资源简介

2.电解原理及其应用
电解原理和基本应用
知｜识｜强｜化
1.电解装置与原理模型
2.阴、阳极放电离子判断模型
3.离子迁移方向判断示例
（1）离子从“生成区”移向“消耗区”（以电解CO2制HCOOH为例，其原理如图所示）
（2）离子从“原料区”移向“产品区”（以电渗析法制备H3PO2为例，其原理如图所示）
真｜题｜研｜析
1.（2024·甘肃高考7题）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2
D.理论上电源提供2 mol e－能分解1 mol H2O
解析：B　由题图可知，多孔电极1上H2O（g）发生还原反应生成H2（g），则多孔电极1为阴极，电极反应式为2H2O＋4e－2H2＋2O2－；多孔电极2上O2－发生氧化反应生成O2（g），多孔电极2为阳极，电极反应式为2O2－－4e－O2↑。多孔电极表面积大，可增大其与水蒸气的接触面积，A项正确；电极2作阳极，O2－发生氧化反应，电极反应式为2O2－－4e－O2↑，B项错误；电解池中阴离子向阳极移动，即O2－从多孔电极1向多孔电极2移动，C项正确；阴极的电极反应式为2H2O＋4e－2H2＋2O2－，则分解2 mol H2O时电路中通过4 mol电子，故理论上电源提供2 mol电子能分解1 mol H2O，D项正确。
2.（2023·广东高考13题）利用活性石墨电极电解饱和食盐水，进行如图所示实验。闭合K1，一段时间后（　　）
A.U型管两侧均有气泡冒出，分别是Cl2和O2
B.a处布条褪色，说明Cl2具有漂白性
C.b处出现蓝色，说明还原性：Cl－＞I－
D.断开K1，立刻闭合K2，电流表发生偏转
解析：D　闭合K1，形成电解池，电解饱和食盐水，左侧为阳极，电极反应为2Cl－－2e－Cl2↑，右侧为阴极，电极反应为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－（2H＋＋2e－H2↑），A错误；左侧生成氯气，氯气遇到水生成HClO，HClO具有漂白性，使a处布条褪色，是HClO表现的漂白性，B错误；b处出现蓝色，发生反应：Cl2＋2KII2＋2KCl，说明还原性：I－＞Cl－，C错误；断开K1，立刻闭合K2，此时构成氢氯燃料电池，电流表发生偏转，D正确。
3.（2024·山东高考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Br－＋3H2OBr＋3H2↑
D.催化阶段反应产物物质的量之比n（Z）∶n（Br－）＝3∶2
解析：B　电极b上Br－发生失电子的氧化反应转化成Br，电极b为阳极，电极反应为Br－－6e－＋3H2OBr＋6H＋，则电极a为阴极，电极a的电极反应为2H＋＋2e－H2↑，电解总反应式为Br－＋3H2OBr＋3H2↑，A、C项正确；催化循环阶段Br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，电解过程中消耗H2O和Br－，而催化阶段Br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；催化阶段，Br元素的化合价由＋5价降至－1价，生成1 mol Br－得到6 mol电子，O元素的化合价由－2价升至0价，生成1 mol O2失去4 mol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。
能｜力｜进｜阶
1.（2024·深圳二模）分别以ZrO2、石墨为电极，以熔融CaCl2为电解质，采用熔盐电脱氧法电解制备金属Zr。下列说法不正确的是（　　）
A.石墨电极接电源正极
B.阴极有O2生成
C.O2－向石墨电极迁移
D.Zr4＋优先于Ca2＋在阴极被还原
解析：B　以ZrO2、石墨为电极，以熔融CaCl2为电解质，采用熔盐电脱氧法电解制备金属Zr。则ZrO2为阴极，石墨为阳极。阴极反应ZrO2＋4e－Zr＋2O2－；阳极反应4Cl－－4e－2Cl2↑。石墨电极为阳极，接电源正极，A正确；由阴极反应知，阴极没有O2生成，B不正确；电解池工作时，阴离子向阳极移动，则O2－向石墨电极迁移，C正确；Zr4＋的氧化性强于Ca2＋，则Zr4＋优先于Ca2＋在阴极被还原，D正确。
2.（2024·湖南“一起考”大联考）富营养化的河流里含有丰富的氯、镁、钙、磷等元素，氮、磷等元素是造成水体富营养化的元凶，可利用电解复氧装置，浸入待处理水体的底部，解决富营养化问题。该装置如图，下列说法不正确的是（　　）
A.电解产生的氧气溶于水体中，可以为水中的动植物提供生存所需的氧
B.阴极发生的反应为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－
C.阳极中生成的氧气和活性氯具有强氧化性，可以杀灭藻类从而使富营养化水体中的藻类停止疯长
D.电解过程简单，不需要额外添加化学试剂，因此不会对环境造成二次污染
解析：B　利用电解复氧装置，电解产生的氧气溶于水体中，可以为水中的动植物提供生存所需的氧，A项正确；阴极发生的反应为Mg2＋＋2H2O＋2e－H2↑＋Mg，B项错误；电解过程中，阳极上会生成O2和Cl2，可以杀灭藻类，C项正确；电解过程只需通电，操作简单，不需要额外添加化学试剂，不会对环境造成二次污染，D项正确。
3.（2024·鞍山二模）工业上通过电解NaCl-CaCl2共熔物制取金属Na的装置如图所示，已知在电解过程中会产生一定量的金属Ca，下列说法错误的是（　　）
A.b电极为阳极
B.添加CaCl2的目的之一是降低电解质体系的熔点
C.阴极反应：Na＋＋e－Na；Ca2＋＋2e－Ca
D.为防止生成的Na与Cl2接触，阴、阳两极之间应用钢板隔开
解析：D　依据图示可知，b电极出口有Cl2产生，故b为阳极，电极反应为2Cl－－2e－Cl2↑，则a为阴极，电极反应为Na＋＋e－Na。b电极为阳极，A项正确；添加CaCl2的目的是降低电解质熔点，节省能源，同时减少单质钠的挥发；增大密度，使得被还原出的密度较低的液态钠单质能漂浮在混合盐之上，易于分离得到产物，B项正确；结合题干信息，电解过程中会产生一定量的金属Ca，说明部分Ca2＋会在阴极放电，C项正确；为了防止生成的Na与Cl2接触，阴、阳两极之间应该用离子交换膜隔开，以保持两极区电解质的电中性，不能使用钢板，D项错误。
4.（2024·抚顺模拟）一种清洁、低成本的三步法氯碱工艺工作原理的示意图如图。
下列说法错误的是（　　）
A.与传统氯碱工艺相比，该方法可避免使用离子交换膜
B.第一步中阳极反应为Na0.44MnO2－xe－Na0.44－xMnO2＋xNa＋
C.第二步中，放电结束后，电解质溶液中NaCl的含量减小
D.理论上，每消耗1 mol O2，可生成2 mol NaOH和2 mol Cl2
解析：D　传统氯碱工艺电解饱和食盐水使用阳离子交换膜，该方法可避免使用离子交换膜，A项正确；根据图示，第一步中阳极反应为Na0.44MnO2－xe－Na0.44－xMnO2＋xNa＋，B项正确；第二步中，放电结束后，Na0.44－xMnO2→Na0.44MnO2，Ag→AgCl，电解质溶液中NaCl的含量降低，C项正确；理论上，每消耗1 mol O2转移4 mol电子，第一步生成4 mol NaOH；根据钠元素守恒，第二步提取4 mol NaCl，第三步生成2 mol Cl2，D项错误。
电解原理的创新应用
知｜识｜强｜化
1.创新电解装置示例
【典题示例】　（2022·湖北高考14题）含磷有机物应用广泛。电解法可实现由白磷直接制备Li[P（CN）2]，装置如图所示（Me为甲基）。
【思维流程】
（1）基于电解原理的电极反应式书写与计算
（2）基于电解装置中离子移动方向的判断
（3）基于电解装置与电解原理的物质来源分析
2.电解原理应用解题策略
真｜题｜研｜析
1.（2024·湖南高考10题）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C6的电极反应：2C3N8H4＋8OH－－4e－C6＋8H2O
C.电解一段时间后，溶液pH升高
D.每生成1 mol H2的同时，生成0.5 mol K4C6N16
解析：B　由电解原理图可知，Ni电极产生H2，发生还原反应，作阴极，电解质溶液为KOH水溶液，则电极反应为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－；Pt电极C3N8H4被氧化生成C6，作阳极，电极反应为2C3N8H4＋8OH－－4e－C6＋8H2O，同时，Pt电极还伴随少量O2生成，电极反应为4OH－－4e－O2↑＋2H2O。Ni电极为阴极，Pt电极为阳极，电解过程中，OH－向阳极即Pt电极移动，A错误；生成C6的电极反应为2C3N8H4＋8OH－－4e－C6＋8H2O，B正确；阳极主要反应为2C3N8H4－4e－＋8OH－C6＋8H2O，阴极反应为2H2O＋2e－，则电解过程中发生的总反应主要为2C3N8H4＋4OH－C6＋4H2O＋2H2↑，反应消耗OH－，生成H2O，电解一段时间后，溶液pH降低，C错误；由总反应：2C3N8H4＋4OH－C6＋4H2O＋2H2↑可知，每生成1 mol H2，生成0.5 mol K4C6N16，但Pt电极伴随少量O2生成，发生电极反应：4OH－－4e－O2↑＋2H2O，则生成1 mol H2时得到的部分电子由OH－放电产生O2提供，所以生成K4C6N16小于0.5 mol，D错误。
2.（2024·湖北高考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1 mol H3N＋CH2COOH双极膜中有4 mol H2O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
解析：B　左侧PbCu电极的Pb表面HOOC—COOH转化为HOOC—CHO，发生脱氧的还原反应，Cu表面HOOC—CHN—OH转化为HOOC—CH2—N＋H3，发生脱氧、加氢的还原反应，因此PbCu电极为阴极；根据题干信息，右侧Cu电极上发生失电子的氧化反应，因此Cu电极为阳极。根据题干信息可知，Cu电极所在的阳极区先后发生反应：HCHO＋OH－HOCH2O－、HOCH2O－＋OH－[OCH2O]2－＋H2O、[OCH2O]2－－e－HCOO－＋H·，H·可转化为H2，则阳极总反应式为2HCHO＋4OH－－2e－2HCOO－＋H2↑＋2H2O，C正确；根据阳极总反应可知，每消耗4个OH－，电路中通过2e－，根据电荷守恒，双极膜中有2个OH－向阳极迁移，即阳极区c（OH－）减小，A正确；据工作原理图知，阴极反应过程：首先Pb上：H2C2O4＋2e－＋2H＋HOOC—CHO＋H2O，然后：HOOC—CHO＋H3N＋OHHOOC—CHNOH＋H2O＋H＋，Cu上：HOOC—CHNOH＋4e－＋5H＋HOOC—CH2N＋H3＋H2O，故阴极总反应为H2C2O4＋H3N＋OH＋6e－＋6H＋H3N＋CH2COOH＋3H2O，由阴极总反应知，理论上生成1 mol H3N＋CH2COOH消耗6 mol H＋，双极膜中有6 mol H2O解离提供出6 mol H＋，B错误；D中所述反应即为阴极反应过程中Pb上发生的反应，D正确。
3.（2023·重庆高考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a
C.电极b发生的反应为＋2H2O－6e－＋6H＋
D.生成3 mol半胱氨酸的同时生成1 mol烟酸
解析：D　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＋，A、C正确；电解池中阳离子移向阴极，则H＋移向a电极，B正确；根据得失电子守恒可得关系式：～6e－～，因此生成6 mol半胱氨酸的同时生成1 mol烟酸，D错误。
能｜力｜进｜阶
1.（2024·白山二模）大连理工大学提出了一种低能耗、无阳极氯腐蚀的电解混合海水制氢新技术，如图所示。下列叙述错误的是（　　）
A.在该条件下，N2H4的放电能力强于Cl－
B.a极与电源负极连接，发生氧化反应产生O2
C.b极反应式为N2H4＋4OH－－4e－N2↑＋4H2O
D.逸出2.24 L气体1（标准状况）时外电路转移电子数为0.2NA
解析：B　由题干信息可知，无阳极氯腐蚀，故在该条件下，N2H4的放电能力强于Cl－，Cl－不放电，N2H4发生氧化反应生成N2，A正确；由题可知，该电解池采用电解制氢新技术，结合A选项中分析，b极为阳极，则a极为阴极，与电源负极连接，气体1为H2，发生还原反应：2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，B错误；b极为阳极，N2H4发生氧化反应生成N2，电极反应式正确，C正确；a极反应式为2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，根据电极反应式知，标准状况下，产生0.1 mol H2时外电路转移电子数为0.2NA，D正确。
2.（2024·佛山质检）畜禽废水中含大量N、P元素，通过电解形成MgNH4PO4·6H2O沉淀（鸟粪石）进行回收。用如图装置模拟该过程，其中含P微粒共有1 mol。下列说法错误的是（　　）
A.阳极反应有：Mg－2e－＋N＋＋6H2OMgNH4PO4·6H2O
B.若电路中转移1.98 mol e－，则溶液中剩余含P微粒为0.01 mol
C.强酸或强碱环境更有利于去除氮、磷元素
D.鸟粪石可用作缓释肥，实现变废为宝
解析：C　生成含镁化合物，镁单质应发生氧化反应，Mg电极为阳极，电极反应为Mg－2e－＋N＋＋6H2OMgNH4PO4·6H2O，惰性电极为阴极，电极反应为2H2O＋2e－2OH－＋H2↑。阳极反应有：Mg－2e－＋N＋＋6H2OMgNH4PO4·6H2O，A正确；由Mg－2e－＋N＋＋6H2OMgNH4PO4·6H2O知，若电路中转移1.98 mol e－，则消耗的）＝0.99 mol，则溶液中剩余含P微粒为1 mol－0.99 mol＝0.01 mol，B正确；强酸性环境下，会生成H3，强碱性环境下，N会生成氨水，不利于去除氮、磷元素，C错误；鸟粪石是含N、P元素的不溶性物质，通过沉淀溶解平衡可逐渐提供可溶性的铵根离子和磷酸根离子，提供N和P，故可用作缓释肥，实现变废为宝，D正确。
3.（2024·福州三模）2023年，我国科学家利用铜催化剂催化电解碱性甲醛溶液实现阴、阳两极同时制氢，其原理如图所示。电解过程中，电极 b上同时产生 H2与 HCOO－的物质的量之比为1∶2。下列说法错误的是（　　）
A.电极a连接电源的负极
B.电极b上的电极反应式为2HCHO＋4OH－－2e－2HCOO－＋H2↑＋2H2O
C.电解过程中a、b两极产生H2的体积比为1∶1
D.电解过程共收集到 H2 22.4 L（标准状况），则通过阴离子交换膜的OH－为2 mol
解析：D　题给电解装置中，电极a上是水得到电子生成H2和OH－，电极b上是HCHO的碱性溶液失去电子生成H2和HCOO－，根据电解池中阳极失去电子和阴极得到电子可以判断出电极a是阴极，电极b是阳极。电极a是阴极，连接电源负极，A正确；电极b是阳极，阳极上甲醛失去电子生成氢气和甲酸根离子，并且溶液是碱性的，因此b电极反应式为2HCHO＋4OH－－2e－2HCOO－＋H2↑＋2H2O，B正确；电解过程中电极a上产生一个H2得到2个电子，电极b上产生一个H2失去2个电子，因此电解过程中a、b两极产生H2的数量相同，相同条件下产生气体的体积相同，C正确；电解过程共收集到22.4 L的H2（标准状况），为1 mol，由选项C可知a和b电极上均产生了0.5 mol H2，则通过阴离子交换膜的OH－为1 mol，D错误。
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