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第14练　电极反应式的书写与电化学计算　
[分值：100分]
1.(9分)[2023·江苏，17(3)]空气中CO2含量的控制和CO2资源利用具有重要意义。催化电解吸收CO2的KOH溶液可将CO2转化为有机物。在相同条件下，恒定通过电解池的电量，电解得到的部分还原产物的法拉第效率(FE%)随电解电压的变化如图所示。
FE%=×100%
其中，QX=nF，n表示电解生成还原产物X所转移电子的物质的量，F表示法拉第常数。
①当电解电压为U1V时，电解过程中含碳还原产物的FE%为0，阴极主要还原产物为　　　　　　　(填化学式)。
②当电解电压为U2V时，阴极由生成CH4的电极反应式为　　　　。
③当电解电压为U3V时，电解生成的C2H4和HCOO-的物质的量之比为　　　 　　　　(写出计算过程)。
2.(7分)[2024·北京，16(3)]研究表明可以用电解法以N2为氮源直接制备HNO3，其原理示意图如下。
①电极a表面生成的电极反应式：　　　 　　　　。
②研究发现：N2转化可能的途径为N2NO。电极a表面还发生ⅲ.H2O→O2。ⅲ的存在，有利于途径ⅱ，原因是　　　 　　　　。
3.(12分)2019年诺贝尔化学奖颁给在锂离子电池发展方面作出突出贡献的三位科学家，颁奖词中说：他们创造了一个可再充电的世界。下面是最近研发的Ca LiFePO4可充电电池的工作示意图，锂离子导体膜只允许Li+通过，电池反应为xCa+2Li1-xFePO4+2xLi+xCa2++2LiFePO4。
负极反应：　　　　；
正极反应：　　　　；
阳极反应：　　　　；
阴极反应：　　　　。
4.(7分)H2还原CO电化学法制备甲醇(CO+2H2===CH3OH)的工作原理如图所示。放电时，电子由电极　　　　　　　　(填“a”或“b”)沿导线流向另一电极。该电池工作时，通入CO一端硫酸溶液的质量变化为16 g，理论上通过电路转移的电子为　　　　　 mol。
5.(10分)合成氨也可以通过电化学过程实现，其装置如图所示。
(1)导线中电子流动方向为　　　　。
(2)生成NH3的电极反应式为　　　　。
(3)若惰性电极2的电流效率η为75%，则惰性电极2处N2与NH3的物质的量之比为　　　　(η=×100%)。
6.(10分)电渗析法处理厨房垃圾发酵液，同时得到乳酸的原理如图所示(图中“HA”表示乳酸分子，A-表示乳酸根离子)。
(1)阳极的电极反应式为　　　　。
(2)简述浓缩室中得到浓乳酸的原理：　　　 　　　　。
(3)电解过程中，采取一定的措施可控制阳极室的pH约为6~8，此时进入浓缩室的OH-可忽略不计。400 mL 10 g·L-1乳酸溶液通电一段时间后，浓度上升为145 g·L-1(溶液体积变化忽略不计)，阴极上产生的H2在标准状况下的体积约为　　　　　 L(乳酸的摩尔质量为90 g·mol-1)。
7.(9分)我国科学家研究Li CO2电池，取得了重大科研成果。回答下列问题：
(1)Li CO2电池中，Li为单质锂片，则该电池中的CO2在　　　　(填“正”或“负”)极发生电化学反应。研究表明，该电池反应产物为碳酸锂和单质碳，且CO2电还原后与锂离子结合形成碳酸锂按以下4个步骤进行，写出步骤Ⅲ的离子方程式：
Ⅰ.2CO2+2e-===C2
Ⅱ.C2===CO2+C
Ⅲ.　　　
Ⅳ.C+2Li+===Li2CO3
(2)研究表明，在电解质水溶液中，CO2气体可被电化学还原。CO2在碱性介质中电还原为正丙醇(CH3CH2CH2OH)的电极反应式为　　　 　　　　。
8.(21分)我国科学家最近发明了一种Zn PbO2电池，电解质为K2SO4、H2SO4和KOH，由a和b两种离子交换膜隔开，形成A、B、C三个电解质溶液区域，结构示意图如下，回答下列问题：
(1)电池中，Zn为　　　　极，B区域的电解质为　　　　(填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)。
(2)电池反应的离子方程式为　　　 　　　　　　　　　　　。
(3)阳离子交换膜为图中的　　　　(填“a”或“b”)膜。
(4)此电池中，消耗6.5 g Zn，理论上可产生的容量(电量)为　　　　毫安时(mAh)(1 mol电子的电量为1 F，1 F=96 500 C·mol-1，结果保留整数)。
(5)已知E为电池电动势[电池电动势即电池的理论电压，是两个电极电位之差，E=E(+)-E(-)]，ΔG为电池反应的自由能变，则该电池与传统铅蓄电池相比较，　　　 (填“>”或“<”，下同)；Δ　　　　Δ。
9.(6分)(2025·镇江期中)利用电化学装置可实现CH4和 CO2的耦合转化，原理如图所示。
(1)阳极生成乙烷的电极反应式为　　　 　　　　。
(2)同温同压下，若生成乙烯和乙烷的体积比为1∶1，则消耗的 CH4和 CO2体积比为　　　　。
10.(9分)(2025·盐城射阳中学一模)如图装置可同时吸收SO2和NO。已知：H2S2O4是一种弱酸。直流电源的正极为　　　　(填“a”或“b”)。该电解装置选择　　　　(填“阳”或“阴”)离子交换膜。阴极的电极反应式为　　　　 　　　　。 第14练　电极反应式的书写与电化学计算　
[分值：100分]
1.(9分)[2023·江苏，17(3)]空气中CO2含量的控制和CO2资源利用具有重要意义。催化电解吸收CO2的KOH溶液可将CO2转化为有机物。在相同条件下，恒定通过电解池的电量，电解得到的部分还原产物的法拉第效率(FE%)随电解电压的变化如图所示。
FE%=×100%
其中，QX=nF，n表示电解生成还原产物X所转移电子的物质的量，F表示法拉第常数。
①当电解电压为U1V时，电解过程中含碳还原产物的FE%为0，阴极主要还原产物为　　　　　　　(填化学式)。
②当电解电压为U2V时，阴极由生成CH4的电极反应式为　　　　。
③当电解电压为U3V时，电解生成的C2H4和HCOO-的物质的量之比为　　　 　　　　(写出计算过程)。
答案　①H2　②10HC+8e-===CH4↑+9C+3H2O　③每生成1 mol C2H4转移12 mol e-，每生成1 mol HCOO-转移2 mol e-，故电解生成的C2H4和HCOO-的物质的量之比为∶=1∶2
解析　①当电解电压为U1V时，电解过程中含碳还原产物的FE%为0，说明二氧化碳未得电子，为H2O放电生成氢气。②当电解电压为U2V时，根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒可知碱性条件下阴极由生成CH4的电极反应式为10HC+8e-===CH4+9C+3H2O。③当电解电压为U3V时，电解过程中还原产物C2H4的FE%为24%，还原产物HCOO-的FE%为8%，每生成1 mol C2H4转移12 mol e-，每生成1 mol HCOO-转移2 mol e-，故电解生成的C2H4和HCOO-的物质的量之比为∶=1∶2。
2.(7分)[2024·北京，16(3)]研究表明可以用电解法以N2为氮源直接制备HNO3，其原理示意图如下。
①电极a表面生成的电极反应式：　　　 　　　　。
②研究发现：N2转化可能的途径为N2NO。电极a表面还发生ⅲ.H2O→O2。ⅲ的存在，有利于途径ⅱ，原因是　　　 　　　　。
答案　①N2+6H2O-10e-===2N+12H+
②反应ⅲ生成O2，O2将NO氧化成NO2，NO2更易转化成
解析　①电极a上N2，氮元素化合价升高，发生氧化反应，电极a为阳极，电极反应式为N2+6H2O-10e-===2N+12H+。
3.(12分)2019年诺贝尔化学奖颁给在锂离子电池发展方面作出突出贡献的三位科学家，颁奖词中说：他们创造了一个可再充电的世界。下面是最近研发的Ca LiFePO4可充电电池的工作示意图，锂离子导体膜只允许Li+通过，电池反应为xCa+2Li1-xFePO4+2xLi+xCa2++2LiFePO4。
负极反应：　　　　；
正极反应：　　　　；
阳极反应：　　　　；
阴极反应：　　　　。
答案　Ca-2e-===Ca2+
Li1-xFePO4+xLi++xe-===LiFePO4
LiFePO4-xe-===xLi++Li1-xFePO4
Ca2++2e-===Ca
4.(7分)H2还原CO电化学法制备甲醇(CO+2H2===CH3OH)的工作原理如图所示。放电时，电子由电极　　　　　　　　(填“a”或“b”)沿导线流向另一电极。该电池工作时，通入CO一端硫酸溶液的质量变化为16 g，理论上通过电路转移的电子为　　　　　 mol。
答案　b　2
解析　根据总反应CO+2H2===CH3OH可知，氢气在电极b发生氧化反应，b为负极，发生反应：H2-2e-===2H+，电子流出；a为正极，发生反应：CO+4e-+4H+===CH3OH，消耗的氢离子由负极区补充，因此通入CO一端硫酸溶液的质量变化是生成的甲醇的质量，即0.5 mol，转移2 mol电子。
5.(10分)合成氨也可以通过电化学过程实现，其装置如图所示。
(1)导线中电子流动方向为　　　　。
(2)生成NH3的电极反应式为　　　　。
(3)若惰性电极2的电流效率η为75%，则惰性电极2处N2与NH3的物质的量之比为　　　　(η=×100%)。
答案　(1)惰性电极2到电源正极、电源负极到惰性电极1　(2)3H2-6e-+2N3-===2NH3　(3)1∶6
6.(10分)电渗析法处理厨房垃圾发酵液，同时得到乳酸的原理如图所示(图中“HA”表示乳酸分子，A-表示乳酸根离子)。
(1)阳极的电极反应式为　　　　。
(2)简述浓缩室中得到浓乳酸的原理：　　　 　　　　。
(3)电解过程中，采取一定的措施可控制阳极室的pH约为6~8，此时进入浓缩室的OH-可忽略不计。400 mL 10 g·L-1乳酸溶液通电一段时间后，浓度上升为145 g·L-1(溶液体积变化忽略不计)，阴极上产生的H2在标准状况下的体积约为　　　　　 L(乳酸的摩尔质量为90 g·mol-1)。
答案　(1)2H2O-4e-===O2↑+4H+　(2)阳极H2O放电生成O2和H+，c(H+)增大，H+从阳极通过阳离子交换膜进入浓缩室；A-通过阴离子交换膜从阴极进入浓缩室，H++A-===HA，乳酸浓度增大　(3)6.72
解析　(3)Δn(HA)==0.6 mol，故进入浓缩室的n(A-)=0.6 mol，转移电子n(e-)=0.6 mol，阴极反应：2H++2e-===H2↑，n(H2)=n(e-)=0.3 mol，V(H2)=0.3 mol×22.4 L·mol-1=6.72 L。
7.(9分)我国科学家研究Li CO2电池，取得了重大科研成果。回答下列问题：
(1)Li CO2电池中，Li为单质锂片，则该电池中的CO2在　　　　(填“正”或“负”)极发生电化学反应。研究表明，该电池反应产物为碳酸锂和单质碳，且CO2电还原后与锂离子结合形成碳酸锂按以下4个步骤进行，写出步骤Ⅲ的离子方程式：
Ⅰ.2CO2+2e-===C2
Ⅱ.C2===CO2+C
Ⅲ.　　　
Ⅳ.C+2Li+===Li2CO3
(2)研究表明，在电解质水溶液中，CO2气体可被电化学还原。CO2在碱性介质中电还原为正丙醇(CH3CH2CH2OH)的电极反应式为　　　 　　　　。
答案　(1)正　2C+CO2===2C+C
(2)3CO2+18e-+13H2O===CH3CH2CH2OH+18OH-
解析　Li CO2电池的总反应式为4Li+3CO2===2Li2CO3+C。(1)电池中，锂为负极，CO2在正极发生电化学反应，由电池总反应式可得正极反应为3CO2+4e-+4Li+===2Li2CO3+C；结合步骤Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ，可得步骤Ⅲ的离子方程式为2C+CO2===2C+C。(2)介质呈碱性，应用OH-配平，CO2在碱性介质中电还原为正丙醇，电极反应式为3CO2+18e-+13H2O===CH3CH2CH2OH+18OH-。
8.(21分)我国科学家最近发明了一种Zn PbO2电池，电解质为K2SO4、H2SO4和KOH，由a和b两种离子交换膜隔开，形成A、B、C三个电解质溶液区域，结构示意图如下，回答下列问题：
(1)电池中，Zn为　　　　极，B区域的电解质为　　　　(填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)。
(2)电池反应的离子方程式为　　　 　　　　　　　　　　　。
(3)阳离子交换膜为图中的　　　　(填“a”或“b”)膜。
(4)此电池中，消耗6.5 g Zn，理论上可产生的容量(电量)为　　　　毫安时(mAh)(1 mol电子的电量为1 F，1 F=96 500 C·mol-1，结果保留整数)。
(5)已知E为电池电动势[电池电动势即电池的理论电压，是两个电极电位之差，E=E(+)-E(-)]，ΔG为电池反应的自由能变，则该电池与传统铅蓄电池相比较，　　　 (填“>”或“<”，下同)；Δ　　　　Δ。
答案　(1)负　K2SO4　(2)PbO2+S+Zn+2H2O===PbSO4+[Zn(OH)4]2-　(3)a　(4)5 361
(5)>　<
解析　(1)根据图示可知，Zn电极失去电子生成Zn2+，与溶液中的OH-结合形成[Zn(OH)4]2-，所以Zn电极为负极；在A区域的电解质为KOH，在B区域的电解质为K2SO4，C区域电解质为H2SO4。(2)负极电极反应式为Zn-2e-+4OH-===[Zn(OH)4]2-，正极的电极反应式为PbO2+2e-+4H++S===PbSO4+2H2O，总反应方程式为PbO2+S+Zn+2H2O===PbSO4+[Zn(OH)4]2-。(3)A区域是KOH溶液，OH-发生反应生成[Zn(OH)4]2-，为了维持溶液呈电中性，多余的K+通过交换膜进入到B区域，由于阳离子交换膜只允许阳离子通过，因此a膜为阳离子交换膜。(4)6.5 g Zn的物质的量是n(Zn)==0.1 mol，则转移电子n(e-)=0.2 mol，1 mol电子的电量为1 F，1 F=96 500 C·mol-1，转移0.2 mol电子的电量Q=0.2 mol×96 500 C·mol-1=193 00 C，则理论上可产生的容量(电量)为 mAh≈5 361 mAh。(5)由于Zn比Pb的金属活动性强，正极材料都是PbO2，所以Zn PbO2的电势差比Pb PbO2的电势差大，则>；不同电池的电势差越大，电池反应的自由能变就越小，由于Zn PbO2的电势差比Pb PbO2的电势差大，所以Δ<Δ。
9.(6分)(2025·镇江期中)利用电化学装置可实现CH4和 CO2的耦合转化，原理如图所示。
(1)阳极生成乙烷的电极反应式为　　　 　　　　。
(2)同温同压下，若生成乙烯和乙烷的体积比为1∶1，则消耗的 CH4和 CO2体积比为　　　　。
答案　(1)2CH4+O2--2e-===CH3CH3+H2O　(2)4∶3
解析　(2)由图可知，CO2在阴极得到电子生成CO，电极反应式为 CO2+2e- ===CO+O2-；CH4在阳极失去电子生成乙烷或乙烯，电极反应式分别为 2CH4+O2--2e-===CH3CH3+H2O、2CH4+2O2--4e-===CH2===CH2 +2H2O，若生成乙烯和乙烷各1 mol，则共失去6 mol电子，消耗4 mol CH4、3 mol CO2，故消耗的 CH4和 CO2体积比为4∶3。
10.(9分)(2025·盐城射阳中学一模)如图装置可同时吸收SO2和NO。已知：H2S2O4是一种弱酸。直流电源的正极为　　　　(填“a”或“b”)。该电解装置选择　　　　(填“阳”或“阴”)离子交换膜。阴极的电极反应式为　　　　 　　　　。
答案　b　阳　2HS+2e-+4H+===H2S2O4+2H2O
解析　有外加的直流电源，则右边装置为电解池装置，与a相连的电极S元素由+4价降低为+3价，则该极为阴极，与b相连的电极为阳极，故直流电源的正极为b；阴极为亚硫酸氢根离子得电子转化为H2S2O4，电极反应式为2HS+2e-+4H+===H2S2O4+2H2O，阳极消耗H+，则离子交换膜为阳离子交换膜。

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