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第15讲
电化学装置中的催化剂
2025：基于主题教学的高考化学专题复习系列讲座
2025
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2025
知识重构
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知识重构
以铜锌双液原电池为例
1.原电池
以惰性电极电解氯化铜溶液为例
2.电解池
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1.（2023辽宁卷7题）某无隔膜流动海水电解法制H2的装置如下图所示，其中高选择性催化剂PRT可抑制O2产生。下列说法正确的是（ ）
A．b端电势高于a端电势
B．理论上转移2mol生成4gH2
C．电解后海水pH下降
D．阳极发生：Cl－+H2O-2e- =HClO+H+
D




阳极（钛网有催化剂PRT)：
Cl－+H2O-2e-=HClO+H+
阴极：
2H++2e-=H2↑
H++Cl－+H2O=HClO+H2↑
电解
2.（2024新课标卷6）一种可植入体内的微型电池工作原理如图所示，通过CuO催化消耗血糖发电，从而控制血糖浓度。当传感器检测到血糖浓度高于标准，电池启动。血糖浓度下降至标准，电池停止工作。(血糖浓度以葡萄糖浓度计)，电池工作时，下列叙述错误的是（ ）
A. 电池总反应为
B. b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用
C. 消耗18mg葡萄糖，理论上a电极有0.4mmol电子流入
D. 两电极间血液中的Na+ 在电场驱动下的迁移方向为b→a




负极（b）：
正极（a）：
c
3.（2024山东卷13）以不同材料修饰的Pt为电极，一定浓度的NaBr溶液为电解液，采用电解和催化相结合的循环方式，可实现高效制H2和O2，装置如图所示。下列说法错误的是（ ）
A. 电极a连接电源负极
B. 加入Y的目的是补充NaBr
C. 电解总反应式为+3O +3↑
D. 催化阶段反应产物物质的量之比
B
阴极a：
6H++6e =3↑
阳极b：
=BrO3 6H+
+3O +3↑
电解


电解


4.（2024年湖北卷14题）我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂，用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸，原理如图，双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中，甲醛转化为HOCH2O-，存在平衡HOCH2O- +OH- [OCH2O]2-+H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-=HCOO-+H·。下列说法错误的是（ ）
A. 电解一段时间后阳极区c(OH-)减小
B. 理论上生成1molH3N+CH2COOH双极膜中有4molH2O解离
C. 阳极总反应式为2HCHO+4OH- -2e- =2HCOO- +H2↑+2H2O
D. 阴极区存在反应H2C2O4+2H+ +2e- =CHOCOOH+H2O


B


阴极：H2C2O4+2e-+2H+=OHC—COOH+H2O
OHC—COOH+HO—N+H3→HOOC—CH=N—OH+H2O+H+
HOOC—CH=N—OH+4e-+5H+=H3N+CH2COOH+H2O
阳极：
2HCHO-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2O
阴极总反应：
H2C2O4+HO—N+H3+6e-+6H+= H3N+CH2COOH+3H2O
5．（2019新课标全国Ⅰ卷）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，示意图如下所示。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NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动


B


负极（阳极）：
MV+ e ＝MV2+
H2+2MV2+＝2H++2MV+
正极（阴极）：
MV2++e ＝MV+
N2+6H++6MV+＝2NH3+6MV2+
H+
6．（2021年八省联考辽宁卷9题）在N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)介质中，可实现醇向醛的转化，原理如图。下列说法错误的是（ ）
A．理论上NHPI的总量在反应前后不变
B．海绵Ni电极作阳极
C．总反应为 ＋H2↑
D．每消耗1 mmol苯甲醇，产生22.4 mL氢气
Ni3＋＋NHPI→Ni2＋＋PINO
＋PINO→ ＋NHPI


D


阳极：
Ni2+ e ＝Ni3+
7．（2021年全国甲卷13题）乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是（ ）
A．KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用
B．阳极上的反应式为： ＋2H＋＋2e－→ ＋H2O
C．制得2 mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1 mol电子
D．双极膜中间层中的H＋在外电场作用下向铅电极方向迁移


D


阳极
阴极
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电催化剂必须具备的性能：
（1）催化剂有一定的电子导电性：与导电材料充分混合后能为电子交换反应提供不引起严重电压降低的电子通道，即电极材料的电阻不能太大。
（2）高的催化活性：实现催化反应，抑制有害的副反应，能耐受杂质及中间产物的作用而不致较快地中毒失活。
（3）催化剂的电化学稳定性：在实现催化反应的电势范围内催化，表面不至于因电化学反应而“过早地”失去催化活性。
1.电催化剂（电子传递体）
①催化剂的结构与组成。
②催化剂的氧化-还原电势。
③催化剂的载体对电催化活性也有很大影响。
2.影响电催化因素：
1．纳米Fe2O3在常压电化学法合成氨过程中起催化作用。该电解装置如图所示。已知熔融NaOH—KOH为电解液，Fe2O3在发生反应时生成中间体Fe。下列说法正确的是（ ）
A．惰性电极Ⅱ是电解池的阴极，发生还原反应
B．产生2.24 L O2时，转移的电子数为0.4NA
C．惰性电极Ⅰ的电极反应：Fe2O3＋3H2O－6e－＝2Fe＋6OH－
D．生成氨气的反应：2Fe＋N2＋3H2O＝Fe2O3＋2NH3
迁移应用
阳极
阴极


D


2．（2019年全国卷Ⅲ卷28题节选）近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。
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的工艺方案，主要包括电化学过程和化学过程，如图所示：
负极区发生的反应有________________________________________________________（写反应方程式）。
电路中转移1 mol电子，需消耗氧气___________L（标准状况）。
迁移应用
Fe3＋＋e－＝Fe2＋，4Fe2＋＋O2＋4H＋＝4Fe3＋＋2H2O　
5.6
阳极
阴极
迁移应用
3. （2022年河北卷12题）科学家研制了一种在较低电压下获得氧气和氢气的电化学装置。工作原理示意图如下。下列说法正确的是（ ）
A．电极b为负极
B．隔膜为阴离子交换膜
C．生成气体M与N的物质的量之比为2:1
D．反应室Ⅰ中反应的离子方程式为4Fe(CN)63—+4OH— 4Fe(CN)64—+O2↑+2H2O
阳极：[Fe(CN)6]4——e—= [Fe(CN)6]3—
阴极：2H2O +2e—+DHPS =DHPS-2H+ 2OH—
4Fe(CN)63—+4OH— 4Fe(CN)64—+O2↑+2H2O
DHPS-2H DHPS+H2 ↑
OH—
O2
H2


BD


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分析电化学装置的思维模型
关注催化循环，若有必要，写出催化剂参与反应的方程式。
解决计算问题时，注意守恒法的运用。第15讲—电化学装置中的催化剂
1．（2023年湖南卷8题）葡萄糖酸钙是一种重要的补钙剂，工业上以葡萄糖、碳酸钙为原料，在溴化钠溶液中采用间接电氧化反应制备葡萄糖酸钙，其阳极区反应过程如下：
下列叙述错误的是（ ）
A．溴化钠起催化和导电作用
B．每生成1mol葡萄糖酸钙，理论上电路中转移了2mol电子
C．葡萄糖酸能通过分子内反应生成含有六元环状结构的产物
D．葡萄糖能发生氧化、还原、取代、加成和消去反应
2．（2024年吉林卷12题）“绿色零碳”氢能前景广阔。为解决传统电解水制“绿氢”阳极电势高、反应速率缓慢的问题，科技工作者设计耦合HCHO高效制H2的方法，装置如图所示。部分反应机理为：。下列说法错误的（ ）
A. 相同电量下H2理论产量是传统电解水的1.5倍
B. 阴极反应：2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑
C 电解时OH－通过阴离子交换膜向b极方向移动
阳极反应：2HCHO-2e－ ＋4OH－=HCOO－＋2H2O＋H2↑
3．（2023年江苏南通市高三一模）一种将CO2催化转化为C2H4的电化学装置如图所示。下列说法正确的是（ ）
A．该装置工作过程中化学能转化为电能
B．铂电极发生的反应为2CO2＋12H＋－12e－===C2H4＋4H2O
C．工作过程中玻碳电极区溶液的pH增大
D．每产生标准状况下11.2 L O2时，理论上有2 mol H＋通过质子交换膜
4．（2023年成都市高三一诊）某种电催化法以CoP、Ni2P为催化电极合成腈类化合物(RCN)和偶氮化合物(R—N===N—R)，装置示意图如图。下列说法错误的是（ ）
A．左侧电极的电势比右侧的高，且发生氧化反应
B．阴极发生反应：
C．OH－从右侧经过阴离子交换膜向左侧移动
D．每当合成得到1 mol RCN，同时合成1 mol R—N===N—R
5．（2023年苏州市高三质量调研）科学家设计了一种以Cu和CuS为电极的可循环电池，电解质为AlCl3等溶液，其工作原理如图所示，充电时，Cl－向CuS电极方向移动，下列说法正确的是（ ）
A．放电时电极上产生Al3＋进入溶液
B．放电时Cu电极上的反应为Cu＋e－＋2Cl－===[CuCl2]－
C．充电时CuS电极连接电源的正极
D．当0.15 mol Cu转化成[CuCl2]－时，溶液中Al3＋减少0.1 mol
6．（2018年全国Ⅰ卷13题）最近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。示意图如下所示，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：
①EDTA—Fe2+—e—＝EDTA—Fe3+
②2EDTA—Fe3++H2S＝2H++S+2EDTA—Fe2+
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+H2O
B．协同转化总反应：CO2+H2S＝CO+H2O+S
C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D．若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA—Fe3+/EDTA—Fe2+，溶液需为酸性
7．（2022年汕头模拟）2021年3月5日，李克强总理在国务院政府报告中指出，扎实做好碳达峰、碳中和各项工作。科研工作者通过开发新型催化剂，利用太阳能电池将工业排放的CO2转化为CO，实现节能减排的目标。如图所示，下列有关说法正确的是（ ）
A．N极为阴极
B．离子交换膜为阴离子交换膜
C．阳极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋＝CO＋H2O
D．理论上该装置在工作时，H3PO4与KH2PO4缓冲溶液的pH保持不变
8．（2020年天津模拟）在混合导体透氧膜反应器中只需一步就可同时制备氨合成气（N2、H2）和液体燃料合成气（CO、H2），其工作原理如图所示，下列说法错误的是（ ）
A．膜Ⅰ侧发生的反应为H2O+2e—＝H2↑+O2—、O2+4e—＝2O2—
B．膜Ⅱ侧相当于原电池的负极
C．膜Ⅱ侧发生的反应为CH4+O2——2e—＝2H2+CO
D．膜Ⅱ侧每消耗1 mol CH4，膜Ⅰ侧一定生成1 mol H2
9．近年来AIST报告正在研制一种“高容量、低成本”锂—铜空气燃料电池。该电池通过一种复杂的铜腐蚀现象产生电流，其中放电过程为2Li+Cu2O+H2O＝2Cu+2Li++2OH—，下列说法正确的是（ ）
A．放电时，正极的电极反应式为O2+2H2O+4e—＝4OH—
B．通空气时，铜被腐蚀，表面产生Cu2O
C．放电时，Cu极区域水溶液的pH减小
D．放电过程中，电子由锂电极经过锗酸锌锂固体电解质到达铜电极
10．（2021年广东省“六校联盟”试题）近日，电催化固氮领域取得重要进展，利用双功能催化剂可实现室温条件下电催化氮气还原制备氨气、氧化制备硝酸盐。装置如图所示：
下列说法错误的是（ ）
A．工作时，电子流入a极
B．阳极区的电极反应为N2+6H2O—10e—＝2NO+12H+
C．阳极区和阴极区消耗的 N2的质量之比为 5∶3
D．该离子交换膜应使用阴离子交换膜
11．工业吸收H2S气体后的FeCl3溶液的再生过程可降解酸性污水中的硝酸盐，其工作原理如图所示。下列说法正确的是（ ）
A．溶液M中的溶质为FeCl2
B．电极a为阳极
C．电极b上的反应为2NO+10e—+6H2O＝N2↑+12OH—
D．随电解的进行，阴极区溶液pH增大
12．（2021年河南省六市高三联考）在直流电场作用下，双极膜能将水解离为H+和OH—，并实现其定向通过。工业上用双极膜电解槽电解糠醛溶液同时制备糠醇和糠酸盐，电解时，MnO2/MnOOH在电极与糠醛之间传递电子，电解过程如图所示，下列说法不正确的是（ ）
A．A接直流电源的负极，糠醛得到电子被还原为糠醇
B．电解时，阳极反应为MnOOH—e—+OH—＝MnO2+H2O
C．生成糠酸盐的反应为+2MnO2+OH—→+2MnOOH
D．通电时双极膜将水解离为H+和OH—，OH—向阴极室方向移动
13．（2022年全国乙卷）Li—O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电Li—O2电池（如图所示）。光照时，光催化电极产生电子（e—）和空穴（h+），驱动阴极反应（Li++e—＝Li）和阳极反应（Li2O2+2h+＝2Li++O2）对电池进行充电。下列叙述错误的是（ ）
A．充电时，电池的总反应Li2O2＝2Li+O2
B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C．放电时，Li+从正极穿过离子交换膜向负极迁移
D．放电时，正极发生反应O2+2Li++2e—＝Li2O2
14.王浩天教授团队发明的制取H2O2 的绿色方法原理如图所示（已知：H2O2H＋＋HO，Ka＝2.4×10—12）。下列说法不正确的是（ ）
A．b极上的电极反应为O2＋H2O－2e－＝HO＋OH－
B．X 膜为选择性阳离子交换膜
C．催化剂可促进反应中电子的转移，加快反应速率
D．每生成1 mol H2O2，电路中转移4 mol e－
15.我国科学家在天然气脱硫研究方面取得了新进展，利用如图装置可发生反应：H2S＋O2＝H2O2＋S↓，已知甲池中发生的反应为
下列说法不正确的是（ ）
A．甲池中碳棒上发生的电极反应式为AQ＋2H＋＋2e－＝H2AQ
B．乙池溶液中发生的反应为H2S＋I＝3I－＋S↓＋2H＋
C．该装置将电能转化为光能
D．H＋从甲池移向乙池
16.某污水处理厂利用微生物电池将镀铬废水中的Cr2O催化还原，其工作原理如下图所示。下列说法不正确的是（ ）
A．电池工作过程中电子由b极流向a极
B．b极反应式：Cr2O+6e—+14H+＝2Cr3++7H2O
C．电池工作过程中a极区附近溶液的pH增大
D．每处理1 mol Cr2O，可生成33.6 L（标况下）CO2
17.电－Fenton法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术，反应原理如图所示。电解产生的H2O2与Fe2＋发生反应生成的羟基自由基（·OH）能氧化降解有机污染物。下列说法错误的是（ ）
A．电源的A极为负极
B．与电源B极相连电极的电极反应式为H2O－e－＝H＋＋·OH
C．Fenton反应为H2O2＋Fe2＋＝Fe(OH)2＋＋·OH
D．每消耗1mol L O2，整个电解池中理论上可产生2 mol·OH
18.（2020年北京卷15题节选）已知反应2H2O2＝2H2O＋O2↑能自发进行，反向不能自发进行，通过电解可以实现由H2O和O2为原料制备H2O2，下图为制备装置示意图。
①a极的电极反应式是________________________________________。
②下列说法正确的是________。
A．该装置可以实现电能转化为化学能
B．电极b连接电源负极
C．该方法相较于早期制备方法具有原料廉价，对环境友好等优点
19.按要求回答下列问题
（1）有人研究了用电化学方法把CO2转化为CH3OH，其原理如图1所示：
则图中A电极接电源________极。已知B电极为惰性电极，则在水溶液中，该极的电极反应式为____________________________________________________________________。
（2）以连二亚硫酸盐（S2O）为还原剂脱除烟气中的NO，并通过电解再生，装置如图2所示。阴极的电极反应式为_____________________________，电解槽中的隔膜为____________（填“阳”或“阴”）离子交换膜。
第15讲—电化学装置中的催化剂答案及解析
1.【答案】B
【解析】A．由图中信息可知，溴化钠是电解装置中的电解质，其电离产生的离子可以起导电作用，且Br-在阳极上被氧化为Br2，然后Br2与H2O反应生成HBrO和Br-，HBrO再和葡萄糖反应生成葡萄糖酸和Br-，溴离子在该过程中的质量和性质保持不变，因此，溴化钠在反应中起催化和导电作用，A说法正确；B．由A中分析可知，2molBr-在阳极上失去2mol电子后生成1molBr2，1molBr2与H2O反应生成1molHBrO，1molHBrO与1mol葡萄糖反应生成1mol葡萄糖酸，1mol葡萄糖酸与足量的碳酸钙反应可生成0.5 mol葡萄糖酸钙，因此，每生成1 mol葡萄糖酸钙，理论上电路中转移了4 mol电子，B说法不正确；C．葡萄糖酸分子内既有羧基又有羟基，因此，其能通过分子内反应生成含有六元环状结构的酯，C说法正确；D．葡萄糖分子中的1号C原子形成了醛基，其余5个C原子上均有羟基和H；醛基上既能发生氧化反应生成羧基，也能在一定的条件下与氢气发生加成反应生成醇，该加成反应也是还原反应；葡萄糖能与酸发生酯化反应，酯化反应也是取代反应；羟基能与其相连的C原子的邻位C上的H（β－H）发生消去反应；综上所述，葡萄糖能发生氧化、还原、取代、加成和消去反应，D说法正确；综上所述，本题选B。
2.【答案】D
【解析】A．由以上分析可知，阳极反应：①HCHO+OH--e-→HCOOH+ H2，②HCOOH+OH-=HCOO-+H2O，阴极反应2H2O-2e-=H2↑+2OH-，即转移2mol电子时，阴、阳两极各生成1molH2，共2molH2，而传统电解水：，转移2mol电子，只有阴极生成1molH2，所以相同电量下H2理论产量是传统电解水的2倍，故A错误；B．阴极水得电子生成氢气，阴极反应为2H2O-2e-=H2↑+2OH-，故B正确；C．由电极反应式可知，电解过程中阴极生成OH-，负电荷增多，阳极负电荷减少，要使电解质溶液呈电中性，OH-通过阴离子交换膜向阳极移动，即向b极方向移动，故C正确；D．由以上分析可知，阳极反应涉及到：①HCHO+OH--e-→HCOOH+ H2，②HCOOH+OH-=HCOO-+H2O，由(①+②)×2得阳极反应为：2HCHO-2e－ ＋4OH－=HCOO－＋2H2O＋H2↑，故D正确；答案选A。
3.【答案】D
【解析】由图可知，该装置为电解池，电能转化为化学能，A错误；铂电极二氧化碳得到电子发生还原反应生成乙烯，发生的反应为2CO2＋12H＋＋12e－＝C2H4＋4H2O，B错误；工作过程中玻碳电极反应为2H2O－4e－＝4H＋＋O2↑，H＋通过质子交换膜移向阴极，总反应为2CO2＋2H2O＝C2H4＋3O2，反应消耗水，若阳极区溶液呈酸性，则pH减小，呈中性则pH不变，C错误。
4.【答案】D
【解析】由题图中各物质转化可知，Ni2P极为阳极，CoP极为阴极。阳极反应式为R—CH2NH2－4e－＋4OH－＝R—CN＋4H2O，阴极反应式为，根据得失电子守恒，每当合成得到1 mol RCN，同时合成0.5 mol R—N===N—R，故D错误。
5.【答案】C
【解析】由充电时，氯离子向硫化铜电极方向移动可知，充电时，CuS电极作阳极，Cu电极作阴极；放电时，铜电极为负极，铜失去电子，发生氧化反应，生成二氯合亚铜离子，电极反应式为Cu－e－＋2Cl－＝[CuCl2]－，硫化铜电极为正极，发生还原反应，电极反应式为CuS＋3xe－＋xAl3＋＝AlxCuS。由分析可知，放电时，当0.15 mol铜转化成二氯合亚铜离子时，溶液中铝离子减少的物质的量为0.05 mol，故A、B、D错误。
6.【答案】C
【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，电解时阴极反应式为CO2+2H++2e—＝CO+H2O，A项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2+H2S＝CO+H2O+S，B项正确；阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高，C项错误； Fe3+、Fe2+只能存在于酸性溶液中，D项正确。
7.【答案】D
【解析】由图分析可知该装置为电解池，N极上H2O失电子生成O2，反应式为2H2O—4e—＝O2↑+4H+，因此该电极为阳极，A项错误；阳极上生成的H+通过缓冲溶液和离子交换膜迁移到阴极参加电极反应 CO2+2e—+2H+＝CO+H2O，因此离子交换膜为阳离子交换膜，B项错误；CO2在阴极被还原，转化为CO，C项错误；根据电子守恒和阴、阳极电极反应可知，缓冲溶液流入阴极的H＋和阳极流入缓冲溶液的H＋数目相等，故缓冲溶液中c(H＋)保持不变，故pH保持不变，D项正确。
8.【答案】D
【解析】由图可知，膜Ⅰ侧H2O和O2在正极均发生还原反应，可写出其电极反应式为H2O+2e—＝H2↑+O2—、O2+4e—＝2O2—，A项正确；原电池中阴离子由正极向负极移动，结合题图中O2—的移动方向可知，膜Ⅰ侧相当于原电池的正极，膜Ⅱ侧相当于原电池的负极，B项正确；膜Ⅱ侧CH4发生氧化反应，其电极反应式为CH4+O2——2e—＝2H2+CO，C项正确；膜Ⅰ侧发生的反应为H2O+2e—＝H2↑+O2—、O2+4e—＝2O2—，膜Ⅱ侧发生的反应为CH4+O2— —2e—＝2H2+CO，则膜Ⅱ侧每消耗1 mol CH4，膜Ⅰ侧生成的H2小于1 mol，D项错误。
9.【答案】B
【解析】放电时，正极上并非是O2直接放电，正极的电极反应式为Cu2O+H2O+2e—＝2Cu+2OH—，A项错误；通空气时，Cu被空气中的O2氧化腐蚀，表面产生Cu2O，B项正确；放电时，Cu电极上发生反应为Cu2O+H2O+2e—＝2Cu+2OH—，该区域水溶液中c(OH—)增大，pH增大，C项错误；放电过程中，电子由锂电极通过外电路导线经过负载到达铜电极，电子无法在有机电解质和锗酸锌锂固体电解质中传递，D项错误。
10.【答案】CD
【解析】由图可知，a极上N2转化成NH3，发生还原反应，该电极为阴极，电子由电源负极流入阴极，A项正确；阳极上是N2失电子生成HNO3，电极反应为N2+6H2O—10e—＝2NO+12H+，B项正确；由图可知，阴极（a极）：N2→2NH3时得到6e—，阳极（b极）：N2→2NO时失去10e—，根据电子守恒可知阳极区和阴极区消耗的 N2 的质量之比为 3∶5，C项错误；阳极反应生成的H+通过离子交换膜进入阴极室参与阴极反应，电极反应式为N2+6e—+6H+＝2NH3，因此该离子交换膜应使用质子交换膜，D项错误。
11.【答案】BD
【解析】H2S气体通入FeCl3溶液中，发生反应的方程式为H2S +2FeCl3＝2HCl+S↓+2FeCl2，因此溶液M中的溶质为HCl和FeCl2，A项错误；惰性电极a上Fe2+失电子转化成Fe3+，因此电极q为阳极，B向正确；电极b的反应为NO转变成N2，电极反应式为2NO+10e—+12H+＝N2↑+6H2O，C项错误；由电极b的反应可知，反应消耗12molH+的同时，有10mol H+通过质子交换膜进入阴极室，因此H+浓度减小，pH增大，D项正确。
12.【答案】D
【解析】糠醛转化成糠醇时发生还原反应，反应中糠醛得电子，因此A电极为电解池的阴极，与直流电源的负极相连，A项正确；双极膜中产生的OH—移向右侧阳极室，MnOOH在碱性条件下失去电子发生氧化反应生成MnO2，电极反应式为MnOOH—e—+OH—＝MnO2+H2O，B项正确；由分析可知，阳极生成的MnO2与糠醛发生反应生成糠酸盐和MnOOH，反应的化学方程式为+2MnO2+OH—→+2MnOOH，C项正确；通电时双极膜中H2O解离出的H+向阴极室移动，OH—向阳极室移动，D项错误。
13.【答案】C
【解析】将充电时的阴极反应Li++e—＝Li和阳极反应Li2O2+2h+＝2Li++O2加和，可获得充电时总反应为Li2O2＝2Li+O2，A项正确；光照时光催化电极产生电子（e—）和空穴（h+），电子和空穴参与电极反应，充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，B项正确；放电时，金属Li电极为负极，光催化电极为正极，Li+从负极穿过离子交换膜向正极迁移，C项错误；放电时，O2在正极被还原成Li2O2，因此正极反应为O2+2Li++2e—＝Li2O2，D项正确。
14.【答案】AD
【解析】该装置为原电池装置，通入O2的b极为正极，O2得电子被还原，因此b极上的电极反应式为O2＋H2O＋2e－＝HO＋OH－，A项错误；a极发生反应H2－2e－＝2H＋，生成的H＋通过X膜进入产品室，因此X膜为选择性阳离子交换膜，B项正确；催化剂的使用能够加快反应速率，促进反应中的电子转移，C项正确；氧元素由0价变成－1价，每生成1 mol H2O2时电路中转移2 mol e－，D项错误。
15.【答案】CD
【解析】根据题图中的电子流向可判断出甲池中碳棒是正极，该电极上发生得电子的还原反应，即AQ＋2H＋＋2e－＝H2AQ，A项正确；在乙池中，H2S失电子生成S，I得电子生成I－，发生的反应为H2S＋I＝3I－＋S↓＋2H＋，B项正确；根据题图中信息可知该装置将光能转化为电能和化学能，C项错误；该装置是光化学电池装置，电池工作时阳离子移向正极，甲池中碳棒是正极，所以H＋从乙池移向甲池，D项错误。
16.【答案】AC
【解析】由图分析可知，a极上CH3COOH在微生物催化作用下失电子转化为CO2和H+，发生氧化反应，因此a电极为负极，电池工作过程中电子由a极流向b极，A项错误；b极上Cr2O和H+在微生物催化作用下转化为Cr3+，发生还原反应，电极反应式为Cr2O+6e—+14H+＝2Cr3++7H2O，B项正确；a极的反应式为CH3COOH—8e—+2H2O＝2CO2↑+8H+，因此a极区负极溶液中c(H+)增大，pH减小，C项正确；1 mol Cr2O转化为Cr3+时得6 mol e—，CH3COOH转化为CO2每生成1 mol CO2失4 mol e—，故每处理1 mol Cr2O生成CO2的物质的量为 mol，标准状况下其体积为33.6 L，D项正确。
17.【答案】D
【解析】根据图示，Fe3+在左侧电极得到电子转化为Fe2+，发生还原反应，左端电极为阴极，则A为电源负极，A项正确；B为电源正极，与电源B极相连的电极为阳极，根据图示，水在阳极上失电子产生羟基自由基（·OH），电极反应式为H2O－e－＝H＋＋·OH，B项正确。H2O2与Fe2＋发生反应，生成Fe(OH)2+和·OH，因此Fenton反应为H2O2＋Fe2＋＝Fe(OH)2＋＋·OH，C项正确；电极A上1molO2参与反应时得2mol电子生成1molH2O2，同时1molFe3+得1mol电子转化为Fe2+，然后发生Fenton反应生成1mol·OH，过程中电极上发生3mol电子转移，同时电极B上发生反应生成3mol·OH，因此每消耗1mol L O2，整个电解池中理论上可产生4 mol·OH，D项错误。
18.【答案】①O2＋2H＋＋2e－＝H2O2　②AC
【解析】①O2在a极区得电子被还原成H2O2，电极反应式为O2＋2H＋＋2e－＝H2O2。
②根据图示，该装置属于电解池，电解池是将电能转化为化学能的装置，A项正确；电极b为阳极，与电源正极连接，B项错误；该装置的总反应为2H2O＋O22H2O2，制取双氧水的原料为氧气和水，具有原料来源广泛，原料廉价，对环境友好等优点，C项正确。
19.【答案】（1）负　2H2O—4e—＝4H++O2↑
（2）2SO+4H++2e—＝S2O+2H2O　阳
【解析】（1）CO2在A电极上得电子转化为CH3OH，A电极为阴极，接电源负极。B电极为惰性阳极，该电极的反应式为2H2O—4e—＝4H++O2↑。
（2）阴极上SO得电子生成S2O，电极反应式为2SO+4H++2e—＝S2O+2H2O，阳极上水失电子生成氧气和氢离子，右侧多余的氢离子通过离子交换膜进入左侧，所以电解池中的隔膜为阳离子交换膜。第15讲-电化学装置中的催化剂
知识重构（首行缩进2个汉字，五号，黑体）
1.原电池（以铜锌双液原电池为例）
2.电解池（以惰性电极电解氯化铜溶液为例）
重温经典
1．（2023辽宁卷7题）某无隔膜流动海水电解法制H2的装置如下图所示，其中高选择性催化剂PRT可抑制O2产生。下列说法正确的是（ ）
b端电势高于a端电势
理论上转移2mole 生成4gH2
电解后海水pH下降
D．阳极发生：Cl－+H2O-2e-=HClO+H+
【答案】D
【解析】A．由分析可知，a为正极，b电极为负极，则a端电势高于b端电势，A错误；B．右侧电极上产生氢气的电极方程式为：2H++2e-=H2↑，则理论上转移2mole-生成2gH2，B错误；C．由分析可知，电解的主要总反应为H++Cl-+H2O=HClO+H2↑，电解后海水中H+浓度减小，pH上升，C错误；D由图可知，阳极上的电极反应为：Cl－+H2O-2e-=HClO+H+，D正确；故选D。
2．（2024新课标卷6题）一种可植入体内的微型电池工作原理如图所示，通过CuO催化消耗血糖发电，从而控制血糖浓度。当传感器检测到血糖浓度高于标准，电池启动。血糖浓度下降至标准，电池停止工作。(血糖浓度以葡萄糖浓度计)
电池工作时，下列叙述错误的是（ ）
A. 电池总反应为2C6H12O6+O2=2C6H12O7
B. b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用
C. 消耗18mg葡萄糖，理论上a电极有0.4mmol电子流入
D. 两电极间血液中的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a
【答案】C
【解析】A．由题中信息可知，当电池开始工作时，a电极为电池正极，血液中O2的在a电极上得电子生成OH－，电极反应式为O2+4e +2H2O=4OH－；b电极为电池负极，Cu2O 在b电极上失电子转化成CuO，电极反应式为Cu2O 2e +2OH－=2CuO+H2O，然后葡萄糖被CuO氧化为葡萄糖酸，CuO被还原为Cu2O，则电池总反应为2C6H12O6+O2=2C6H12O7，A正确；B．b电极上CuO将葡萄糖被CuO氧化为葡萄糖酸后被还原为Cu2O，Cu2O在b电极上失电子转化成CuO，在这个过程中CuO的质量和化学性质保持不变，因此，CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用，B正确；C．根据反应2C6H12O6+O2=2C6H12O7可知，1molC6H12O6参加反应时转移2 mol电子，18mg C6H12O6的物质的量为0.1 mmol，则消耗18 mg葡萄糖时，理论上a电极有0.2 mmol电子流入，C错误；D．原电池中阳离子从负极移向正极迁移，故Na+迁移方向为b→a，D正确。综上所述，本题选C。
3．（2024山东卷13题）以不同材料修饰的Pt为电极，一定浓度的NaBr溶液为电解液，采用电解和催化相结合的循环方式，可实现高效制H2和O2，装置如图所示。下列说法错误的是（ ）
A. 电极a连接电源负极
B. 加入Y的目的是补充NaBr
C. 电解总反应式为
D. 催化阶段反应产物物质的量之比
【答案】B
【解析】A．根据分析，电极a阴极，连接电源负极，A项正确；B．根据分析电解过程中消耗H2O和Br-，而催化阶段BrO3-被还原成Br-循环使用，故加入Y的目的是补充H2O，维持NaBr溶液为一定浓度，B项错误；C．根据分析电解总反应式为，C项正确；D．催化阶段，Br元素的化合价由+5价降至-1价，生成1molBr-得到6mol电子，O元素的化合价由-2价升至0价，生成1molO2失去4mol电子，根据得失电子守恒，反应产物物质的量之比n(O2) ∶n(Br-)=6∶4=3∶2，D项正确；答案选B。
4．（2024湖北卷14题）我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂，用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸，原理如图，双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中，甲醛转化为HOCH2O ，存在平衡HOCH2O-+OH－ [OCH2O]2-+H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e－=HCOO－+H·。下列说法错误的是（ ）
A. 电解一段时间后阳极区c(OH-)减小
B. 理论上生成1molH3N+CH2COOH双极膜中有4molH2O解离
C. 阳极总反应式为2HCHO+4OH- -2e-=2HCOO-+H2↑+2H2O
D. 阴极区存在反应H2C2O4+2H++2e-=CHOCOOH+H2O
【答案】B
【解析】A．根据分析，电解过程中，阳极区消耗OH-、同时生成H2O，故电解一段时间后阳极区c(OH-)减小，A项正确；B．根据分析，阴极区的总反应为H2C2O4+HO—N+H3+6e-+6H+= H3N+CH2COOH+3H2O，1molH2O解离成1molH+和1molOH-，故理论上生成1molH3N+CH2COOH双极膜中有6molH2O解离，B项错误；C．根据分析，结合装置图，阳极总反应为2HCHO-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2O，C项正确；D．根据分析，阴极区的Pb上发生反应H2C2O4+2e-+2H+=OHC—COOH+H2O，D项正确；答案选B。
5．（2019新课标全国Ⅰ卷）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，示意图如下所示。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NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
【答案】B
【解析】该方法在室温下以氢化酶和固氮酶作催化剂，利用生物燃料电池原理进行氨的合成，同时将化学能转化为电能，相比现有工业合成氨，该方法条件温和，且可提供电能，A项正确；MV+在左侧电极失电子发生氧化反应生成MV2+，电极反应式为MV+ e ＝MV2+，因此左侧电极为负极，放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+，反应的方程式为H2+2MV2+＝2H++2MV+，该区域为阳极区（负极区），B项错误；右室为正极区（阴极区），MV2+在正极得电子发生还原反应生成MV+，电极反应式为MV2++e ＝MV+，放电生成的MV+与N2在固氮酶的催化作用下反应生成NH3和MV2+，C项正确；电池工作时，氢离子（即质子）通过交换膜由负极区向正极区移动，D项正确。
6．（2021年八省联考辽宁卷9题）在N-羟基邻苯二甲酰亚胺（NHPI）介质中，可实现醇向醛的转化，原理如图。下列说法错误的是（ ）
A．理论上NHPI的总量在反应前后不变
B．海绵Ni电极作阳极
C．总反应为＋H2↑
D．每消耗1 mmol苯甲醇，产生22.4 mL氢气
【答案】D
【解析】该装置中同时发生Ni3＋＋NHPI→Ni2＋＋PINO、＋PINO→＋NHPI两个反应，NHPI是以上两反应的总反应的催化剂，理论上NHPI的总量在反应前后不变，A项正确；由装置分析可知，该装置为电解池，Ni2＋在海绵Ni电极失去电子生成Ni3＋，发生氧化反应，则海绵Ni为阳极，B项正确；该电解池中Ni2＋、Ni3＋、NHPI、PINO均循环使用，根据物质转化关系配平总反应的化学方程式为＋H2↑，C项正确；题中未指明标准状况，无法计算生成H2的体积，D项错误。
7．（2021年全国甲卷13题）乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是（ ）
A．KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用
B．阳极上的反应式为：＋2H＋＋2e－→＋H2O
C．制得2 mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1 mol电子
D．双极膜中间层中的H＋在外电场作用下向铅电极方向迁移
【答案】D
【解析】KBr在上述电化学合成过程中除作电解质外，同时还是电解过程中阳极的反应物，生成的Br2为乙二醛制备乙醛酸的中间产物，A项错误；阳极上Br－失去电子生成Br2，Br2将乙二醛氧化为乙醛酸，B项错误；电解过程中阴、阳极均生成乙醛酸，1 mol乙二酸生成1 mol乙醛酸转移2 mol电子，1 mol乙二醛生成1 mol乙醛酸转移2 mol电子，根据电子守恒可知制得2 mol乙醛酸时，理论上外电路中迁移了2 mol电子，C项错误；双极膜中间层的H＋在外电场作用下移向阴极，即H＋移向铅电极，D项正确。
三、模型建构
1.电催化剂（电子传递体）
电催化剂必须具备的性能：
（1）催化剂有一定的电子导电性：与导电材料充分混合后能为电子交换反应提供不引起严重电压降低的电子通道，即电极材料的电阻不能太大。
（2）高的催化活性：实现催化反应，抑制有害的副反应，能耐受杂质及中间产物的作用而不致较快地中毒失活。
（3）催化剂的电化学稳定性：在实现催化反应的电势范围内催化，表面不至于因电化学反应而“过早地”失去催化活性。
2.影响电催化因素：
①催化剂的结构与组成。
②催化剂的氧化-还原电势。
③催化剂的载体对电催化活性也有很大影响。
3.迁移应用
1．纳米Fe2O3在常压电化学法合成氨过程中起催化作用。该电解装置如图所示。已知熔融NaOH—KOH为电解液，Fe2O3在发生反应时生成中间体Fe。下列说法正确的是（ ）
A．惰性电极Ⅱ是电解池的阴极，发生还原反应
B．产生2.24 L O2时，转移的电子数为0.4NA
C．惰性电极Ⅰ的电极反应：Fe2O3＋3H2O－6e－＝2Fe＋6OH－
D．生成氨气的反应：2Fe＋N2＋3H2O＝Fe2O3＋2NH3
【答案】D
【解析】惰性电极Ⅱ产生氧气O2，氧元素化合价升高，发生氧化反应，故惰性电极Ⅱ为电解池的阳极，A项错误；产生2.24 L O2，未标注标准状态，故不能计算转移的电子数，B项错误；根据图示可知，惰性电极Ⅰ为阴极，电解过程中Fe2O3得电子，电极反应式为Fe2O3＋3H2O＋6e－＝2Fe＋6OH－，C项错误；结合图示及阴极的电极反应式可知，生成氨气的反应为2Fe＋N2＋3H2O＝Fe2O3＋2NH3，D项正确。
2．（2019年全国卷Ⅲ卷28题节选）近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。
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的工艺方案，主要包括电化学过程和化学过程，如图所示：
负极区发生的反应有_________________________________________________（写反应方程式）。电路中转移1 mol电子，需消耗氧气___________L（标准状况）。
【答案】Fe3＋＋e－＝Fe2＋，4Fe2＋＋O2＋4H＋＝4Fe3＋＋2H2O　5.6
【解析】该装置为电解池，负极区即为阴极区，发生还原反应Fe3＋＋e－＝Fe2＋，生成的Fe2＋又被氧气氧化成Fe3＋，发生反应4Fe2＋＋O2＋4H＋＝4Fe3＋＋2H2O，由反应可知电路中转移4 mol电子消耗1 mol O2，则转移1 mol电子消耗 molO2，其在标准状况下的体积为 mol×22.4 L·mol－1＝5.6 L。
3. （2022年河北卷12题）科学家研制了一种在较低电压下获得氧气和氢气的电化学装置。工作原理示意图如下。下列说法正确的是（ ）
A．电极b为负极
B．隔膜为阴离子交换膜
C．生成气体M与N的物质的量之比为2:1
D．反应室Ⅰ中反应的离子方程式为4Fe(CN)63—+4OH—4Fe(CN)64—+O2↑+2H2O
【答案】BD
【解析】该装置为电解池装置，电极a上发生反应[Fe(CN)6]4——e—= [Fe(CN)6]3—，是电解池的阳极，电极b上发生反应2H2O +2e—+DHPS =DHPS-2H+ 2OH—，是电解池的阴极，A项错误；阴极室产生的OH—通过隔膜进入阳极室，在反应器Ⅰ中参与反应，B项正确；反应室Ⅰ中Fe(CN)63—和4OH—在催化剂作用下发生反应生成气体M为O2，反应器Ⅱ中DHPS-2H在催化剂作用下释放出气体N为H2，根据守恒关系，二者的物质的量之比为1:2，C项错误；配平可得，反应室Ⅰ中反应的离子方程式为4Fe(CN)63—+4OH—4Fe(CN)64—+O2↑+2H2O，D项正确。
四、名师导学
1.分析电化学装置的思维模型
2.关注催化循环，若有必要，写出催化剂参与反应的方程式。
3.解决计算问题时，注意守恒法的运用。

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