高中化学能力练3“有膜”电解池题型的解题方法含解析鲁科版选择性必修1

“有膜”电解池题型的解题方法

(建议用时：40分钟)

1．在下列装置中，MSO4和NSO4是两种常见金属的易溶盐。当K闭合时，SO从右到左通过交换膜移向M极，下列分析正确的是(　　)

A.溶液中c(M2＋)减小

B.N的电极反应为：N－2e－===N2＋

C.X电极上有H2产生，发生还原反应

D.反应过程中Y电极周围生成白色胶状沉淀

C　[根据装置图判断可知，左边是原电池，右边是电解池。当K闭合时，根据SO的移向可判断M极为负极，N极为正极，Y为阳极，X为阴极，电解反应分别为负极：M－2e－===M2＋，正极：N2＋＋2e－===N，阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑；阴极：2H＋＋2e－===H2↑，在X极(阴极)附近Al3＋＋3OH－===Al(OH)3↓，只有C项正确。]

2．电解降解法可用于治理水体硝酸盐污染，将NO降解成N2的电解装置如下图所示。下列说法正确的是(　　)

A.电源的正极为b极

B.电解时H＋从膜右侧迁移到膜左侧

C.Ag­Pt电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑

D.若转移的电子数为1.204×1024，生成N2 5.6 g

D　[根据题意分析可知，Ag­Pt电极作为阴极，b极为电源负极，A项错误；阴极得电子，C项错误；阳离子向阴极移动，故质子应是由左侧向右侧迁移，B项错误；根据N原子守恒可知2NO～N2～10e－，若转移电子数为1.204×1024，即转移2 mol电子生成0.2 mol N2，N2的质量为5.6 g，D项正确。]

3．如图装置甲为甲烷和O2构成的燃料电池示意图，电解质为KOH溶液，装置乙为电解饱和MgCl2溶液的装置，其中乙装置中X为阳离子交换膜。用该装置进行实验，反应开始后观察到Fe电极附近出现白色沉淀。下列说法中正确的是(　　)

甲　　　乙

A.甲、乙中电解质溶液的pH都增大

B.理论上甲中每消耗22.4 L CH4(标准状况下)，乙中产生4 mol Cl2

C.乙中电解MgCl2溶液的总反应为2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－

D.甲中A处通入CH4，电极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O

B　[甲中反应为CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O，反应消耗OH－，且生成了H2O，溶液的pH减小，乙中反应为2Cl－＋Mg2＋＋2H2OCl2↑＋H2↑＋Mg(OH)2↓，反应消耗水生成OH－，使溶液呈碱性，溶液的pH增大，故A错误；根据关系式：CH4～4Cl2～8e－，理论上甲中每消耗22.4 L(标准状况下)(即1 mol)CH4，乙中产生4 mol Cl2，故B正确；乙中电解MgCl2溶液的总反应为2Cl－＋Mg2＋＋2H2OCl2↑＋H2↑＋Mg(OH)2↓，故C错误；Fe电极附近出现的白色沉淀为氢氧化镁，表明Fe电极上是H＋放电，则可知Fe作阴极，相应地甲中右侧铂电极为负极，即B处通入CH4，故D错误。]

4．LiOH是制备锂离子电池的材料，可由电解法制备。工业上利用如图装置电解制备LiOH，两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。下列说法正确的是(　　)

A.B极区电解液为LiOH溶液

B.电极每产生22.4 L气体，电路中转移2 mol e－

C.电解过程中Li＋迁移进入B电极区、OH－迁移进入A电极区

D.电解池中总反应为2 HCl2H2↑＋Cl2↑

A　[由题图可知，右侧产生氢气，说明B极为阴极，溶液中水电离的氢离子放电生成氢气，则B极区产生大量的氢氧根离子，所以电解液为氢氧化锂溶液，A正确；没有说明气体是否在标准状况下，不能确定电路中转移电子数，B错误；阳离子交换膜只允许阳离子通过，氢氧根离子不能通过，C错误；由题给图示可知，电解池中总反应为2LiCl＋2H2O2LiOH＋H2↑＋Cl2↑，D错误。]

5．(双选)用一种吸附氢气的碳纳米管材料制备的二次电池如图所示，该电池的电解质溶液为6 mol·L－1KOH溶液，下列说法中正确的是(　　)

A.充电时OH－从碳电极移向镍电极

B.放电时电池负极的电极反应为H2－2e－===2H＋

C.放电时电池正极的电极反应为NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－

D.该电池充电时将碳电极与电源的正极相连

AC　[根据题意分析，充电时，该电池为电解池，根据用电器中电子的移动方向可知，充电时碳电极是阴极，镍电极是阳极，充电时电解质溶液中阴离子向阳极移动，所以OH－从碳电极移向镍电极，故A正确；放电时，负极上氢气失电子发生氧化反应，电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O，故B错误；放电时，正极上NiOOH得电子发生还原反应，电极反应为NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－，故C正确；该电池充电时，碳电极附近物质要恢复原状，则应该得电子发生还原反应，所以碳电极是阴极，应该与电源的负极相连，故D错误。]

6．现有阳离子交换膜、阴离子交换膜、石墨电极和如图所示的电解槽。利用氯碱工业中的离子交换膜技术原理，可通过电解Na2SO4溶液来生产NaOH溶液和H2SO4溶液。下列说法中不正确的是(　　)

A.阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

B.从A口流出的是硫酸溶液

C.b是阳离子交换膜，允许Na＋通过

D.Na2SO4溶液从E口加入

D　[阳极上氢氧根离子放电，发生的反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，A正确；阳极上氢氧根离子放电，产生的气体是氧气，同时生成氢离子，则阳极附近生成硫酸，从A口流出的是H2SO4溶液，B正确；阴极上氢离子放电，溶液中生成氢氧根离子，故可在阴极区收集NaOH溶液，为保证溶液电荷平衡，需在阴极室一侧放置阳离子交换膜，使Na＋通过以补充阳离子，则b是阳离子交换膜，允许Na＋通过，C正确；NaOH在阴极附近生成，H2SO4在阳极附近生成，故Na2SO4溶液应从F口加入，D错误。]

7．Na2FeO4只在强碱性条件下稳定，易被H2还原。以NaOH溶液为电解质，制备Na2FeO4的原理如图所示，在制备过程中需防止FeO的渗透。下列说法不正确的是(　　)

A.电解过程中，需将阴极产生的气体及时排出

B.铁电极上的主要反应为Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4H2O

C.电解一段时间后，Ni电极附近溶液的pH减小

D.图中的离子交换膜为阴离子交换膜

C　[镍电极上水电离出的氢离子放电生成氢气，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，根据题意Na2FeO4易被H2还原，故电解过程中，需将阴极产生的气体及时排出，防止Na2FeO4与H2反应使产率降低，A正确；阳极上铁失电子发生氧化反应生成FeO，电极反应式为Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4H2O，B正确；镍电极上氢离子放电生成氢气，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，由于有OH－生成，电解一段时间后，Ni电极附近溶液的pH增大，C错误；为保持Fe电极附近溶液呈强碱性，使FeO稳定存在，应使阴极产生的氢氧根离子向阳极移动，图中的离子交换膜应选用阴离子交换膜，D正确。]

8．(双选)O3是一种常见的绿色氧化剂，可由臭氧发生器(原理如图)电解稀硫酸制得。下列说法错误的是(　　)

A.电极a为阴极

B.a极的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O

C.电解一段时间后电极b周围溶液的pH上升

D.标准状况下，当有5.6 L O2反应时，收集到O2和O3混合气体4.48 L，O3的体积分数为80%

CD　[根据装置图，电极b上得到O2和O3，O元素的化合价升高，根据电解原理，电极b为阳极，则a为阴极，故A正确；电极a为阴极，电解质为稀硫酸，其电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故B正确；电极b产生O2和O3，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑、3H2O－6e－===6H＋＋O3↑，一段时间后电极b周围溶液中c(H＋)增大，pH下降，故C错误；令O3的物质的量为a mol，根据得失电子守恒，×4＝a mol×6＋×4，解得a＝0.1，混合气体物质的量为0.2 mol，即O3的体积分数为×100%＝50%，故D错误。]

9．磷酸亚铁锂(LiFePO4)电池(如图所示)是新能源汽车的动力电池之一。M电极是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li＋的高分子材料，隔膜只允许Li＋通过，电池的总反应为LixC6＋Li1－xFePO4LiFePO4＋6C。下列说法正确的是(　　)

A.放电时，Li＋向M极移动

B.充电时电路中每通过0.5 mol电子，就有36 g碳和金属锂复合在一起

C.放电时，M极反应为C－xe－===6C

D.充电时，N极反应为LiFePO4－xe－===xLi＋＋Li1－xFePO4

D　[放电时，M极上发生氧化反应，M极作负极，原电池中阳离子向正极移动，即Li＋向N极移动，A错误；充电时电路中每通过0.5 mol电子，则有0.5 mol Li生成，就有 g碳和金属锂复合在一起，B错误；放电时，M极C元素的化合价不变，Li失电子生成锂离子，M极反应为LixC6－xe－===xLi＋＋6C，C错误；充电时，N极反应为LiFePO4－xe－===xLi＋＋Li1－xFePO4，D正确。]

10．用NaOH溶液吸收烟气中的SO2，将所得的Na2SO3溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H2SO4，其原理如图所示(电极材料为石墨)。

(1)图中a极要连接电源的________(填“正”或“负”)极，C口流出的物质是________。

(2)SO放电的电极反应式为______________________。

(3)电解过程中阴极区碱性明显增强，用平衡移动原理解释原因：____________________________________。

[解析]　根据Na＋、SO的移动方向判断阴、阳极。Na＋移向阴极区，a应接电源负极，b应接电源正极，其电极反应式分别为阳极：SO－2e－＋H2O===SO＋2H＋，阴极：2H＋＋2e－===H2↑，所以从C口流出的是H2SO4；在阴极区，由于H＋放电，破坏水的电离平衡，c(H＋)减小，c(OH－)增大，生成NaOH，碱性增强，从B口流出的是浓度较大的NaOH溶液。

[答案]　(1)负　硫酸

(2)SO－2e－＋H2O===SO＋2H＋

(3)H2OH＋＋OH－，在阴极H＋放电生成H2，c(H＋)减小，水的电离平衡正向移动，碱性增强

11．某学习小组将“电解饱和食盐水”的相关内容进行梳理，根据图示回答下列问题(图示中的电极均为石墨)。

(1)图中，电解一段时间后，气球b中的气体是________(填化学式)，U形管________(填“左”或“右”)边的溶液变红。

(2)二氧化氯(ClO2)是一种黄绿色气体，是国际上公认的高效、广谱、快速、安全的杀菌消毒剂。下图是目前已开发出用电解法制取ClO2的新工艺。

①阳极产生ClO2的电极反应为：__________________________________

_____________________________________________________________。

②当阴极产生标准状况下112 mL气体时，通过阳离子交换膜的离子的物质的量为________。

[解析]　(1)根据图中电子流向可知，左边电极是电解池阳极，右边电极是电解池阴极，阳极上氯离子放电生成氯气，阴极上氢离子放电生成氢气，同时阴极附近产生NaOH。

(2)①依据题干信息，阳极上Cl－被氧化为ClO2，根据电子守恒和电荷守恒可写出电极反应。②电极上得到或失去一个电子，电解质溶液中必然有一个阳离子通过阳离子交换膜，因此当阴极产生标准状况下112 mL气体时，通过阳离子交换膜的离子的物质的量为0.01 mol。

[答案]　(1)H2　右

(2)①Cl－－5e－＋2H2O===ClO2↑＋4H＋

②0.01 mol

12．氯碱工业是以电解饱和食盐水为基础的基本化学工业。如图是某氯碱工业生产原理示意图：

(1)写出装置A在通电条件下反应的化学方程式：

_____________________________________________________________。

(2)装置A所用食盐水由粗盐水精制而成。精制时，为除去食盐水中的Mg2＋和Ca2＋，要加入的试剂分别为________、________。

(3)氯碱工业是高耗能产业，按上图将电解池与燃料电池相组合的新工艺可以节(电)能30%以上，相关物料的传输与转化关系如图所示，其中的电极未标出，所用的离子膜都只允许阳离子通过。

①图中Y是________(填化学式)；X与稀NaOH溶液反应的离子方程式为___________________________。

②比较图示中氢氧化钠的质量分数a%与b%的大小：________。

③若用装置B作为装置A的辅助电源，每当消耗标准状况下氧气的体积为11.2 L时，则装置B可向装置A提供的电量约为________(一个e－的电量为1.60×10－19 C；计算结果精确到0.01)。

[解析]　(1)根据生产原理示意图，装置A是电解池装置，电解饱和食盐水，因此反应的化学方程式为2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。

(2)除去杂质时不能引入新的杂质，所以除去Mg2＋用NaOH溶液，除去Ca2＋用Na2CO3溶液。

(3)①装置A右端产生NaOH溶液，说明右端电极是阴极，发生反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，因此Y是H2，装置A的左端电极是阳极，发生反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，X为Cl2，Cl2和NaOH溶液反应的离子方程式为Cl2＋2OH－===Cl－＋ClO－＋H2O。②装置B中通O2的一极为正极，电解质是NaOH溶液，因此正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，Na＋通过离子膜由左向右迁移，NaOH的物质的量增加，因此b%>a%。③两装置通过的电量相等，则每消耗标准状况下11.2 L氧气时装置B向装置A提供的电量为×4×6.02×1023 mol－1×1.60×10－19 C＝1.93×105 C。

[答案]　(1)2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

(2)NaOH溶液　Na2CO3溶液

(3)①H2　2OH－＋Cl2===ClO－＋Cl－＋H2O　②b%＞a%　③1.93×105 C