模板04 电极反应式的书写及相关计算
第一步 判断装置 阅读题目获取信息，抓住元素化合价的变化，分析电化学装置中的氧化还原反应，准确判断装置是原电池还是电解池，结合发生的反应确定电极的名称。
第二步 书写分析 根据电化学原理及装置所处的环境，书写电极反应式，分析电解液变化。
第三步 综合解答 题目要求，准确计算，规范解答。
技法01 电极反应式的书写方法
1．二次电池的电极反应书写思维模型
以xMg＋Mo3S4MgxMo3S4为例说明
2．燃料电池电极反应式书写思维模型
以甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)为例：
(1)写出电池总反应式CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O，
其离子方程式为CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O。
(2)写出电池的正极反应式。
燃料电池电解质 正极反应式
酸性电解质 O2＋4H＋＋4e－===2H2O
碱性电解质 O2＋2H2O＋4e－===4OH－
固体电解质(高温下能传导O2－) O2＋4e－===2O2－
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3) O2＋2CO2＋4e－===2CO
(3)电池的总反应式－电池的正极反应式＝电池的负极反应式。
3．分析电解过程的思维模型
(1)判断阴、阳极：明确阳极是惰性电极还是活性电极。
(2)分析电解质溶液的离子组成：找全离子（包括水电离出的H+和OH-），并按阴、阳离子分组。
(3)确定放电离子或物质：根据阴、阳离子在两极的放电顺序，确定优先放电的微粒。
(4)写出电极反应式、总反应式：判断电极产物，注意溶液的酸碱性、产物的溶解性。
(5)解答问题：解答有关离子浓度、pH、电极产物量的变化、溶液的复原等问题。
技法02 电化学的相关计算与分析
1．电化学相关计算方法
(1)用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数相等。
(2)先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列出比例式计算。
(3)根据得失电子守恒计算所需的关系式。
(M为金属，n为其阳离子所带电荷数)
2．“串联”类装置的解题流程
3．有机化合物的电化学合成
电化学合成技术是用电子代替会造成环境污染的氧化剂和还原剂，在温和条件下制备高附加值的有机化合物产品，分为直接有机电合成和间接有机电合成两种类型。
(1)直接有机电合成：有机合成反应直接在电解池的两电极通过氧化反应、还原反应完成。
(2)间接有机电合成：有机化合物的氧化反应(或还原反应)，仍采用氧化剂(或还原剂)，用传统的化学方法进行，但氧化剂(或还原剂)在反应后以电化学方法(电解氧化或电解还原)再生后反复使用。
电化学合成有机化合物应用示例。
利用糠醛(CHO)的电氧化反应可合成糠酸(COOH)，利用其电还原反应则可合成糠醇(CH2OH)，主要反应过程如下：
COOHCHOCH2OH
阳极反应：CHO＋H2O－2e－===COOH＋2H＋；
阴极反应：CHO＋2H＋＋2e－===CH2OH。
1．（2022·重庆卷）反应在工业上有重要应用。
(3)该反应也可采用电化学方法实现，反应装置如图所示。
①固体电解质采用 (填“氧离子导体”或“质子导体”)。
②阴极的电极反应式为 。
③同温同压下，相同时间内，若进口Ⅰ处n(CO)：n(H2O)=a：b，出口Ⅰ处气体体积为进口Ⅰ处的y倍，则CO的转化率为 (用a，b，y表示)。
【答案】质子导体
【第一步 判断装置】该装置为电解池
【第二步 书写分析】
①电解时，CO和H2O水从均从阳极口进入，阳极一氧化碳转化为二氧化碳，则氢气要在阴极产生，故阳极产生二氧化碳的同时产生氢离子，氢离子通过固体电解质进入阴极附近得电子产生氢气，故固体电解质应采用质子导体。
②电解时，阴极发生还原反应，电极反应式为：；
【第三步 综合判断】
③根据三段式：
出口Ⅰ处气体为体积为x，进口Ⅰ处的气体体积为，则，CO的转化率为：。
1． (2023·河北选考)氮是自然界重要元素之一，研究氮及其化合物的性质以及氮的循环利用对解决环境和能源问题都具有重要意义。
(2)①以空气中的氮气为原料电解合成氨时，N2在 ________(填“阴”或“阳”)极上发生反应，产生NH3。
②氨燃料电池和氢燃料电池产生相同电量时，理论上消耗NH3和H2的质量比为17∶3，则在碱性介质中氨燃料电池负极的电极反应式为 ________________________。
【答案】(2)①阴 ②2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2O
【第一步 判断装置】①为电解池，②为原电池
【第二步 书写分析】
①电解产物为NH3，N2生成NH3，化合价降低，得电子，发生还原反应，则N2在阴极反应。
②燃料电池中，氨气作负极发生氧化反应，生成N2，生成1个N2转移6个电子，在碱性条件下发生，2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O。
【第三步 综合判断】
2．（2023·北京卷）（3）近年研究发现，电催化和含氮物质(等)在常温常压下合成尿素，有助于实现碳中和及解决含氮废水污染问题。向一定浓度的溶液通至饱和，在电极上反应生成，电解原理如图所示。
①电极是电解池的__________极。
②电解过程中生成尿素的电极反应式是______________________。
【答案】①阳 ②
【解析】①电极b上发生失电子生成的氧化反应，是电解池的阳极。②a极硝酸根离子得电子转化为尿素，再结合酸性环境可分析出电极反应式为。答案为阳极；；
1．一氯甲烷广泛用作溶剂、提取剂、推进剂、制冷剂、甲基化试剂，用于生产农药、医药等。
(2)甲醇也可通过电化学方法由甲烷直接制得，装置如右图所示：
已知，电解生成甲醇的过程分3步：
①通电时，氯离子先转化成高活性的原子氯(Cl·)；②Cl·与吸附在电极上的CH4反应生成HCl和CH3Cl；③在碱性电解液中，CH3Cl转化为目标产物CH3OH。当步骤①有2 mol Cl·生成时，外电路中转移的电子数为 ________(用含NA的代数式表示)。阴极的电极反应为 _____________________________。
【答案】(2)2NA 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
【解析】(2)阳极发生反应：Cl－－e－===Cl·，根据电极方程式可知，Cl·～e－，即有2 mol Cl·生成时，外电路中转移2 mol电子，则转移电子数为2NA；阴极的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。
2．烯丙醇是生产甘油、医药、农药、香料和化妆品的中间体。
(2)烯丙醇的电氧化过程有重要应用。其在阳极放电时，同时存在三种电极反应(烯丙醇→丙烯酸、烯丙醇→丙烯醛、烯丙醇→丙二酸)，各反应决速步骤的活化能如下表所示。
反应 烯丙醇→丙烯酸 烯丙醇→丙烯醛 烯丙醇→丙二酸
活化能(单位：eV) 8.6a 2.5a 13.7a
①该条件下，相同时间内，阳极产物中含量最多的为 ________。
②碱性条件下，烯丙醇在电极上生成丙烯醛(CH2===CHCHO)的电极反应式为 _____________________。
【答案】(2)①丙烯醛 ②CH2===CHCH2OH－2e－＋2OH－―→CH2===CHCHO＋2H2O
【解析】(2)①反应的活化能越大，反应速率越慢，由表格数据可知，阳极放电时，烯丙醇转化为丙烯醛的活化能最小，反应速率最快，所以相同时间内，阳极产物中含量最多的为丙烯醛；②由题意可知，碱性条件下，烯丙醇在阳极失去电子发生氧化反应生成丙烯醛，电极反应式为CH2===CHCH2OH－2e－＋2OH－―→CH2===CHCHO＋2H2O。
3．处理和利用CO是环境科学研究的热点课题。
(2)我国科学家成功实现了用电催化CO高选择性直接制备乙烯，该方法的工作原理如图所示。阴极材料为优化的铜基催化剂。写出阴极的电极反应式： ________________________________________电解的总反应化学方程式为 ________________________________________。
【答案】(2)2CO＋8H＋＋8e－===C2H4＋2H2O 2CO＋2H2OC2H4＋2O2
【解析】(2)由电子流向可知，铜基片为阴极，一氧化碳酸性条件下得到电子发生还原反应生成乙烯：2CO＋8H＋＋8e－===C2H4＋2H2O；阳极水失去电子发生氧化反应生成氧气，总反应为：2CO＋2H2OC2H4＋2O2。
4．乙醇被广泛应用于能源、化工、食品等领域，工业上可用以下两种方法制备乙醇。
(3)研究发现，在酸性乙醇燃料电池中加入硝酸，可使电池持续大电流放电，工作原理如图。
①负极的电极反应式为 __________________________。
②当向正极通入1 mol O2且全部被消耗时，理论上正负极溶液质量变化的绝对值之差为 ________g(保留两位小数)。
【答案】(3)①C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋ ②2.67
【解析】(3)①燃料电池，燃料通负极，故通入甲醇的一极为负极，失电子转化为CO2，负极反应为C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋；②1 mol O2被消耗，转移电子4 mol，根据正极电极反应式O2＋4H＋＋4e－===2H2O，正极溶液增加1 mol O2和4 mol H＋，质量为32＋4＝36 g；根据负极电极反应，转移12 mol电子生成2 mol CO2和12 mol H＋，氢离子通过质子交换膜进入正极区，减少质量88＋12＝100 g，故转移4 mol电子减少质量33.33 g，理论上正负极溶液质量变化的绝对值之差为36 g－33.33 g＝2.67 g。
5．新能源的利用对实现“碳中和”也有重要意义。搭载钠离子电池的新能源汽车，动力充足、冬天也无需频繁充电。第二代钠离子电池是以硬碳(Cy)为基底材料的嵌钠硬碳(NaxCy)和锰基高锰普鲁士白Na2Mn[Mn(CN)6]为电极的一种新型二次电池，在充放电过程中，Na＋在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。其工作原理如图所示。
(5)若用该钠离子电池给铅酸蓄电池充电，普鲁士白电极连接 ________(填“Pb”或“PbO2”)极，钠离子电池负极的电极反应式为 ________。
【答案】(5)PbO2 NaxCy－xe－===Cy＋xNa＋
【解析】(5)普鲁士白为正极，给铅酸蓄电池充电时，连接铅酸蓄电池的PbO2电极，负极为嵌钠硬碳，电极反应式为NaxCy－xe－===Cy＋xNa＋。
6．我国科学家最近发明了一种Zn－PbO2电池，电解质为K2SO4、H2SO4和KOH，由a和b两种离子交换膜隔开，形成A、B、C三个电解质溶液区域，结构示意图如下，回答下列问题：
(1)电池中，Zn为________极，B区域的电解质为______(填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)
(2)电池反应的离子方程式为____________________________________________________
(3)阳离子交换膜为图中的________(填“a”或“b”)膜。
(4)此电池中，消耗6.5 g Zn，理论上可产生的容量(电量)为________毫安时(mAh)(1 mol电子的电量为1 F,1 F＝96 500 C·mol－1，结果保留整数)
(5)已知E为电池电动势[电池电动势即电池的理论电压，是两个电极电位之差，E＝E(＋)－E(－)]，ΔG为电池反应的自由能变，则该电池与传统铅酸蓄电池相比较， _______； ____(填“>”或“<”)
【答案】(1)负 K2SO4 (2)PbO2＋SO＋Zn＋2H2O===PbSO4＋[Zn(OH)4]2－
(3)a (4)5 361 (5)＞ ＜
【解析】(1)根据图示可知，Zn电极失去电子生成Zn2＋，与溶液中的OH－结合形成[Zn(OH)4]2－，所以Zn电极为负极；在A区域的电解质为KOH，在B区域的电解质为K2SO4，C区域电解质为H2SO4。(2)负极电极反应式为Zn－2e－＋4OH－===[Zn(OH)4]2－，正极的电极反应式为PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O，总反应方程式为：PbO2＋SO＋Zn＋2H2O===PbSO4＋[Zn(OH)4]2－。(3)A区域是KOH溶液，OH－发生反应生成[Zn(OH)4]2－，为了维持溶液呈电中性，多余的K＋通过交换膜进入到B区域，由于阳离子交换膜只允许阳离子通过，因此a膜为阳离子交换膜。(4)6.5 g Zn的物质的量是n(Zn)＝＝0.1 mol，则转移电子n(e－)＝0.2 mol,1 mol电子的电量为1 F,1 F＝96 500 C·mol－1，转移0.2 mol电子的电量Q＝0.2 mol×96 500 C·mol－1＝19 300 C，则理论上可产生的容量(电量)为mAh≈5 361 mAh。(5)由于Zn比Pb活动性强，正极材料都是PbO2，所以Zn－PbO2的电势差比Pb－PbO2的电势差大，则；不同电池的电势差越大，电池反应的自由能变就越小，由于Zn－PbO2的电势差比Pb－PbO2的电势差大，所以。
7．KIO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示
(1)写出电解时阴极的电极反应式：_________________________________________。
(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为________，其迁移方向是_______________。
【答案】(1)2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
(2)K＋ 由电极a到电极b
【解析】(1)电解液是KOH溶液，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。
(2)电解过程中阳极反应为I－＋6OH－－6e－===IO＋3H2O。阳极的K＋通过阳离子交换膜由电极a迁移到电极b。
8．有人设想以N2和H2为反应物，以溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能，又能固氮的新型燃料电池，装置如图所示，电池正极的电极反应式是____________________，A是________。
【答案】N2＋8H＋＋6e－===2NH 氯化铵(或NH4Cl)
【解析】该电池的本质反应是合成氨的反应，电池中氢气失去电子，在负极上发生氧化反应，氮气得到电子在正极上发生还原反应，则正极反应为N2＋8H＋＋6e－===2NH，氨气和氯化氢反应生成氯化铵，则电解质溶液为氯化铵。
9．利用原电池工作原理测定汽车尾气中CO的浓度，其装置如图所示。该电池中O2－可以在固体介质NASICON(固溶体)内自由移动，工作时O2－的移动方向________(填“从a到b”或“从b到a”)，负极发生的电极反应式为________________________。
【答案】从b到a CO＋O2－－2e－===CO2
【解析】根据图可知，一氧化碳和空气形成燃料电池，一氧化碳失去电子和氧离子反应生成二氧化碳，发生氧化反应，电极反应式为CO＋O2－－2e－===CO2，所以一氧化碳所在极为负极，通入空气的一极为正极，原电池放电时电子从负极流向正极，阴离子向负极移动，所以工作时氧离子的移动方向为从b到a。
10．含乙酸钠和对氯酚(ClOH)的废水可以利用微生物电池除去，其原理如图所示
①B是电池的________(填“正”或“负”)极
②A极的电极反应式为_______________________________。
【答案】(1)①负
【解析】①由图示可知，阳离子H＋移向A极，说明A极为正极，B极为负极。②A极为正极，正极得电子，发生还原反应，电极反应式为＋2e－＋H＋―→
11．新型固体燃料电池的电解质是固体氧化锆和氧化钇，高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。如图所示，其中多孔电极不参与电极反应
(1)该电池的负极反应式为_____________________________。
(2)如果用该电池作为电解装置，当有16 g甲醇发生反应时，则理论上提供的电量表达式为_________ (1个电子的电量为1.6×10－19C)。
【答案】(1)CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O
(2)×6×6.02×1023 mol－1×1.6×10－19C
12．以CH4(g)为燃料可以设计甲烷燃料电池，该电池以稀H2SO4作电解质溶液，其负极电极反应式为_________________________________________，已知该电池的能量转换效率为86.4%，甲烷的燃烧热为－890.3 kJ·mol－1，则该电池的比能量为______kW·h·kg－1[结果保留1位小数，比能量＝,1 kW·h＝3. 6×106 J]。
【答案】CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋ 13.4
【解析】甲烷燃料电池中，甲烷在负极被氧化，电解质为硫酸，负极反应式：CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋，该电池的能量转换效率为86.4%，甲烷的燃烧热为－890.3 kJ·mol－1,1 mol甲烷燃烧输出的电能为≈0.214 kW·h，比能量＝ ＝≈13.4 kW·h·kg－1。
13．SO2、CO、CO2、NOx是对环境影响较大的几种气体，对它们的合理控制和治理是优化我们生存环境的有效途径
(1)利用电化学原理将CO、SO2转化为重要化工原料，装置如图所示
①若A为CO，B为H2，C为CH3OH，则通入CO的为________(填“正”或“负”)极。
②若A为SO2，B为O2，C为H2SO4，则负极的电极反应式为________________________。
(2)碳酸盐燃料电池，以一定比例Li2CO3和Na2CO3低熔混合物为电解质，操作温度为650 ℃，在此温度下以镍为催化剂，以煤气(CO、H2的体积比为1∶1)直接做燃料，其工作原理如图所示
①电池总反应为_______________________________。
②以此电源电解足量的硝酸银溶液，若阴极产物的质量为21.6 g，电解后溶液体积为2 L，溶液的pH约为___________。
(3)某研究小组利用下列装置用N2O4生产新型硝化剂N2O5
①现以H2、O2、熔融盐Na2CO3组成燃料电池，采用电解法制备N2O5，装置如图所示，其中Y为CO2。在石墨(Ⅱ)电极上同时还引入CO2的目的是______________________________________________。
②电解过程中，生成N2O5的电极反应式为______________________________________。
【答案】(1)①正 ②SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋
(2)①CO＋H2＋O2===CO2＋H2O ②1
(3)①氧气可以和二氧化碳共同转化为碳酸根离子，保持熔融盐的成分不变
②N2O4＋2HNO3－2e－===2N2O5＋2H＋
【解析】(1)①燃料电池中，通入氧化剂的电极是正极、通入还原剂的电极是负极，题给反应中碳元素化合价由＋2价变为－2价、氢元素化合价由0价变为＋1价，所以CO是氧化剂，则通入CO的电极为正极。②若A为SO2，B为O2，C为H2SO4，负极上二氧化硫失电子和水反应生成硫酸根离子和氢离子，电极反应式为SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋。
(2)①该燃料电池中，负极上一氧化碳、氢气失电子和碳酸根离子反应生成二氧化碳和水，正极上是氧气得电子发生还原反应，电池总反应为一氧化碳、氢气与氧气反应生成二氧化碳和水，总反应方程式为CO＋H2＋O2===CO2＋H2O。②电解足量的硝酸银溶液，阳极为氢氧根失电子生成氧气，阴极电极反应式为Ag＋＋e－===Ag，产物的质量为21.6 g，其物质的量为0.2 mol，转移电子是0.2 mol，阳极电极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，产生氧气的物质的量是0.05 mol，则消耗氢氧根的物质的量为0.2 mol，则溶液中氢离子为0.2 mol，c(H＋)＝＝0.1 mol·L－1，所以溶液的pH为1。
(3)①在正极上氧气得电子生成的氧离子可以和二氧化碳结合为碳酸根离子，可以保持熔融盐的成分不变。②N2O5中氮元素的化合价是＋5价，而硝酸中氮元素也是＋5价，因此应该在左侧生成N2O5，即在阳极区域生成，则生成N2O5的电极反应式为N2O4＋2HNO3－2e－===2N2O5＋2H＋。
14．利用膜电解技术(装置如图所示)，以Na2CrO4为主要原料制备Na2Cr2O7的总反应方程式为：
4Na2CrO4＋4H2O2Na2Cr2O7＋4NaOH＋2H2↑＋O2↑。则Na2Cr2O7在______(填“阴”或“阳”)极室制得，电解时通过膜的离子主要为___________________。
【答案】阳 CrO
【解析】由4Na2CrO4＋4H2O2Na2Cr2O7＋4NaOH＋2H2↑＋O2↑可知，电解过程中实质是电解水，阳极上OH－失去电子生成H2O和O2，阴极上H＋得到电子生成H2，由2CrO＋H2OCr2O＋2OH－可知，Cr2O在c(OH－)减小的电极室中制得，即Na2Cr2O7在阳极室产生；电解过程中，阳极室中c(OH－)减小，CrO水解平衡正向移动，c(CrO)减小，c(Cr2O)增大，为提高制备Na2Cr2O7的效率，CrO通过离子交换膜移向阳极。
15．H3PO2也可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)
(1)写出阳极的电极反应式：_________________________________。
(2)分析产品室可得到H3PO2的原因：___________________________________________。
(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有____________杂质。该杂质产生的原因是________________________________________________________________。
【答案】(1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
(2)阳极室的H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2
(3)POH2PO或H3PO2被氧化
【解析】(1)阳极发生氧化反应，在反应中OH－失去电子，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。
(2)H2O放电产生H＋，H＋进入产品室，原料室的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者发生反应：H＋＋H2POH3PO2。
(3)如果撤去阳膜，H2PO或H3PO2可能会被氧化。
16．双极膜由阳离子交换膜、催化剂层和阴离子交换膜组合而成，在直流电场作用下可将水解离，在双极膜的两侧分别得到H＋和OH－，将其与阳离子交换膜(阳膜)、阴离子交换膜(阴膜)组合，可有多种应用。
(1)海水淡化：模拟海水淡化，双极膜组合电解装置示意图如图甲
①X极是________极(填“阴”或“阳”)。
②电解后可获得较浓的盐酸和较浓的NaOH溶液，图甲中双极膜的右侧得到的是_______(填“H＋”或“OH－”)。
(2)钠碱循环法脱除烟气中的SO2，并回收SO2：用pH>8的Na2SO3溶液作吸收液，脱除烟气中的SO2，至pH<6时，吸收液的主要成分为NaHSO3，需再生。
Ⅰ．加热pH<6时的吸收液使其分解，回收SO2并再生吸收液。所得的再生吸收液对SO2的吸收率降低，结合离子方程式解释原因：__________________________________________________。
Ⅱ.双极膜和阴膜组合电渗析法处理pH<6时的吸收液，可直接获得再生吸收液和含较高浓度HSO的溶液，装置示意图如图乙
①再生吸收液从________室流出(填“A”或“B”)。
②简述含较高浓度HSO的溶液的生成原理：_________________________________________________。
③与Ⅰ中的方法相比，Ⅱ中的优点是____________________________________________________(列出2条)。
【答案】(1)①阳 ②H＋
(2)Ⅰ.加热pH<6时的吸收液，分解的过程中还发生反应：2SO＋O2===2SO，2HSO＋O2===SO＋2H＋，且加热加快化学反应速率，造成再生吸收液中c(SO)降低，使SO2的吸收率降低
Ⅱ.①B
②B室中的SO和HSO在电场作用下通过阴膜进入A室，A室中通过双极膜的H＋和溶液中的SO反应生成HSO，提高HSO的浓度
③Ⅱ中的方法可直接获得再生吸收液，减少因加热氧化生成大量的SO，而降低再生吸收液对SO2的吸收率；Ⅱ中的方法可获得含较高浓度的HSO的溶液，进而获得比Ⅰ中的浓度高的SO2
【解析】本题考查双极膜的应用，涉及电解原理。
(1)①根据题图甲，X极发生氧化反应生成氧气，所以X极是阳极；②Y极氢离子得电子生成H2，说明Y极为阴极，电解质溶液中阳离子移向阴极，所以双极膜的右侧得到的是H＋。(2)Ⅰ.加热pH<6时的吸收液，分解的过程中SO会被空气中的氧气氧化，发生反应：2SO＋O2===2SO，2HSO＋O2===SO＋2H＋，且加热加快化学反应速率，造成再生吸收液中c(SO)降低，使SO2的吸收率降低。Ⅱ.①右侧电极为阴极，阴极氢离子得电子生成氢气，OH－进入B室，OH－和HSO反应生成SO，直接获得再生吸收液；②A室中经过双极膜迁移过来的H＋和SO反应生成HSO，提高HSO的浓度。
17．科学家设计了一种电解装置，能将甘油(C3H8O3)和二氧化碳转化为甘油醛(C3H6O3)和合成气，装置如下图所示
①催化电极b应与电源________(填“正”或“负”)极相连。
②电解一段时间后，催化电极a附近的pH将______(填“增大”“减小”或“不变”)，用电极反应方程式解释原因：____________________________________________________。
③当外电路转移2 mol e－时，生成的合成气在标准状况下的体积为________。
【答案】①负 ②减小 C3H8O3－2e－＋2CO===C3H6O3＋2HCO ③22.4 L
【解析】①由图知，电极b上发生的反应为CO2和H2O生成CO和H2，C元素由＋4价降低到＋2价，H元素由＋1价降低到0价，发生还原反应，电极b为阴极应当与电源的负极相连；
②电极a为阳极，甘油被氧化为甘油醛，电极反应式为C3H8O3－2e－＋2CO===C3H6O3＋2HCO，则电极a附近的pH减小；
③CO2转化为CO转移电子数为2，H2O转化为H2，转移电子数为2，所以当外电路转移2 mol e－时，会生成1 mol CO2和H2的混合气体，标准状况下的体积为22.4 L。
18．工业上常采用除杂效率高的吸收—电解联合法，除去天然气中杂质气体H2S，并将其转化为可回收利用的单质硫，其装置如下图所示。
通电前，先通入一段时间含H2S的甲烷气，使部分NaOH吸收H2S转化为Na2S，再接通电源，继续通入含H2S杂质的甲烷气，并控制好通气速率。则装置中右端碳棒为________极，左端碳棒上的电极反应为______________________，右池中的c(NaOH)∶c(Na2S)________(填“增大”、“基本不变”或“减小”)。
【答案】阳 2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑或2H＋＋2e－===H2↑ 基本不变
【解析】结合题图可知右侧通入含有H2S杂质的甲烷气，得到除杂后的甲烷气，结合题意，则右端碳棒为电解池的阳极，左端碳棒为阴极。阴极上水电离出的H＋得电子被还原为H2，电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑或2H＋＋2e－===H2↑。右池中相当于H2S发生氧化反应而被除去，则溶液中c(NaOH)∶c(Na2S)基本保持不变。
19．以连二硫酸根(S2O)为媒介，使用间接电化学法也可处理燃煤烟气中的NO，装置如图所示：
①ab是________离子交换膜(填“阳”或“阴”)。阴极区的电极反应式为_____________________。
②若NO吸收转化后的产物为NH，通电过程中吸收4.48 L NO(标况下)，则阳极可以产生________mol气体。
【答案】①阳 2SO＋4H＋＋2e－===S2O＋2H2O ②0.25
【解析】①由图可知，阴极区通入液体主要含SO，流出主要含S2O，所以阴极区电极反应式为2SO＋4H＋＋2e－===S2O＋2H2O，由于阴极需要消耗氢离子，则ab是阳离子交换膜；②4.48 L NO(标况下)的物质的量是0.2 mol，由于NO吸收转化后的产物为NH，则电路中转移1 mol电子；阳极氢氧根放电产生氧气，产生氧气的物质的量是1 mol÷4＝0.25 mol。
()模板04 电极反应式的书写及相关计算
第一步 判断装置 阅读题目获取信息，抓住元素化合价的变化，分析电化学装置中的氧化还原反应，准确判断装置是原电池还是电解池，结合发生的反应确定电极的名称。
第二步 书写分析 根据电化学原理及装置所处的环境，书写电极反应式，分析电解液变化。
第三步 综合解答 题目要求，准确计算，规范解答。
技法01 电极反应式的书写方法
1．二次电池的电极反应书写思维模型
以xMg＋Mo3S4MgxMo3S4为例说明
2．燃料电池电极反应式书写思维模型
以甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)为例：
(1)写出电池总反应式CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O，
其离子方程式为CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O。
(2)写出电池的正极反应式。
燃料电池电解质 正极反应式
酸性电解质 O2＋4H＋＋4e－===2H2O
碱性电解质 O2＋2H2O＋4e－===4OH－
固体电解质(高温下能传导O2－) O2＋4e－===2O2－
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3) O2＋2CO2＋4e－===2CO
(3)电池的总反应式－电池的正极反应式＝电池的负极反应式。
3．分析电解过程的思维模型
(1)判断阴、阳极：明确阳极是惰性电极还是活性电极。
(2)分析电解质溶液的离子组成：找全离子（包括水电离出的H+和OH-），并按阴、阳离子分组。
(3)确定放电离子或物质：根据阴、阳离子在两极的放电顺序，确定优先放电的微粒。
(4)写出电极反应式、总反应式：判断电极产物，注意溶液的酸碱性、产物的溶解性。
(5)解答问题：解答有关离子浓度、pH、电极产物量的变化、溶液的复原等问题。
技法02 电化学的相关计算与分析
1．电化学相关计算方法
(1)用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数相等。
(2)先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列出比例式计算。
(3)根据得失电子守恒计算所需的关系式。
(M为金属，n为其阳离子所带电荷数)
2．“串联”类装置的解题流程
3．有机化合物的电化学合成
电化学合成技术是用电子代替会造成环境污染的氧化剂和还原剂，在温和条件下制备高附加值的有机化合物产品，分为直接有机电合成和间接有机电合成两种类型。
(1)直接有机电合成：有机合成反应直接在电解池的两电极通过氧化反应、还原反应完成。
(2)间接有机电合成：有机化合物的氧化反应(或还原反应)，仍采用氧化剂(或还原剂)，用传统的化学方法进行，但氧化剂(或还原剂)在反应后以电化学方法(电解氧化或电解还原)再生后反复使用。
电化学合成有机化合物应用示例。
利用糠醛(CHO)的电氧化反应可合成糠酸(COOH)，利用其电还原反应则可合成糠醇(CH2OH)，主要反应过程如下：
COOHCHOCH2OH
阳极反应：CHO＋H2O－2e－===COOH＋2H＋；
阴极反应：CHO＋2H＋＋2e－===CH2OH。
1．（2022·重庆卷）反应在工业上有重要应用。
(3)该反应也可采用电化学方法实现，反应装置如图所示。
①固体电解质采用 (填“氧离子导体”或“质子导体”)。
②阴极的电极反应式为 。
③同温同压下，相同时间内，若进口Ⅰ处n(CO)：n(H2O)=a：b，出口Ⅰ处气体体积为进口Ⅰ处的y倍，则CO的转化率为 (用a，b，y表示)。
【答案】质子导体
【第一步 判断装置】该装置为电解池
【第二步 书写分析】
①电解时，CO和H2O水从均从阳极口进入，阳极一氧化碳转化为二氧化碳，则氢气要在阴极产生，故阳极产生二氧化碳的同时产生氢离子，氢离子通过固体电解质进入阴极附近得电子产生氢气，故固体电解质应采用质子导体。
②电解时，阴极发生还原反应，电极反应式为：；
【第三步 综合判断】
③根据三段式：
出口Ⅰ处气体为体积为x，进口Ⅰ处的气体体积为，则，CO的转化率为：。
1． (2023·河北选考)氮是自然界重要元素之一，研究氮及其化合物的性质以及氮的循环利用对解决环境和能源问题都具有重要意义。
(2)①以空气中的氮气为原料电解合成氨时，N2在 ________(填“阴”或“阳”)极上发生反应，产生NH3。
②氨燃料电池和氢燃料电池产生相同电量时，理论上消耗NH3和H2的质量比为17∶3，则在碱性介质中氨燃料电池负极的电极反应式为 ________________________。
2．（2023·北京卷）（3）近年研究发现，电催化和含氮物质(等)在常温常压下合成尿素，有助于实现碳中和及解决含氮废水污染问题。向一定浓度的溶液通至饱和，在电极上反应生成，电解原理如图所示。
①电极是电解池的__________极。
②电解过程中生成尿素的电极反应式是______________________。
1．一氯甲烷广泛用作溶剂、提取剂、推进剂、制冷剂、甲基化试剂，用于生产农药、医药等。
(2)甲醇也可通过电化学方法由甲烷直接制得，装置如右图所示：
已知，电解生成甲醇的过程分3步：
①通电时，氯离子先转化成高活性的原子氯(Cl·)；②Cl·与吸附在电极上的CH4反应生成HCl和CH3Cl；③在碱性电解液中，CH3Cl转化为目标产物CH3OH。当步骤①有2 mol Cl·生成时，外电路中转移的电子数为 ________(用含NA的代数式表示)。阴极的电极反应为 _____________________________。
2．烯丙醇是生产甘油、医药、农药、香料和化妆品的中间体。(2)烯丙醇的电氧化过程有重要应用。其在阳极放电时，同时存在三种电极反应(烯丙醇→丙烯酸、烯丙醇→丙烯醛、烯丙醇→丙二酸)，各反应决速步骤的活化能如下表所示。
反应 烯丙醇→丙烯酸 烯丙醇→丙烯醛 烯丙醇→丙二酸
活化能(单位：eV) 8.6a 2.5a 13.7a
①该条件下，相同时间内，阳极产物中含量最多的为 ________。
②碱性条件下，烯丙醇在电极上生成丙烯醛(CH2===CHCHO)的电极反应式为 _____________________。
3．处理和利用CO是环境科学研究的热点课题。
(2)我国科学家成功实现了用电催化CO高选择性直接制备乙烯，该方法的工作原理如图所示。阴极材料为优化的铜基催化剂。写出阴极的电极反应式： ________________________________________电解的总反应化学方程式为 ________________________________________。
4．乙醇被广泛应用于能源、化工、食品等领域，工业上可用以下两种方法制备乙醇。
(3)研究发现，在酸性乙醇燃料电池中加入硝酸，可使电池持续大电流放电，工作原理如图。
①负极的电极反应式为 __________________________。
②当向正极通入1 mol O2且全部被消耗时，理论上正负极溶液质量变化的绝对值之差为 ________g(保留两位小数)。
5．新能源的利用对实现“碳中和”也有重要意义。搭载钠离子电池的新能源汽车，动力充足、冬天也无需频繁充电。第二代钠离子电池是以硬碳(Cy)为基底材料的嵌钠硬碳(NaxCy)和锰基高锰普鲁士白Na2Mn[Mn(CN)6]为电极的一种新型二次电池，在充放电过程中，Na＋在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。其工作原理如图所示。
(5)若用该钠离子电池给铅酸蓄电池充电，普鲁士白电极连接 ________(填“Pb”或“PbO2”)极，钠离子电池负极的电极反应式为 ________。
6．我国科学家最近发明了一种Zn－PbO2电池，电解质为K2SO4、H2SO4和KOH，由a和b两种离子交换膜隔开，形成A、B、C三个电解质溶液区域，结构示意图如下，回答下列问题：
(1)电池中，Zn为________极，B区域的电解质为______(填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)
(2)电池反应的离子方程式为____________________________________________________
(3)阳离子交换膜为图中的________(填“a”或“b”)膜。
(4)此电池中，消耗6.5 g Zn，理论上可产生的容量(电量)为________毫安时(mAh)(1 mol电子的电量为1 F,1 F＝96 500 C·mol－1，结果保留整数)
(5)已知E为电池电动势[电池电动势即电池的理论电压，是两个电极电位之差，E＝E(＋)－E(－)]，ΔG为电池反应的自由能变，则该电池与传统铅酸蓄电池相比较， _______； ____(填“>”或“<”)
7．KIO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示
(1)写出电解时阴极的电极反应式：_________________________________________。
(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为________，其迁移方向是_______________。
8．有人设想以N2和H2为反应物，以溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能，又能固氮的新型燃料电池，装置如图所示，电池正极的电极反应式是____________________，A是________。
9．利用原电池工作原理测定汽车尾气中CO的浓度，其装置如图所示。该电池中O2－可以在固体介质NASICON(固溶体)内自由移动，工作时O2－的移动方向________(填“从a到b”或“从b到a”)，负极发生的电极反应式为________________________。
10．含乙酸钠和对氯酚(ClOH)的废水可以利用微生物电池除去，其原理如图所示
①B是电池的________(填“正”或“负”)极
②A极的电极反应式为_______________________________。
11．新型固体燃料电池的电解质是固体氧化锆和氧化钇，高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。如图所示，其中多孔电极不参与电极反应
(1)该电池的负极反应式为_____________________________。
(2)如果用该电池作为电解装置，当有16 g甲醇发生反应时，则理论上提供的电量表达式为_________ (1个电子的电量为1.6×10－19C)。
12．以CH4(g)为燃料可以设计甲烷燃料电池，该电池以稀H2SO4作电解质溶液，其负极电极反应式为_________________________________________，已知该电池的能量转换效率为86.4%，甲烷的燃烧热为－890.3 kJ·mol－1，则该电池的比能量为______kW·h·kg－1[结果保留1位小数，比能量＝,1 kW·h＝3. 6×106 J]。
13．SO2、CO、CO2、NOx是对环境影响较大的几种气体，对它们的合理控制和治理是优化我们生存环境的有效途径
(1)利用电化学原理将CO、SO2转化为重要化工原料，装置如图所示
①若A为CO，B为H2，C为CH3OH，则通入CO的为________(填“正”或“负”)极。
②若A为SO2，B为O2，C为H2SO4，则负极的电极反应式为________________________。
(2)碳酸盐燃料电池，以一定比例Li2CO3和Na2CO3低熔混合物为电解质，操作温度为650 ℃，在此温度下以镍为催化剂，以煤气(CO、H2的体积比为1∶1)直接做燃料，其工作原理如图所示
①电池总反应为_______________________________。
②以此电源电解足量的硝酸银溶液，若阴极产物的质量为21.6 g，电解后溶液体积为2 L，溶液的pH约为___________。
(3)某研究小组利用下列装置用N2O4生产新型硝化剂N2O5
①现以H2、O2、熔融盐Na2CO3组成燃料电池，采用电解法制备N2O5，装置如图所示，其中Y为CO2。在石墨(Ⅱ)电极上同时还引入CO2的目的是______________________________________________。
②电解过程中，生成N2O5的电极反应式为______________________________________。
14．利用膜电解技术(装置如图所示)，以Na2CrO4为主要原料制备Na2Cr2O7的总反应方程式为：
4Na2CrO4＋4H2O2Na2Cr2O7＋4NaOH＋2H2↑＋O2↑。则Na2Cr2O7在______(填“阴”或“阳”)极室制得，电解时通过膜的离子主要为___________________。
15．H3PO2也可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)
(1)写出阳极的电极反应式：_________________________________。
(2)分析产品室可得到H3PO2的原因：___________________________________________。
(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有____________杂质。该杂质产生的原因是________________________________________________________________。
16．双极膜由阳离子交换膜、催化剂层和阴离子交换膜组合而成，在直流电场作用下可将水解离，在双极膜的两侧分别得到H＋和OH－，将其与阳离子交换膜(阳膜)、阴离子交换膜(阴膜)组合，可有多种应用。
(1)海水淡化：模拟海水淡化，双极膜组合电解装置示意图如图甲
①X极是________极(填“阴”或“阳”)。
②电解后可获得较浓的盐酸和较浓的NaOH溶液，图甲中双极膜的右侧得到的是_______(填“H＋”或“OH－”)。
(2)钠碱循环法脱除烟气中的SO2，并回收SO2：用pH>8的Na2SO3溶液作吸收液，脱除烟气中的SO2，至pH<6时，吸收液的主要成分为NaHSO3，需再生。
Ⅰ．加热pH<6时的吸收液使其分解，回收SO2并再生吸收液。所得的再生吸收液对SO2的吸收率降低，结合离子方程式解释原因：__________________________________________________。
Ⅱ.双极膜和阴膜组合电渗析法处理pH<6时的吸收液，可直接获得再生吸收液和含较高浓度HSO的溶液，装置示意图如图乙
①再生吸收液从________室流出(填“A”或“B”)。
②简述含较高浓度HSO的溶液的生成原理：_________________________________________________。
③与Ⅰ中的方法相比，Ⅱ中的优点是____________________________________________________(列出2条)。
17．科学家设计了一种电解装置，能将甘油(C3H8O3)和二氧化碳转化为甘油醛(C3H6O3)和合成气，装置如下图所示
①催化电极b应与电源________(填“正”或“负”)极相连。
②电解一段时间后，催化电极a附近的pH将______(填“增大”“减小”或“不变”)，用电极反应方程式解释原因：____________________________________________________。
③当外电路转移2 mol e－时，生成的合成气在标准状况下的体积为________。
18．工业上常采用除杂效率高的吸收—电解联合法，除去天然气中杂质气体H2S，并将其转化为可回收利用的单质硫，其装置如下图所示。
通电前，先通入一段时间含H2S的甲烷气，使部分NaOH吸收H2S转化为Na2S，再接通电源，继续通入含H2S杂质的甲烷气，并控制好通气速率。则装置中右端碳棒为________极，左端碳棒上的电极反应为______________________，右池中的c(NaOH)∶c(Na2S)________(填“增大”、“基本不变”或“减小”)。
19．以连二硫酸根(S2O)为媒介，使用间接电化学法也可处理燃煤烟气中的NO，装置如图所示：
①ab是________离子交换膜(填“阳”或“阴”)。阴极区的电极反应式为_____________________。
②若NO吸收转化后的产物为NH，通电过程中吸收4.48 L NO(标况下)，则阳极可以产生________mol气体。
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