2024苏教版新教材高中化学选择性必修1
第3课时 电解池的工作原理及应用
基础过关练
题组一 电解池的工作原理
1.下列关于电解的说法正确的是( )
①电解过程将电能转化成化学能 ②电解过程将化学能转化成电能 ③电解质溶液导电是化学变化,金属导电是物理变化 ④某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现 ⑤任何水溶液被电解时,必然发生氧化还原反应
A.②③④ B.①②③④
C.①②④ D.①③④⑤
2.某同学将电解池工作时电子、离子移动方向及电极种类等信息表示在下图中,下列有关分析完全正确的是( )
选项 A B C D
a电极 阳极 阴极 阳极 阴极
d电极 正极 正极 负极 负极
Q离子 阳离子 阳离子 阴离子 阴离子
题组二 电解规律及电极反应式的书写
3.(2020江苏常州礼嘉中学期中)用石墨作为电极电解CuCl2和KCl混合溶液,电解初期阴极和阳极析出的物质分别是( )
A.H2、Cl2 B.Cu、Cl2
C.H2、O2 D.Cu、O2
4.如图为直流电源电解稀Na2SO4溶液的装置,通电后在石墨电极a和b附近分别滴加几滴石蕊溶液。下列实验现象正确的是( )
A.逸出气体的体积,a电极的小于b电极的
B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气味气体
C.a电极附近溶液呈红色,b电极附近溶液呈蓝色
D.a电极附近溶液呈蓝色,b电极附近溶液呈红色
5.用惰性电极电解下列溶液一段时间后再加入一定量的某种物质(括号内物质),能够使溶液恢复到原来的成分和浓度的是( )
A.AgNO3(AgNO3) B.NaOH(NaOH)
C.KCl(KCl) D.CuSO4(CuO)
题组三 电解原理的应用
6.(2021湖北武汉汉阳一中联考)金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制备高纯度的镍,已知,氧化性:Fe2+
B.电解过程中阳极质量的减少与阴极质量的增加相等
C.电解后,溶液中存在的金属阳离子只有Fe2+和Zn2+
D.电解后,电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt
7.(2021山东滕州一中测试)采用惰性电极,以去离子水和氧气为原料通过电解法制备过氧化氢的装置如图所示。忽略温度变化的影响,下列说法错误的是( )
A.阴极的反应为O2+2e-+2H+ H2O2
B.电解一段时间后,阳极室的pH未变
C.电解过程中,H+由a极区向b极区迁移
D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极反应的O2等量
8.(2022江苏扬州中学阶段检测)用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,电解质溶液一般为H2SO4-H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是( )
A.待加工铝制工件为阳极
B.可选用不锈钢网作为阴极
C.阴极的电极反应式为Al3++3e- Al
D.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动
9.(2021福建福州八县、市一中期中)用电解法可提纯含有某些含氧酸根离子杂质的粗KOH溶液,其工作原理如图所示。下列有关说法错误的是( )
A.阳极反应式为4OH--4e- 2H2O+O2↑
B.通电后阴极区溶液pH会增大
C.K+通过交换膜从阴极区移向阳极区
D.从b出口导出的是较浓的KOH溶液
题组四 电解相关计算
10.(2020河南郑州二中月考)以铁为阳极、铜为阴极对足量的NaOH溶液进行电解。一段时间后得到2 mol Fe(OH)3沉淀,此过程中共消耗水的物质的量为 ( )
A.2 mol B.3mol C.4 mol D.5 mol
11.500 mL NaNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(N)=6 mol/L,用石墨作为电极电解此溶液,通电一段时间后,两极均收集到气体22.4 L (标准状况),假定电解后溶液体积仍为500 mL。下列说法正确的是( )
A.原混合溶液中c(Na+)=6 mol/L
B.电解后溶液中c(H+)=4 mol/L
C.上述电解过程中共转移8 mol电子
D.电解后得到的Cu的物质的量为2 mol
12.物质的量浓度相等的K2SO4溶液、NaCl溶液、Ba(NO3)2溶液、AgNO3溶液等体积混合后用铂电极电解,一段时间后,在两个电极区析出的氧化产物与还原产物的质量之比为 ( )
A.35.5∶108 B.108∶35.5
C.8∶1 D.1∶2
13.(2020浙江诸暨中学阶段考试)用石墨电极电解铬酸钠(Na2CrO4)溶液,可制取重铬酸钠(Na2Cr2O7),装置如图所示,已知:2Cr+2H+ Cr2+H2O,试回答下列问题。
(1)电极b连接电源的 (填“正”或“负”)极,b极发生的电极反应: 。
(2)电解一段时间后,测得阳极区溶液中Na+物质的量由a mol变为 b mol,则理论上生成重铬酸钠的物质的量是 mol。
能力提升练
题组一 电解规律及电极反应式的书写
1.利用太阳能光伏电池电解水获得H2,工作示意图如下。下列分析不正确的是( )
A.控制开关连接K1,电极1发生反应:2H2O+2e- H2↑+2OH-
B.控制开关连接K2,电极3附近溶液的pH减小
C.通过控制开关连接K1或K2,可交替得到H2和O2
D.控制开关连接K1,电极3发生反应Ni(OH)2-e-+OH- NiOOH+H2O
2.(2021山东济南历城二中开学考)已知铅蓄电池的工作原理为Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)+2H2O(l),现用如图1装置进行电解(电解液足量),测得当铅蓄电池中转移0.4 mol电子时,铁电极的质量减少11.2 g。请回答下列问题:
图1
图2
(1)A是铅蓄电池的 极,铅蓄电池正极反应式为 。
(2)Ag电极的电极反应式是 ,该电极的电极产物共 g。
(3)Cu电极的电极反应式是 ,CuSO4溶液的浓度 (填“减小”“增大”或“不变”)。
(4)如图2表示电解进行过程中某个量(纵坐标x)随时间的变化曲线,则x可表示 。
a.各U形管中产生的气体的体积
b.各U形管中阳极质量的减少量
c.各U形管中阴极质量的增加量
题组二 电解原理的应用
3.(2021重庆七中期中)氯碱工业的一种节能新工艺是将电解池与燃料电池组合,相关物料的传输与转化关系如图所示(电极未标出)。下列说法正确的是( )
A.电解池的阴极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-
B.通入空气的电极为负极
C.电解池中产生2 mol Cl2时,理论上燃料电池中消耗0.5 mol O2
D.a、b、c的大小关系为a>b=c
4.科学家设计利用电化学原理回收CO2的装置达到节能减排的目的,原理如图所示。已知在碱性条件下,卤素单质可以将乙醇氧化为乙醛,一段时间后测得a电极有HCOO-生成,下列说法不正确的是( )
A.b为负极
B.当电路中转移1 mol e-时,d电极产生1 mol CH3CHO
C.e为阳离子交换膜、f为阴离子交换膜
D.a电极的电极反应式为CO2+2e-+H2O HCOO-+OH-
题组三 电解池和原电池装置的组合应用
5.(2020浙江宁波慈溪期末)如图所示,乙装置是简易84消毒液发生器,X为铁电极,Y为石墨电极。下列判断中正确的是( )
A.钴(Co)的金属性比铜的强
B.工作时,S向Cu电极移动
C.电子流动路径:Co电极→X→溶液→Y→Cu电极
D.转移0.2 mol e-,乙中生成0.2 mol NaClO
6.(2021辽宁锦州期末)为探究化学能与电能的相互转化,某化学实验小组设计如图所示实验装置(已知:盐桥中装有琼脂凝胶,内含足量KCl;a和b是石墨片)。当K闭合时,下列判断正确的是( )
A.Cu电极上发生还原反应
B.电子沿Zn→a→b→Cu路径移动
C.片刻后甲池中的S浓度增大
D.片刻后可观察到滤纸b处变红色
7.(2022重庆一中月考)某老师积极参与理化学科的跨学科备课,组装了如图A、B、C三个装置,并用导线先将A、B并联,再与C串联,当6号电极减少0.128 g时,1号电极增加了0.108 g,则下列说法中错误的是( )
A.盐桥中K+向左移动
B.所有电极的总质量变大
C.3号电极将变轻0.096 g
D.A、B烧杯内溶液浓度不变
题组四 电解池中的离子交换膜问题
8.(2022江苏苏州陆慕高级中学月考)用如图装置处理含KMnO4的废液,使Mn元素转化为MnO2沉淀,从而消除重金属污染,下列说法错误的是( )
A.为了增大右侧溶液的导电性可以加稀硫酸造成强酸性环境
B.右侧产生的Fe2+沉淀Mn的离子方程式为7H2O+3Fe2++Mn 3Fe(OH)3↓+MnO2↓+5H+
C.当电路中转移6 mol e-时,可以产生87 g MnO2沉淀
D.Mn处理完全后,实验结束时左侧可能会生成沉淀
9.(2021天津六校期末联考)利用双离子交换膜电解法可以处理含NH4NO3的工业废水,原理如图所示,下列叙述错误的是( )
A.N由b室向c室迁移
B.c室得到的混合气体是NH3和H2
C.X为电源正极
D.理论上外电路中流过1 mol电子,可处理工业废水中0.5 mol NH4NO3
题组五 电化学计算
10.用惰性电极电解硫酸铜溶液,整个过程转移电子的物质的量与产生气体总体积的关系如图所示(气体体积均在相同状况下测定)。欲使溶液恢复到起始状态,可向溶液中加入( )
A.0.1 mol CuO
B.0.1 mol CuSO4
C.0.1 mol Cu(OH)2
D.0.05 mol Cu2(OH)2CO3
11.(2021山东滕州一中月考)如图所示,通电5 min后,电极5的质量增加2.16 g,请回答下列问题。
(1)a为电源的 (填“正”或“负”)极。A池阳极的电极反应为 ,C池阴极的电极反应为 。
(2)如果B池中共收集到224 mL气体(标准状况)且溶液体积为 200 mL(设电解过程中溶液体积不变),则通电前溶液中Cu2+的物质的量浓度为 。
(3)如果A池溶液是200 mL足量的食盐水(设电解过程中溶液体积不变),则通电5 min后,c(NaOH)为 。
答案全解全析
基础过关练
1.D 电解过程将电能转化成化学能,①正确,②错误;电解质溶液导电时,溶液中的阴、阳离子分别向阳极和阴极移动,该过程一定发生氧化还原反应,金属导电只是自由电子的定向移动,不存在电子得失,没有新物质产生,是物理过程,③正确;某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现,④正确;电解质溶液的导电过程就是电解过程,发生了电子的转移,一定发生了氧化还原反应,⑤正确。
2.B 电子由电源的负极流出,故a是阴极,d是正极,溶液中阳离子移向阴极,Q离子为阳离子,故选B。
3.B 本题考查离子放电顺序,溶液中有Cu2+、K+、H+、Cl-及OH-五种离子,得电子能力:Cu2+>H+>K+,失电子能力:Cl->OH-,所以电解初期,阴极的电极反应式为Cu2++2e- Cu,阳极的电极反应式为2Cl--2e- Cl2↑,故选B。
4.D 电解稀Na2SO4溶液,实质是电解水,b极为阳极,电极反应式为4OH--4e- 2H2O+O2↑,a极为阴极,电极反应式为4H++4e- 2H2↑。a极逸出氢气,b极逸出氧气,氢气和氧气都是无色无味的气体,且a极产生氢气的体积是b极产生氧气体积的2倍,A、B均错误;a极上H+得电子,使a极附近溶液中c(OH-)增大,石蕊溶液变蓝色,b极上OH-放电,使b极附近溶液中c(H+)增大,石蕊溶液变红色,C项错误,D项正确。
5.D 电解AgNO3溶液的反应式为4AgNO3+2H2O 4Ag+O2↑+4HNO3,所以应当加入适量Ag2O,A项不符合题意;电解NaOH溶液实质是电解水,应加水,B项不符合题意;电解KCl溶液的反应式为2KCl+2H2O 2KOH+H2↑+Cl2↑,应通入适量HCl气体,C项不符合题意;电解CuSO4溶液的反应式为2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4,故应加入适量CuO,D项符合题意。
6.D 阴极发生还原反应,其电极反应式:Ni2++2e- Ni,故A错误;电解过程中,阳极中Fe、Zn、Ni失去电子被氧化,Cu、Pt形成阳极泥,而阴极只有镍离子得电子被还原,阳极质量的减少与阴极质量的增加不相等,故B错误;电解后,溶液中存在的金属阳离子有Fe2+、Ni2+和Zn2+,故C错误;电解时,铜和铂的还原性弱于镍,不能失去电子被氧化,电解后,在电解槽底部形成阳极泥,故D正确。
7.D 以去离子水和氧气为原料通过电解法制备过氧化氢,氧气得电子生成过氧化氢,阴极的反应为O2+2e-+2H+ H2O2,故A正确;阳极反应为2H2O-4e- 4H++O2↑,H+由a极区向b极区迁移,根据电荷守恒,阳极生成氢离子的量与移入阴极室的氢离子一样多,所以电解一段时间后,阳极室的pH未变,故B、C正确;阳极反应为2H2O-4e- 4H++O2↑,阴极反应为O2+2e-+2H+ H2O2,根据得失电子守恒,a极生成的O2与b极反应的O2的量不相等,故D错误。
8.C Al要形成氧化膜,应失电子,因此铝为阳极,A正确;不锈钢网接触面积大,能增加电解效率,B正确;根据离子放电顺序,阴极应是H+放电,即2H++2e- H2↑,C错误;电解时,阴离子移向阳极,D正确。
9.C 根据图示,左侧电极是阳极,电极反应式为4OH--4e- 2H2O+O2↑;右侧电极是阴极,电极反应式为4H2O+4e- 4OH-+2H2↑。K+通过阳离子交换膜从阳极区移向阴极区,生成氢氧化钾,较浓的KOH溶液从b口导出,阴极区溶液的pH会增大。综上,C项错误。
10.D 阳极的电极反应为Fe-2e- Fe2+,阴极的电极反应为2H2O+2e- 2OH-+H2↑,则消耗4 mol水可生成2 mol Fe2+和4 mol OH-,Fe2+恰好与OH-结合成2 mol Fe(OH)2沉淀。由于Fe(OH)2沉淀不稳定,迅速转化成Fe(OH)3沉淀,即4Fe(OH)2+O2+2H2O 4Fe(OH)3,又消耗1 mol水,故共消耗5 mol水。
11.B 通电一段时间后,两极均收集到气体22.4 L(标准状况),n(O2)=n(H2)==1 mol,根据阳极反应4OH--4e- O2↑+2H2O,转移的电子为4 mol,阴极发生反应Cu2++2e- Cu、2H++2e- H2↑,生成1 mol氢气转移2 mol电子,因此还生成了 1 mol铜。c(Cu2+)==2 mol/L,由电荷守恒可知,原混合溶液中c(Na+)为6 mol/L-2 mol/L×2=2 mol/L,A项错误;电解后溶液中c(H+)==4 mol/L,B项正确;由上述分析可知,电解过程中共转移4 mol电子,C项错误;电解后得到Cu的物质的量为1 mol,D项错误。
12.C Ba2++S BaSO4↓,Ag++Cl- AgCl↓,则反应后为NaNO3和KNO3的混合溶液,电解NaNO3和KNO3的混合溶液实质上是电解水,电解总反应为2H2O 2H2↑+O2↑,氧化产物为O2,还原产物为H2,则在两个电极区析出的氧化产物与还原产物的质量之比为32∶4=8∶1。
13.答案 (1)正 2H2O-4e- O2↑+4H+ (2)
解析 (1)根据2Cr+2H+ Cr2+H2O可知,电解过程中b极区溶液中c(H+)增大,则b极的电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,因此电极b是阳极,连接电源的正极。
(2)电解一段时间后,测得阳极区溶液中Na+物质的量由a mol变为 b mol,则阳极生成的氢离子的物质的量为(a-b)mol,根据2Cr+2H+ Cr2+H2O可知,理论上生成重铬酸钠的物质的量是 mol。
能力提升练
1.B 当控制开关连接K1时,电极1连接电源的负极,作为阴极,电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-,A项正确;当控制开关连接K2时,电极3作为阴极,NiOOH转化为Ni(OH)2,电极反应式为NiOOH+e-+H2O Ni(OH)2+OH-,电极附近产生OH-,溶液pH增大,B项错误;当控制开关连接K1时,电极1处H2O得到电子生成H2,当控制开关连接K2时,电极2处OH-失去电子得到O2,因此通过控制开关连接K1或K2,可交替得到H2和O2,C项正确;控制开关连接K1,电极3发生反应Ni(OH)2-e-+OH- NiOOH+H2O,D项正确。
2.答案 (1)负 PbO2+4H++S+2e- PbSO4+2H2O (2)2H++2e- H2↑ 0.4 (3)Cu-2e- Cu2+ 不变 (4)b
解析 已知铅蓄电池中转移0.4 mol电子时,铁电极的质量减少 11.2 g,则左侧电解池中Fe为阳极,右侧电解池中Cu为阳极,铅蓄电池中B为正极,A为负极。(1)分析可知,A是铅蓄电池的负极;铅蓄电池正极二氧化铅得电子,与硫酸反应生成硫酸铅和水,电极反应式为PbO2+4H++S+2e- PbSO4+2H2O。(2)Ag电极为电解池的阴极,氢离子得电子生成氢气,电极反应式为2H++2e- H2↑;转移0.4 mol电子时,生成0.2 mol氢气,即0.4 g。(3)Cu电极为阳极,铜失电子生成铜离子,电极反应式为Cu-2e- Cu2+;溶液中的铜离子在阴极得电子生成铜,则溶液中的铜离子浓度不变。(4)硫酸铜溶液中无气体生成,与图像不符,a错误;各U形管中阳极分别为Fe、Cu,随反应时间的增加,质量逐渐减少,符合图像,b正确;Ag电极上产生氢气,Ag电极的质量不变,与图像不符,c错误。
3.A 电解池中生成氢气的一端为阴极,溶液中氢离子得到电子生成氢气,电解池的阴极反应式为2H2O+2e- 2OH-+H2↑,故A正确;由燃料电池的工作原理可以知道,正极为通入空气的电极,故B错误;根据得失电子守恒得到2Cl2~O2,则电解池中产生2 mol Cl2,理论上燃料电池中消耗1 mol O2,故C错误;燃料电池中的阳离子交换膜只允许阳离子通过,而燃料电池中正极上氧气得到电子产生OH-,所以反应后氢氧化钠的浓度升高,即a小于c,负极上氢气失电子生成水,消耗氢氧根离子,所以b
5.A 乙装置为电解池,X极放出氢气为阴极,则与之相连的Co为负极,Cu为正极,钴(Co)的金属性比铜的强,A项正确;工作时,阴离子S移向负极,即向Co电极移动,B项错误;电子不会经过电解质溶液,C项错误;电解氯化钠溶液的方程式为2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH,转移0.2 mol e-,产生0.1 mol氯气,Cl2+2NaOH NaCl+NaClO+H2O,乙中生成0.1 mol NaClO,D项错误。
6.A 甲、乙装置能自发地进行氧化还原反应,所以是原电池,锌易失电子作负极,铜作正极,则含有硫酸钠溶液的滤纸是电解池,a是阴极,b是阳极。该原电池中锌作负极,铜作正极,正极上发生得电子的还原反应,故A正确。电子沿Zn→a,b→Cu路径移动,电子不进入电解质溶液,故B错误;原电池中阴离子向负极移动,即盐桥中的Cl-移向甲烧杯,所以片刻后甲池中c(Cl-)增大,S浓度不变,故C错误;电解池中,a电极的电极反应式为2H2O+2e- 2OH-+H2↑,所以a处变红色,b电极的电极反应式为2H2O-4e- 4H++O2↑,b处无明显现象,故D错误。
7.C C装置是原电池,Ag是正极,Cu是负极,则盐桥中K+向左移动,A正确。A装置中,1号电极与电源的负极相连,是阴极,则1号电极上有银析出,2号电极是阳极,银溶解,得失电子守恒,则2号电极溶解的银和1号电极上析出的银质量相等,故A装置内银电极的总质量不变;同理,B装置内铜电极的总质量不变;C装置内,负极铜溶解,正极银析出,总反应为Cu+2Ag+ Cu2++2Ag,溶解的铜质量小于析出银的质量,故所有电极的总质量变大,B正确。3号电极与原电池的负极相连,是阴极,故其质量将增大,C错误。1号电极是阴极,银离子得电子,2号电极是阳极,银溶解生成银离子,得失电子守恒,则阴极消耗的银离子和阳极产生的银离子等量,故A装置内银离子的浓度不变;同理,B装置内铜离子的浓度不变,D正确。
8.A 不能往右侧加稀硫酸造成强酸性环境,否则,Mn被还原为Mn2+,得不到MnO2沉淀,故A错误;Fe2+有强还原性,Mn有强氧化性,二者发生氧化还原反应的离子方程式为7H2O+3Fe2++Mn 3Fe(OH)3↓+MnO2↓+5H+,故B正确;当电路中转移6 mol e-时生成 3 mol Fe2+,3Fe2+~MnO2,生成MnO2沉淀的质量m=1 mol×87 g/mol= 87 g,C正确;Mn处理完全后,阳极产生的Fe2+向阴极移动,与OH-生成Fe(OH)2沉淀,故D正确。
9.D 阳离子交换膜只允许阳离子通过,c室中电极为阴极,电极反应式为2N+2e- 2NH3↑+H2↑,则N由b室向c室迁移,c室得到的混合气体是NH3和H2,故A、B正确;c室电极为阴极,电源Y为负极,X为正极,故C正确;阳极的电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,阴极的电极反应式为2N+2e- 2NH3↑+H2↑,理论上外电路中流过1 mol电子,可处理工业废水中1 mol NH4NO3,故D错误。
10.D 观察图像中曲线的斜率可知,OP段和PQ段气体的成分不同。由于阳极始终是OH-放电,所以可以推断出,OP段只有阳极产生O2(阴极无气体生成),PQ段阴、阳两极都产生气体。因此,整个过程发生的反应为①2CuSO4+2H2O 2Cu+2H2SO4+O2↑和②2H2O 2H2↑+O2↑。结合图像中转移电子的物质的量,可计算出反应①析出0.1 mol Cu和0.05 mol O2,反应②消耗0.05 mol H2O。根据“出什么加什么,出多少加多少”的原则,欲使溶液恢复到起始状态,应向溶液中加入0.1 mol CuO和0.05 mol H2O。而0.05 mol Cu2(OH)2CO3恰好相当于0.1 mol CuO和0.05 mol H2O(生成0.05 mol CO2无影响),故D正确。
11.答案 (1)负 2Cl--2e- Cl2↑ Ag++e- Ag
(2)0.025 mol/L
(3)0.1 mol/L
解析 (1)通电5 min后,电极5的质量增加,则电极5为阴极,a为电源的负极;A池中阳极上氯离子放电生成氯气,电极反应式为2Cl--2e- Cl2↑;C池中阴极上银离子放电析出银,电极反应式为Ag++e- Ag。(2)电极5上析出的金属为Ag,通电5 min后,电极5质量增加2.16 g,则析出的n(Ag)==0.02 mol,则转移电子的物质的量为0.02 mol, B中阳极上通过0.02 mol电子时生成氧气的体积=×22.4 L/mol= 0.112 L=112 mL,B中共收集气体的体积是224 mL,所以气体中还有氢气,氢气的体积是112 mL,生成112 mL氢气转移电子的物质的量=×2=0.01 mol,所以生成铜转移电子的物质的量为0.01 mol, n(Cu)==0.005 mol,c(Cu2+)==0.025 mol/L。(3)A中总反应式为2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH,可知转移0.02 mol电子时生成0.02 mol NaOH,所以c(NaOH)==0.1 mol/L。
精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
()
