资源简介 (共40张PPT)2025新高考化学二轮重点专题第6讲新型电池和电解原理的应用contents目录01考向分析010203知识重构重温经典04模型建构考向分析PART 0101《普通高中化学课程标准》2020年修订版中，对电化学知识的学业要求为：“能分析、解释原电池和电解池的工作原理，能设计简单的原电池和电解池；能列举常见的化学电源，并利用相关信息分析化学电源的工作原理。”课标要求加强学生对原电池和电解池工作原理的理解，认识电极材料、电极反应、离子导体、电子导体是电化学体系的基本要素，创建对电化学过程的系统分析思路，提升学生对电化学本质的理解。课标解读考点统计卷别 呈现形式 考察元素 考点分布电极判断 电子、离子 移动方向 方程式书写 氧还分析、电解液分析 守恒计算 离子交换膜 反应历程、电催化北京 图文结合 普通锌锰电池 √ √ √ √ 江苏 图文结合 碱性锌锰电池 √ √ √ √ √ 全国甲 图文结合 MnO2-Zn二次电池 √ √√ √ 安徽 图文结合 水系锌电池 √ √ √ √新课标 图文结合 葡萄糖电池 √ √ √ √河北 图文结合 Mg-CO2二次电池 √ √ √ √ √ 湖北 图文结合 电解合成甘氨酸 √√ √ √ √辽宁 图文结合 电解HCHO制H2 √ √√ √ √ √湖南 图文结合 电解合成K4C6N16 √ √ √ √√ 广东 图文结合 电解湿法冶铁 √ √ √√ √ 甘肃 图文结合 固体电解池 √ √ √ √ 山东 图文结合 电解催化制H2和O2 √ √ √ √ √贵州 图文结合 光催化污水处理 √ √ √考向分析电子流向、离子流向 守恒计算、电解液浓度分析等离子交换膜的应用 与反应历程、电催化的融合电极分析(副反应)及电极反应方程式的书写理想模型→真实情境：电极新材料、电极(副)反应、反应历程、电催化机理分析知识重构PART 0202装置(原电池：化学能→电能)单池负极正极e-阴离子阳离子①电势高低②电极材料活性③电子、离子流向④氧还分析(得失电子、价态变化)离子导体：电解质溶液(或熔液或多孔固体电解质)中离子迁移传递电荷，氧化性强或还原性强的粒子在两极得失电子，由离子导体转化为电子导体。电子导体： n(e-)=Q/F mol=It/F mol，F为法拉第常量，常取96500 C/mol知识梳理离子传递电荷不仅与溶液(或熔液或多孔固体电解质，包括盐桥)电极间的距离有关，而且与离子的电荷、离子的迁移速率等因素有关。装置(原电池：化学能→电能)单池双池负极正极e-阴离子阳离子①电势高低②电极材料活性③电子、离子流向④氧还分析(得失电子、价态变化)优点：①物理隔离氧化剂和还原剂，减少副反应的发生，提高能量转化效率。②减少单液原电池中，电极表面的极化现象，提高电池效率。副反应极化现象作用：①连接内电路，形成离子通道，构成闭合回路；②平衡电荷，产生持续稳定的电流。知识梳理装置(电解池：电能→化学能)放电顺序：阳极(失电子能力)：活性金属材料电极(除Au、Pt)>S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根离子＞F－。S2－、I－、Br－、Cl－放电，产物分别是S、I2、Br2、Cl2；若OH－放电，则得到H2O和O2。阴极(得电子能力)：阴极材料只起导电作用Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca2＋＞K＋知识梳理教材模型梳理常见一次化学电源苏教版化学反应原理P18页【例1】(2024·北京卷T3)酸性锌锰干电池的构造示意图如下。关于该电池及其工作原理，下列说法正确的是( )A．石墨作电池的负极材料 B．电池工作时，NH4+向负极方向移动C．MnO2发生氧化反应 D．锌筒发生的电极反应为Zn-2e- = Zn2＋D【例2】(2024·江苏卷T8)碱性锌锰电池的总反应为Zn+2MnO2+H2O= ZnO+2MnOOH，电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是( )A．电池工作时，MnO2发生氧化反应B．电池工作时，OH-通过隔膜向正极移动C．环境温度过低，不利于电池放电D．反应中每生成1mol MnOOH，转移电子数为2×6.02×10-23C离子迁移氧还分析电极反应守恒计算教材模型梳理常见二次化学电源人教版化学反应原理P97页【例】(2023 辽宁卷T11)某低成本储能电池原理如下图所示。下列说法正确的是( )A．放电时负极质量减小B．储能过程中电能转变为化学能C．放电时右侧H+通过质子交换膜移向左侧D．充电总反应：Pb+SO42-+2Fe3+=PbSO4+2Fe2+B放电：2Fe3++2e-=2Fe2+储能:电能→化学能，为电解池。放电：Pb+SO42-+2Fe3+=PbSO4+2Fe2+正极，右侧教材模型梳理教材中离子交换膜的引入人教版化学反应原理P98页 人教版化学反应原理P104页离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。选择性地通过某些离子或阻止某些离子来隔离某些物质，又称离子选择透过性膜。防止H2、O2混合引起爆炸。将两极区隔离，阻止两极区的物质接触，防止发生化学反造成产物不纯选择性通过离子，平衡电荷、形成闭合回路2Cl―-2e― =Cl2↑2H2O+2e― =H2↑+2OH―种类 允许通过的离子及移动方向阳离子交换膜 阳离子→移向电解池的阴极或原电池的正极阴离子交换膜 阴离子→移向电解池的阳极或原电池的负极质子交换膜 质子→移向电解池的阴极或原电池的正极双极膜 膜内水电离出H＋和OH－，H＋移向阴极，OH－移向阳极教材模型梳理教材中离子交换膜的引入离子交换膜分类【例2】（2024·广东卷）一种基于氯碱工艺的新型电解池(下图)，可用于湿法冶铁的研究。电解过程中，下列说法不正确的是A．阳极反应：2Cl―-2e―=Cl2↑B．阴极区溶液中OH―浓度逐渐升高C．理论上每消耗1mol Fe2O3，阳极室溶液减少213gD．理论上每消耗1mol Fe2O3，阴极室物质最多增加138g【例1】（2023·浙江6月T13）氯碱工业能耗大，通过如图改进的设计可大幅度降低能耗，下列说法不正确的是A．电极A接电源正极，发生氧化反应B．电极B的电极反应式为：2H2O+2e―=H2↑+2OH―C．应选用阳离子交换膜，在右室获得浓度较高的NaOH溶液D．改进设计中通过提高电极B上反应物的氧化性来降低电解电压，减少能耗2Cl―-2e― =Cl2↑O2+4e―+2H2O=4OH―Na+阴极阳极BC加强对教材中装置模型的深入理解和挖掘！2Cl―-2e― =Cl2↑Fe2O3+6e―+3H2O=2Fe+6OH―阴极阳极Na+6mol阳极室减少：3×71g+6×23g=351g阴极室物质最多增加：6×23g=138g重温经典PART 0303重温经典，感悟高考【例1】（2024·甘肃卷）某固体电解池工作原理如图所示，下列说法错误的是A．电极1的多孔结构能增大与水蒸气的接触面积B．电极2是阴极，发生还原反应：O2+4e- =2O2-C．工作时O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2D．理论上电源提供2mol e-能分解1mol H2O【例2】(2024·安徽卷T11)我国学者研发出一种新型水系锌电池，其示意图如下。该电池分别以Zn-TCPP (局部结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和Zn为电极，以ZnSO4和KI混合液为电解质溶液。下列说法错误的是A．标注框内所示结构中存在共价键和配位键B．电池总反应为：I3-+Zn Zn2++3I-C．充电时，阴极被还原的Zn2+主要来自Zn-TCPPD．放电时，消耗0.65 g Zn，理论上转移0.02 mol电子对电极、电极反应的考查—电极材料的影响2H2O+4e- =2H2+2O2-2O2--4e- =O2阳极阴极BZn-2e- =Zn2＋I3-+2e- =3I-正极负极Zn2+C增强吸附效果，提高电池效率！重温经典，感悟高考对电极、电极反应的考查—电解质环境的影响【例1】(2022·北京卷)利用下图装置进行铁上电镀铜的实验探究。装置示意图 序号 电解质溶液 实验现象 ① 0.1 mol/L CuSO4＋少量H2SO4 阴极表面有无色气体，一段时间后阴极表面有红色固体，气体减少。经检验电解液中有Fe2＋② 0.1 mol/L CuSO4＋过量氨水 阴极表面未观察到气体，一段时间后阴极表面有致密红色固体。经检验电解液中无Fe元素下列说法不正确的是( )A．①中气体减少，推测是由于溶液中c(H＋)减少，且Cu覆盖铁电极，阻碍H＋与铁接触B．①中检测到Fe2＋，推测可能发生反应：Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑、Fe＋Cu2＋=Fe2＋＋CuC．随阴极析出Cu，推测②中溶液c(Cu2＋)减少，Cu2＋＋4NH3 [Cu(NH3)4]2＋平衡逆移D．②中Cu2＋生成[Cu(NH3)4]2＋，使c(Cu2＋)比①中溶液的小，Cu缓慢析出，镀层更致密Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑Fe＋Cu2＋=Fe2＋＋CuCu-2e― =Cu2＋CCu2＋＋4NH3 [Cu(NH3)4]2＋Cu2＋+2e― =Cu不移动重温经典，感悟高考对电极、电极反应的考查—电解质环境的影响【例2】（2023山东卷T11）利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是A．甲室Cu电极为正极 B．隔膜为阳离子膜C．电池总反应为：Cu2++4NH3=Cu[NH3]42+ D．NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响无电势差CD甲：Cu2+(ag)+4NH3 H2O(ag)=Cu[NH3]42++4H2O有电势差电势降低，负极甲：Cu-2e―+4NH3=Cu[NH3]42+乙：Cu2++2e― =CuCu[NH3]4SO4SO42-如NH3进入乙室，乙室Cu2+浓度降低，浓差电池的电动势减小氧化剂、还原剂浓度的变化，改变了电极电势，影响了电极反应式！重温经典，感悟高考对电极、电极反应的考查—电极副反应的发生【例1】 (2024·全国甲卷T6)科学家使用δ-MnO2研制了一种MnO2-Zn可充电电池(如图所示)。电池工作一段时间后，MnO2电极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列叙述正确的是( )A．充电时，Zn2+向阳极方向迁移B．充电时，会发生反应Zn+2MnO2 =ZnMn2O4C．放电时，正极反应有MnO2+H2O+e- =MnOOH+OH-D．放电时，Zn电极质量减少0.65g，MnO2电极生成了0.020molMnOOH放电(-) ①Zn-2e-=Zn2＋放电(+) ②MnO2+H2O+e- =MnOOH+OH-副反应： ③2MnO2+2e- +Zn2+=ZnMn2O4①+③：放电可能发生的总反应：Zn+2MnO2=ZnMn2O4Zn2+C正极有ZnMn2O4生成，n(MnOOH)<0.020mol0.01mol0.02mol0.02mol重温经典，感悟高考对电极、电极反应的考查—电极副反应的发生【例2】（2023·辽宁卷T7）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2mole-生成4gH2C．电解后海水pH下降 D．阳极发生：Cl-+H2O-2e-=HClO+H+D【例3】（2024·湖南卷）在KOH水溶液中，电化学方法合成高能物质K4C6N16时，伴随少量O2生成，电解原理如图所示，下列说法正确的是( )A．电解时，OH-向Ni电极移动B．生成C6N164-的电极反应：2C3N8H4+8OH--4e-=C6N164-+8H2OC．电解一段时间后，溶液pH升高D．每生成1mol H2的同时，生成0.5mol K4C6N16BCl-+H2O-2e-=HClO+H+2H2O-4e-=O2+4H+2H2O+2e-=H2↑+2OH-HClO+2e-=Cl-+OH-被抑制阴极阳极< 2g升高√2H2O+2e-=H2↑+2OH-阴极阳极2C3N8H4 =C6N164-+ H2O4OH--4e-=O2↑+2H2OOH-+8OH-8-4e-√4mole- ~ 4molOH-降低1molH2 ~ 2 mole-<0.5mol K4C6N16情景不同考法相似重温经典，感悟高考复杂电极反应的书写技巧—守恒书写技巧的应用【例1】（2023·重庆卷第12题）电化学合成是一种绿色高效的合成方法。如图是在酸性介质中电解合成半胱氨酸和烟酸的示意图。下列叙述错误的是 A．电极a为阴极B．H+从电极b移向电极aC．电极b发生的反应为：D．生成3mol半胱氨酸的同时生成1mol烟酸D电极判断电解池2+2H+H元素守恒+2e-=得电子→阴极失电子→阳极=2H2O-6e-+6H+O、H元素守恒电荷守恒H+~6e- ~ 63 mol0.5 mol化合价不易判断的物质，巧用元素守恒、电荷守恒电荷守恒A. 放电时V2O5为正极B. 放电时Zn2+由负极向正极迁移C. 充电总反应：xZn+V2O5+nH2O=ZnxV2O5·nH2OD. 充电阳极反应：ZnxV2O5·nH2O-2xe- =xZn2++V2O5+nH2O重温经典，感悟高考复杂电极反应的书写技巧—守恒书写技巧的应用【例2】（2023年新课标T10） 一种以V2O5和Zn为电极、Zn(CF3SO3)2水溶液为电解质的电池，其示意图如下所示。放电时，Zn2+可插入V2O5层间形成ZnxV2O5·nH2O。下列说法错误的是CLixC6 = xLi＋＋6CLi1－xCoO2=LiCoO2碳基→硅基等Li+、Na+、Zn2+等Zn2+充电Zn2+放电负极正极×V2O5+xZn2++2xe-+nH2O=ZnxV2O5·nH2OLi+放电－xe－＋xe－＋xLi＋电荷守恒教材图例Zn-2e-=Zn2+√重温经典，感悟高考复杂电极反应的书写技巧—守恒书写技巧的应用【例3】(2023 全国乙卷，12)一种室温钠-硫电池的结构如图所示。将钠箔置于聚苯并咪唑膜上作为一个电极，表面喷涂有硫黄粉末的炭化纤维素纸作为另一电极。工作时，在硫电极发生反应：1/2S8+e-→1/2S82-，1/2S82-+e-→S42-，2Na++x/4S42-+2(1-x/4)e-→Na2Sx下列叙述错误的是( )A．充电时Na+从钠电极向硫电极迁移B．放电时外电路电子流动的方向是a→bC．放电时正极反应为：2Na++x/8S8+2e-→Na2SxD．炭化纤维素纸的作用是增强硫电极导电性能A重温经典，感悟高考两路的考查—电化学装置中交换膜的应用【例1】(2022全国甲卷T10)一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH) 42-存在)。电池放电时，下列叙述错误的是( )A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移B．Ⅰ区的SO42-通过隔膜向Ⅱ区迁移C． MnO2电极反应：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2OD．电池总反应：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH) 42-+Mn2++2H2OAZn-2e-+4OH- =Zn(OH) 42-负极正极MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O正电荷减少K+SO42-负电荷减少K+SO42-√√阴离子交换膜阳离子交换膜√×平衡电荷，溶质单一【例2】（2023年河北卷T13） 我国科学家发明了一种以 和MnO2为电极材料的新型电池，其内部结构如下图所示，其中①区、②区、③区电解质溶液的酸碱性不同。放电时，电极材料 转化为 下列说法错误的是A．充电时，b电极上发生还原反应B．充电时，外电源的正极连接b电极C．放电时，①区溶液中的SO42-向②区迁移D．放电时，a电极的电极反应式为MnO +4H+ +2e－=Mn2++2H2OMnO +4H+ +2e－=Mn2++2H2O重温经典，感悟高考两路的考查—电化学装置中交换膜的应用B- 2e- → + 2K+正电荷数目增多正电荷数目减少正极负极阳极阴极得电子→正极→阴离子流出→阴离子交换膜如何判断电极材料所在的电极位置？失电子→负极→阳离子流出→阳离子交换膜平衡电荷，溶质单一K+SO42-中性KOHH2SO4重温经典，感悟高考两路的考查—电化学装置中交换膜的应用【例3】（2023·湖北卷第10题）我国科学家设计如图所示的电解池，实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变，电解生成氢气的速率为xmol·h－1。下列说法错误的是（ ）A．b电极反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH-B．离子交换膜为阴离子交换膜C．电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜D．海水为电解池补水的速率为2xmol·h－1D4H2O+4e- =2H2↑+4OH-阴极阳极4OH--4e- =O2↑+2H2O总反应：2H2O=====2H2↑+O2↑通电补水海水中的Cl-不能通过，动能高的水分子可通过OH-阳极阴极1molH2 ~ 1molH2Oxmol·h－1 xmol·h－1隔膜→选择性透过→特殊离子通道重温经典，感悟高考电化学装置中的守恒计算—得失电子守恒【例1】(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NaBrC．电解总反应式为Br-+3H2O===== BrO3-+3H2↑D．催化阶段反应产物物质的量之比n(Z) ∶n(Br-)=3∶2电解B阳极阴极总反应：Br-+3H2O=====BrO3-+3H2↑通电Br- -6e-+3H2O= BrO3-+6H+阳极3H2O+6e- =3H2↑+6OH-阴极H2O2催化循环BrO3￣→Br￣~ 6e￣BrO3￣→O2 ~ 4e￣1661.5补水H2O【例2】(2022 重庆卷，12)硝酮是重要的有机合成中间体，可采用“成对间接电氧化”法合成。电解槽中水溶液的主要成分及反应过程如图所示。下列说法错误的是( )A．惰性电极2为阳极 B．反应前后WO42-/WO52-数量不变C．消耗1mol氧气，可得到1mol硝酮 D．外电路通过1mol电子，可得到1mol水重温经典，感悟高考电化学装置中的守恒计算C阳极阴极2Br￣-2e-Br2合并：H2O2+二丁基-N-羟基胺 =硝酮+2H2OBr2+二丁基-N-羟基胺 =硝酮+2H++2Br￣O2+2e-H2O2+2H+-2HH2O2+WO42- =WO52-+H2O 2e￣二丁基-N-羟基胺+WO52- =WO42- +硝酮+H2O 2e￣1molO2~1molH2O2~1molBr22e￣~H2O2 ~2H2O2mol硝酮—得失电子守恒【例3】（2023广东卷T16）用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池(如图)，可实现大电流催化电解KNO3溶液制氨。工作时，H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH- ，有利于电解反应顺利进行。下列说法不正确的是( ) A．电解总反应：KNO3+3H2O =NH3·H2O+2O2 ↑+KOHB．每生成1 mol NH3·H2O，双极膜处有9mol的H2O解离C．电解过程中，阳极室中KOH物质的量不因反应而改变D．相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构可提高氨生成速率重温经典，感悟高考电化学装置中的守恒计算—电荷守恒BNO3－+8e－＋7H2O= NH3·H2O+9OH－阴极4OH－- 4e－=O2↑+2H2O阳极H+OH-NH3·H2O ~ 8e－ ~ 8H+ ~ 8OH－ ~8H2O外电路转移电子数=通过交换膜的电荷数阳极室消耗4mol OH－，双极膜处解离出4mol OH－进入阳极室增大膜面积，利于H2O解离成H+和OH－，提高反应速率重温经典，感悟高考两路的考查—电荷守恒【例4】 (2020山东卷T10)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含CH3COO－的溶液为例)。下列说法错误的是( )A．负极反应为CH3COO－ +2H2O－8e－ =2CO2↑+7H+B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜C．当电路中转移1 mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5 gD．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1B利用原电池原理将海水中的Na+、Cl－移出CH3COO－＋2H2O－8e－=2CO2↑＋7H＋2H＋＋2e－ = H2↑阳膜阴膜负极正极Cl－Na+8 48 2外电路转移电子数=通过交换膜的电荷数移出1 mol Na+ 1 mol Cl-【例1】(2024新课标卷T6)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=2C6H12O7B．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重温经典，感悟高考与反应历程、电催化的融合CCu2O+2OH－-2e－=2CuO+H2OC6H12O6+2CuO= C6H12O7+Cu2OO2+2H2O+4e－ = 4OH－2C6H12O6+O2=2C6H12O7C6H12O6-2e－+2OH－= C6H12O7+H2O0.2 mmolNa＋C6H12O6 C6H12O72e－n(C6H12O6)=18 mg/180=0.1 mmol负极正极负极总反应：电池总反应：原电池【例2】（2024·贵州卷）一种太阳能驱动环境处理的自循环光催化芬顿系统工作原理如图。光阳极发生反应：HCO3-+H2O=HCO4-+2H++2e-，HCO4-+H2O=HCO3-+H2O2。体系中H2O2与Mn(Ⅱ)/Mn(Ⅳ)发生反应产生的活性氧自由基可用于处理污水中的有机污染物。下列说法错误的是A．该芬顿系统能量转化形式为太阳能→电能→化学能B．阴极反应式为O2+2H++2e－= H2O2C．光阳极每消耗1mol H2O，体系中生成2mol H2O2D．H2O2在Mn(Ⅱ)/Mn(Ⅳ)的循环反应中表现出氧化性和还原性重温经典，感悟高考与反应历程、电催化的融合C太阳能→电能电解池电能→化学能O2+2H++2e－ = H2O2光阳极总反应：2H2O-2e- = H2O2+2H+2H2O2+Mn(Ⅳ)→Mn(Ⅱ) +2O2－H2O2+Mn(Ⅱ)→Mn(Ⅳ) +2·OH-1价→-2价还原性-1价→-1/2价氧化性电解池总反应：2H2O+O2= 2H2O2【例3】（2024·湖北卷）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-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2OD．阴极区存在反应H2C2O4+2e-+2H+=OHC-COOH+H2O重温经典，感悟高考与反应历程、电催化的融合HCHO+OH-→HOCH2O-HOCH2O- +OH-→[OCH2O]2-+H2O[OCH2O]2--e- =HCOO-+H 2H = H2↑Cu电极阳极阴极重温经典，感悟高考与反应历程、电催化的融合【例3】（2024·湖北卷）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-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2OD．阴极区存在反应H2C2O4+2e-+2H+=OHC-COOH+H2OBH2C2O4+2e-+2H+=OHC-COOH+H2OOHC-COOH+HO-N+H3→HOOC-CH=N-OH+H2O+H+HOOC-CH=N-OH+4e-+5H+=H3N+CH2COOH+H2O总反应H2C2O4+HO-N+H3+6e-+6H+= H3N+CH2COOH+3H2O阳极阴极1molH2O解离成1molH+和1molOH-【例4】(2024·河北卷T13)阅读以下材料，完成13~14题我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg CO2电池，以Mg(TFSI)2为电解质，电解液中加入1,3 丙二胺（PDA）以捕获CO2，使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍，同时改善了Mg2+的溶剂化环境，提高了电池充放电循环性能。下列说法错误的是（ ）A.放电时，电池总反应为2CO2 + Mg = MgC2O4B.充电时，多孔碳纳米管电极与电源正极连接C.充电时，电子由Mg电极流向阳极，Mg2+向阴极迁移D.放电时，每转移1 mol电子，理论上可转化1 mol CO2负极：Mg - 2e- = Mg2+电子流向阳极阴极C正极：2CO2 + 2e- + Mg2+ = MgC2O4Mg2+重温经典，感悟高考与反应历程、电催化的融合14.对上述电池放电时CO2的捕获和转化过程开展了进一步研究，电极上CO2转化的三种可能反应路径及相对能量变化如图（*表示吸附态）。下列说法错误的是（ ）A.PDA捕获CO2的反应为B.路径2是优先路径，速控步骤反应式为C.路径1、3经历不同的反应步骤但产物相同；路径2、3起始物相同但产物不同D.三个路径速控步骤均涉及*CO2*-转化，路径2、3的速控步骤均伴有PDA再生MgCO3导电性差和释放CO2能力差路径3生成CO32-和COD重温经典，感悟高考模型建构PART 0404原电池电解池二次电池化学能电能放电充电两极两式两路电极材料、作用书写方法、技巧副反应电子通道离子通道交换膜体积变化浓度变化质量变化得失电子守恒元素守恒电荷守恒明晰原理构建模型模型建构装置类型工作原理守恒计算两极、两路离子交换膜离子浓度溶液质量气体体积电极反应式书写电极电势的变化闭合回路的形成守恒思想的应用微观分析符号表征变化观念平衡思想证据推理模型认知宏观辨识微观探析科学精神社会责任还原反应氧化反应阴极正极阳极负极-e-+e-教学策略探究原理构建模型定量计算分析机理第6讲 新型电池和电解原理的应用一、考向分析1．课标要求《普通高中化学课程标准》2020年修订版中，对电化学知识的学业要求为：“能分析、解释原电池和电解池的工作原理，能设计简单的原电池和电解池；能列举常见的化学电源，并利用相关信息分析化学电源的工作原理。”加强学生对原电池和电解池工作原理的理解，认识电极材料、电极反应、离子导体、电子导体是电化学体系的基本要素，创建对电化学过程的系统分析思路，提升学生对电化学本质的理解。2．考点统计卷别 呈现形式 考察元素 考点分布电极判断 电子、离子移动方向 方程式书写 氧还分析、电解液分析 守恒计算 离子交换膜 反应历程、 结构融合北京 图文结合 普通锌锰电池 √ √ √ √江苏 图文结合 碱性锌锰电池 √ √ √ √全国甲 图文结合 MnO2-Zn二次电池 √ √√ √安徽 图文结合 水系锌电池 √ √ √ √新课标 图文结合 葡萄糖电池 √ √ √ √河北 图文结合 Mg-CO2二次电池 √ √ √ √ √湖北 图文结合 电解合成甘氨酸 √√ √ √ √辽宁 图文结合 电解HCHO制H2 √ √√ √ √ √湖南 图文结合 电解合成K4C6N16 √ √ √ √√广东 图文结合 电解湿法冶铁 √ √ √√ √甘肃 图文结合 固体电解池 √ √ √ √山东 图文结合 电解催化制H2和O2 √ √ √ √ √贵州 图文结合 光催化污水处理 √ √ √3．考向分析①电子流向、离子流向 ②电极分析(副反应)及电极反应方程式的书写③守恒计算、电解液浓度分析等 ④离子交换膜的应用 ⑤与反应历程、电催化的融合二、知识重构(一)知识梳理装置(原电池：化学能→电能)工作原理电极判断：①电势高低；②电极材料活性；③电子、离子流向④氧化还原分析(得失电子、价态变化)电极反应书写：列物质，标得失；看环境，配守恒。电子流向(电子导体)：负极正极电子导体：外电路中通过电子的物质的量n(e-)与恒稳电路中的电流强度I A和通电的时间t s的关系为： n(e-)=Q/F mol=It/F mol，式中F为法拉第常量，常取96500 C/mol；Q为电量，单位为C。离子流向(离子导体)：阳离子→正极；阴离子→负极；(盐桥中的离子迁移方向同理)离子导体：电解质溶液(或熔液或多孔固体电解质)中离子迁移传递电荷，并氧化性强或还原性强的粒子(离子或分子)在两极得失电子，由离子导体转化为电子导体。离子传递电荷不仅与溶液(或熔液或多孔固体电解质，包括盐桥)电极间的距离有关，而且与离子的电荷有关（与离子的迁移速率一般不予以考虑）。离子导电和电极上放电是两个不同的概念：离子的导电性与离子浓度、离子的种类（离子的电荷、离子的迁移速率）有关。电极上放电是物质体系中氧化性强或还原性强的粒子（离子或分子）得失电子。例如：惰性电极电解饱和NaCl溶液，Na+只参与溶液的导电，向阴极迁移，结合水在阴极放电后留下的OH-，平衡溶液中的电荷！2020年全国I卷化学第27(2)题：电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率(u∝)应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择 作为电解质。阳离子 u∝×108/(m2·S—1·V—1) 阴离子 u∝×108/(m2·S—1·V—1)Li+ 4.07 HCO3— 4.61Na+ 5.19 NO3— 7.40Ca2+ 6.59 Cl— 7.91K+ 7.62 SO42— 8.27【解析】根据题给信息：“电迁移率(u∝)应尽可能地相近”的组合有：K+与Cl—或NO3—，Li+与HCO3—。但Li+与HCO3—的电迁移率(u∝)小且可能反应生成Li2CO3，故不宜选用。Ca2+与SO42—不仅电迁移率(u∝)差较大且CaSO4属微溶物质，故不宜选用。“阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应”，题给的电解质溶液含有Fe2+和Fe3+（它们的溶液均呈酸性），不能选用含HCO3—和NO3—的盐。综合考虑，只能选用KCl。盐桥作用：①连接内电路，形成离子通道，构成闭合回路；②平衡电荷，产生持续稳定的电流。优点：①物理隔离氧化剂和还原剂，减少副反应的发生，提高能量转化效率。②减少单液原电池中，电极表面的极化现象，提高电池效率。极化是指电极表面的离子浓度与溶液主体中的离子浓度之间出现显著差异，导致电极电势的变化。装置(电解池：电能→化学能)①电子流向：电源负极→电解池阴极；电解池的阳极→电源正极。②离子流向：阳离子→电解池的阴极，阴离子→电解池的阳极。放电顺序：阳极(失电子能力)：活性金属材料电极(除Au、Pt)>S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根离子＞F－。S2－、I－、Br－、Cl－放电，产物分别是S、I2、Br2、Cl2；若OH－放电，则得到H2O和O2。阴极(得电子能力)：阴极材料只起导电作用Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca2＋＞K＋(二)教材模型梳理1．常见一次化学电源苏教版化学反应原理P18页【例1】(2024·北京卷T3)酸性锌锰干电池的构造示意图如下。关于该电池及其工作原理，下列说法正确的是( )A．石墨作电池的负极材料 B．电池工作时，NH4+向负极方向移动C．MnO2发生氧化反应 D．锌筒发生的电极反应为Zn-2e- = Zn2＋【答案】D【例2】(2024·江苏卷T8)碱性锌锰电池的总反应为Zn+2MnO2+H2O= ZnO+2MnOOH，电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是( )A．电池工作时，MnO2发生氧化反应B．电池工作时，OH-通过隔膜向正极移动C．环境温度过低，不利于电池放电D．反应中每生成1mol MnOOH，转移电子数为2×6.02×10-23【答案】C2．常见二次化学电源人教版化学反应原理P97页【例】(2023 辽宁卷T11)某低成本储能电池原理如下图所示。下列说法正确的是( )A．放电时负极质量减小B．储能过程中电能转变为化学能C．放电时右侧H+通过质子交换膜移向左侧D．充电总反应：Pb+SO42-+2Fe3+=PbSO4+2Fe2+【答案】B【解析】该储能电池放电时，Pb为负极，失电子结合硫酸根离子生成PbSO4，则多孔碳电极为正极，正极上Fe3+得电子转化为Fe2+，充电时，多孔碳电极为阳极，Fe2+失电子生成Fe3+，PbSO4电极为阴极，PbSO4得电子生成Pb和硫酸。A项，放电时负极上Pb失电子结合硫酸根离子生成PbSO4附着在负极上，负极质量增大，A错误；B项，储能过程中，该装置为电解池，将电能转化为化学能，B正确；C项，放电时，右侧为正极，电解质溶液中的阳离子向正极移动，左侧的H+通过质子交换膜移向右侧，C错误；D项，充电时，总反应为PbSO4+2Fe2+=Pb+SO42-+2Fe3+，D错误；故选B。3．教材中离子交换膜的引入人教版化学反应原理P98页 人教版化学反应原理P104页离子交换膜（又叫隔膜），是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。选择性地通过某些离子或阻止某些离子来隔离某些物质，因在应用时主要是利用它对离子选择透过性，又称为离子选择透过性膜。分类：阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜、双极膜作用：1．将两极区隔离，阻止两极区的物质接触，防止发生化学反应引起危险或者产物不纯。2．能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。3 ．制备某些特定产品时利用隔膜将装置隔离为不同的区，使产品纯净。4 ．对物质进行分离、提纯。【例1】（2023·浙江6月T13）氯碱工业能耗大，通过如图改进的设计可大幅度降低能耗，下列说法不正确的是A．电极A接电源正极，发生氧化反应B．电极B的电极反应式为：2H2O+2e―=H2↑+2OH―C．应选用阳离子交换膜，在右室获得浓度较高的NaOH溶液D．改进设计中通过提高电极B上反应物的氧化性来降低电解电压，减少能耗【答案】B【解析】电极A是氯离子变为氯气，化合价升高，失去电子，是电解池阳极，因此电极A接电源正极，发生氧化反应，故A正确；电极B为阴极，通入氧气，氧气得到电子，其电极反应式为：O2+4e―+2H2O=4OH―，故B错误；右室生成氢氧根，应选用阳离子交换膜，左边的钠离子进入到右边，在右室获得浓度较高的NaOH溶液，故C正确；改进设计中增大了氧气的量，提高了电极B处的氧化性，通过反应物的氧化性来降低电解电压，减少能耗，故D正确。【例2】（2024·广东卷）一种基于氯碱工艺的新型电解池(下图)，可用于湿法冶铁的研究。电解过程中，下列说法不正确的是A．阳极反应：2Cl―-2e―=Cl2↑B．阴极区溶液中OH―浓度逐渐升高C．理论上每消耗1mol Fe2O3，阳极室溶液减少213gD．理论上每消耗1mol Fe2O3，阴极室物质最多增加138g【答案】C【解析】右侧溶液为饱和食盐水，右侧电极产生气体，则右侧电极为阳极，Cl―放电产生氯气，电极反应为：2Cl―-2e―=Cl2↑，A正确；左侧电极为阴极，发生还原反应，Fe2O3在碱性条件下转化为Fe，电极反应为：Fe2O3+6e―+3H2O=2Fe+6OH―，消耗水产生OH―，阴极区溶液中OH―浓度逐渐升高，B正确；理论上每消耗1mol Fe2O3，转移6mol电子，产生3molCl2，同时有6mol Na+由阳极通过阳离子交换膜转移至阴极，则阳极室溶液减少3×71g+6×23g=351g，C错误；由分析可知，理论上每消耗1mol Fe2O3，转移6mol电子，有6mol Na+由阳极转移至阴极，阴极室物质最多增加6×23g=138g，D正确。【小结】加强对教材中装置模型的深入理解和挖掘！三、重温经典(一)对电极、电极反应的考查1．电极材料的影响【例1】（2024·甘肃卷）某固体电解池工作原理如图所示，下列说法错误的是A．电极1的多孔结构能增大与水蒸气的接触面积B．电极2是阴极，发生还原反应：O2+4e- =2O2-C．工作时O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2D．理论上电源提供2mol e-能分解1mol H2O【答案】B【解析】多孔电极1上H2O(g)发生得电子的还原反应转化成H2(g)，多孔电极1为阴极，电极反应为2H2O+4e-=2H2+2O2-；多孔电极2上O2-发生失电子的氧化反应转化成O2(g)，多孔电极2为阳极，电极反应为2O2--4e-=O2。电极1的多孔结构能增大电极的表面积，增大与水蒸气的接触面积，A项正确；根据分析，电极2为阳极，发生氧化反应：2O2--4e-=O2，B项错误；工作时，阴离子O2-向阳极移动，即O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2，C项正确；根据分析，电解总反应为2H2O(g)2H2+O2，分解2molH2O转移4mol电子，则理论上电源提供2mol电子能分解1molH2O，D项正确。【例2】(2024·安徽卷T11)我国学者研发出一种新型水系锌电池，其示意图如下。该电池分别以Zn-TCPP (局部结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和Zn为电极，以ZnSO4和KI混合液为电解质溶液。下列说法错误的是( )A．标注框内所示结构中存在共价键和配位键B．电池总反应为：I3-+ZnZn2++3I-C．充电时，阴极被还原的Zn2+主要来自Zn-TCPPD．放电时，消耗0.65 g Zn，理论上转移0.02 mol电子【答案】C【解析】由图中信息可知，该新型水系锌电池的负极是锌、正极是超分子材料；负极的电极反应式为Zn-2e-=Zn2＋，则充电时，该电极为阴极，电极反应式为Zn2++2e-=Zn；正极上发生I3-+2e-=3I-，则充电时，该电极为阳极，电极反应式为3I--2e-=I3-。A项，标注框内所示结构属于配合物，配位体中存在碳碳单键、碳碳双键、碳氮单键、碳氮双键和碳氢键等多种共价键，还有由N提供孤电子对、Zn2+提供空轨道形成的配位键，A正确；B项，该电池总反应为I3-+ZnZn2++3I-，B正确；C项，充电时，阴极电极反应式为Zn2++2e-=Zn，Zn-TCPP 形成的稳定超分子难电离，被还原的Zn2+主要来自电解质溶液，C错误；D项，放电时，负极的电极反应式为Zn-2e-=Zn2＋，因此消耗0.65 g Zn(物质的量为0.01mol)，理论上转移0.02 mol电子，D正确。2．电解质环境的影响【例1】(2022·北京卷)利用下图装置进行铁上电镀铜的实验探究。装置示意图 序号 电解质溶液 实验现象① 0.1 mol/L CuSO4＋少量H2SO4 阴极表面有无色气体，一段时间后阴极表面有红色固体，气体减少。经检验电解液中有Fe2＋② 0.1 mol/L CuSO4＋过量氨水 阴极表面未观察到气体，一段时间后阴极表面有致密红色固体。经检验电解液中无Fe元素下列说法不正确的是( )A．①中气体减少，推测是由于溶液中c(H＋)减少，且Cu覆盖铁电极，阻碍H＋与铁接触B．①中检测到Fe2＋，推测可能发生反应：Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑、Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋CuC．随阴极析出Cu，推测②中溶液c(Cu2＋)减少，Cu2＋＋4NH3[Cu(NH3)4]2＋平衡逆移D．②中Cu2＋生成[Cu(NH3)4]2＋，使c(Cu2＋)比①中溶液的小，Cu缓慢析出，镀层更致密【答案】C【解析】A.由实验现象可知，实验①时，铁会先与溶液中的氢离子、铜离子反应，当溶液中氢离子浓度减小，反应和放电生成的铜覆盖铁电极，阻碍氢离子与铁接触，导致产生的气体减少，故A正确；B.实验①时，铁做电镀池的阴极，铁会先与溶液中的氢离子、铜离子反应生成亚铁离子、氢气和铜，可能发生的反应为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑、Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，故B正确；C.实验②中，阳极生成铜离子，阴极铜离子得电子析出铜，溶液中铜离子浓度保持不变，Cu2＋＋4NH3[Cu(NH3)4]2＋平衡向不移动，故C错误；D.由分析可知，实验②中铜离子与过量氨水反应生成四氨合铜离子，铜离子浓度比实验①的小，阴极得到电子缓慢发生还原反应生成铜，在铁表面得到比实验①更致密的镀层，故D正确。【例2】（2023山东卷T11）利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是A．甲室Cu电极为正极B．隔膜为阳离子膜C．电池总反应为：Cu2++4NH3=Cu[NH3]42+D．NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响【答案】CD【解析】甲室中发生反应：Cu2+(ag)+4NH3 H2O(ag)=Cu[NH3]42++4H2O，根据Cu2+的浓度差可以设计浓差电池。NH3通入甲室发生反应NH3+H2O=NH3 H2O，溶液中Cu2+与NH3 H2O结合生成Cu[NH3]42+，甲室Cu电极上发生失电子的氧化反应:Cu-2e- =Cu，则甲室中总反应为Cu-2e―+4NH3=Cu[NH3]42+；乙室Cu电极上发生得电子的还原反应Cu2++2e―=Cu，乙室中SO42-向甲室移动，甲室中Cu[NH3]4SO4，浓度增大，排出收集，低温热解生成CuSO4和NH3，NH3回到甲室中生成NH3 H2O循环使用。A项，甲室中Cu电极为负极，错误；B项，因需要在甲室中实现CuSO4溶液的再生，故需要使乙室中SO42-通过阴离子交换膜进入甲室，错误；C项，上述分析中甲室中总反应与乙室中Cu电极的电极反应相加得电池总反应Cu2++4NH3=Cu[NH3]42+，正确；D项，如果NH3进入乙室，则乙室中Cu2+浓度降低，浓差电池的电动势将减小，正确。3．电极副反应的发生【例1】 (2024·全国甲卷T6)科学家使用δ-MnO2研制了一种MnO2-Zn可充电电池(如图所示)。电池工作一段时间后，MnO2电极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列叙述正确的是( )A．充电时，Zn2+向阳极方向迁移B．充电时，会发生反应Zn+2MnO2 =ZnMn2O4C．放电时，正极反应有MnO2+H2O+e- =MnOOH+OH-D．放电时，Zn电极质量减少0.65g，MnO2电极生成了0.020molMnOOH【答案】C【解析】Zn具有比较强的还原性，MnO2具有比较强的氧化性，自发的氧化还原反应发生在Zn与MnO2之间，所以MnO2电极为正极，Zn电极为负极，则充电时MnO2电极为阳极、Zn电极为阴极。A项，充电时该装置为电解池，电解池中阳离子向阴极迁移，即Zn2+向阴极方向迁移，A不正确；B项，放电时，负极的电极反应为Zn-2e-=Zn2＋，则充电时阴极反应为Zn2++2e-=Zn，即充电时Zn元素化合价应降低，而选项中Zn元素化合价升高，B不正确；C项，放电时MnO2电极为正极，正极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4，则正极上主要发生的电极反应是MnO2+H2O+e-=MnOOH+OH-，C正确；D项，放电时，Zn电极质量减少0.65g(物质的量为0.010mol)，电路中转移0.020mol电子，由正极的主要反应MnO2+H2O+e- =MnOOH+OH-可知，若正极上只有MnOOH生成，则生成MnOOH的物质的量为0.020mol，但是正极上还有ZnMn2O4生成，因此，MnOOH的物质的量小于0.020mol，D不正确。【例2】（2023·辽宁卷T7）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2mole-生成4gH2C．电解后海水pH下降D．阳极发生：Cl-+H2O-2e-=HClO+H+【答案】D【解析】由图可知，钛网上可能发生的反应为Cl-和H2O失电子生成HClO和O2，为阳极，高选择性催化剂PRT可抑制O2产生，故阳极反应为Cl-+H2O-2e-=HClO+H+，钛箔上，HClO生成Cl-，同时水得电子生成H2，为阴极，电极反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，HClO+2e-=Cl-+OH-。a端电势高于b端电势，A错误；右侧电极上产生氢气的电极方程式为：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，HClO+2e-=Cl-+OH-，则理论上转移2mole-生成H2小于2g，B错误；由图可知，该装置的总反应为电解海水的装置，随着电解的进行，c(H+)减小，pH增大，C错误；由图可知，阳极上的电极反应为：Cl-+H2O-2e-=HClO+H+，D正确。【例3】（2024·湖南卷）在KOH水溶液中，电化学方法合成高能物质K4C6N16时，伴随少量O2生成，电解原理如图所示，下列说法正确的是A．电解时，OH-向Ni电极移动B．生成C6N164-的电极反应：2C3N8H4+8OH--4e-=C6N164-+8H2OC．电解一段时间后，溶液pH升高D．每生成1mol H2的同时，生成0.5mol K4C6N16【答案】B【解析】由电解原理图可知，Ni电极产生氢气，作阴极，发生还原反应，电解质溶液为KOH水溶液，电极反应为：2H2O+2e-=H2↑+2OH-；Pt电极C3N8H4失去电子生成C6N164-，作阳极，电极反应为：2C3N8H4+8OH--4e-=C6N164-+8H2O，同时，Pt电极还伴随少量O2生成，电极反应为：4OH--4e-=O2↑+2H2O。由分析可知，Ni电极为阴极，Pt电极为阳极，电解过程中，阴离子向阳极移动，即OH-向Pt电极移动，A错误；由分析可知，Pt电极C3N8H4失去电子生成C6N164-，电解质溶液为KOH水溶液，电极反应为：2C3N8H4+8OH--4e-=C6N164-+8H2O，B正确；由分析可知，阳极主要反应为：2C3N8H4+8OH--4e-=C6N164-+8H2O，阴极反应为：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，反应消耗OH-，生成H2O，电解一段时间后，溶液pH降低，C错误；根据电极可知，每生成1molH2，生成0.5molK4C6N16，但Pt电极伴随少量O2生成，发生电极反应：4OH--4e-=O2↑+2H2O，则生成1molH2时得到的部分电子由OH-放电产生O2提供，故生成K4C6N16小于0.5mol，D错误。4．复杂电极反应的书写技巧—守恒书写技巧的应用【例1】（2023·重庆卷第12题）电化学合成是一种绿色高效的合成方法。如图是在酸性介质中电解合成半胱氨酸和烟酸的示意图。下列叙述错误的是A．电极a为阴极B．H+从电极b移向电极aC．电极b发生的反应为：D．生成3mol半胱氨酸的同时生成1mol烟酸【答案】D【解析】该装置是电解池，电极b上3-甲基吡啶转化为烟酸过程中‘加氧少氢’，发生氧化反应，则b为阳极，a为阴极，阴极电极反应式为 +2e-+2H+=2 ；a极上硫元素化合价升高，a为阴极，A正确；电解池中阳离子移向阴极，则H+移向a电极，B正确；电极b上3-甲基吡啶转化为烟酸过程中发生氧化反应，在酸性介质中电极反应式为： ，C正确；根据电子守恒可得关系式： ~6e-~6 ，因此生成6mol半胱氨酸的同时生成1mol烟酸，D错误；故选D。【例2】（2023年新课标T10） 一种以V2O5和Zn为电极、Zn(CF3SO3)2水溶液为电解质的电池，其示意图如下所示。放电时，Zn2+可插入V2O5层间形成ZnxV2O5·nH2O。下列说法错误的是A. 放电时V2O5为正极B. 放电时Zn2+由负极向正极迁移C. 充电总反应：xZn+V2O5+nH2O=ZnxV2O5·nH2OD. 充电阳极反应：ZnxV2O5·nH2O-2xe-=xZn2++V2O5+nH2O【答案】C【解析】A．由题信息可知，放电时，Zn2+可插入V2O5层间形成ZnxV2O5·nH2O，V2O5发生了还原反应，则放电时V2O5为正极，A说法正确；B．Zn为负极，放电时Zn失去电子变为Zn2+，阳离子向正极迁移，则放电时Zn2+由负极向正极迁移，B说法正确；C．电池在放电时的总反应为xZn+V2O5+nH2O=ZnxV2O5·nH2O，则其在充电时的总反应为ZnxV2O5·nH2O=xZn+V2O5+nH2O，C说法不正确；D．充电阳极上ZnxV2O5·nH2O被氧化为V2O5，则阳极的电极反应为ZnxV2O5·nH2O-2xe-=xZn2++V2O5+nH2O，D说法正确。(二)两路的考查—电化学装置中交换膜的应用【例1】(2022全国甲卷T10)一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH) 42-存在)。电池放电时，下列叙述错误的是( )A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移B．Ⅰ区的SO42-通过隔膜向Ⅱ区迁移C． MnO2电极反应：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2OD．电池总反应：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH) 42-+Mn2++2H2O【答案】A【解析】根据图示的电池结构和题目所给信息可知，Ⅲ区Zn为电池的负极，电极反应为Zn-2e-+4OH-=Zn(OH) 42-，Ⅰ区MnO2为电池的正极，电极反应为MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O；电池在工作过程中，由于两个离子选择隔膜没有指明的阳离子隔膜还是阴离子隔膜，故两个离子隔膜均可以通过阴、阳离子，因此可以得到Ⅰ区消耗H+，生成Mn2+，Ⅱ区的K+向Ⅰ区移动或Ⅰ区的SO42-向Ⅱ区移动，Ⅲ区消耗OH-，生成Zn(OH) 42-，Ⅱ区的SO42-向Ⅲ区移动或Ⅲ区的K+向Ⅱ区移动。A项，Ⅱ区的K+只能向Ⅰ区移动，A错误；B项，Ⅰ区的SO42-向Ⅱ区移动，B正确；C项，MnO2电极的电极反应式为MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O，C正确；D项，电池的总反应为Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH) 42-+Mn2++2H2O，D正确；故选A。【例2】（2023年河北卷T13） 我国科学家发明了一种以和MnO2为电极材料的新型电池，其内部结构如下图所示，其中①区、②区、③区电解质溶液的酸碱性不同。放电时，电极材料转化为。下列说法错误的是A．充电时，b电极上发生还原反应B．充电时，外电源的正极连接b电极C．放电时，①区溶液中的SO42-向②区迁移D．放电时，a电极的电极反应式为MnO +4H+ +2e－=Mn2++2H2O【答案】B【解析】由题意，放电时醇钾变成酮，故该电极放电时被氧化，做负极；那放电时的正极，就是二氧化锰被还原成锰离子。放电时负极电极反应式：- 2e- → + 2K+，释放出钾离子，反应造成溶液中正电荷数目增多；而正极电极反应式为：MnO +4H+ +2e－=Mn2++2H2O，反应消耗溶液中4个正电荷，而产生2个正电荷，故溶液中正电荷数目减少。左右两室溶液中电荷不平衡，根据中间室是硫酸钾可知：为了平衡电荷，负极释放的钾离子会通过阳膜进入②室，而正极溶液会将带负电荷的硫酸根通过阴膜进入②室。即左边a电极是正极，而右边b是负极。由二次电池的基础知识知道，二次电池充电时“正接正、负接负”，故a接电源正极，是阳极，发生氧化反应；b接电源负极，是阴极，发生还原反应；A选项，充电时b是阴极，发生还原反应，正确；B选项，外电源的正极应接a，错误；由前面分析可知，CD均正确。【例3】（2023·湖北卷第10题）我国科学家设计如图所示的电解池，实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变，电解生成氢气的速率为xmol·h－1。下列说法错误的是（ ）A．b电极反应式为2H2O+2e- =H2↑+2OH-B．离子交换膜为阴离子交换膜C．电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜D．海水为电解池补水的速率为2xmol·h－1【答案】D【解析】由图可知，该装置为电解水制取氢气的装置，a电极与电源正极相连，为电解池的阳极，b电极与电源负极相连，为电解池的阴极，阴极反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，阳极反应为4OH--4e-=O2↑+2H2O，电池总反应为2H2O2H2↑+O2↑，据此解答。b电极反应式为b电极为阴极，发生还原反应，电极反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，故A正确；该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH浓度不变，阳极发生的电极反应为4OH--4e-=O2↑+2H2O，为保持OH-离子浓度不变，则阴极产生的OH-离子要通过离子交换膜进入阳极室，即离子交换膜应为阴离子交换摸，故B正确；电解时电解槽中不断有水被消耗，海水中的动能高的水可穿过PTFE膜，为电解池补水，故C正确；由电解总反应可知，每生成1molH2要消耗1molH2O，生成H2的速率为xmol·h－1，则补水的速率也应是xmol·h－1，故D错误；故选D。(三)电化学装置中的守恒计算1．得失电子守恒：【例1】(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NaBrC．电解总反应式为Br-+3H2O BrO3-+3H2↑D．催化阶段反应产物物质的量之比n(Z) ∶n(Br-)=3∶2【答案】B【解析】电极b上Br-发生失电子的氧化反应转化成BrO3-，电极b为阳极，电极反应为Br- -6e-+3H2O= BrO3-+6H+；则电极a为阴极，电极a的电极反应为6H++6e-=3H2↑；电解总反应式为Br-+3H2OBrO3-+3H2↑；催化循环阶段BrO3-被还原成Br-循环使用、同时生成O2，实现高效制H2和O2，即Z为O2。A项，电极a为阴极，连接电源负极，A项正确；B项，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项，根据分析电解总反应式为Br-+3H2OBrO3-+3H2↑，C项正确；D项，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。【例2】(2022 重庆卷，12)硝酮是重要的有机合成中间体，可采用“成对间接电氧化”法合成。电解槽中水溶液的主要成分及反应过程如图所示。下列说法错误的是( )A．惰性电极2为阳极 B．反应前后WO42-/WO52-数量不变C．消耗1mol氧气，可得到1mol硝酮 D．外电路通过1mol电子，可得到1mol水【答案】C【解析】A项，惰性电极2，Br-被氧化为Br2，惰性电极2为阳极，故A正确；B项，WO42-/WO52-循环反应，反应前后WO42-/WO52-数量不变，故B正确；C项，转移2mol电子，得到1molH2O2和Br2，各与二丁基-N-羟基胺反应生成1mol硝酮，共得到2mol硝酮，故C错误； D项，外电路通过1mol电子，生成0.5molH2O2，最终得到1mol水，故D正确。2．电荷守恒【例3】（2023广东卷T16）用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池(如图)，可实现大电流催化电解KNO3溶液制氨。工作时，H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH- ，有利于电解反应顺利进行。下列说法不正确的是( )A．电解总反应：KNO3+3H2O =NH3·H2O+2O2 ↑+KOHB．每生成1 mol NH3·H2O,双极膜处有9mol的H2O解离C．电解过程中，阳极室中KOH物质的量不因反应而改变D．相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构可提高氨生成速率【答案】B【解析】由信息大电流催化电解KNO3溶液制氨可知，在电极a处KNO3放电生成NH3，发生还原反应，故电极a为阴极，电极方程式为NO3－+8e－＋7H2O= NH3·H2O+9OH－，电极b为阳极，电极方程式为4OH－- 4e－=O2↑+2H2O，“卯榫”结构的双极膜中的H＋移向电极a，OH－移向电极b。由分析阴阳极电极方程式可知，电解总反应为KNO3+3H2O =NH3· H2O+2O2 ↑+KOH，故A正确；B．每生成1mol NH3·H2O，阴极得8mol e－，同时双极膜处有8mol H+进入阴极室，即有8mol的H2O解离，故B错误；电解过程中，阳极室每消耗4mol OH－，同时有4mol OH－通过双极膜进入阳极室，KOH的物质的量不因反应而改变，故C正确；相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构具有更大的膜面积，有利于H2O被催化解离成H+和OH－，可提高氨生成速率，故D正确。【例4】 (2020山东卷T10)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含CH3COO－的溶液为例)。下列说法错误的是( )A．负极反应为CH3COO－ +2H2O－8e－ =2CO2↑+7H+B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜C．当电路中转移1 mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5 gD．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1【答案】B【解析】结合图示可知放电时的电极反应如下：电极名称 电极反应负极(a极) CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋正极(b极) 2H＋＋2e－===H2↑根据上述分析可知，A项正确；该电池工作时，Cl－向a极移动，Na＋向b极移动，即隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，B项错误；电路中转移1 mol电子时，向a极和b极分别移动1 mol Cl－和1 mol Na＋，则模拟海水理论上可除盐58.5 g，C项正确；电池工作时负极产生CO2，正极产生H2，结合正、负极的电极反应知，一段时间后，正极和负极产生气体的物质的量之比为2∶1，D项正确; 故答案为B。(四)与反应历程、电催化的融合【例1】(2024新课标卷T6)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=2C6H12O7B．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】由题中信息可知，b电极为负极，发生反应Cu2O+2OH--2e-=2CuO+H2O，然后再发生C6H12O6+2CuO= C6H12O7+Cu2O；a电极为正极，发生反应O2+2H2O+4e-=4OH-，在这个过程中发生的总反应为2C6H12O6+O2=2C6H12O7。A项，由题中信息可知，当电池开始工作时，a电极为电池正极，血液中的O2在a电极上得电子生成OH-，电极反应式为O2+2H2O+4e-=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+2OH--2e-=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项，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项，根据反应2C6H12O6+O2=2C6H12O7可知，1mol C6H12O6参加反应时转移2 mol电子，18 mg 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项，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。故选C。【例2】（2024·贵州卷）一种太阳能驱动环境处理的自循环光催化芬顿系统工作原理如图。光阳极发生反应：HCO3-+H2O=HCO4-+2H++2e-，HCO4-+H2O=HCO3-+H2O2。体系中H2O2与Mn(Ⅱ)/Mn(Ⅳ)发生反应产生的活性氧自由基可用于处理污水中的有机污染物。下列说法错误的是A．该芬顿系统能量转化形式为太阳能→电能→化学能B．阴极反应式为O2+2H++2e-= H2O2C．光阳极每消耗1mol H2O，体系中生成2mol H2O2D．H2O2在Mn(Ⅱ)/Mn(Ⅳ)的循环反应中表现出氧化性和还原性【答案】C【解析】A．该装置为电解池，利用光能提供能量转化为电能，在电解池中将电能转化为化学能，A正确；B．由图可知，阴极上氧气和氢离子得电子生成过氧化氢，电极反应式为O2+2H++2e-= H2O2，B正确；C．电解池总反应：2H2O+O2= 2H2O2，每消耗1mol H2O，则体系中生成1mol H2O2，C错误；D．由Mn(Ⅳ)和过氧化氢转化为Mn(Ⅱ)过程中，锰元素化合价降低，H2O2做还原剂，表现还原性，由Mn(Ⅱ)转化为Mn(Ⅳ)时，H2O2中O元素化合价降低，做氧化剂，表现氧化性，D正确。【例3】（2024·湖北卷）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-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2OD．阴极区存在反应H2C2O4+2e-+2H+=OHC-COOH+H2O【答案】B【解析】在KOH溶液中HCHO转化为HOCH2O-：HCHO+OH-→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 ，H 结合成H2，Cu电极为阳极；PbCu电极为阴极，首先HOOC-COOH在Pb上发生得电子的还原反应转化为OHC-COOH：H2C2O4+2e-+2H+=OHC-COOH+H2O，OHC-COOH与HO-N+H3反应生成HOOC-CH=N-OH：OHC-COOH+HO-N+H3→HOOC-CH=N-OH+H2O+H+，HOOC-CH=N-OH发生得电子的还原反应转化成H3N+CH2COOH：HOOC-CH=N-OH+4e-+5H+=H3N+CH2COOH+H2O。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；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；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；根据分析，阴极区的Pb上发生反应H2C2O4+2e-+2H+=OHC—COOH+H2O，D项正确。四、模型建构1．找准电池类型：是原电池、电解池、还是可充放电的二次电池2．分析工作原理：明确两极，关注特殊电极材料的作用；分析两路，理清电子、离子的流向，及离子交换膜的使用；书写两式，熟练掌握书写步骤(列物质、标得失，看环境、配守恒)、书写技巧(复杂反应中电荷守恒的应用)。3．定量计算：离子浓度变化、溶液pH值的变化、电极产物的定量计算、以及电子转移总数的相关计算等问题……五、教学策略1．探究电化学装置的工作原理，从氧化还原反应的本质、电极电势变化的角度，培养学生的变化观念和平衡思想。2．构建装置模型，帮助学生不断提升知识结构化水平，加强对离子通道、电子通道、离子交换膜的理解，引导学生学会从原理维度与装置维度出发，构建能够体现电化学本质且有益于问题解决思路化的系统认知模型，让学生在模型建构的过程中，加深对电化学基本概念和原理的理解。3．定量分析计算，培养学生的守恒观，会利用得失电子守恒和电荷守恒理解、计算。4．微观机理分析，侧重培养学生对电极反应过程中微粒观、变化观的深度理解。 展开更多...... 收起↑ 资源列表 第6讲 新型电池和电解原理的应用.docx 第6讲 新型电池和电解原理的应用.pptx
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