高中化學專題之電解池原理及其應用

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1、知識和方法1構建電解池模型，分析電解基本原理構建如圖電解CuCl2溶液模型，通過類比模型，結合氧化還原反應知識(如：化合價的變化、得失電子情況等)，能迅速判斷電解池的陰、陽極，弄清楚外電路中電子的移動情況和內電路中離子的移動情況，準確判斷離子的放電順序并書寫電極反應式和電解總反應式，掌握電解基本原理。2.充電(可逆)電池鋅銀電池總反應：Ag2OZnH2O2AgZn(OH)2正極：Ag2OH2O2e=2Ag2OH負極：Zn2OH2e=Zn(OH)2陽極：2Ag2OH2e=Ag2OH2O陰極：Zn(OH)22e=Zn2OH鎳鐵電池總反應：NiO2Fe2H2OFe(OH)2Ni(OH)2正極：NiO

2、22e2H2O=Ni(OH)22OH負極：Fe2e2OH=Fe(OH)2陽極：Ni(OH)22OH2e=NiO22H2O陰極：Fe(OH)22e=Fe2OH鎳鎘電池總反應：Cd2NiOOH2H2OCd(OH)22Ni(OH)2正極：2NiOOH2H2O2e=2Ni(OH)22OH負極：Cd2e2OH=Cd(OH)2陽極：2Ni(OH)22OH2e=2NiOOH2H2O陰極：Cd(OH)22e=Cd2OH鋅鐵電池總反應：3Zn2K2FeO48H2O3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH正極：2FeO6e8H2O=2Fe(OH)310OH負極：3Zn6e6OH=3Zn(OH)2陽極：2Fe(OH

3、)310OH6e=2FeO8H2O陰極：3Zn(OH)26e=3Zn6OH鋰離子電池總反應：Li1xCoO2LixC6LiCoO2C6(x1)正極Li1xCoO2xexLi=LiCoO2負極：LixC6xe=xLiC6陽極：LiCoO2xe=Li1xCoO2xLi陰極：xLixeC6=LixC63電解池中電極反應式的書寫步驟首先注意陽極是活性材料還是惰性材料。分析確定溶液中所有陰陽離子并清楚放電順序。根據放電順序分析放電產物。根據電解質溶液的酸堿性確定電極反應式中是否有H、OH或H2O參與；最后配平電極反應式。4.注意電極產物的溶解性對電極反應式的影響。電解MgCl2溶液時的陰極反應式應為：M

4、g22H2O2e=Mg(OH)2H2，而不是2H2e=H2?？偡磻x子方程式為：Mg22Cl2H2O=Mg(OH)2Cl2H2。不能把電解MgCl2溶液的離子方程式寫成：2Cl2H2O=2OHCl2H2，忽視了生成難溶的Mg(OH)2。5常見膜化學：(1)膜的作用：陽離子交換膜只允許陽離子通過，陰離子交換膜只允許陰離子通過，質子交換膜允許質子通過而避免不同電極區域內某些離子間的反應。(2)陰、陽離子交換膜的判斷看清圖示，是否在交換膜上標注了陰、陽離子，是否標注了電源的正、負極，是否標注了電子流向、電荷流向等，明確陰、陽離子的移動方向。根據原電池、電解池中陰、陽離子的移動方向，結合題意中給出的制

5、備、電解物質等信息，找出物質生成或消耗的電極區域、確定移動的陰、陽離子，從而推知離子交換膜的種類。例如三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如下圖所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場的作用下，兩膜中間的Na和SO24可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進入中間隔室。判斷ab、cd是什么交換膜；判斷離子的遷移方向；書寫電極反應式；判斷電極產物。6有關電化學計算的三大方法(1)根據電子守恒計算。用于串聯電路中電解池陰陽兩極產物、原電池正負兩極產物、通過的電量等類型的計算，其依據是電路中轉移的電子數相等。(2)根據總反應式計算。先寫出電極反應式，再寫出總反應式，最后根

6、據總反應式列出比例式計算。(3)根據關系式計算。根據得失電子守恒關系建立起已知量與未知量之間的橋梁，構建計算所需的關系式。如以通過4 mol e為橋梁可構建如下關系式：(式中M為金屬，n為其離子的化合價數值)7.金屬腐蝕原理及防護方法總結(1)常見的電化學腐蝕有兩類：形成原電池時，金屬作負極，大多數是吸氧腐蝕；形成電解池時，金屬作陽極。(2)金屬防腐的電化學方法：原電池原理犧牲陽極的陰極保護法：與較活潑的金屬相連，較活潑的金屬作負極被腐蝕，被保護的金屬作正極。注意：此處是原電池，犧牲了負極保護了正極，但習慣上叫做犧牲陽極的陰極保護法。電解池原理外加電流的陰極保護法：被保護的金屬與電池負極相連，

7、形成電解池，作陰極。（3）金屬的防護。加防護層：如在金屬表面加上油漆、搪瓷、瀝青、塑料、橡膠等耐腐蝕的非金屬材料；采用電鍍或表面鈍化等方法在金屬表面鍍上一層不易被腐蝕的金屬或生成一層致密的薄膜。電化學防護法。犧牲陽極的陰極保護法原電池原理：正極為被保護的金屬，負極為比被保護的金屬活潑的金屬；外加電流的陰極保護法電解原理：陰極為被保護的金屬，陽極為惰性電極。（4）防腐措施效果比較。外加電流的陰極保護法犧牲陽極的陰極保護法有一般防腐條件的防護未采取任何防護措施。真題訓練12020新課標科學家近年發明了一種新型ZnCO2水介質電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2

8、被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是（）A放電時，負極反應為B放電時，1 mol CO2轉化為HCOOH，轉移的電子數為2 molC充電時，電池總反應為D充電時，正極溶液中OH濃度升高22020新課標電致變色器件可智能調控太陽光透過率，從而實現節能。下圖是某電致變色器件的示意圖。當通電時，Ag+注入到無色WO3薄膜中，生成AgxWO3，器件呈現藍色，對于該變化過程，下列敘述錯誤的是（）AAg為陽極BAg+由銀電極向變色層遷移CW元素的化合價升高D總反應為：WO3+xAg=AgxWO332020浙江7月選考電解高濃度(羧酸鈉)的溶液，在陽極放電可得到(烷

9、烴)。下列說法不正確的是()A電解總反應方程式：B在陽極放電，發生氧化反應C陰極的電極反應：D電解、和混合溶液可得到乙烷、丙烷和丁烷42020年山東新高考采用惰性電極，以去離子水和氧氣為原料通過電解法制備雙氧水的裝置如下圖所示。忽略溫度變化的影響，下列說法錯誤的是（）A陽極反應為B電解一段時間后，陽極室的pH未變C電解過程中，H+由a極區向b極區遷移D電解一段時間后，a極生成的O2與b極反應的O2等量52020天津卷熔融鈉-硫電池性能優良，是具有應用前景的儲能電池。下圖中的電池反應為(x=53，難溶于熔融硫)，下列說法錯誤的是（）ANa2S4的電子式為B放電時正極反應為CNa和Na2Sx分別為

10、電池的負極和正極D該電池是以為隔膜的二次電池62020江蘇卷將金屬M連接在鋼鐵設施表面，可減緩水體中鋼鐵設施的腐蝕。在題圖所示的情境中，下列有關說法正確的是A陰極的電極反應式為B金屬M的活動性比Fe的活動性弱C鋼鐵設施表面因積累大量電子而被保護D鋼鐵設施在河水中的腐蝕速率比在海水中的快72019天津我國科學家研制了一種新型的高比能量鋅碘溴液流電池，其工作原理示意圖如下。圖中貯液器可儲存電解質溶液，提高電池的容量。下列敘述不正確的是（）A放電時，a電極反應為B放電時，溶液中離子的數目增大C充電時，b電極每增重，溶液中有被氧化D充電時，a電極接外電源負極82018新課標一種可充電鋰-空氣電池如圖所

11、示。當電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x（x=0或1）。下列說法正確的是（）A放電時，多孔碳材料電極為負極B放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極C充電時，電解質溶液中Li+向多孔碳材料區遷移D充電時，電池總反應為Li2O2-x=2Li+（1）O292018新課標我國科學家研發了一種室溫下“可呼吸”的NaCO2二次電池。將NaClO4溶于有機溶劑作為電解液，鈉和負載碳納米管的鎳網分別作為電極材料，電池的總反應為：3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列說法錯誤的是（）A放電時，ClO4向負極移動B充電時釋放CO2，放電時吸收CO2C放電時，正極反應為：3CO2+

12、4e2CO32+CD充電時，正極反應為：Na+eNa參考答案1.【答案】D【解析】由題可知，放電時，CO2轉化為HCOOH，即CO2發生還原反應，故放電時右側電極為正極，左側電極為負極，Zn發生氧化反應生成Zn(OH)42；充電時，右側為陽極，H2O發生氧化反應生成O2，左側為陰極，Zn(OH)42發生還原反應生成Zn，以此分析解答。A放電時，負極上Zn發生氧化反應，電極反應式為：Zn-2e+4OH= Zn(OH)42，故A正確，不選；B放電時，CO2轉化為HCOOH，C元素化合價降低2，則1molCO2轉化為HCOOH時，轉移電子數為2mol，故B正確，不選；C充電時，陽極上H2O轉化為O2

13、，負極上Zn(OH)42轉化為Zn，電池總反應為：2 Zn(OH)42=2Zn+O2+4OH+2H2O，故C正確，不選；D充電時，正極即為陽極，電極反應式為：2H2O-4e=4H+O2，溶液中H+濃度增大，溶液中c(H+)c(OH-)=KW，溫度不變時，KW不變，因此溶液中OH-濃度降低，故D錯誤，符合題意；答案選D。2.【答案】C【解析】從題干可知，當通電時，Ag+注入到無色WO3薄膜中，生成AgxWO3器件呈現藍色，說明通電時，Ag電極有Ag+生成然后經固體電解質進入電致變色層，說明Ag電極為陽極，透明導電層時陰極，故Ag電極上發生氧化反應，電致變色層發生還原反應。A通電時，Ag電極有Ag

14、+生成，故Ag電極為陽極，故A項正確；B通電時電致變色層變藍色，說明有Ag+從Ag電極經固體電解質進入電致變色層，故B項正確；C過程中，W由WO3的+6價降低到AgxWO3中的+(6-x)價，故C項錯誤；D該電解池中陽極即Ag電極上發生的電極反應為：xAg-xe-= xAg+，而另一極陰極上發生的電極反應為：WO3+xAg+xe- = AgxWO3，故發生的總反應式為：xAg + WO3=AgxWO3，故D項正確；答案選C?！军c睛】電解池的試題，重點要弄清楚電解的原理，陰、陽極的判斷和陰、陽極上電極反應式的書寫，陽極反應式+陰極反應式=總反應式，加的過程中需使得失電子數相等。3.【答案】A【解

15、析】A因為陽極RCOO-放電可得到R-R(烷烴)和產生CO2，在強堿性環境中，CO2會與OH-反應生成CO32-和H2O，故陽極的電極反應式為2RCOO-2e-+4OH-=R-R+2CO32-+2H2O，陰極上H2O電離產生的H+放電生成H2，同時生成OH-，陰極的電極反應式為2H2O+2e-=2OH-+H2，因而電解總反應方程式為2RCOONa+2NaOHR-R+2Na2CO3+H2，故A說法不正確；BRCOO-在陽極放電，電極反應式為2RCOO-2e-+4OH-=R-R+2CO32-+2H2O，-COO-中碳元素的化合價由+3價升高為+4價，發生氧化反應，烴基-R中元素的化合價沒有發生變化

16、，故B說法正確；C陰極上H2O電離產生的H+放電生成H2，同時生成OH-，陰極的電極反應為2H2O+2e-=2OH-+H2，故C說法正確；D根據題中信息，由上述電解總反應方程式可以確定下列反應能夠發生：2CH3COONa+2NaOHCH3-CH3+2Na2CO3+H2，2CH3CH2COONa+2NaOHCH3CH2-CH2CH3+2Na2CO3+H2，CH3COONa+CH3CH2COONa+2NaOHCH3-CH2CH3+2Na2CO3+H2。因此，電解CH3COONa、CH3CH2COONa和NaOH的混合溶液可得到乙烷、丙烷和丁烷，D說法正確。答案為A。4.【答案】D【解析】a極析出氧

17、氣，氧元素的化合價升高，做電解池的陽極，b極通入氧氣，生成過氧化氫，氧元素的化合價降低，被還原，做電解池的陰極。A.依據分析a極是陽極，屬于放氧生酸性型的電解，所以陽極的反應式是2H2O-4e-=4H+O2，故A正確，但不符合題意；B.電解時陽極產生氫離子，氫離子是陽離子，通過質子交換膜移向陰極，所以電解一段時間后，陽極室的pH值不變，故B正確，但不符合題意；C.有B的分析可知，C正確，但不符合題意；D.電解時，陽極的反應為：2H2O-4e-=4H+O2，陰極的反應為：O2+2e-+2H+=H2O2，總反應為：O2+2H2O=2H2O2，要消耗氧氣，即是a極生成的氧氣小于b極消耗的氧氣，故D錯

18、誤，符合題意；故選：D。5.【答案】C【解析】根據電池反應：可知，放電時，鈉作負極，發生氧化反應，電極反應為：Na-e-= Na+，硫作正極，發生還原反應，電極反應為，據此分析。ANa2S4屬于離子化合物，4個硫原子間形成三對共用電子對，電子式為，故A正確；B放電時發生的是原電池反應，正極發生還原反應，電極反應為：，故B正確；C放電時，Na為電池的負極，正極為硫單質，故C錯誤；D放電時，該電池是以鈉作負極，硫作正極的原電池，充電時，是電解池，為隔膜，起到電解質溶液的作用，該電池為二次電池，故D正確；答案選C。6.【答案】C【解析】該裝置為原電池原理的金屬防護措施，為犧牲陽極的陰極保護法，金屬M

19、作負極，鋼鐵設備作正極，據此分析解答。A.陰極的鋼鐵設施實際作原電池的正極，正極金屬被保護不失電子，故A錯誤；B.陽極金屬M實際為原電池裝置的負極，電子流出，原電池中負極金屬比正極活潑，因此M活動性比Fe的活動性強，故B錯誤；C.金屬M失電子，電子經導線流入鋼鐵設備，從而使鋼鐵設施表面積累大量電子，自身金屬不再失電子從而被保護，故C正確；D.海水中的離子濃度大于河水中的離子濃度，離子濃度越大，溶液的導電性越強，因此鋼鐵設施在海水中的腐蝕速率比在河水中快，故D錯誤；故選：C。7.【答案】D【解析】放電時，Zn是負極，負極反應式為Zn2eZn2，正極反應式為I2Br+2e=2I+Br，充電時，陽極

20、反應式為Br+2I2e=I2Br、陰極反應式為Zn2+2e=Zn，只有陽離子能穿過交換膜，陰離子不能穿過交換膜，據此分析解答。A、放電時，a電極為正極，碘得電子變成碘離子，正極反應式為I2Br+2e=2I+Br，故A正確；B、放電時，正極反應式為I2Br+2e=2I+Br，溶液中離子數目增大，故B正確；C、充電時，b電極反應式為Zn2+2e=Zn，每增加0.65g，轉移0.02mol電子，陽極反應式為Br+2I2e=I2Br，有0.02molI失電子被氧化，故C正確；D、充電時，a是陽極，應與外電源的正極相連，故D錯誤；故選D?！军c睛】本題考查化學電源新型電池，會根據電極上發生的反應判斷正負極

21、是解本題關鍵，會正確書寫電極反應式，易錯選項是B，正極反應式為I2Br+2e=2I+Br，溶液中離子數目增大。8.【答案】D【解析】本題考查的是電池的基本構造和原理，應該先根據題目敘述和對應的示意圖，判斷出電池的正負極，再根據正負極的反應要求進行電極反應方程式的書寫。A題目敘述為：放電時，O2與Li+在多孔碳電極處反應，說明電池內，Li+向多孔碳電極移動，因為陽離子移向正極，所以多孔碳電極為正極，選項A錯誤。B因為多孔碳電極為正極，外電路電子應該由鋰電極流向多孔碳電極（由負極流向正極），選項B錯誤。C充電和放電時電池中離子的移動方向應該相反，放電時，Li+向多孔碳電極移動，充電時向鋰電極移動，

22、選項C錯誤。D根據圖示和上述分析，電池的正極反應應該是O2與Li+得電子轉化為Li2O2-X，電池的負極反應應該是單質Li失電子轉化為Li+，所以總反應為：2Li + (1)O2Li2O2-X，充電的反應與放電的反應相反，所以為Li2O2-x2Li + (1)O2，選項D正確。點睛：本題是比較典型的可充電電池問題。對于此類問題，還可以直接判斷反應的氧化劑和還原劑，進而判斷出電池的正負極。本題明顯是空氣中的氧氣得電子，所以通氧氣的為正極，單質鋰就一定為負極。放電時的電池反應，逆向反應就是充電的電池反應，注意：放電的負極，充電時應該為陰極；放電的正極充電時應該為陽極。9.【答案】D【解析】原電池中負極發生失去電子的氧化反應，正極發生得到電子的還原反應，陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，充電可以看作是放電的逆反應，據此解答。A放電時是原電池，陰離子ClO4向負極移動，A正確；B電池的總反應為3CO2+4Na2Na2CO3+C，因此充電時釋放CO2，放電時吸收CO2，B正確；C放電時是原電池，正極是二氧化碳得到電子轉化為碳，反應為：3CO2+4e2CO32+C，C正確；D充電時是電解，正極與電源的正極相連，作陽極，發生失去電子的氧化反應，反應為2CO32+C4e3CO2，D錯誤。答案選D。