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专题一　原电池和电解池及拓展应用
热点一　原电池与传统化学电源
1.(2024·江苏卷)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1 mol MnOOH,转移电子数为2×6.02×1023
2.(2024·全国甲卷)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===ZnMn2O4
C.放电时,正极反应有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.放电时,Zn电极质量减少0.65 g,MnO2电极生成了0.020 mol MnOOH
3.(2025·广东卷)某理论研究认为:燃料电池(图b)的电极Ⅰ和Ⅱ上所发生反应的催化机理示意图分别如图a和图c,其中O2获得第一个电子的过程最慢。由此可知,理论上(　　)
A.负极反应的催化剂是ⅰ
B.图a中,ⅰ到ⅱ过程的活化能一定最低
C.电池工作过程中,负极室的溶液质量保持不变
D.相同时间内,电极Ⅰ和电极Ⅱ上的催化循环完成次数相同
高考热点:纵观近年高考试题,该部分主要命题点为对原电池原理的理解,命题角度主要集中在电极名称的判断、电极反应类型的判断、电极电势高低的判断、离子和电子移动方向的判断、电极反应式和总反应式的正误判断、电解质溶液pH变化及电极产物的判断和相关计算。
1.原电池模型
2.燃料电池工作原理
3.充电电池原理分析
1.(2025·浙江台州一模)1836年,英国化学家John Frederic Daniell制成了第一个如图所示的双液电池,标志着化学电池进入生产和生活中。
已知反应:Zn(s)-2e-Zn2+ (aq)　K1
Cu(s)-2e-Cu2+(aq)　K2
K为反应在常温下的平衡常数。下列说法不正确的是(　　)
A.K1>K2
B.盐桥中K+向CuSO4溶液移动
C.若将盐桥换成铜棒,电流计不会发生偏转
D.若向CuSO4溶液中加入适量CuSO4固体,电流计偏转程度增大
2.(2025·河北沧州高三联考)我国科学家研究的碱性锌-空气可充电电池的工作原理如图所示。
下列叙述错误的是(　　)
A.放电时,电解质溶液中c(OH-)增大
B.放电时,a极的电极反应式为Zn+4OH--2e-===[Zn(OH)4]2-
C.充电时,OH-向b极迁移
D.充电时,生成11.2 L O2(标准状况下)时转移2 mol电子
3.(2025·云南昆明高三期末)铅酸蓄电池是一种常见的二次电池,放电时的总反应为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,电池构造示意图如图所示。铅酸蓄电池在充电过程中还会产生氢气和氧气。下列有关说法错误的是(　　)
A.铅酸蓄电池应采取安全措施防止电池气压增大而鼓胀
B.电池放电时,Pb、PbO2电极的质量均增大
C.充电时,阳极的电极反应式为Pb2++2H2O-2e-===PbO2+4H+
D.若用直流电源充电时,电池的正极与电源的正极相连
4.(2025·黑龙江哈尔滨三模)甲酸燃料电池装置如图所示,下列说法错误的是(　　)
A.物质A是H2SO4
B.半透膜是阳离子交换膜
C.a极电极反应式为HCOO-+2e-+2OH-===HC+H2O
D.Fe3+可以看作是该反应的催化剂,可以循环利用
热点二　新型化学电源
1.(2024·福建卷)一种兼具合成功能的新型锂电池工作原理如图。电解质为含Li+的有机溶液。放电过程中产生(CF3SO2)2NLi,充电过程中电解LiCl产生Cl2。下列说法正确的是(　　)
A.交换膜为阴离子交换膜
B.电解质溶液可替换为LiCl水溶液
C.理论上每生成1 mol Cl2,需消耗2 mol Li
D.放电时总反应:6Li+N2+4CF3SO2Cl===2(CF3SO2)2NLi+4LiCl
2.(2025·安徽卷)研究人员开发出一种锂-氢可充电电池(如图所示),使用前需先充电,其固体电解质仅允许Li+通过。下列说法正确的是(　　)
A.放电时电解质溶液质量减小
B.放电时电池总反应为H2+2Li===2LiH
C.充电时Li+移向惰性电极
D.充电时每转移1 mol电子,c(H+)降低1 mol·L-1
3.(2024·河北卷)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===MgC2O4
B.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
高考热点:试题主要考查原电池的工作原理、微粒的移动方向、电极反应式书写、交换膜类型和电池工作过程中质量变化等必备知识。此类试题以陌生新型化学电源装置为情景素材,主要考查学生信息获取与加工、逻辑推理和论证能力。
1.新型电源装置图教材溯源
(1)燃料电池
(2)二次电池
(3)离子交换膜
2.分析新型化学电源的一般思路
第一步 审题干,析图示,判断原电池
第二步 算价态,找变化,判断正负极
第三步 按原理,抓守恒,书写反应式
第四步 据产物,判移向,计算各种量
1.[新型一次电池](2025·广东深圳一模)我国科学家设计了水/有机混合高能锂硫电池,其工作原理如图所示。
下列说法正确的是(　　)
A.硫电极为负极
B.Cu2+通过阳离子交换膜向锂电极方向迁移
C.硫电极上发生的反应为2Cu2+ +S+4e-===Cu2S
D.理论上,每消耗1 mol S,同时消耗2 mol Li
2.[锂离子电池](2025·江西萍乡二模)锂离子电池及其迭代产品依然是目前世界上主流的手机电池。科学家近期研发的一种新型的Ca-LiFePO4可充电电池的原理示意图如图,电池反应为xCa2++2LiFePO4xCa+2Li1-xFePO4+2xLi+,下列说法正确的是(　　)
A.放电时,钙电极为负极,发生还原反应
B.充电时,Li1-xFePO4/LiFePO4电极的电极反应式为LiFePO4-xe-===Li1-xFePO4+xLi+
C.锂离子导体膜的作用是允许Li+和水分子通过,同时保证Li+定向移动以形成电流
D.充电时,当转移0.2 mol电子时,理论上阴极室中电解质的质量减轻4.0 g
3.[浓差电池]组成原电池的条件有很多,其中一种就是利用电解质的浓度差构成“浓差电池”。当电解质中某离子的浓度越大时,其氧化性或还原性越强。如图将两个银电极插入不同浓度的AgNO3溶液中(c2>c1),实验开始观察到灵敏电流计的指针偏转,下列说法正确的是(　　)
A.B极电极反应为Ag-e-===Ag+
B.Ag+穿过交换膜由A极区移向B极区
C.电流计指针偏转幅度始终不变
D.A极发生氧化反应,A极区AgNO3溶液浓度不断增大
4.[光能转化电池](2025·安徽统考一模)中国科学技术大学在光催化CO2生成HCOOH和协同生成H2O2的研究中,为碳中和作出了贡献。其装置如图所示。
下列有关叙述正确的是(　　)
A.该装置将电能转化为化学能
B.负极附近溶液的pH增大
C.正极发生的电极反应为HCOOH-2e-===CO2+2H+
D.图中溶液中H+从左向右移动
5.[液流储能电池](2025·贵州部分学校联考)一种FeBr2-Br2双膜二次电池的结构及放电时的工作原理如图所示。
已知:①M、N均为多孔石墨烯电极;
②起始时Ⅰ室(含储液罐)中只含FeBr2。
下列说法错误的是(　　)
A.X膜、Y膜均为阴离子交换膜
B.充电过程中,Ⅱ室中的NaBr溶液和Ⅲ室中的Br2溶液浓度均逐渐增大
C.放电过程的总反应为2FeBr2+Br2===2FeBr3
D.放电时,Ⅲ室中1 mol Br2参加反应,此时Ⅰ室中c(Fe3+)∶c(Fe2+)=1∶3,则起始Ⅰ室中含8 mol FeBr2
热点三　电解原理　金属腐蚀与防护
1.(2024·浙江6月选考)金属腐蚀会对设备产生严重危害,腐蚀快慢与材料种类、所处环境有关。下图为两种对海水中钢闸门的防腐措施示意图:
下列说法正确的是(　　)
A.图1、图2中,阳极材料本身均失去电子
B.图2中,外加电压偏高时,钢闸门表面可发生反应:O2+4e-+2H2O===4OH-
C.图2中,外加电压保持恒定不变,有利于提高对钢闸门的防护效果
D.图1、图2中,当钢闸门表面的腐蚀电流为零时,钢闸门、阳极均不发生化学反应
2.(2024·山东卷)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
3.(2025·湖北卷)某电化学制冷系统的装置如图所示。[Fe(H2O)6]3+和[Fe(H2O)6]2+在电极上发生相互转化,伴随着热量的吸收或释放,经由泵推动电解质溶液的循环流动(①→②→③→④→①)实现制冷。装置只通过热交换区域Ⅰ和Ⅱ与环境进行传热,其他区域绝热。下列描述错误的是(　　)
A.阴极反应为[Fe(H2O)6]3++e-===[Fe(H2O)6]2+
B.已知②处的电解液温度比①处的低,可推断[Fe(H2O)6]2+比[Fe(H2O)6]3+稳定
C.多孔隔膜可以阻止阴极区和阳极区间的热交换
D.已知电子转移过程非常快,物质结构来不及改变。热效应主要来自电子转移后[Fe(H2O)6]2+和[Fe(H2O)6]3+离子结构的改变
高考热点:试题通过电解装置考查学生对电解原理的掌握程度,主要涉及阴、阳极及其电解产物的判断,电极反应式的书写,离子移动方向的判断,电解的简单计算等必备知识。此类试题一般给出电解装置图示,需要学生结合电解原理,从微观角度和宏观角度进行综合分析,考查学生信息获取与加工、逻辑推理与论证能力。
1.电解池模型(石墨电极电解氯化铜溶液为例)
2.解决电解池问题的思维建模
(1)先根据外加电源的正、负极,确定电解池的阳、阴极。若阳极为活性电极,必须圈出加以强调。
(2)将电解池中的离子归类并排序(阳离子按氧化性由强到弱排序,阴离子按还原性由强到弱排序)。
(3)根据谁强谁优先以及电极反应式的通式,书写电极反应式。
(4)在得失电子守恒的基础上,加和阴、阳极电极反应,即可获得总反应。也可以根据氧化还原反应原理直接推导总反应化学方程式。
(5)完成选择题时,先通过“阳极口诀”确定阳极特征,排除定性选项,再根据得失电子守恒进行定量计算。
3.金属腐蚀的分类(以钢铁腐蚀为例)
注:①电化学腐蚀比化学腐蚀更常见,腐蚀速率更快,危害也更严重。
②吸氧腐蚀比析氢腐蚀更普遍。
4.金属腐蚀的防护
1.某同学利用如图所示装置探究金属的腐蚀与防护,下列说法不正确的是(　　)
A.③区电极电势Cu高于Fe
B.①区Fe电极和③区Fe电极电极反应均为Fe-2e-===Fe2+
C.②区Zn电极和④区Cu电极电极反应均为2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.②区Fe 电极和④区Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液,均会出现蓝色沉淀
2.基于甲烷蒸汽重整工业制氢面临着大量的“碳排放”,我国科技工作者发明了一种电化学分解甲烷的方法,从而实现了碳和水的零排放方式生产氢气。电化学反应机理如下图所示。
下列判断正确的是(　　)
A.上述电化学装置中电解质可使用水溶液
B.阳极反应:CH4-4e-+2O2-===CO2+2H2
C.O2-既是阴极的生成物,也是阴极的反应物
D.理论上阳极生成1.5 mol气体,电路中转移8 mol电子
3.(2025·浙江A9协作体高三联考)电有机合成相对于传统有机合成具有显著优势,利用如图所示装置实现电催化合成呋喃二甲酸。下列说法不正确的是(　　)
A.催化电极b为阴极,发生还原反应
B.电极a上的反应为-6e-+2H2O===+6H+
C.电路中每转移1 mol e-,阳极区与阴极区质量变化的差为2 g
D.若1 mol Ni2+在催化电极a放电,可制得呋喃二甲酸26 g
4.(2025·山西运城二模)近日,美国威斯康星大学麦迪逊分校课题组使用锰-四苯基卟啉催化剂将电化学氧还原和水氧化进行配对,在两个电极上生成活性锰-氧物种,从而将Ph2S转化为Ph2SO。
下列叙述正确的是(　　)
A.a极电势高于b极
B.a极反应:PMn(V)O+2e-+2H+===PMn(Ⅲ)+H2O
C.电路上转移2 mol电子理论上生成1 mol Ph2SO
D.“PMn(V)O和PMn(Ⅲ)”总量几乎不变
专题突破练(十三)　原电池和电解池及拓展应用
1.(2025·甘肃卷)我国科研工作者设计了一种Mg-海水电池驱动海水(pH=8.2)电解系统(如图),以新型MoNi/NiMoO4为催化剂(生长在泡沫镍电极上),在电池和电解池中同时产生氢气。下列关于该系统的说法错误的是(　　)
A.将催化剂生长在泡沫镍电极上可提高催化效率
B.在外电路中,电子从电极1流向电极4
C.电极3的反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑
D.理论上,每通过2 mol电子,可产生1 mol H2
2.(2025·广东卷)一种高容量水系电池示意图如图。已知:放电时,电极Ⅱ上MnO2减少;电极材料每转移1 mol电子,对应的理论容量为26.8 A·h。下列说法错误的是(　　)
A.充电时Ⅱ为阳极
B.放电时Ⅱ极室中溶液的pH降低
C.放电时负极反应为MnS-2e-===S+Mn2+
D.充电时16 g S能提供的理论容量为26.8 A·h
3.一种锂硫电池的工作原理如图所示,其中电极A常用掺有石墨烯的S8材料,电池反应为16Li+xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)。
下列说法中正确的是(　　)
A.放电时,锂电极的电势高
B.电解质溶液可以用无机物水溶液代替
C.电池充电时间越长,电池中的Li2Sx量越多
D.电池工作时,外电路中流过0.2 mol电子,负极材料减重 1.4 g
4.(双选)(2024·海南卷)电解NH4HSO4溶液得到S2,是早期制备H2O2的重要步骤。某实验装置如图所示。电解过程流出液b中混有少量气泡。下列说法错误的是(　　)
A.电解过程中阴极区的S不断迁移到阳极区
B.图中a代表H2
C.回路中通过1 mol电子产生0.5 mol(NH4)2S2O8
D.S
5.(2025·河北卷)科研工作者设计了一种用于废弃电极材料LixCoO2(x<1)再锂化的电化学装置,其示意图如下:
已知:参比电极的作用是确定LixCoO2再锂化为LiCoO2的最优条件,不干扰电极反应。下列说法正确的是(　　)
A.LixCoO2电极上发生的反应:LixCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2
B.产生标准状况下5.6 L O2时,理论上可转化 mol的LixCoO2
C.再锂化过程中,S向LixCoO2电极迁移
D.电解过程中,阳极附近溶液pH升高
6.(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1 mol Fe2O3,阳极室溶液减少213 g
D.理论上每消耗1 mol Fe2O3,阴极室物质最多增加138 g
7.(2025·福建三明一模)一种可在较高温下安全快充的铝-硫电池的工作原理如图,电解质为熔融氯铝酸盐(由NaCl、KCl和AlCl3形成熔点为93 ℃的共熔物),其中氯铝酸根[AlnC(n≥1)]起到结合或释放Al3+的作用。电池总反应:2Al+3xSAl2(Sx)3。下列说法错误的是(　　)
A.AlnC含4n个Al—Cl键
B.AlnC中同时连接2个Al原子的Cl原子有(n-1)个
C.充电时,再生1 mol Al单质至少转移3 mol电子
D.放电时间越长,负极附近熔融盐中n值小的AlnC浓度越高
8.(2025·江西南昌质检)锂离子电池被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、航空航天和国防军事等领域。下图是锂离子二次电池的放电过程示意图,下列说法正确的是(　　)
A.放电时,电极A的电势高于电极B
B.放电时,正极反应:LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
C.充电时,当转移1 mol电子时,则有1 mol Li+从LiCoO2的晶格中脱出,并穿过隔膜嵌入石墨层间
D.该电池电解液的溶剂可选择水
9.(2025·广东江门一模)钇稳定氧化锆浓差电池可用于测定待测环境中氧气的含量,在冶金、能源等领域应用广泛。其原理是利用空气与待测环境中氧气的浓度差对电压的影响,某工作状态如图所示。该电池工作时,下列说法不正确的是(　　)
A.电极A为正极
B.O2-由电极A向电极B迁移
C.电极B发生的反应为2O2--4e-===O2↑
D.理论上,电解质中O2-的总物质的量会增加
10.(2025·江西上饶一模)中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部提出了一种基于Br-辅助MnO2放电的混合型液流电池,装置如图所示,下列说法错误的是(　　)
A.充电时,H+向电极A迁移
B.在放电过程中,可利用Br-及时清除电极B上的“死锰”(MnO2),提高充放电过程的可逆性
C.放电时,电极B上还可能发生:2Br--2e-===Br2
D.放电时,在该环境下的氧化性:Cr2+11.(2025·内蒙古呼和浩特二模)用电解法(图1)通过翻转电极可同时处理含N的生活污水,联合脱除过程中测得溶液pH变化如图2所示。0~20 min除去N的原理如图3所示,20~40 min除P的方法是将其转化为Fe3(PO4)2沉淀。
下列说法不正确的是(　　)
A.0~20 min内,a为电源的负极
B.除N时,阳极的电极反应式为2N-6e-===N2↑+8H+
C.除N过程中,阴极区溶液pH增大
D.除P===Fe3(PO4)2↓+3H2↑
12.(2025·北京丰台区高三练习)用电解法从含MnSO4废水中提取Mn和H2SO4的原理如图所示,阴极室中加入适量(NH4)2SO4。
已知:ⅰ.电解时,适当减慢反应速率,有利于得到致密的金属锰。
ⅱ.电解效率η(B)=×100%。
下列说法不正确的是(　　)
A.阳极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+
B.离子交换膜为阴离子交换膜
C.阴极室产生的NH3可与Mn2+形成配合物,c(Mn2+)降低,利于形成致密的金属锰
D.若η(Mn)=80%,当析出1 mol Mn时,产生O2的体积为8.96 L(标准状况)
13.(2025·东北三省高三二模)我国科学家设计的间接电化学氧化法可同时去除烟气中的SO2和NO2,原理如图。
下列说法不正确的是(　　)
A.H+通过质子交换膜向n电极移动
B.NO2发生的反应:NO2+Ce4++H2O===N+Ce3++2H+
C.n电极的电极反应式:2H++2e-===H2↑
D.若产生22.4 L H2(标准状况下),则气-液吸收柱中处理了64 g SO2
14.(2025·福建名校联盟高三联考)光伏电池驱动的甲醛废水转化装置及MnO2的晶胞结构如图。
下列说法不正确的是(　　)
A.阴极发生的总电极反应式为2CO2+12e-+12H+===C2H4+4H2O
B.每生成11.2 L(标准状况下)C2H4时,阳极生成CO2的数目为3NA
C.晶胞中灰球为Mn原子
D.晶胞中灰球处于白球构成的八面体空隙中专题一　原电池和电解池及拓展应用
热点一　原电池与传统化学电源
1.(2024·江苏卷)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1 mol MnOOH,转移电子数为2×6.02×1023
答案　C
解析　MnO2转化为MnOOH,Mn由+4价降为+3价,MnO2作氧化剂,发生还原反应,A错误;原电池工作时阴离子向负极移动,B错误;温度较低时,反应速率会降低,C正确;MnO2转化为MnOOH,Mn由+4价降为+3价,每生成1 mol MnOOH,转移电子数为6.02×1023,D错误。
2.(2024·全国甲卷)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===ZnMn2O4
C.放电时,正极反应有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.放电时,Zn电极质量减少0.65 g,MnO2电极生成了0.020 mol MnOOH
答案　C
解析　充电时Zn2+向阴极移动,A错误;由题意知,放电时,MnO2转化为MnOOH和ZnMn2O4,B错误;放电时,MnO2电极为正极,发生的反应有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-,C正确;根据放电时Zn电极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+可知,Zn电极质量减少0.65 g(0.01 mol)时,电路中通过0.02 mol 电子,故MnO2电极有0.02 mol MnO2发生反应,但MnO2转化为MnOOH和少量ZnMn2O4,故生成的MnOOH的量小于0.020 mol,D错误。
3.(2025·广东卷)某理论研究认为:燃料电池(图b)的电极Ⅰ和Ⅱ上所发生反应的催化机理示意图分别如图a和图c,其中O2获得第一个电子的过程最慢。由此可知,理论上(　　)
A.负极反应的催化剂是ⅰ
B.图a中,ⅰ到ⅱ过程的活化能一定最低
C.电池工作过程中,负极室的溶液质量保持不变
D.相同时间内,电极Ⅰ和电极Ⅱ上的催化循环完成次数相同
答案　C
解析　由图a知,电极Ⅰ发生的反应为O2+4H++4e-===2H2O,故电极Ⅰ作正极,由图c知,电极Ⅱ发生的反应为H2-2e-===2H+,故电极Ⅱ作负极。结合上述分析知,正极反应的催化剂是ⅰ,A错误;由O2获得第一个电子的过程最慢知,ⅰ到ⅱ过程的活化能最大,B错误;H2进入负极失电子生成H+,为保持溶液呈电中性,H+通过质子交换膜向正极迁移,故负极室的溶液质量保持不变,C正确;根据正、负极的电极反应式及得失电子守恒知,相同时间内电极Ⅱ上催化循环完成次数为电极Ⅰ上的2倍,D错误。
高考热点:纵观近年高考试题,该部分主要命题点为对原电池原理的理解,命题角度主要集中在电极名称的判断、电极反应类型的判断、电极电势高低的判断、离子和电子移动方向的判断、电极反应式和总反应式的正误判断、电解质溶液pH变化及电极产物的判断和相关计算。
1.原电池模型
2.燃料电池工作原理
3.充电电池原理分析
1.(2025·浙江台州一模)1836年,英国化学家John Frederic Daniell制成了第一个如图所示的双液电池,标志着化学电池进入生产和生活中。
已知反应:Zn(s)-2e-Zn2+ (aq)　K1
Cu(s)-2e-Cu2+(aq)　K2
K为反应在常温下的平衡常数。下列说法不正确的是(　　)
A.K1>K2
B.盐桥中K+向CuSO4溶液移动
C.若将盐桥换成铜棒,电流计不会发生偏转
D.若向CuSO4溶液中加入适量CuSO4固体,电流计偏转程度增大
答案　C
解析　A.装置为原电池装置,总反应为Zn+Cu2+Zn2++Cu,结合已知反应,总反应K=,反应能够自发进行的较为完全,则K1>K2,故A正确;B.原电池中阳离子向正极移动,故盐桥中K+向CuSO4溶液移动,故B正确;C.把盐桥改为铜棒后,左侧装置为原电池装置、右侧装置为电解池装置,左侧锌为负极,左侧中铜棒为正极,空气中氧气在正极发生还原反应,类似于吸氧腐蚀,电路中有电流,电流计会发生偏转,故C错误;D.若向CuSO4溶液中加入适量CuSO4固体,铜离子、硫酸根离子浓度增大,反应速率加快、溶液导电能力增强,导致电流计偏转程度增大,故D正确。
2.(2025·河北沧州高三联考)我国科学家研究的碱性锌-空气可充电电池的工作原理如图所示。
下列叙述错误的是(　　)
A.放电时,电解质溶液中c(OH-)增大
B.放电时,a极的电极反应式为Zn+4OH--2e-===[Zn(OH)4]2-
C.充电时,OH-向b极迁移
D.充电时,生成11.2 L O2(标准状况下)时转移2 mol电子
答案　A
解析　B.放电时,a极为负极发生氧化反应,电极反应式为Zn+4OH--2e-===[Zn(OH)4]2-,B 项正确;C.充电时,b极为阳极,阴离子向阳极移动,则OH-向阳极(b极)迁移,C项正确;D.充电时,OH-在阳极失电子生成O2,依据得失电子守恒、电荷守恒和质量守恒,可得出电极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑,11.2 L O2(标准状况下)的物质的量为0.5 mol,生成11.2 L O2(标准状况下)时转移0.5 mol×4=2 mol电子,D项正确。
3.(2025·云南昆明高三期末)铅酸蓄电池是一种常见的二次电池,放电时的总反应为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,电池构造示意图如图所示。铅酸蓄电池在充电过程中还会产生氢气和氧气。下列有关说法错误的是(　　)
A.铅酸蓄电池应采取安全措施防止电池气压增大而鼓胀
B.电池放电时,Pb、PbO2电极的质量均增大
C.充电时,阳极的电极反应式为Pb2++2H2O-2e-===PbO2+4H+
D.若用直流电源充电时,电池的正极与电源的正极相连
答案　C
解析　A.铅酸蓄电池在充电过程中会产生氢气和氧气,所以铅酸电池应采取安全措施防止电池气压增大而鼓胀,A选项不符合题意;B.Pb和PbO2放电时都生成PbSO4沉积在电极上,则电极质量均增大,B选项不符合题意;C.PbSO4难溶,阳极的电极反应式为PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++S,C选项符合题意;D.充电时电池的正极发生氧化反应,需与直流电源的正极(发生还原反应)相连,D选项不符合题意。
4.(2025·黑龙江哈尔滨三模)甲酸燃料电池装置如图所示,下列说法错误的是(　　)
A.物质A是H2SO4
B.半透膜是阳离子交换膜
C.a极电极反应式为HCOO-+2e-+2OH-===HC+H2O
D.Fe3+可以看作是该反应的催化剂,可以循环利用
答案　C
解析　a极:HCOO-→HC,发生氧化反应,故a极为负极,b极为正极。Fe2+、Fe3+的存在环境为酸性,且生成物为K2SO4,故物质A为H2SO4,A正确;装置中K+由负极流向正极,故半透膜是阳离子交换膜,B正确;a极电极反应式为HCOO--2e-+2OH-===HC+H2O,C错误;Fe3+先被还原为Fe2+,Fe2+又被O2氧化生成Fe3+,Fe3+可以循环,可以看作是该反应的催化剂,D正确。
热点二　新型化学电源
1.(2024·福建卷)一种兼具合成功能的新型锂电池工作原理如图。电解质为含Li+的有机溶液。放电过程中产生(CF3SO2)2NLi,充电过程中电解LiCl产生Cl2。下列说法正确的是(　　)
A.交换膜为阴离子交换膜
B.电解质溶液可替换为LiCl水溶液
C.理论上每生成1 mol Cl2,需消耗2 mol Li
D.放电时总反应:6Li+N2+4CF3SO2Cl===2(CF3SO2)2NLi+4LiCl
答案　D
解析　放电过程中产生(CF3SO2)2NLi,由图可知,放电过程中氮气得到电子发生还原反应生成Li3N,Li3N又转化为(CF3SO2)2NLi和LiCl,则左侧电极为正极,右侧电极为负极。A项,放电过程中负极锂失去电子形成锂离子,锂离子通过阳离子交换膜进入左侧生成(CF3SO2)2NLi,A错误;B项,锂为活泼金属,会和水反应,故电解质溶液不能为水溶液,B错误;C项,充电过程中电解LiCl失去电子发生氧化反应产生Cl2:2Cl--2e-===Cl2↑,锂离子在阴极得到电子发生还原生成锂单质:2Li++2e-===2Li,则每生成1 mol Cl2,同时生成2 mol Li;C错误;D项,放电过程中,正极氮气得到电子发生还原反应生成Li3N,Li3N又转化为(CF3SO2)2NLi和LiCl,负极锂失去电子发生氧化反应生成锂离子,总反应为6Li+N2+4CF3SO2Cl===2(CF3SO2)2NLi+4LiCl,D正确。
2.(2025·安徽卷)研究人员开发出一种锂-氢可充电电池(如图所示),使用前需先充电,其固体电解质仅允许Li+通过。下列说法正确的是(　　)
A.放电时电解质溶液质量减小
B.放电时电池总反应为H2+2Li===2LiH
C.充电时Li+移向惰性电极
D.充电时每转移1 mol电子,c(H+)降低1 mol·L-1
答案　C
解析　结合锂-氢可充电电池装置,再结合题中信息“使用前需先充电”可知,先充电的目的是将惰性电极附近的有机电解质中的Li+转化为Li,故充电时,惰性电极为阴极,其电极反应式为Li++e-===Li;气体扩散电极为阳极,其电极反应式为H2-2e-+2H2P===2H3PO4。放电时,惰性电极为负极,其电极反应式为Li-e-===Li+;气体扩散电极为正极,其电极反应式为2H3PO4+2e-===H2↑+2H2P。由放电时正极发生的反应知,每2 mol(14 g)Li+进入电解质溶液,有1 mol(2 g)H2扩散到储氢容器,故电解质溶液质量增加,A错误;由正、负极发生的反应知,放电时电池总反应为2Li+2H3PO4===H2↑+2Li++2H2P,B错误;电解池中阳离子移向阴极,故充电时Li+移向惰性电极,C正确;电解质溶液体积未知,且H3PO4是弱酸,故c(H+)不能判断,D错误。
3.(2024·河北卷)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===MgC2O4
B.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
答案　C
解析　由题图知,该电池放电时CO2转化为MgC2O4,C得电子化合价降低,则多孔碳纳米管电极作正极,故Mg电极作负极,Mg失电子转化为Mg2+。放电时,电池的总反应为2CO2+Mg===MgC2O4,A正确;充电时多孔碳纳米管电极作阳极,与电源正极相连,B正确;充电时,Mg电极作阴极,电子由阳极流向正极,再由负极流向Mg电极,C错误;放电时,CO2中C由+4价降为+3价,故转移1 mol电子时,理论上转化1 mol CO2,D正确。
高考热点:试题主要考查原电池的工作原理、微粒的移动方向、电极反应式书写、交换膜类型和电池工作过程中质量变化等必备知识。此类试题以陌生新型化学电源装置为情景素材,主要考查学生信息获取与加工、逻辑推理和论证能力。
1.新型电源装置图教材溯源
(1)燃料电池
(2)二次电池
(3)离子交换膜
2.分析新型化学电源的一般思路
第一步 审题干,析图示,判断原电池
第二步 算价态,找变化,判断正负极
第三步 按原理,抓守恒,书写反应式
第四步 据产物,判移向,计算各种量
1.[新型一次电池](2025·广东深圳一模)我国科学家设计了水/有机混合高能锂硫电池,其工作原理如图所示。
下列说法正确的是(　　)
A.硫电极为负极
B.Cu2+通过阳离子交换膜向锂电极方向迁移
C.硫电极上发生的反应为2Cu2+ +S+4e-===Cu2S
D.理论上,每消耗1 mol S,同时消耗2 mol Li
答案　C
解析　由题图可知,铜离子得到电子,因此硫电极为正极,电极反应式为2Cu2++S+4e-===Cu2S,锂电极为负极,电极反应式为 Li-e-===Li+,A 错误,C正确;原电池中阳离子向正极(硫电极)移动,B错误;依据电子守恒可知,每消耗1 mol S,同时消耗4 mol Li,D错误。
2.[锂离子电池](2025·江西萍乡二模)锂离子电池及其迭代产品依然是目前世界上主流的手机电池。科学家近期研发的一种新型的Ca-LiFePO4可充电电池的原理示意图如图,电池反应为xCa2++2LiFePO4xCa+2Li1-xFePO4+2xLi+,下列说法正确的是(　　)
A.放电时,钙电极为负极,发生还原反应
B.充电时,Li1-xFePO4/LiFePO4电极的电极反应式为LiFePO4-xe-===Li1-xFePO4+xLi+
C.锂离子导体膜的作用是允许Li+和水分子通过,同时保证Li+定向移动以形成电流
D.充电时,当转移0.2 mol电子时,理论上阴极室中电解质的质量减轻4.0 g
答案　B
解析　放电时,钙电极为负极,发生氧化反应,A不正确;充电时,Li1-xFePO4/LiFePO4电极为阳极,LiFePO4失电子转化为Li1-xFePO4和Li+,电极反应式为LiFePO4-xe-===Li1-xFePO4+xLi+,B正确;Ca的金属性强,能与水发生剧烈反应,所以锂离子导体膜不允许水分子通过,其主要作用是允许Li+定向移动,从而形成电流,C不正确;充电时,当转移0.2 mol电子时,理论上阴极室电解质中0.1 mol Ca2+得电子生成0.1 mol Ca,同时迁移入0.2 mol Li+,质量减轻0.1 mol×40 g·mol-1-0.2 mol×7 g·mol-1=2.6 g,D不正确。
3.[浓差电池]组成原电池的条件有很多,其中一种就是利用电解质的浓度差构成“浓差电池”。当电解质中某离子的浓度越大时,其氧化性或还原性越强。如图将两个银电极插入不同浓度的AgNO3溶液中(c2>c1),实验开始观察到灵敏电流计的指针偏转,下列说法正确的是(　　)
A.B极电极反应为Ag-e-===Ag+
B.Ag+穿过交换膜由A极区移向B极区
C.电流计指针偏转幅度始终不变
D.A极发生氧化反应,A极区AgNO3溶液浓度不断增大
答案　D
解析　当电解质中某离子的浓度越大时,其氧化性或还原性越强,c2>c1,故B极为正极,电极反应为Ag++e-===Ag,A错误;阴离子交换膜只允许阴离子通过,B错误;随着反应进行,两侧溶液中Ag+浓度逐渐接近,电流计指针偏转幅度逐渐减小,两侧溶液中Ag+浓度相同时,电流计指针不偏转,C错误;A极为负极,发生失电子的氧化反应,电极反应式为Ag-e-===Ag+, A极区AgNO3溶液浓度不断增大,D正确。
4.[光能转化电池](2025·安徽统考一模)中国科学技术大学在光催化CO2生成HCOOH和协同生成H2O2的研究中,为碳中和作出了贡献。其装置如图所示。
下列有关叙述正确的是(　　)
A.该装置将电能转化为化学能
B.负极附近溶液的pH增大
C.正极发生的电极反应为HCOOH-2e-===CO2+2H+
D.图中溶液中H+从左向右移动
答案　D
解析　负极发生氧化反应,H2O失电子生成H2O2和H+,故负极附近溶液pH减小,B项错误;正极的电极反应式为CO2+2e-+2H+===HCOOH,C项错误;负极反应产生H+,H+从负极向正极移动,在正极与CO2反应生成HCOOH,故溶液中H+从左向右移动,D项正确。
5.[液流储能电池](2025·贵州部分学校联考)一种FeBr2-Br2双膜二次电池的结构及放电时的工作原理如图所示。
已知:①M、N均为多孔石墨烯电极;
②起始时Ⅰ室(含储液罐)中只含FeBr2。
下列说法错误的是(　　)
A.X膜、Y膜均为阴离子交换膜
B.充电过程中,Ⅱ室中的NaBr溶液和Ⅲ室中的Br2溶液浓度均逐渐增大
C.放电过程的总反应为2FeBr2+Br2===2FeBr3
D.放电时,Ⅲ室中1 mol Br2参加反应,此时Ⅰ室中c(Fe3+)∶c(Fe2+)=1∶3,则起始Ⅰ室中含8 mol FeBr2
答案　B
解析　由图可知,放电时,M极亚铁离子失去电子发生氧化反应生成铁离子,为负极;N极溴单质得到电子发生还原反应生成溴离子,为正极;充电时M为阴极、N为阳极;起始时Ⅰ室(含储液罐)中只含FeBr2,则在反应过程中,应该为溴离子通过X、Y膜使得各室中溶液呈电中性,故X膜、Y膜均为阴离子交换膜,A正确;充电过程中,阴极M极铁离子得到电子发生还原反应,阳极N极溴离子失去电子发生氧化反应,总反应为2Fe3++2Br-===2Fe2++Br2,溴离子由阴极向阳极迁移,则Ⅱ室中的NaBr溶液不变,Ⅲ室中的Br2溶液浓度逐渐增大,B错误;由分析可知,放电过程的总反应为亚铁离子、溴单质反应生成铁离子和溴离子:2FeBr2+Br2===2FeBr3,C正确;放电时,Ⅲ室中1 mol Br2参加反应,则转移2 mol电子,M极反应为Fe2+-e-===Fe3+,生成2 mol铁离子,此时Ⅰ室中c(Fe3+)∶c(Fe2+)=1∶3,则亚铁离子为6 mol,那么根据铁元素守恒可知,起始Ⅰ室中含2 mol+6 mol=8 mol FeBr2,D正确。
热点三　电解原理　金属腐蚀与防护
1.(2024·浙江6月选考)金属腐蚀会对设备产生严重危害,腐蚀快慢与材料种类、所处环境有关。下图为两种对海水中钢闸门的防腐措施示意图:
下列说法正确的是(　　)
A.图1、图2中,阳极材料本身均失去电子
B.图2中,外加电压偏高时,钢闸门表面可发生反应:O2+4e-+2H2O===4OH-
C.图2中,外加电压保持恒定不变,有利于提高对钢闸门的防护效果
D.图1、图2中,当钢闸门表面的腐蚀电流为零时,钢闸门、阳极均不发生化学反应
答案　B
解析　A.图1为牺牲阳极法,阳极一般为较活泼金属,作为原电池的负极,失去电子被氧化;图2为外加电流法,阳极材料为辅助阳极,通常是惰性电极,本身不失去电子,电解质溶液中的阴离子在其表面失去电子,如海水中的Cl-,A不正确;B.图2中,外加电压偏高时,钢闸门表面积累的电子很多,除了海水中的H+放电外,海水中溶解的O2也会竞争放电,故可发生O2+4e-+2H2O===4OH-,B正确;C.图2为外加电流法,理论上只要能对抗钢闸门表面的腐蚀电流即可,当钢闸门表面的腐蚀电流为零时保护效果最好;腐蚀电流会随着环境的变化而变化,若外加电压保持恒定不变,则不能保证抵消腐蚀电流,不利于提高对钢闸门的防护效果,C不正确;D.图1、图2中,当钢闸门表面的腐蚀电流为零时,说明从牺牲阳极或外加电源传递过来的电子阻止了Fe-2e-===Fe2+的发生,钢闸门不发生化学反应,但是牺牲阳极发生了氧化反应,辅助阳极上也发生了氧化反应,D不正确。
2.(2024·山东卷)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
答案　B
解析　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-+3H2O===Br+6H+;则电极a为阴极,电极a的电极反应为6H2O+6e-===3H2↑+6OH-;电解总反应式为Br-+3H2OBr+3H2↑;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。A.根据分析,电极a为阴极,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;C.根据分析电解总反应式为Br-+3H2OBr+3H2↑,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。
3.(2025·湖北卷)某电化学制冷系统的装置如图所示。[Fe(H2O)6]3+和[Fe(H2O)6]2+在电极上发生相互转化,伴随着热量的吸收或释放,经由泵推动电解质溶液的循环流动(①→②→③→④→①)实现制冷。装置只通过热交换区域Ⅰ和Ⅱ与环境进行传热,其他区域绝热。下列描述错误的是(　　)
A.阴极反应为[Fe(H2O)6]3++e-===[Fe(H2O)6]2+
B.已知②处的电解液温度比①处的低,可推断[Fe(H2O)6]2+比[Fe(H2O)6]3+稳定
C.多孔隔膜可以阻止阴极区和阳极区间的热交换
D.已知电子转移过程非常快,物质结构来不及改变。热效应主要来自电子转移后[Fe(H2O)6]2+和[Fe(H2O)6]3+离子结构的改变
答案　B
解析　由图可知,左侧电极发生反应[Fe(H2O)6]2+-e-===[Fe(H2O)6]3+,则左侧为阳极,右侧电极反应为[Fe(H2O)6]3++e-===[Fe(H2O)6]2+,则右侧电极为阴极,据此解答。A.由分析可知,阴极反应为[Fe(H2O)6]3++e-===[Fe(H2O)6]2+,A正确;B.已知②处的电解液温度比①处的低,则可推断[Fe(H2O)6]3++e-===[Fe(H2O)6]2+是吸热反应物质具有的能量越低越稳定,故推断[Fe(H2O)6]3+比[Fe(H2O)6]2+更稳定,B错误;C.多孔隔膜可以阻止两电极区的溶液对流,可阻止热交换,C正确;D.由题可知,电子转移(即氧化还原反应)本身不会直接导致结构变化,热效应实际上来源于电子转移完成后,新生成的离子[Fe(H2O)6]2+和[Fe(H2O)6]3+因配位环境或电荷分布变化引起的结构重组导致的热量变化,D正确。
高考热点:试题通过电解装置考查学生对电解原理的掌握程度,主要涉及阴、阳极及其电解产物的判断,电极反应式的书写,离子移动方向的判断,电解的简单计算等必备知识。此类试题一般给出电解装置图示,需要学生结合电解原理,从微观角度和宏观角度进行综合分析,考查学生信息获取与加工、逻辑推理与论证能力。
1.电解池模型(石墨电极电解氯化铜溶液为例)
2.解决电解池问题的思维建模
(1)先根据外加电源的正、负极,确定电解池的阳、阴极。若阳极为活性电极,必须圈出加以强调。
(2)将电解池中的离子归类并排序(阳离子按氧化性由强到弱排序,阴离子按还原性由强到弱排序)。
(3)根据谁强谁优先以及电极反应式的通式,书写电极反应式。
(4)在得失电子守恒的基础上,加和阴、阳极电极反应,即可获得总反应。也可以根据氧化还原反应原理直接推导总反应化学方程式。
(5)完成选择题时,先通过“阳极口诀”确定阳极特征,排除定性选项,再根据得失电子守恒进行定量计算。
3.金属腐蚀的分类(以钢铁腐蚀为例)
注:①电化学腐蚀比化学腐蚀更常见,腐蚀速率更快,危害也更严重。
②吸氧腐蚀比析氢腐蚀更普遍。
4.金属腐蚀的防护
1.某同学利用如图所示装置探究金属的腐蚀与防护,下列说法不正确的是(　　)
A.③区电极电势Cu高于Fe
B.①区Fe电极和③区Fe电极电极反应均为Fe-2e-===Fe2+
C.②区Zn电极和④区Cu电极电极反应均为2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.②区Fe 电极和④区Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液,均会出现蓝色沉淀
答案　B
解析　由图可知,①区和③区为原电池,②区和④区构成电解池,①区中锌为负极、铁为正极,③区中铁为负极、铜为正极,②区中与直流电源正极相连的铁为电解池的阳极、锌为阴极,④区中与直流电源正极相连的铁为电解池的阳极、铜为阴极。③区电极电势正极铜高于负极铁,故A正确;①区氧气在正极得到电子发生还原反应生成氢氧根离子,电极反应式为O2+4e- +2H2O===4OH-,故B错误;②区锌电极和④区铜电极均为电解池的阴极,电极反应式均为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,故C正确;②区铁电极和④区铁电极均为电解池的阳极,电极反应式均为Fe-2e-===Fe2+,放电生成的亚铁离子均能与铁氰化钾溶液反应生成蓝色沉淀,故D正确。
2.基于甲烷蒸汽重整工业制氢面临着大量的“碳排放”,我国科技工作者发明了一种电化学分解甲烷的方法,从而实现了碳和水的零排放方式生产氢气。电化学反应机理如下图所示。
下列判断正确的是(　　)
A.上述电化学装置中电解质可使用水溶液
B.阳极反应:CH4-4e-+2O2-===CO2+2H2
C.O2-既是阴极的生成物,也是阴极的反应物
D.理论上阳极生成1.5 mol气体,电路中转移8 mol电子
答案　B
解析　A项,O2-在水中不存在,A错误;B项,由Ni-YSZ电极上生成CO2可知,该电极为阳极,是CH4失电子生成CO2,B正确;C项,CO2+O2-===C,该反应不是阴极反应,阴极反应为C+4e-===C+3O2-,C错误;D项,阳极不仅生成氧化产物CO2,还生成还原产物H2,由阳极反应可知,理论上阳极生成1.5 mol气体(即0.5 mol CO2和1 mol H2),转移2 mol电子,D错误。
3.(2025·浙江A9协作体高三联考)电有机合成相对于传统有机合成具有显著优势,利用如图所示装置实现电催化合成呋喃二甲酸。下列说法不正确的是(　　)
A.催化电极b为阴极,发生还原反应
B.电极a上的反应为-6e-+2H2O===+6H+
C.电路中每转移1 mol e-,阳极区与阴极区质量变化的差为2 g
D.若1 mol Ni2+在催化电极a放电,可制得呋喃二甲酸26 g
答案　B
解析　A项,由图可知,a极上镍离子失去电子发生氧化反应,为阳极,则b为阴极;发生还原反应,A正确;B项,电极a上的反应为Ni2+失去电子被氧化为NiO(OH),NiO(OH)再被还原为Ni2+,则阳极的电极反应为Ni2+-e-+2H2O===NiO(OH)+3H+,B错误;C项,反应时阳离子向阴极迁移,电路中每转移1 mol e-,会有1 mol氢离子从阳极区进入阴极去,导致阳极区减小1 g、阴极区增加1 g,质量变化的差为2 g,C正确;D项,由图示可知,1 mol Ni2+在催化电极a放电生成1 mol NiO(OH),然后发生反应6NiO(OH)++12H+===6Ni2+++10H2O,则1 mol Ni2+在催化电极a放电可得到 mol×156 g·mol-1=26 g呋喃二甲酸,D正确。
4.(2025·山西运城二模)近日,美国威斯康星大学麦迪逊分校课题组使用锰-四苯基卟啉催化剂将电化学氧还原和水氧化进行配对,在两个电极上生成活性锰-氧物种,从而将Ph2S转化为Ph2SO。
下列叙述正确的是(　　)
A.a极电势高于b极
B.a极反应:PMn(V)O+2e-+2H+===PMn(Ⅲ)+H2O
C.电路上转移2 mol电子理论上生成1 mol Ph2SO
D.“PMn(V)O和PMn(Ⅲ)”总量几乎不变
答案　D
解析　A.根据图中转化图可知a极得电子,发生还原反应,为电解池的阴极,b极失电子发生氧化反应,为电解池的阳极,故电势:a专题突破练(十三)　原电池和电解池及拓展应用
1.(2025·甘肃卷)我国科研工作者设计了一种Mg-海水电池驱动海水(pH=8.2)电解系统(如图),以新型MoNi/NiMoO4为催化剂(生长在泡沫镍电极上),在电池和电解池中同时产生氢气。下列关于该系统的说法错误的是(　　)
A.将催化剂生长在泡沫镍电极上可提高催化效率
B.在外电路中,电子从电极1流向电极4
C.电极3的反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑
D.理论上,每通过2 mol电子,可产生1 mol H2
答案　D
解析　由题图可知,电极1上发生转化Mg→Mg(OH)2,则电极1为原电池的负极,电极2为原电池的正极,电极3与原电池正极相连,为电解池阳极,同理电极4为电解池阴极,结合题目信息海水pH=8.2可得各电极的电极反应式,电极1:Mg+2OH--2e-===Mg(OH)2;电极2:2H2O+2e-===H2↑+2OH-;电极3:4OH--4e-===O2↑+2H2O;电极4:2H2O+2e-===H2↑+2OH-。将催化剂生长在泡沫镍电极上,可增大催化剂与反应物的接触面积,提高催化效率,A正确;由上述分析可知,电极1为原电池负极,故外电路中电子从电极1流向电极4,B正确;由电池分析可知,C正确;由得失电子守恒可知,理论上,电路中每通过2 mol电子,电极2和电极4均产生1 mol H2,共产生2 mol H2,D错误。
2.(2025·广东卷)一种高容量水系电池示意图如图。已知:放电时,电极Ⅱ上MnO2减少;电极材料每转移1 mol电子,对应的理论容量为26.8 A·h。下列说法错误的是(　　)
A.充电时Ⅱ为阳极
B.放电时Ⅱ极室中溶液的pH降低
C.放电时负极反应为MnS-2e-===S+Mn2+
D.充电时16 g S能提供的理论容量为26.8 A·h
答案　B
解析　根据题给已知信息可知,放电时,电极Ⅱ上MnO2减少,说明电极Ⅱ上MnO2得电子发生还原反应转化为Mn2+进入溶液中,故电极Ⅱ作正极,电极反应式为MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O,放电时电极Ⅰ为负极,电极反应式为MnS-2e-===S+Mn2+。结合上述分析可知,充电时电极Ⅱ为阳极,A正确;结合放电时电极Ⅱ上的反应可知,Ⅱ极室溶液中消耗H+,溶液pH升高,B错误;结合上述分析可知,C正确;充电时,电极Ⅰ上发生的电极反应式为S+Mn2++2e-===MnS,16 g S的物质的量为0.5 mol,完全反应可转移1 mol 电子,结合题干信息可知,16 g S能提供的理论容量为26.8 A·h,D正确。
3.一种锂硫电池的工作原理如图所示,其中电极A常用掺有石墨烯的S8材料,电池反应为16Li+xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)。
下列说法中正确的是(　　)
A.放电时,锂电极的电势高
B.电解质溶液可以用无机物水溶液代替
C.电池充电时间越长,电池中的Li2Sx量越多
D.电池工作时,外电路中流过0.2 mol电子,负极材料减重 1.4 g
答案　D
解析　由电池反应16Li+xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)可知负极锂失电子发生氧化反应,电极反应为Li-e-===Li+,Li+移向正极,所以B电极为负极,A电极为正极,发生还原反应,电极反应式为3Li2S8+2Li++2e-===4Li2S6、2Li2S6+2Li++2e-===3Li2S4、Li2S4+2Li++2e-===2Li2S2。A项,放电时,锂电极为负极,电势低,错误;B项,锂化学性质活泼,能和水反应,电解质溶液不可以用无机物水溶液代替,错误;C项,充电时A为阳极,与放电时的电极反应相反,则充电时间越长,电池中的Li2Sx量就会越少,错误;D项,负极反应为Li-e-===Li+,当外电路流过0.2 mol电子时,消耗的锂为0.2 mol,负极减重的质量为0.2 mol×7 g·mol-1=1.4 g,正确。
4.(双选)(2024·海南卷)电解NH4HSO4溶液得到S2,是早期制备H2O2的重要步骤。某实验装置如图所示。电解过程流出液b中混有少量气泡。下列说法错误的是(　　)
A.电解过程中阴极区的S不断迁移到阳极区
B.图中a代表H2
C.回路中通过1 mol电子产生0.5 mol(NH4)2S2O8
D.S
答案　AC
解析　由实验装置图可知,与电源正极相连的电极为阳极,电极反应式为2S-,电解过程流出液b中混有少量气泡,发生副反应2H2O-4e-===O2↑+4H+,与电源负极相连的电极为阴极,电极反应式为2H++2e-===H2↑。阴离子向阳极移动,但是硫酸根不能通过质子交换膜,则硫酸根不能从阴极区迁移到阳极区,A错误;阴极区产生氢气,则a为氢气,B正确;由于阳极区存在副反应,则当回路中通过1 mol电子产生的(NH4)2S2O8小于0.5 mol,C错误;阳极区发生氧化反应2S-,D 正确。
5.(2025·河北卷)科研工作者设计了一种用于废弃电极材料LixCoO2(x<1)再锂化的电化学装置,其示意图如下:
已知:参比电极的作用是确定LixCoO2再锂化为LiCoO2的最优条件,不干扰电极反应。下列说法正确的是(　　)
A.LixCoO2电极上发生的反应:LixCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2
B.产生标准状况下5.6 L O2时,理论上可转化 mol的LixCoO2
C.再锂化过程中,S向LixCoO2电极迁移
D.电解过程中,阳极附近溶液pH升高
答案　B
解析　LixCoO2转化为LiCoO2,Co的化合价降低,LixCoO2电极作阴极,电极反应式为LixCoO2+(1-x)Li++(1-x)e-===LiCoO2;H2O中O失电子,化合价升高,Pt电极作阳极,电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+。由电池分析知,A错误;由电极反应式可知,每产生标准状况下5.6 L(0.25 mol) O2时转移1 mol电子,根据得失电子守恒,理论上转化的LixCoO2的物质的量为 mol,B正确;S为阴离子,向阳极(即Pt电极)迁移,C错误;由阳极的电极反应式知,电解过程中阳极有H+生成,且消耗H2O,故阳极附近溶液pH降低,D错误。
6.(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1 mol Fe2O3,阳极室溶液减少213 g
D.理论上每消耗1 mol Fe2O3,阴极室物质最多增加138 g
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↑;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-;中间为阳离子交换膜,Na+由阳极向阴极移动。A.由分析可知,阳极反应为2Cl--2e-===Cl2↑,A正确;B.由分析可知,阴极反应为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;C.由分析可知,理论上每消耗1 mol Fe2O3,转移6 mol电子,产生3 mol Cl2,同时有6 mol Na+由阳极转移至阴极,则阳极室溶液减少3×71 g+6×23 g=351 g,C错误;D.由分析可知,理论上每消耗1 mol Fe2O3,转移6 mol电子,有6 mol Na+由阳极转移至阴极,阴极室物质最多增加6×23 g=138 g,D正确。
7.(2025·福建三明一模)一种可在较高温下安全快充的铝-硫电池的工作原理如图,电解质为熔融氯铝酸盐(由NaCl、KCl和AlCl3形成熔点为93 ℃的共熔物),其中氯铝酸根[AlnC(n≥1)]起到结合或释放Al3+的作用。电池总反应:2Al+3xSAl2(Sx)3。下列说法错误的是(　　)
A.AlnC含4n个Al—Cl键
B.AlnC中同时连接2个Al原子的Cl原子有(n-1)个
C.充电时,再生1 mol Al单质至少转移3 mol电子
D.放电时间越长,负极附近熔融盐中n值小的AlnC浓度越高
答案　D
解析　放电时铝失去电子生成铝离子做负极,硫单质得到电子做正极,充电时铝离子得到电子生成铝发生在阴极,硫离子失去电子生成硫单质发生在阳极,依此解题。A.AlnC的结构为
,所以含4n个Al—Cl键,正确;B.由AlnC的结构可知同时连接2个Al原子的Cl原子有(n-1)个,正确;C.由总反应可知充电时,再生1 mol Al单质需由铝离子得到电子生成,所以至少转移3 mol电子,正确;D.由总反应可知放电时间越长,负极铝失去电子生成的铝离子越多,所以n值大的AlnC浓度越高,错误。
8.(2025·江西南昌质检)锂离子电池被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、航空航天和国防军事等领域。下图是锂离子二次电池的放电过程示意图,下列说法正确的是(　　)
A.放电时,电极A的电势高于电极B
B.放电时,正极反应:LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
C.充电时,当转移1 mol电子时,则有1 mol Li+从LiCoO2的晶格中脱出,并穿过隔膜嵌入石墨层间
D.该电池电解液的溶剂可选择水
答案　C
解析　根据题给电池结构示意图,电极B上Li1-xCoO2转换成LiCoO2,Co元素化合价降低,得电子,可判断电极B为原电池的正极,电极A为原电池的负极,正极电势高于负极,A错误;放电时,正极得电子,正极反应Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2,B错误;充电时,电极B为阳极,电极反应式为LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+,当转移1 mol电子时,有1 mol Li+从LiCoO2的晶格中脱出,并穿过隔膜嵌入石墨层间,C正确;金属Li与水反应,电解液的溶剂为水会消耗金属Li导致电池效率降低,D错误。
9.(2025·广东江门一模)钇稳定氧化锆浓差电池可用于测定待测环境中氧气的含量,在冶金、能源等领域应用广泛。其原理是利用空气与待测环境中氧气的浓度差对电压的影响,某工作状态如图所示。该电池工作时,下列说法不正确的是(　　)
A.电极A为正极
B.O2-由电极A向电极B迁移
C.电极B发生的反应为2O2--4e-===O2↑
D.理论上,电解质中O2-的总物质的量会增加
答案　D
解析　由题给信息可知,空气侧的铂(A)电极为浓差电池的正极,氧气发生还原反应生成氧负离子,反应式为 O2+4e-===2O2-,测量侧的铂(B)电极为负极,氧负离子发生氧化反应生成氧气,电极反应式为2O2--4e-===O2↑,A、C正确;阴离子向负极移动,O2-由电极A向电极B迁移,B正确;结合得失电子守恒,理论上,电解质中O2-的总物质的量不变,D错误。
10.(2025·江西上饶一模)中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部提出了一种基于Br-辅助MnO2放电的混合型液流电池,装置如图所示,下列说法错误的是(　　)
A.充电时,H+向电极A迁移
B.在放电过程中,可利用Br-及时清除电极B上的“死锰”(MnO2),提高充放电过程的可逆性
C.放电时,电极B上还可能发生:2Br--2e-===Br2
D.放电时,在该环境下的氧化性:Cr2+答案　C
解析　由图可知,充电时,A为阴极,电极B为阳极,氢离子通过质子交换膜移向电极A,溴离子与二氧化锰反应,清除电极B上的二氧化锰,增强电极的导电性,提高充放电过程的可逆性,A、B正确;放电时,A为负极,Cr转化为Cr2+,B为正极,Mn3+在正极得到电子发生还原反应生成Mn2+,C错误;放电的总反应为2Mn3++Cr===2Mn2++Cr2+,由氧化剂的氧化性强于氧化产物可知,Mn3+的氧化性强于Cr2+,D正确。
11.(2025·内蒙古呼和浩特二模)用电解法(图1)通过翻转电极可同时处理含N的生活污水,联合脱除过程中测得溶液pH变化如图2所示。0~20 min除去N的原理如图3所示,20~40 min除P的方法是将其转化为Fe3(PO4)2沉淀。
下列说法不正确的是(　　)
A.0~20 min内,a为电源的负极
B.除N时,阳极的电极反应式为2N-6e-===N2↑+8H+
C.除N过程中,阴极区溶液pH增大
D.除P===Fe3(PO4)2↓+3H2↑
答案　B
解析　除N原理是利用Cl-产生Cl2,Cl2在水环境下氧化N,且由题可知N分步去除,故0~20 min内,铁作阴极被保护,a为负极,A正确;除N时,阳极的电极反应式为 2Cl--2e-===Cl2↑,同时发生反应:Cl2+H2OHCl+HClO、3HClO+2N===N2↑+3Cl-+3H2O+5H+,B错误;除N时,铁片电极为阴极,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,故阴极区溶液pH增大,C正确;除P===Fe3(PO4)2↓+3H2↑,D正确。
12.(2025·北京丰台区高三练习)用电解法从含MnSO4废水中提取Mn和H2SO4的原理如图所示,阴极室中加入适量(NH4)2SO4。
已知:ⅰ.电解时,适当减慢反应速率,有利于得到致密的金属锰。
ⅱ.电解效率η(B)=×100%。
下列说法不正确的是(　　)
A.阳极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+
B.离子交换膜为阴离子交换膜
C.阴极室产生的NH3可与Mn2+形成配合物,c(Mn2+)降低,利于形成致密的金属锰
D.若η(Mn)=80%,当析出1 mol Mn时,产生O2的体积为8.96 L(标准状况)
答案　D
解析　根据图示,阳极放出氧气,阳极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,故A正确;电解过程中,阴极室硫酸根离子移向阳极室生成硫酸,所以离子交换膜为阴离子交换膜,故B正确;电解时,适当减慢反应速率,有利于得到致密的金属锰,阴极室产生的NH3可与Mn2+形成配合物,c(Mn2+)降低,有利于形成致密的金属锰,故C正确;若η(Mn)=80%,当析出1 mol Mn时,转移电子=2.5 mol,阳极发生反应:2H2O-4e-===O2↑+4H+,产生O2的体积为×22.4 L·mol-1=14 L,故D错误。
13.(2025·东北三省高三二模)我国科学家设计的间接电化学氧化法可同时去除烟气中的SO2和NO2,原理如图。
下列说法不正确的是(　　)
A.H+通过质子交换膜向n电极移动
B.NO2发生的反应:NO2+Ce4++H2O===N+Ce3++2H+
C.n电极的电极反应式:2H++2e-===H2↑
D.若产生22.4 L H2(标准状况下),则气-液吸收柱中处理了64 g SO2
答案　D
解析　m为阳极,H+通过质子交换膜向阴极(n电极)移动,故A正确;NO2被Ce4+氧化为N,离子方程式为NO2+Ce4++H2O===N+Ce3++2H+,故B正确;n极电极反应式为2H++2e-===H2↑,若产生22.4 L H2(标准状况下),转移电子2 mol,SO2被Ce4+氧化为S,反应的离子方程式为SO2+2Ce4++2H2O===S+2Ce3++4H+,当转移2 mol电子时,消耗1 mol SO2,质量为64 g,但实际上SO2、NO2同时与Ce4+反应,因此处理的SO2小于64 g,故C正确、D错误。
14.(2025·福建名校联盟高三联考)光伏电池驱动的甲醛废水转化装置及MnO2的晶胞结构如图。
下列说法不正确的是(　　)
A.阴极发生的总电极反应式为2CO2+12e-+12H+===C2H4+4H2O
B.每生成11.2 L(标准状况下)C2H4时,阳极生成CO2的数目为3NA
C.晶胞中灰球为Mn原子
D.晶胞中灰球处于白球构成的八面体空隙中
答案　B
解析　由图可知,右侧电极上二氧化碳转化为CO,CO最终转化为乙烯,C元素化合价降低,发生还原反应,则右侧电极为阴极,左侧电极为阳极,阳极甲醛失电子生成HCOOH,HCOOH继续失电子生成二氧化碳,据此分析解答。由上述分析可知阴极发生的总电极反应式为2CO2+12e-+12H+===C2H4+4H2O,故A正确;阳极总电极反应式为HCHO-4e-+H2O===CO2+4H+,由阴极总电极反应式可知,生成11.2 L(标准状况下)C2H4时,转移电子6 mol,即阳极生成CO2 1.5 mol,数目为1.5NA,晶胞中灰球位于顶角和体心,个数为8×+1=2,白球位于面上和体内,个数为4×+2=4,结合MnO2的化学式可知灰球为Mn,故C正确;以体心灰球为观察对象,可知其周围有4个白球位于面上,2个白球位于体内,灰球处于白球构成的八面体空隙中,故D正确。

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