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大单元五　综合与应用
特训15　电极反应式书写
1. (2025·江苏各地模拟)完成下列反应。
(1) (2025·南京中华中学)催化电解NaHCO3溶液制CH4，写出该电解反应阴极的电极反应式：
10HCO＋8e－===CH4↑＋9CO＋3H2O。
(2) (2025·镇江)电解甲醇水溶液制氢原理如图所示。写出阳极的电极反应式：CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋。
(3) (2025·淮阴中学)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 写出阳极生成乙烷的电极反应式：
2CH4＋O2－－2e－===CH3CH3＋H2O。
② 同温同压下，若生成乙烯和乙烷的体积之比为1∶1，则消耗的CH4和CO2体积之比为4∶3。
(4) (2025·射阳中学)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b(填“a”或“b”)。该电解装置选择阳(填“阳”或“阴”)离子交换膜。阴极的电极反应式为
2HSO＋2e－＋4H＋===H2S2O4＋2H2O。
【解析】 (3) 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，电极反应式为2CH4＋O2－－2e－===CH3CH3＋H2O、2CH4＋2O2－－4e－===CH2===CH2＋2H2O，若生成乙烯和乙烷的物质的量均为1 mol，则转移6 mol电子，消耗4 mol CH4、3 mol CO2，则消耗的CH4和CO2体积之比为4∶3。(4) 右边装置为电解池装置，与a相连的电极上S元素由＋4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2HSO＋2e－＋4H＋===H2S2O4＋2H2O；阳极上二氧化硫转化为硫酸，电极反应式为SO2＋2H2O－2e－===4H＋＋SO，结合阴极反应可知需要部分氢离子移向左边电极参与阴极反应，故需要阳离子交换膜。
2. (1) 环氧乙烷在酸性电解质环境中，可以在电极上放电生成CO2，则电极反应式为
。
(2) 利用质子传导型固体氧化物电解池也可实现乙烷制乙烯。乙烷在电极上直接电催化裂解为乙烯，同时质子在外加电势下经电解质“抽取”至另一极与CO2反应生成CO，阳极的电极反应式为C2 H6－2e－===C2H4＋2H＋。
(3) 已知Cr2O＋H2O??2CrO＋2H＋，设计如图装置(均为惰性电极)电解Na2Cr2O7溶液制取Na2CrO4。图中右侧电极产生的气体为H2。
(4) 甲醇电解可制得H2，其原理如图所示。阳极的电极反应式为CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋。
【解析】 (3) 由Na2Cr2O7溶液制取Na2CrO4，右侧需要消耗H＋，使平衡Cr2O＋H2O??2CrO＋2H＋右移，故右侧发生的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，故产生的气体为H2。
3. (1) 利用电化学方法通过微生物电催化将CO2有效地转化为H2C2O4，装置如图所示。
阴极区电极反应式为2CO2＋2e－＋2H＋===H2C2O4；
当体系的温度升高到一定程度，电极反应的速率反而迅速下降，其主要原因是温度过高，微生物催化能力降低或催化剂失活。
(2) 光催化技术具有高效、节能的优点，利用钛酸锶光催化还原CO2有利于实现“碳中和”，其原理如图所示，写出铂电极的电极反应式：CO2＋8e－＋8H＋===CH4＋2H2O。
(3) 催化电解NO吸收液可将NO还原为NH3，其催化机理如图所示。
写出催化电解NO生成NH3的电极反应式：
NO＋5e－＋5H＋===NH3＋H2O。
4. (2024·广东卷)我国自主设计建造的浮式生产储卸油装置“海葵一号”将在珠江口盆地海域使用，其钢铁外壳镶嵌了锌块，以利用电化学原理延缓外壳的腐蚀。锌发生反应为Zn－2e－===Zn2＋。
5. (2024·浙江1月卷)破损的镀锌铁皮在氨水中发生电化学腐蚀，生成[Zn(NH3)4]2＋和H2。铁电极上的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。
6. (2024·浙江6月卷)氢能的高效利用途径之一是在燃料电池中产生电能。某研究小组的自制熔融碳酸盐燃料电池工作原理如图所示，正极上的电极反应式为O2＋4e－＋2CO2===2CO。
7. (2024·广东卷) 加入冰晶石“电解熔融Al2O3”中，反应的化学方程式为2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。
8. (2024·湖北卷)电解熔融氯化铍制备金属铍时，加入氯化钠的主要作用是增强熔融氯化铍的导电性。
9. (2024·浙江1月卷)某研究小组采用电化学方法将CO2转化为HCOOH，装置如图。则电极B上发生的电极反应式是CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH。
10. (2024·北京卷)研究表明可以用电解法以N2为氨源直接制备HNO3，其原理如图所示。电极a表面生成NO的电极反应式为N2－10e－＋6H2O===2NO＋12H＋。
11. (2024·湖南卷)以CH2===CHCN为原料，稀硫酸为电解液，Sn作阴极，用电解的方法可制得Sn(CH2CH2CN)4，其阴极发生的电极反应式为Sn＋4CH2===CHCN＋4e－＋4H＋===Sn(CH2CH2CN)4。
12. (2024·安徽卷) 某“电沉积”步骤中，[Ag(S2O3)2]3－得电子被还原为Ag，则阴极的电极反应式为[Ag(S2O3)2]3－＋e－===Ag↓＋2S2O。
13. (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。生成C6N的电极反应式为2C3N8H4＋8OH－－4e－===C6N＋8H2O。
特训16　离子交换膜　锂电池
1. “太阳水”电池装置如图所示，该电池由三个电极组成，其中a为TiO2电极，b为Pt电极，c为WO3电极，电解质溶液为pH＝3的Li2SO4-H2SO4溶液。锂离子交换膜将电池分为A、B两个区，A区与大气相通，B区为封闭体系并有N2保护。下列关于该电池的说法错误的是(B)
A. 若用导线连接a、c，则a为负极，该电极附近pH减小
B. 若用导线连接a、c，则c极的电极反应式为HxWO3－xe－===WO3＋xH＋
C. 若用导线先连接a、c，再连接b、c，可实现太阳能向电能转化
D. 若用导线连接b、c，b极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
【解析】 连接a、c时，a极上水失去电子生成氧气，发生氧化反应，则a极是负极，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成氢离子，a极附近pH减小，c极是正极，c极的电极反应式为WO3＋xH＋＋xe－===HxWO3，A正确，B错误；先连接a、c，c极是正极，WO3生成HxWO3，将太阳能转化为化学能储存，再连接b、c，b极为阴极，则c极是阳极，实现化学能转化为电能，对外供电，C正确；连接b、c，b极电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，D正确。
2. (2025·苏北四市期末)以LiAlCl4为离子导体的铝－磷酸铁锂电池，该电池放电时Li＋嵌入Li1－xFePO4形成LiFePO4，工作原理如图所示。下列关于电池放电时的说法错误的是(D)
A. 化学能转化为电能
B. 电极Al作负极
C. Li＋透过离子交换膜从右向左迁移
D. 正极的电极反应式：
Li1－xFePO4－xe－＋xLi＋===LiFePO4
【解析】 铝失去电子形成铝离子，铝离子结合AlCl形成Al2Cl，同时锂离子向左移动，嵌入Li1－xFePO4形成LiFePO4，则铝电极为负极，左侧电极为正极。该装置为原电池，可以将化学能转化为电能，A正确；Al电极作负极，B正确；Li＋透过离子交换膜从右向左迁移，C正确；正极发生还原反应，电极反应式为Li1－xFePO4＋xe－＋xLi＋===LiFePO4，D错误。
3. 某浓差电池的原理如图所示，可用该电池从浓缩海水中提取LiCl溶液。下列有关该电池的说法不正确的是(D)
A. 该装置可在提取LiCl溶液的同时获得电能
B. 电子由Y极通过外电路移向X极
C. 正极发生的反应：2H＋＋2e－===H2↑
D. Y极每生成22.4 L Cl2，有2 mol Li＋从b区移至a区
【解析】 该装置是原电池，可将化学能转化为电能，A正确；根据“浓差电池”可知，浓缩海水中的Li＋由b区传到a区，根据原电池中阳离子向正极移动可知，X电极为正极，Y极为负极，故电子由Y极通过外电路移向X极，B正确； 在该极上H＋得电子生成H2，C正确；Y极上Cl－失电子生成Cl2，故每生成标准状况下22.4 L Cl2时，才有2 mol Li＋从b区移至a区，未说明是标准状况，Cl2的物质的量无法计算，D错误。
4. (2025·泰州中学)热电池是一种需要达到一定温度才能工作的电池。一种热电池的结构如图所示：
电池工作时需用引燃剂引发Fe和KClO4的反应，产生的热量会使LiCl、KCl熔化，电池开始工作。电池放电后有Li7Si3、Fe和Li2S生成。下列说法正确的是(D)
A. 该热电池常温下不能工作的原因是LiCl、KCl常温下不含离子
B. Fe和KClO4反应后的产物可能是KCl、FeCl3和O2
C. 放电时，Li13Si4电极发生反应为3Li13Si4＋11e－===4Li7Si3＋11Li＋
D. 电路上每转移1 mol电子，消耗FeS2的物质的量为0.25 mol
【解析】 原电池负极发生氧化反应，正极发生还原反应，电池放电后有Li7Si3、Fe和Li2S生成，所以FeS2电极为正极，Li13Si4电极为负极。该热电池常温下不能工作的原因是LiCl、KCl常温下为固体，离子不能自由移动，不能导电，A错误；Fe和KClO4反应生成KCl，反应前后钾和氯原子的物质的量之比均为1∶1，并且由钾、氯原子守恒可知，一定没有FeCl3生成，B错误；放电时Li13Si4电极为负极、发生反应为3Li13Si4－11e－===4Li7Si3＋11Li＋，C错误；正极反应式为FeS2＋4e－＋4Li＋===Fe＋2Li2S，电路上每转移1 mol电子，消耗FeS2的物质的量为0.25 mol，D正确。
5. 近年来电化学还原二氧化碳的课题吸引了大批研究者的关注，其中将双极膜应用于二氧化碳制备甲醇过程中的电解原理如图所示。已知：双极膜由阳离子交换膜和阴离子交换膜构成，在直流电场的作用下，双极膜间H2O解离成H＋和OH－，并向两极迁移。下列说法错误的是(D)
A. a膜为阴离子交换膜
B. 电解过程中KOH溶液的浓度逐渐降低
C. 催化电极上的电极反应式为CO2＋6HCO＋6e－===CH3OH＋6CO＋H2O
D. 双极膜内每消耗18 g水，理论上石墨电极上产生 11.2 L O2(标准状况)
【解析】 石墨电极有O2生成，发生氧化反应，催化电极上CO2―→CH3OH，发生还原反应，故石墨电极为阳极，催化电极为阴极，OH－通过a膜移向左室，故a膜为阴离子交换膜，A正确；电解过程中，阳极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，KOH溶液的浓度逐渐降低，B正确；催化电极为阴极，CO2得电子发生还原反应，阴极反应式为CO2＋6HCO＋6e－===CH3OH＋6CO＋H2O，C正确；双极膜内每消耗18 g水，有1 mol OH－移向左室，石墨电极上有1 mol OH－放电，由4OH－－4e－===O2↑＋2H2O知，生成0.25 mol O2，标准状况下，其体积为5.6 L，D错误。
6. 锂－硫电池因成本低、比能量高被寄予厚望。一种锂－硫电池的结构如图所示，硫电极采用柔性聚丙烯－石墨烯－硫复合材料。工作时，在硫电极发生反应：S8＋e－===S，S＋e－===S，2Li＋＋S＋2e－===Li2Sx。下列说法正确的是(D)
A. 充电时，Li＋从b电极向a电极迁移
B. 放电时，外电路电子流动的方向是a电极→b电极
C. 放电时正极反应为2Li＋＋S8－2e－===Li2Sx
D. 石墨烯的作用是增强硫电极导电性能
【解析】 充电时，a电极为阳极，b电极为阴极，阳离子向阴极移动，则Li＋从a电极向b电极迁移，A错误；放电时，电子从负极经负载流向正极，则外电路电子流动的方向是b电极→a电极，B错误；放电时为原电池，硫电极为正极，电极反应式为S8＋e－===S，S＋e－===S，2Li＋＋S＋2e－===Li2Sx，C错误；石墨烯存在自由移动的电子，具有较强的导电性，故其作用是增强硫电极导电性能，D正确。
7. (2025·海安中学)一种铜基催化KOH、尿素[CO(NH2)2]无膜电解系统用于电解水，可以低成本生产氢气。相同条件下，恒定通过电解池的电量，电解得到的部分氧化产物在不同电解电压时的法拉第效率(FE%)如图所示[法拉第效率：FE%＝×100%]。
当电解电压为U5时，阳极同时生成N2和NO的电极反应式为3CO(NH2)2－24e－＋32OH－===3CO＋2N2↑＋2NO＋22H2O。
【解析】 由图知，当电解电压为U5时，N2和NO法拉第效率各为49%，二者的物质的量之比为1∶1。
8. (2025·苏州中学、海门中学、淮阴中学、姜堰中学)乙烯电解制备OH2CCH2(简称EO)的原理示意如图。
阳极室产生Cl2后发生的反应有：
Cl2＋H2O??HCl＋HClO、
CH2===CH2＋HClO===HOCH2CH2Cl。
法拉第效率FE和选择性S的定义：
FE(B)＝×100%
S(B)＝
一定条件下，反应物按一定流速通过该装置。当乙烯完全消耗时，测得FE(EO)≈70%，S(EO)≈97%，推测FE(EO)≈70%的原因：若没有生成EO的乙烯全部在阳极放电生成CO2，则生成CO2的电极反应式为C2H4＋4H2O－12e－===2CO2＋12H＋，FE(CO2)≈13%。
【解析】 若没有生成EO的乙烯全部在阳极放电生成CO2，则生成CO2的电极反应式为C2H4＋4H2O－12e－===2CO2＋12H＋；设EO的物质的量a mol，则转化的乙烯的物质的量为，生成EO转移的电子的物质的量为2a mol，此过程转移的电子的总物质的量为 mol，生成CO2的物质的量为2××3% mol，生成CO2转移的电子的物质的量为2××3%×6 mol，则η(CO2)＝×100%≈13%。
9. (2025·南通三模)LixMoS2电极。层状MoS2晶体与石墨晶体结构类似，将Li＋嵌入层状MoS2充电后得到的LixMoS2可作电池负极。该负极放电时的电极反应式为LixMoS2－xe－===MoS2＋xLi＋。
10. (2024·广东卷)一种基于氯碱工艺的新型电解池如图所示，可用于湿法冶铁的研究。电解过程中，论上每消耗1 mol Fe2O3，阳极室溶液减少351 g。
【解析】 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。
11. (2023·山东卷)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。该电池隔膜为阴(填“阴”或“阳”)离子膜。
【解析】 甲室Cu电极反应为Cu－2e－＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋，为防止[Cu(NH3)4]2＋扩散至乙室，故隔膜应选用阴离子膜。
12. (2023·辽宁卷)氯碱工业能耗大，通过如图改进的设计可大幅度降低能耗，应选用阳(填“阴”或“阳”)离子交换膜，在右室获得浓度较高的NaOH溶液。
【解析】 右室生成OH－，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。

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