电化学原理的综合应用

微型专题突破电化学原理的综合应用【考情播报】以教材变形装置或新材料信息为背景考查电化学原理是近几年高考命题的特点，以选择、综合分析题等考查电化学原理的应用、电极反应式的书写、新型电池分析等。常见的命题角度有：(1)新型化学电源；(2)原电池与电解池的综合考查；(3)电化学与化学实验的综合考查；(4)电化学与化学平衡、离子平衡的综合考查。【答题必备】1.原电池原理考查“五要素”：(1)正负极的确定：一般较活泼金属作负极。(2)电极反应判断：负极氧化反应，正极还原反应。(3)电子方向：由负极流出经导线流向正极。(4)离子方向：阳离子移向正极，阴离子移向负极。(5)电极产物的判断：负极生成金属阳离子，正极析出金属或H2。2.电解池原理考查“五要素”：(1)阴阳极的判断：电源负极连阴极，正极连阳极。(2)电极反应判断：阳极氧化反应，阴极还原反应。(3)电子方向：由电源的负极流出，流向电解池的阴极(电池内电路靠离子定向移动完成)，再由阳极流出，流回电源的正极。(4)离子方向：阳离子流向阴极，阴离子流向阳极。(5)电极产物的判断：阳极金属溶解或产生Cl2、O2等，阴极析出金属或产生H2。3.电化学综合应用：(1)原电池和电解池组合装置的分析。首先，由电极发生反应的类型、电子的流向或电流的方向、电极金属的活泼性、电解质溶液中离子的移动方向等判断电池的正、负极，然后确定电解池的阴阳极，继而分析各电极的电极反应及实验现象。(2)多个电解池串联组合装置的分析。无论是原电池还是电解池，无论是一个“池”还是多个任意“池”串联，在电路和电极上单位时间通过的电量相同。角度一新型化学电源(2014·新课标全国卷Ⅱ)2013年3月我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离子电池①体系。下列叙述错误的是()A.a为电池的正极②B.电池充电反应为③LiMn2O4====Li1-xMn2O4+xLiC.放电时，a极锂的化合价发生变化D.放电时，溶液中Li＋④从b向a迁移【典题剖析】抽丝剥茧溯本求源关键信息信息分析与迁移信息①电解质溶液为水溶液，Li不能直接和水接触信息②正、负极的判断，可以根据电极材料判断信息③可充电电池，放电和充电时的反应相反信息④电池内电路离子迁移的方向【尝试解答】锂离子电池中，b电极为Li，放电时，Li失电子为负极，LiMn2O4得电子为正极，所以a为电池的正极，故A正确；充电时，Li+在阴极得电子，LiMn2O4在阳极失电子，电池充电反应为LiMn2O4====Li1-xMn2O4+xLi，故B正确；放电时，a为正极，正极上Li1-xMn2O4中锰元素得电子，所以锂的化合价不变，故C错误；放电时，溶液中阳离子向正极移动，即溶液中Li+从b向a迁移，故D正确。【答案】C。角度二原电池与电解池的综合考查(2014·广东高考)某同学组装了如图所示的电化学装置。电极Ⅰ为Al，其他电极均为Cu①，则()A.电流方向：电极Ⅳ→→电极ⅠB.电极Ⅰ②发生还原反应C.电极Ⅱ③逐渐溶解D.电极Ⅲ的电极④反应：Cu2++2e-====Cu【典题剖析】抽丝剥茧溯本求源关键信息信息分析与迁移信息①由电极材料可判断在原电池中电极Ⅰ为负极，电极Ⅱ为正极信息②原电池负极发生氧化反应信息③原电池正极发生还原反应，应析出金属或氢气信息④电极Ⅲ与原电池的正极电极Ⅱ相连，为电解池的阳极，阳极发生氧化反应【尝试解答】电极Ⅰ是原电池的负极，电极Ⅱ是原电池的正极，电极Ⅲ是电解池的阳极，电极Ⅳ是电解池的阴极，故电流方向：电极Ⅳ→→电极Ⅰ，A正确；电极Ⅰ发生氧化反应，B错误；电极Ⅱ是原电池的正极，发生还原反应，有单质铜析出，C错误；电极Ⅲ是电解池的阳极，发生氧化反应，电极反应为Cu-2e-==Cu2+，D错误。【答案】A。角度三电化学与化学实验的综合考查(2014·北京高考节选)用FeCl3酸性溶液脱除H2S后的废液，通过控制电压电解得以再生①。某同学使用石墨电极，在不同电压(x)下电解pH=1的0.1mol·L-1FeCl2溶液②，研究废液再生机理。记录如下(a、b、c代表电压值)：序号电压/V阳极现象检验阳极产物Ⅰx≥a电极附近出现黄色，有气泡产生有Fe3+、有Cl2Ⅱax≥b电极附近出现黄色，无气泡产生有Fe3+、无Cl2Ⅲbx0无明显变化无Fe3+、无Cl2(1)用KSCN溶液检验出Fe3+的现象是_________________________。(2)Ⅰ中，Fe3+产生的原因可能是Cl-在阳极放电③，生成的Cl2将Fe2+氧化。写出有关反应：___________________________________________________________________________________________。(3)由Ⅱ推测，Fe3+产生的原因还可能是Fe2+在阳极放电，原因是Fe2+具有________性。(4)Ⅱ中虽未检测出Cl2，但Cl-在阳极是否放电仍需进一步验证。电解pH=1的NaCl溶液做对照实验②，记录如下：序号电压/V阳极现象检验阳极产物Ⅳax≥c无明显变化有Cl2Ⅴcx≥b无明显变化无Cl2④①NaCl溶液的浓度②是________mol·L-1。②与Ⅱ对比，得出的结论(写出两点)：_______________________________________________________。【典题剖析】抽丝剥茧溯本求源关键信息信息分析与迁移信息①表明实验原理，通过控制电压来实现不同的实验目的信息②对比实验，c(Cl-)应相同信息③Fe2+→Fe3+，化合价升高，被氧化，本身具有还原性信息④无Cl2生成，验证了Fe2+先于Cl-放电【尝试解答】(1)用KSCN溶液检测Fe3+的现象是溶液变红色；(2)依据电解原理，氯离子在阳极失电子生成氯气，电极反应式为2Cl--2e-====Cl2↑，氯气具有氧化性，氧化亚铁离子生成铁离子，溶液变黄色，反应的离子方程式为Cl2+2Fe2+====2Fe3++2Cl-；(3)由Ⅱ推测，Fe3+产生的原因还可能是Fe2+在阳极放电，元素化合价升高，依据氧化还原反应分析Fe2+具有还原性；(4)①电解pH＝1的0.1mol·L-1FeCl2溶液，电解pH＝1的NaCl溶液做对照实验，探究氯离子是否放电，需要在Cl-浓度相同的条件下进行，所以氯化钠溶液的浓度为0.2mol·L-1；②依据图表数据比较可知，电解pH＝1的NaCl溶液做对照实验与Ⅱ对比，通过控制电压证明了亚铁离子还原性大于氯离子，优先放电，说明生成铁离子有两种原因。【答案】(1)溶液变红(2)2Cl--2e-====Cl2↑、Cl2+2Fe2+====2Cl-+2Fe3+(3)还原(4)①0.2②通过控制电压，证实了产生Fe3+的两种原因；通过控制电压，验证了Fe2+先于Cl-放电角度四电化学与化学平衡、离子平衡的综合考查(2015·泉州模拟)某实验小组依据反应+2H++2I-+I2+H2O设计如图1原电池，探究pH对氧化性的影响。测得电压与pH的关系如图2。下列有关叙述错误的是()34AsO33AsO34AsOA.调节pH①可以改变反应的方向B.pH=0.68时，反应处于平衡状态②C.pH=5时，负极③电极反应式为2I--2e-====I2D.pH＞0.68时④，氧化性I2As【典题剖析】抽丝剥茧溯本求源关键信息信息分析与迁移信息①由图2可分析电压与pH的关系信息②电压为0，说明处于相对静止，即平衡状态信息③pH＝5时，电压小于0，反应逆向进行，在负极失电子信息④pH0.68时，电压小于0，反应逆向进行33AsO【尝试解答】由图2可知，pH0.68时，电压小于0，反应逆向进行，pH0.68时，电压大于0，反应正向进行，所以调节pH可以改变反应的方向，故A正确；pH＝0.68时，电压为零，反应处于平衡状态，故B正确；pH＝5时，电压小于0，反应逆向进行，在负极失电子，则负极电极反应式为-2e-+H2O====+2H+，故C错误；pH0.68时，电压小于0，反应逆向进行，碘作氧化剂，所以氧化性I2，故D正确。【答案】C。33AsO34AsO34AsO34AsO【类题通法】解决电化学综合应用题的策略1.燃料电池电极反应式的书写第一步：写出电池总反应式。燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。如甲烷燃料电池(电解质：NaOH溶液)的反应式为CH4+2O2====CO2+2H2O①CO2+2NaOH====Na2CO3+H2O②①式+②式得燃料电池总反应式为CH4+2O2+2NaOH====Na2CO3+3H2O。第二步：写出电池的正极反应式。根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，电解质溶液不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下四种情况：(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式：O2+4H++4e-====2H2O。(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式：O2+2H2O+4e-====4OH-。(3)固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式：O2+4e-==2O2-。(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：O2+2CO2+4e-==2。23CO第三步：根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式。电池的总反应式-电池正极反应式＝电池负极反应式，注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反应物O2。2.可充电电池的分析方法：(1)“正正负负”——即原电池的正极充电时要与外接电源的正极相连，原电池的负极充电时要与外接电源的负极相连。(2)“颠颠倒倒”——即原电池的正极反应倒过来，就是充电时电解池的阳极反应式。原电池的负极反应倒过来，就是充电时电解池的阴极反应式。【类题备选】1.(2015·石家庄模拟)用Na2SO3溶液吸收硫酸工业尾气中的二氧化硫，将所得的混合液进行电解循环再生，这种新工艺叫再生循环脱硫法。其中阴、阳离子交换膜组合循环再生机理如图所示，则下列有关说法中不正确的是()A.X为直流电源的负极，Y为直流电源的正极B.阳极区pH增大C.图中的baD.该过程中的产品主要为H2SO4和H2【解析】选B。从图可知，电解槽的左侧H+→H2，发生还原反应，为阴极反应，故X为电源的负极，Y为电源的正极，A项正确；阳极反应：-2e-+H2O====+2H+，溶液的酸性增强，溶液的pH降低，则ab，B项错误、C项正确；结合以上分析和图示可知，阴极产物是H2，阳极产物是H2SO4，D项正确。23SO24SO2.(2015·南昌模拟)将质量相等的银片和铂片分别作为阳极和阴极用来电解硝酸银溶液。i.以电流强度为1A通电10分钟；ii.10min后，反接电源，以电流强度为2A继续通电10分钟；下列图象分别表示：银电极质量、铂电极质量及电解池产生气体质量和电解时间的关系图。正确的是()A.①③B.①②③C.②③④D.①②③④【解析】选A。将质量相等的银片和铂片插入足量硝酸银溶液中，Ag为阳极，发生Ag-e-====Ag+，Pt为阴极，发生Ag++e-====Ag，则Ag电极的质量减小，Pt电极的质量增加，然后反接电源，Pt电极为阳极，但表面有Ag，所以发生Ag-e-====Ag+，Ag为阴极，发生Ag++e-====Ag，则Pt电极的质量又减小，Ag电极的质量又增大，该过程中不生成气体，且电流强度比原来的大，则质量变化的程度比原来的大，当15min时Pt电极上Ag完全溶解后，Pt不失去电子，其质量不再变化，显然①、③图象符合，②④不符合，故①③正确。3.(2015·柳州模拟)如图所示三套实验装置，分别回答下列问题。(1)装置1为铁的吸氧腐蚀实验，铁被__________(填“氧化”或“还原”)；向插入石墨棒的玻璃筒内滴入酚酞溶液，可观察到石墨棒附近的溶液变红，该电极反应式为_____________________________。(2)装置2中的石墨是______极(填“正”或“负”)，该装置发生的总反应的离子方程式为__________