbSO4(s)(氧化反应)负极:Zn(s)2OH(aq)2e=ZnO(s)H2O(l)(氧化反应)正极:PbO2(s)4H(aq)SO(aq)2e=PbSO4(s)2H2O(l)(还原反应)正极:NiOOH(s)H2O(l)e=Ni(OH)2(s)OH(aq)(还原反应)原理充电阴极:PbSO4(s)2e=Pb(s)SO(aq)(还原反应)阴极:ZnO(s)H2O(l)2e=Zn(s)2OH(aq)(还原反应)阳极:PbSO4(s)2H2O(l)2e=PbO2(s)4H(aq)SO(aq)(氧化反应)阳极:Ni(OH)2(s)OH(aq)e=NiOOH(s)H2O(l)(氧化反应
15、)总反应Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)3.电解装置的迁移应用项目教材装置高考装置图示原理阴极Cu22e=Cu(还原反应)2H2O2e=2OHH2(还原反应)阳极2Cl2e=Cl2(氧化反应)I6OH6e=IO3H2O(氧化反应)总反应Cu2+2Cl-Cu+Cl2I3H2O=IO3H2 (二)新型化学电源中电极反应式的书写三步骤【典例】(2021浙江6月选考)某全固态薄膜锂离子如图所示,电极A为非晶硅薄膜,充电时嵌入该薄膜材料中;电极B为薄膜;集流体起导电作用。下列
16、说法不正确的是()A.充电时,集流体A与外接电源的负极相连B放电时,外电路通过 mol电子时,LiPON薄膜电解质损失 mol LiC放电时,电极B为正极,反应可表示为Li1xCoO2xLixe=LiCoO2D电池总反应可表示为LixSiLi1xCoO2SiLiCoO2解题思维解答本题的思维流程如下:信息提取电池截面结构;Li得电子成为Li;LiCoO2信息转化电池截面结构:集流体A与电极A相连,集流体B与电极B相连;Li得电子成为Li:则该电极为放电时的负极;LiCoO2:原电池正极的放电产物,正极的反应物应为Li1xCoO2。联想质疑为什么LiCoO2是正极的放电产物?提示:以下是高考题中
17、出现的锂电池的反应方程式:Li1xCoO2LixC6=LiCoO2C6(x1)LixCLi1xCoO2CLiCoO2Li2Li0.35NiO22Li0.85NiO2FePO4LiLiFePO4LiLiMn2O4=Li2Mn2O4由此可知,锂电池中的正极发生反应时,都是由含锂少的物质转化为含锂多的物质。【解析】选B。A.由图可知,集流体A与电极A相连,充电时电极A作阴极,故充电时集流体A与外接电源的负极相连,A说法正确;B.放电时,外电路通过 mol电子时,内电路中有 mol Li通过LiPON薄膜电解质从负极迁移到正极,但是LiPON薄膜电解质没有损失Li,B说法不正确;C.放电时,电极B为正
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- 2023 新高 化学 一轮 复习 电化学 专题
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