2024届高考一轮复习 第六章 化学反应与能量 第4讲 电化学装置的解题模型建构 课件（共55张）

第4讲

电化学装置的解题模型建构(综合应用课)以新型电源为载体考查原电池原理、电解池原理、电极反应式书写与问题的分析每年必考。电化学装置的类型从电解质方面来分主要有单液电池、双液电池、固体电解质电池等；从电子转移角度来分，有常规的直接电池和新型的间接电池。此类试题主要来源最新科技成果，陌生度高、综合性强。体现了“科学探究与创新意识、证据推理与模型认知”核心素养，考查学生的迁移运用能力和创新思维。1．(2022·海南等级考)一种采用H2O(g)和N2(g)为原料制备NH3(g)的装置示意图如图。下列有关说法正确的是

()A．在b电极上，N2被还原B．金属Ag可作为a电极的材料C．改变工作电源电压，反应速率不变D．电解过程中，固体氧化物电解质中O2－不断减少解析：由装置可知，b电极的N2转化为NH3，N元素的化合价降低，得到电子发生还原反应，因此b为阴极，电极反应式为N2＋3H2O＋6e－===2NH3＋3O2－，a为阳极，电极反应式为2O2－－4e－===O2↑，据此分析解答；b电极上N2转化为NH3，N元素的化合价降低，得到电子发生还原反应，即N2被还原，A正确；a为阳极，若金属Ag作a的电极材料，则金属Ag优先失去电子，B错误；改变工作电源的电压，反应速率会改变，C错误；电解过程中，阴极电极反应式为N2＋3H2O＋6e－===2NH3＋3O2－，阳极电极反应式为2O2－－4e－===O2↑，因此固体氧化物电解质中O2－不会改变，D错误。答案：A2．(2022·广东等级考)科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为：NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－===Na3Ti2(PO4)3。下列说法正确的是

()A．充电时电极b是阴极B．放电时NaCl溶液的pH减小C．放电时NaCl溶液的浓度增大D．每生成1molCl2，电极a质量理论上增加23g解析：由充电时电极a的反应可知，充电时电极a发生还原反应，所以电极a是阴极，则电极b是阳极，故A错误；放电时电极反应和充电时相反，则由放电时电极a的反应为Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋可知，NaCl溶液的pH不变，故B错误；放电时负极反应为Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋，正极反应为Cl2＋2e－===2Cl－，反应后Na＋和Cl－浓度都增大，则放电时NaCl溶液的浓度增大，故C正确；充电时阳极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极反应为NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－===Na3Ti2(PO4)3，由得失电子守恒可知，每生成1molCl2，电极a质量理论上增加23g·mol－1×2mol＝46g，故D错误。答案：C3．(2021·河北等级考)K-O2电池结构如图，a和b为两个电极，其中之一为单质钾片。关于该电池，下列说法错误的是

()A．隔膜允许K＋通过，不允许O2通过B．放电时，电流由b电极沿导线流向a电极；充

电时，b电极为阳极C．产生1Ah电量时，生成KO2的质量与消耗O2

的质量比值约为2.22D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗3.9g钾时，铅酸蓄电池消耗0.9g水解析：由题图可知，b极上O2转化为KO2，则b极为电池正极，a极为电池负极，K＋通过隔膜由a极向b极迁移，为避免O2氧化K电极，O2不能通过隔膜，A说法正确；放电时，电流由正极经导线流向负极，即由b极经导线流向a极，充电时，b极接外接电源的正极，b电极为阳极，B说法正确；产生1Ah电量时，生成KO2与消耗O2的质量比为71∶32≈2.22，C说法正确；消耗3.9g钾时，转移0.1mole－，铅酸蓄电池消耗0.1molH2O，其质量为1.8g，D说法错误。答案：D答案：B5．(2019·全国卷Ⅰ)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。下列说法错误的是

()A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动解析：A对：该反应中，可产生电流，反应条件比较温和，没有高温高压条件。B错：该生物燃料电池中，左端电极反应式为MV＋－e－===MV2＋，则左端电极是负极，应为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋。C对：右端电极反应式为MV2＋＋e－===MV＋，是正极，在正极区N2得到电子生成NH3，发生还原反应。D对：原电池中，内电路中H＋通过交换膜由负极区向正极区移动。答案：B类型(一)单液电池单液电池是指含有单一电解质溶液的化学电源，其特征是通过单一电解质溶液的离子的定向移动形成内部电流，其电极反应相对来说较为单一简单，运用基本原电池的工作原理即可解决此类新型化学电源。[例1](2021·湖南等级考)锌/溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池，广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等。三单体串联锌/溴液流电池工作原理如图所示：下列说法错误的是

()A．放电时，N极为正极B．放电时，左侧贮液器中ZnBr2的浓度不断减小C．充电时，M极的电极反应式为Zn2＋＋2e－===ZnD．隔膜允许阳离子通过，也允许阴离子通过[解析]

在该原电池中，活泼金属锌作负极，则N极为正极，A说法正确；放电时，左侧锌放电产生Zn2＋，贮液器中ZnBr2浓度不断增大，B说法错误；充电时，M极为阴极，电极反应式为Zn2＋＋2e－===Zn，C说法正确；放电时Br－通过隔膜进入溶液中与Zn2＋结合，充电时Zn2＋通过隔膜在双极性碳和塑料电极上沉积，D说法正确。[答案]B[思维建模]

单液电池分析流程答案：C解析：Pt电极上发生还原反应，Pt电极作正极，故A正确；Pt电极为正极，BiVO4电极为负极，所以Pt电极电势高于BiVO4电极电势，故B正确；电子从BiVO4电极(负极)经导线流向Pt电极(正极)，但不能进入溶液，故C错误；BiVO4电极为负极，发生氧化反应，故D正确。答案：C类型(二)双液电池双液电池是指基于两种电解质溶液进行离子定向移动形成内部电流的原电池，其装置较为复杂，反应相对较难，此类电源需认真观察图示，分析原理，列清每一个电极、每一种溶液发生的变化，综合解决此类难题。[例2]

科学家近年发明了一种新型Zn­CO2水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。[答案]D[思维建模]

双液电池试题分析第一步分析两极材料中成分和两液中的成分；或两极区中粒子的转化关系，确定正极或负极第二步根据确定的两极，分析电极反应，离子移向和电子、电流方向等第三步明确问题，分析出正确答案答案：C4．四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH]常用作电子工业清洗剂，以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]为原料，采用电渗析法合成(CH3)4NOH，其工作原理如图所示(a、b为石墨电极，c、d、e为离子交换膜)，下列说法正确的是

()A．M为正极B．c、e均为阳离子交换膜C．b极电极反应式：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋D．制备1mol(CH3)4NOH，通过c膜的离子数目为2NA解析：该电解池中Cl－向电极b迁移，则b电极为阳极，a电极为阴极，M为电源的负极，A错误；根据图示，加入(CH3)4NCl溶液后，(CH3)4N＋通过c膜进入电极a附近生成(CH3)4NOH，则c膜为阳离子交换膜；Cl－通过d膜进入d膜右侧，e膜右侧的Na＋通过e膜进入e膜的左侧，这样NaCl在d、e两膜之间富集，将NaCl稀溶液转化为浓溶液，e膜为阳离子交换膜，B正确；电极b上溶液中的OH－放电，电极反应为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，C错误；制备1mol(CH3)4NOH，a电极上生成了1molOH－，反应中转移了1mole－，通过c膜的(CH3)4N＋数目为NA，D错误。答案：AB类型(三)固体电解质电池固体电解质电池是指电解质为固体的电池。固体电解质必须是离子迁移速率较高的固态物质，因为是固体，具有一定的形状和强度，对于多数固体电解质而言，只有在较高温度下，电导率才能符合电池的要求，所以对于固体电解质的电化学实际上是高温电化学。[例3](2021·浙江选考)某全固态薄膜锂离子电池截面结构如图所示，电极A为非晶硅薄膜，充电时Li＋得电子成为Li嵌入该薄膜材料中；电极B为LiCoO2薄膜；集流体起导电作用。下列说法不正确的是

()[答案]B[对点训练]5.一种以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池的原理如图所示，其中YSZ为6～10%Y2O3掺杂的ZrO2固体电解质，下列有关叙述正确的是

()A．电子通过外电路从b极流向a极B．b极上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－C．电路中每转移0.1mol电子，消耗0.28L的CH4D．O2－由正极通过固体电解质YSZ迁移到负极解析：该燃料电池中，通入甲烷的电极是负极、通入氧气的电极是正极，电子从a极沿导线流向b极，故A错误；b电极上氧气得电子生成O2－，电极反应式为O2＋4e－===2O2－，故B错误；温度和压强未知，所以无法计算甲烷体积，故C错误；电解质中阴离子向负极移动，则O2－由正极通过固体电解质YSZ迁移到负极，故D正确。答案：D6.

据报道，我国固体氧化物燃料电池技术研发取得新突破。科学家利用该科技实现了H2S废气资源回收能量，并得到单质硫的原理如图所示。下列说法正确的是

()A．电极a为电池负极B．电路中每流过4mol电子，

正极消耗1molO2C．电极b上的电极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2OD．电极a上的电极反应式：2H2S＋2O2－－2e－===S2＋2H2O解析：电极a上H2S→S2，硫元素化合价升高，发生氧化反应，为电池负极，故A错误；电路中每流过4mol电子，正极消耗1molO2，故B正确；电极b上的电极反应式：O2＋4e－===2O2－，故C错误；电极a上的电极反应式：2H2S＋2O2－－4e－===S2＋2H2O，故D错误。答案：B类型(四)储能电池储能电池主要是指使用于太阳能发电设备和风力发电设备以及可再生能源储蓄能源用的蓄电池。储能电池的正电极一般为活性材料，储能电池有两个较大的储液器，且有泵力系统形成循环回路。新型的储能电池结构逐渐用无膜代替隔膜，电池由于无膜配置，该类电池具有很高的电压效率。[解析]

放电时负极反应：Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋，正极反应：Cl2＋2e－===2Cl－，消耗氯气，放电时，阴离子移向负极，充电时阳极：2Cl－－2e－===Cl2，由此分析，A正确；放电时，阴离子移向负极，放电时Cl－透过多孔活性炭电极向NaCl中迁移，故B错误；放电时每转移1mol电子，正极：Cl2＋2e－===2Cl－，理论上CCl4释放0.5molCl2，故C错误；充电过程中，阳极：2Cl－－2e－===Cl2，消耗氯离子，NaCl溶液浓度减小，故D错误。[答案]A[对点训练]7．如图是一种投入生产的大型蓄电系统。放电前，被膜隔开的电解质为Na2S2和NaBr3，放电后分别变为Na2S4和NaBr。下列叙述正确的是

()A．放电时，负极反应为3NaBr－2e－===NaBr3＋2Na＋B．充电时，阳极反应为2Na2S2－2e－===Na2S4＋2Na＋C．放电时，Na＋经过离子交换膜由b池移向a池D．用该电池电解饱和食盐水，产生2.24LH2时，b池生成17.40gNa2S4解析：放电时，负极上Na2S2被氧化生成Na2S4，电极反应式为2Na2S2－2e－===Na2S4＋2Na＋，A错误；充电时，阳极上NaBr失电子被氧化生成NaBr3，电极反应式为3NaBr－2e－===NaBr3＋2Na＋，B错误；放电时，阳离子向正极移动，故Na＋经过离子交换膜由b池移向a池，C正确；题目未指明2.24LH2是否处于标准状况下，无法计算b池中生成Na2S4的质量，D错误。答案：C答案：D类型(五)间接电池间接电池是以具有“电子传递”功能的物质为媒质，对反应基质进行氧化或还原，从而得到目的产物。由于媒质可以在电化学装置中再生而循环使用，因而可以充分利用资源，实现原子经济性，减少了副产物的产生。[例5]

我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：①EDTA­Fe2＋－e－===EDTA­Fe3＋②2EDTA­Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA­Fe2＋该装置工作时，下列叙述错误的是

()A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2OB．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋SC．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA­Fe3＋/EDTA­Fe2＋，溶液需为酸性[解析]

由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴极。由题图可知，电解时