2023年高考化学总复习第一部分考点指导第三章化学反应中的能量变化 第4讲电化学专题突破

第4讲电化学专题突破考点一：离子交换膜电池(应用性考点)(一)隔膜的作用及应用1．隔膜的作用(1)能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。

(2)能选择性地允许离子通过，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。

(3)隔膜的分类2．离子交换膜类型的判断方法(1)首先写出阴、阳(或正、负)两极上的电极反应。

(2)依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余。

(3)根据电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向。

(4)根据离子移动的方向，确定离子交换膜的类型。

3．应用离子交换膜的常考装置——多室电解池多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为两室、三室、多室等，以达到物质制备、浓缩、净化、提纯的目的。

(1)两室电解池①制备原理：工业上利用如图两室电解装置制备烧碱阳极室中电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区H＋放电，破坏了水的电离平衡，使OH－浓度增大，阳极区Cl－放电，使溶液中的c(Cl－)减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na＋通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH－结合，得到浓的NaOH溶液。

利用这种方法制备物质，纯度较高，基本没有杂质。

②阳离子交换膜的作用：它只允许Na＋通过，而阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过。

这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应生成NaClO而影响烧碱的质量。

(2)三室电解池利用三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如图所示。

阴极的NO被还原为NH ＋4：NO＋5e－＋6H＋===NH＋4＋H2O，NH＋4通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的NO被氧化为NO －3：NO－3e－＋2H2O===NO－3＋4H＋，NO －3通过阴离子交换膜进入中间室。

根据电路中转移电子数相等可得电解总反应：8NO＋7H2O3NH4NO3＋2HNO3，为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3。

(3)多室电解池利用“四室电渗析法”制备H3PO2(次磷酸)，其工作原理如图所示。

电解稀硫酸的阳极反应：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，产生的H＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2PO－2穿过阴离子交换膜进入产品室，与H＋结合生成弱电解质H3PO2；电解NaOH稀溶液的阴极反应：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室。

4．含离子交换膜电化学装置题的解题步骤(二)思维建模【题目】三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SO 2－4可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。

判断ab、cd是什么交换膜；判断离子的迁移方向；书写电极反应式；判断电极产物。

【思维模板】①弄清是原电池还是电解池，判断电极有外接电源→电解池；n→阳极，m→阴极②根据电极判断离子的移动方向和交换膜的种类Na＋→通过ab→阴极⇒ab是阳离子交换膜SO 2－4→通过cd→阳极⇒cd是阴离子交换膜③根据放电顺序写出电极反应式阴极，阳离子竞争放电，放电顺序：H＋＞Na＋，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－；阳极，阴离子竞争放电，放电顺序：OH－＞SO 2－4，阳极的电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。

④根据电极反应式和离子移动方向确定电极反应物阴极H＋放电生成H2，剩余OH－与迁移过来的Na＋生成NaOH；阳极OH－放电生成O2，剩余H＋与迁移过来的SO2－4生成H2SO4。

【典例】(2021·广东选择考)钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。

如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。

下列说法正确的是( )A.工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B．生成1 mol Co，Ⅰ室溶液质量理论上减少16 g③C．移除两交换膜④后，石墨电极上发生的反应不变D．电解总反应：2Co2＋＋2H2O2Co＋O2↑＋4H＋[解题思维] 解答本题的思维流程如下：信息提取①阳离子交换膜；②阴离子交换膜；③减少16 g；④移除两交换膜信息转化①阳离子交换膜只允许阳离子通过，阳离子在电解池中向阴极移动，故Ⅰ室中的H ＋移向Ⅱ室；②阴离子交换膜只允许阴离子通过，阴离子在电解池中向阳极移动，故Ⅲ室中的Cl－移向Ⅱ室；③根据Ⅰ室中发生的反应分析计算，不要忘了通过交换膜离开的离子；④移除交换膜后，阳极附近有Cl－，它的失去电子能力大于OH－，先放电。

联想质疑为什么Ⅱ室中离子不能通过离子交换膜离开？提示：Ⅱ室中氢离子要向阴极移动，但Ⅱ室和Ⅲ室之间是阴离子交换膜，氢离子不能通过；同理，Ⅱ室中氯离子要向阳极移动，但Ⅰ室和Ⅱ室之间是阳离子交换膜，氯离子不能通过。

【解析】选D。

由图可知，该装置为电解池，石墨电极为阳极，水在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，Ⅰ室中阳离子电荷数大于阴离子电荷数，放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动，钴电极为阴极，钴离子在阴极得到电子发生还原反应生成钴，电极反应式为Co2＋＋2e－===Co，Ⅲ室中阴离子电荷数大于阳离子电荷数，氯离子通过阴离子交换膜由Ⅲ室向Ⅱ室移动，电解的总反应的离子方程式为2Co2＋＋2H2O2Co ＋O2↑＋4H＋。

由分析可知，放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动，使Ⅱ室中氢离子浓度增大，溶液pH减小，故A错误；由分析可知，阴极生成1 mol钴，阳极有1 mol水放电，则Ⅰ室溶液质量减少18 g，故B错误；移除离子交换膜，氯离子的放电能力强于水，氯离子会在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气，则移除离子交换膜，石墨电极的电极反应会发生变化，故C错误；由分析可知，电解的总反应的离子方程式为2Co2＋＋2H2O2Co＋O2↑＋4H＋，故D正确。

思维拓展·延伸设问(1)Ⅱ室中的HCl浓度将怎样变化？提示：增大。

因为Ⅰ室中的氢离子和Ⅲ室中的氯离子都移向Ⅱ室。

(2)为什么用Co电极作阴极？提示：Co电极作阴极并不参加电极反应，能生产纯净的钴。

(2022·佛山模拟)电化学原理在工业生产中发挥着巨大的作用。

Na2FeO4是制造高铁电池的重要原料，同时也是一种新型的高效净水剂。

在工业上通常利用如图装置生产Na2FeO4，下列说法正确的是( )A．阳极的电极反应式为Fe＋8OH－－6e－===FeO 2－4＋4H2OB．右侧的离子交换膜为阳离子交换膜C．阴极区a%>b%D．阴极产生的气体是氧气【解析】选A。

由图所示，Fe为阳极，故发生氧化反应生成FeO 2－4，电极反应式为Fe＋8OH－－6e－===FeO 2－4＋4H2O，A正确；阳极反应消耗阴离子氢氧根离子，氢氧根向右侧阳极移动，故右侧交换膜为能使阴离子通过的阴离子交换膜，B错误；阴极区水被电解产生H2和OH－，故产出的NaOH浓度变大，a%<b%，C错误；阴极区为水被电解发生还原反应得到电子，生成氢气，D错误。

【加固训练】1．(2022·清远模拟)将电化学法和生物还原法有机结合，利用微生物电化学方法生产甲烷，装置如图所示。

下列说法错误的是( )A.离子交换膜可允许H＋通过B．通电时，电流方向为a→电子导体→离子导体→电子导体→bC．阳极的电极反应式为CH3COO－＋2H2O－6e－===2CO2↑＋7H＋D．生成0.1 mol CH4时阳极室中理论上生成CO2的体积是4.48 L(STP)【解析】选C。

由图示知，左池中CH3COO－在电极上失电子被氧化为CO2，故左池为电解的阳极室，右池为电解的阴极室，电源a为正极，b为负极。

由图示知，阳极反应产生H＋，阴极反应消耗H＋，故H＋通过交换膜由阳极移向阴极，A正确；这个装置中电子的移动方向为电源负极(b)→电解阴极，电解阳极→电源正极(a)，故电流方向为电源正极(a)→外电路(电子导体)→电解质溶液(离子导体，阳极→阴极)→外电路(电子导体)→电源负极(b)，形成闭合回路，B正确；由分析知，左池为阳极，初步确定电极反应为CH3COO－－8e－→2CO2↑，根据图示知可添加H＋配平电荷守恒，添加H2O配平元素守恒，得完整方程式为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，C错误；由图示知，右池生成CO2转化为CH4，根据转移电子关系CH4～8e－，0.1 mol CH4生成转移0.8 mol电子，由C选项知：CO2～4e－，故生成CO2的n(CO2)＝0.8 mol4＝0.2 mol，故V(CO2)＝0.2 mol×22.4 L·mol－1＝4.48 L，D正确。

2．高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型绿色水处理剂。

工业上可用电解浓NaOH溶液制备Na2FeO4，其工作原理如图所示，两端隔室中离子不能进入中间隔室。

下列说法错误的是( )A．阳极反应式：Fe－6e－＋8OH－===FeO 2－4＋4H2OB．甲溶液可循环利用C．离子交换膜a是阴离子交换膜D．当电路中通过2 mol电子的电量时，会有1 mol H2生成【解析】选C。

A项，阳极发生氧化反应，电极反应式：Fe－6e－＋8OH－===FeO 2－4＋4H2O，正确；B项，阴极发生还原反应，水电离出的氢离子放电生成氢气和氢氧根，甲溶液为浓的氢氧化钠溶液，可循环利用，正确；C项，电解池中阳离子向阴极移动，通过离子交换膜a的是Na＋，故a为阳离子交换膜，错误；D项，阴极发生还原反应，水电离出的氢离子放电生成氢气和氢氧根，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，当电路中通过2 mol电子的电量时，会有1 mol H2生成，正确。

考点二：新型电化学装置分析(应用性考点)(一)以“本”为本破解新型电化学装置1．燃料电池的迁移应用项目教材装置高考装置图示原理负极H2-2e-===2H+(氧化反应)H2＋CO＋2CO2－3－4e－===3CO2＋H2O(氧化反应)正极12O2＋2H＋＋2e－===H2O(还原反应)2CO2＋O2＋4e－===2CO2－3(还原反应)总反应H2＋12O2===H2O H2+CO+O2===CO2+H2O2．二次电池的迁移应用项目教材装置高考装置图示原理放电负极：Pb(s)＋SO2－4(aq)－2e－===PbSO4(s)(氧化反应)负极：Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l) (氧化反应)正极：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO2－4(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l) (还原反应)正极：NiOOH(s)＋H2O(l)＋e－===Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)(还原反应)原理充电阴极：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO2－4(aq)(还原反应)阴极：ZnO(s)＋H2O(l)＋2e－===Zn(s)＋2OH－(aq) (还原反应)阳极：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO2－4(aq) (氧化反应)阳极：Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)(氧化反应) 总反应Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)3.电解装置的迁移应用项目教材装置高考装置图示原理阴极Cu2＋＋2e－===Cu(还原反应) 2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑(还原反应)阳极2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应)I－＋6OH－－6e－===IO－3＋3H2O(氧化反应)总反应Cu2++2Cl-Cu+Cl2↑I－＋3H2O===IO－3＋3H2↑(二)新型化学电源中电极反应式的书写三步骤【典例】(2021·浙江6月选考)某全固态薄膜锂离子电池截面结构①如图所示，电极A为非晶硅薄膜，充电时Li＋得电子成为Li②嵌入该薄膜材料中；电极B为LiCoO2③薄膜；集流体起导电作用。