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苏教版 (2019)选择性必修1第二单元 化学能与电能的转化学案设计
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这是一份苏教版 (2019)选择性必修1第二单元 化学能与电能的转化学案设计，共19页。
1．陌生电池的分析方法
对于涉及原电池的工作原理的题目而言，往往是通过最简单的原电池入手，借助对原电池原理的分析，对不熟悉的、陌生的原电池(含一次电池、二次电池及燃料电池等)进行分析，其思考方法一般可以描述如下：
(1)根据原电池的构成条件对给出的反应加以判断，分出正极与正极反应(元素化合价降低)、负极与负极反应(元素化合价升高)。
(2)根据化合价的变化情况，列出各电极的具体变化情况，根据电荷守恒、原子守恒、溶液的酸碱性等条件判断出电极反应和电解质溶液的变化情况。
(3)适当应用技巧(看清价态变化、从简单入手等)，根据电池总反应与电极反应之间的关系，在保证电子转移相等的情况下，可以先写出易写的、简单的某一极的电极反应式，再利用总反应式减去该电极反应式，得到另一极的电极反应式。
(4)根据题意，利用原电池反应原理、溶液性质变化等规律对各问题作出相应的回答。
2．关于原电池原理的应用
(1)设计化学电源：人们利用原电池原理，将化学能直接转化为电能，制作了多种电池。如干电池、蓄电池、充电电池以及高能燃料电池，以满足不同的需要。在现代生活、生产和科学研究以及科学技术的发展中，电池发挥的作用不可代替，大到宇宙火箭、人造卫星、飞机、轮船，小到电脑、电话、手机以及心脏起搏器等，都离不开各种各样的电池。
(2)加快氧化还原反应的速率：一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大。例如，在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。
(3)比较金属活动性强弱：原电池中，一般活动性强的金属作负极，而活动性弱的金属(或非金属)作正极。如有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，则可以断定金属活动性A>B。
(4)设计原电池：根据原电池的反应原理，对于给定的自发的氧化还原反应，可以设计成需要的原电池形式并加以利用。
(5)解释金属腐蚀：含有杂质的金属往往会更容易被腐蚀，这与构成原电池而使反应速率加快的原理相同。
MgAgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是( )
A．负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋
B．正极反应式为Ag＋＋e－===Ag
C．电池放电时Cl－由正极向负极迁移
D．负极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑
B [A．活泼金属镁作负极，失电子发生氧化反应，反应式为Mg－2e－===Mg2＋，故A正确；B．AgCl是难溶物，其电极反应式为2AgCl＋2e－===2Cl－＋2Ag，故B错误；C．原电池放电时，阴离子向负极移动，则Cl－在正极产生由正极向负极迁移，故C正确；D．镁是活泼金属与水反应，即Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑，故D正确。]
1．我国化学家研究的一种锂水电池处于当今锂电池研发的前沿，该电池采用复合膜包裹的金属锂作负极，锰酸锂(LiMn2O4)作正极，以稀Li2SO4水溶液作电解质溶液，工作时电池的总反应为：LiMn2O4＋Li===Li2Mn2O4。下列有关该电池的说法正确的是( )
A．电池放电时，溶液中的锂离子向电极a移动
B．电池放电时的负极反应式为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑
C．电池放电时，锰酸锂发生氧化反应，锰元素被氧化
D．电池放电时的正极反应式为：LiMn2O4＋Li＋＋e－===Li2Mn2O4
D [A、该电池放电时，溶液中的SOeq \\al(2－,4)向负极电极a移动，而溶液中的锂离子向电极b移动，故A错误；B、电池放电时原电池原理，电极a Li失电子发生氧化反应作原电池负极，电极反应式为Li－e－===Li＋，故B错误；C、电池放电时，锰酸锂为正极，发生还原反应，锰元素被还原，故C错误；D、锰酸锂为正极，发生还原反应，锰元素被还原，则电池放电时的正极反应式为LiMn2O4＋Li＋＋e－===Li2Mn2O4，故D正确。]
2．某化学小组构想将汽车尾气(NO、NO2)转化为重要的化工原料HNO3，其原理如图所示，其中A、B为多孔导电材料。下列说法一定正确的是( )
A．该电池工作时，电子的流向外电路由A到B，内电路由B到A形成闭合回路
B．电极B附近的HNO3浓度增大
C．A电极的反应为NO2－e－＋H2O===NOeq \\al(－,3)＋2H＋，NO－3e－＋2H2O===NOeq \\al(－,3)＋4H＋
D．该电池工作时，每消耗11.2 L O2(标准状况下)，可以除去含1 ml NO和NO2的混合尾气
C [将汽车尾气(NO、NO2)转化为重要的化工原料HNO3，则通入氧气的电极B是正极，A是负极。
A．电子的流向外电路由负极到正极，即A到B，电子不能经过电解质，故A错误；B．B电极上电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，有水生成，硝酸根离子不参加反应，所以硝酸根离子的物质的量不变，溶液体积增大，所以硝酸根离子浓度减小，故B错误；C．A电极氮氧化物失电子转化为硝酸根离子，电极反应式为NO2－e－＋H2O===NOeq \\al(－,3)＋2H＋、NO－3e－＋2H2O===NOeq \\al(－,3)＋4H＋，故C正确；D．1 ml NO和NO2的混合尾气中气体含量未知，则无法确定得失电子数目，故D错误。]
3．有a、b、c、d四个金属电极，实验装置及部分实验现象如下：由此判断这四种金属的活动性顺序是( )
A．a＞b＞c＞d B．d＞a＞b＞c
C．b＞c＞d＞a D．a＞b＞d＞c
B [①中形成原电池，a极质量减少，b极质量增加，a为负极，b为正极，金属的活动性：a＞b；②中没有形成原电池，b极有气体产生，c极无变化，所以金属的活动性：b＞c；③中形成原电池，d极溶解，c极有气泡产生，d是负极，c是正极，所以金属的活动性：d＞c；④中形成原电池，电流从a极流向d极，说明a为正极，d为负极，所以金属的活动性：d＞a；综上所述，这四种金属的活动性顺序为d＞a＞b＞c，故选B。]
1．解有关一次电池类题的方法
一次电池的本质是自发的氧化还原反应，故解决与一次电池相关的问题时主要根据氧化还原反应的相关知识进行考虑。
(1)分析物质价态：根据氧化还原反应知识，确定涉及化合价变化的物质或微粒，然后判断出发生氧化反应、还原反应的物质或微粒。
(2)确定电极名称：根据负极发生氧化反应、正极发生还原反应的特点判断出原电池的正、负极。
(3)解决相关问题：根据原电池中电极的变化、电子的流向、电流的流向、电解质溶液中离子的移动方向等特点，对涉及的相关问题进行科学、准确回答。
2．解有关二次电池类题的方法
二次电池属于原电池、电解池的综合体，故思考问题时，必须同时利用原电池反应、电解池反应的相关原理解决问题。
(1)辨别反应方向：根据给出的总反应式，结合放电(原电池)、充电(电解池)，判断出反应的方向与装置的特点。
(2)活用电极反应：由于放电、充电的过程可逆，故需借助原电池的相关知识判断出相应的原电池的电极反应，则充电时电解的电极反应就是相应原电池电极反应的逆过程，阳极反应与正极反应逆向对应、阴极反应与负极反应逆向对应。
(3)准确判断题意：由于涉及了反应的两个方向，故在解题时特别要注意反应的方向性，不能将放电时涉及的相关反应，错放在充电时涉及的相关反应上进行思考，要避免发生张冠李戴的情况。
3．解有关燃料电池类题的方法
(1)解答燃料电池题目的思维模型
(2)解答燃料电池题目的几个关键点
①要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
②通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。
③通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。
(2020·全国Ⅲ卷)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)空气电池如图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===VOeq \\al(3－,4)＋2B(OH)eq \\al(－,4)＋4H2O。该电池工作时，下列说法错误的是( )
A．负载通过0.04 ml电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应
B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C．电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)eq \\al(－,4)＋4VOeq \\al(3－,4)
D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
B [由题给信息知VB2电极上发生失电子的氧化反应，则VB2电极为负极，复合碳电极为正极，正极发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，电池总反应方程式为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8[B(OH)4]－＋4VOeq \\al(3－,4)。
由上述分析知，正极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，则电路中通过0.04 ml e－时，正极有0.01 ml O2参加反应，其在标准状况下的体积为0.224 L，A项正确；由正、负极的电极反应式可知，该电池工作时，负极区溶液的pH降低，正极区溶液的pH升高，B项错误；由上述分析知，该电池的总反应方程式为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8[B(OH)4]－＋4VOeq \\al(3－,4)，C项正确；电流与电子的流动方向相反，电流从正极出发，沿负载流向负极，再经过溶液最终回到正极，D项正确。]
1．(2020·全国Ⅰ卷)科学家发明了一种新型Zn－CO2水介质电池。电池示意图如图所示，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是( )
A．放电时，负极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)eq \\al(2－,4)
B．放电时，1 ml CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 ml
C．充电时，电池总反应为2Zn(OH)eq \\al(2－,4)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D．充电时，正极溶液中OH－浓度升高
D [由题给装置图可知，放电时负极锌失去电子后结合OH－生成Zn(OH)eq \\al(2－,4)，负极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)eq \\al(2－,4)，A项正确；放电时，正极上CO2得电子生成HCOOH，CO2中C的化合价为＋4，HCOOH中C的化合价为＋2,1 ml CO2转化为1 ml HCOOH，转移2 ml电子，B项正确；充电时阴极上Zn(OH)eq \\al(2－,4)参与反应得到锌，阳极上H2O参与反应得到氧气，电池总反应为2Zn(OH)eq \\al(2－,4)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O，C项正确；充电时，阳极上发生失电子的氧化反应：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，氢氧根离子浓度降低，D项错误。]
2．镍镉(Ni－Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2，有关该电池的说法正确的是( )
A．充电时阳极反应：Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O
B．充电过程是化学能转化为电能的过程
C．放电时负极附近溶液的碱性不变
D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
A [放电时Cd的化合价升高，Cd作负极，Ni的化合价降低，NiOOH作正极，则充电时Cd(OH)2作阴极，Ni(OH)2作阳极，电极反应式为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，A项正确；充电过程是电能转化为化学能的过程，B项错误；放电时负极电极反应式为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，Cd电极周围OH－的浓度减小，C项错误；放电时OH－向负极移动，D项错误。]
3．科学家设计出质子膜H2S燃料电池，实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如图所示。下列说法错误的是( )
A．电极a为电池的负极
B．电极b上发生的电极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C．电路中每通过4 ml电子，在正极消耗44.8 L H2S
D．每17 g H2S参与反应，有1 ml H＋经质子膜进入正极区
C [根据题目可知，该电池为燃料电池，根据燃料电池的特点，通氧气的一极为正极，故电极b为正极，电极a为负极，A项正确；电极b为正极，氧气得电子生成水，B项正确；从装置图可以看出，电池总反应为2H2S＋O2===S2＋2H2O，电路中每通过4 ml电子，正极应该消耗1 ml O2，负极应该有2 ml H2S反应，但是题目中没有给定标准状况下，所以不一定是44.8 L，故C错误；17 g H2S即0.5 ml H2S，每0.5 ml H2S参与反应会消耗0.25 ml O2，根据正极反应式O2＋4H＋＋4e－===2H2O，可知有1 ml H＋经质子膜进入正极区，故D正确。]
分析电解原理应用类题的一般思路
1．通电前
电解质溶液的电离过程(包括电解质和水的电离)。
2．通电后
(1)离子移向：阴离子移向阳极(与电源正极相连)，失电子被氧化；阳离子移向阴极(与电源负极相连)，得电子被还原。
(2)放电能力：①阳极：活泼金属>S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子；②阴极：Ag＋>Hg2＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋(酸)> Pb2＋> Fe2＋>Zn2＋>H＋(H2O)>Al3＋>Mg2＋> Na＋>Ca2＋
(3)电极反应。
(4)电解结果：两极现象、离子浓度、溶液的酸碱性及pH变化等。
(2020·山东合格考)采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如图所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是( )
A．阳极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑
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
D [a极上产生O2，发生的反应为水被氧化生成O2的反应，即a极为阳极，b极为阴极，a极电极反应式：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，b极电极反应式：2H＋＋O2＋2e－===H2O2，A项正确；电解一段时间后，溶液中H＋浓度未变，即阳极室的pH未变，B项正确；电解过程中H＋通过质子交换膜，从a极区向b极区迁移，C项正确；由阴、阳极的电极反应式，可知电解一段时间后，b极消耗O2的量是a极生成O2的量的2倍，即a极生成的O2与b极反应的O2的量不相等，D项错误。]
1．工厂采用电解法处理含铬废水，耐酸电解槽用铁板作阴、阳极，槽中盛放含铬废水，原理示意图如图，下列说法不正确的是( )
Cr2Oeq \\al(2－,7)为主的废水
A．A为电源正极
B．阳极区溶液中发生的氧化还原反应为Cr2Oeq \\al(2－,7)＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O
C．阴极区附近溶液pH增大
D．若不考虑气体的溶解，当收集到H213.44 L(标准状况)时，有0.2 ml Cr2Oeq \\al(2－,7)被还原
D [A．由图可知，右侧生成氢气，氢离子得到电子发生还原反应，电解池阴极上发生还原反应，所以右侧铁板为阴极，故左侧铁板为阳极，故A为电源正极，故A正确；B．左侧铁板为阳极，铁放电生成亚铁离子，亚铁离子被溶液中的Cr2Oeq \\al(2－,7)氧化，反应生成Cr3＋、Fe3＋，反应式为Cr2Oeq \\al(2－,7)＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O，故B正确；C．阴极氢离子得到电子生成氢气，溶液中氢离子浓度降低，pH值变大，故C正确；D．13.44 L氢气的物质的量为eq \f(13.44 L,22.4 L/ml)＝0.6 ml，根据电子转移守恒n(Fe2＋)＝eq \f(0.6 ml×2,2)＝0.6 ml，根据Cr2Oeq \\al(2－,7)＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O可知，被还原的Cr2Oeq \\al(2－,7)的物质的量为0.6 ml×eq \f(1,6)＝0.1 ml，故D错误。]
2．(2016·全国卷Ⅰ)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SOeq \\al(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。
下列叙述正确的是( )
A．通电后中间隔室的SOeq \\al(2－,4)向正极迁移，正极区溶液pH增大
B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品
C．负极反应为2H2O－4e－===O2＋4H＋，负极区溶液pH降低
D．当电路中通过1 ml电子的电量时，会有0.5 ml的O2生成
B [A项正极区发生的反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，由于生成H＋，正极区溶液中阳离子增多，故中间隔室的SOeq \\al(2－,4)向正极迁移，正极区溶液的pH减小；B项负极区发生的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴离子增多，中间隔室的Na＋向负极迁移，故负极区产生NaOH，正极区产生H2SO4；C项由B项分析可知，负极区产生OH－，负极区溶液的pH升高；D项正极区发生的反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，当电路中通过1 ml电子的电量时，生成0.25 ml O2。]
3．(2018·全国Ⅰ卷)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为
①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋
②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋
该装置工作时，下列叙述错误的是( )
A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O
B．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S
C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为酸性
C [阴极发生还原反应，氢离子由交换膜右侧向左侧迁移，阴极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，A项正确；结合阳极区发生的反应，可知协同转化总反应为CO2＋H2S===S＋CO＋H2O，B项正确；石墨烯作阳极，其电势高于ZnO@石墨烯的，C项错误；Fe3＋、Fe2＋在碱性或中性介质中会生成沉淀，它们只稳定存在于酸性较强的介质中，D项正确。]
1．常见的隔膜
隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类：
(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
2．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)能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3．离子交换膜选择的依据
离子的定向移动。
4．离子交换膜的应用
利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。可用电解LiCl溶液制备LiOH，装置如图所示。下列说法中正确的是( )
A．电极B连接电源正极
B．A极区电解液为LiCl溶液
C．阳极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D．每生成1 ml H2，有1 ml Li＋通过该离子交换膜
B [由题意知，电解LiCl溶液制备LiOH，由于B电极生成氢气，A与B用阳离子交换膜隔开，所以B为阴极，B极区为LiOH溶液，A极区为LiCl溶液。电极B上产生氢气，所以B为阴极，B连接电源负极，A项错误；阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，C项错误；每生成1 ml H2，有2 ml Li＋通过该离子交换膜，D项错误。]
1．已知：电流效率等于电路中通过的电子数与消耗负极材料失去的电子总数之比。现有两个电池Ⅰ、Ⅱ，装置如图所示。
Ⅰ Ⅱ
下列说法正确的是( )
A．Ⅰ和Ⅱ的电池反应不相同
B．能量转化形式不同
C．Ⅰ的电流效率低于Ⅱ的电流效率
D．5 min后，Ⅰ、Ⅱ中都只含1种溶质
C [Ⅰ、Ⅱ装置中电极材料相同，电解质溶液部分相同，电池反应、负极反应和正极反应式相同，A项错误；Ⅰ和Ⅱ装置的能量转化形式都是化学能转化成电能，B项错误；Ⅰ装置中铜与氯化铁直接接触，会在铜极表面发生反应，导致部分能量损失(或部分电子没有通过电路)，电流效率降低，而Ⅱ装置采用阴离子交换膜，铜与氯化铜接触，不会发生副反应，放电过程中交换膜左侧负极的电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，阳离子增多，右侧正极的电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，负电荷过剩，Cl－从交换膜右侧向左侧迁移，电流效率高于Ⅰ装置， C正确；放电一段时间后，Ⅰ装置中生成氯化铜和氯化亚铁，Ⅱ装置中交换膜左侧生成氯化铜，右侧生成了氯化亚铁，可能含氯化铁，D项错误。]
2．某科研小组研究采用BMED膜堆(示意图如下)，模拟以精制浓海水为原料直接制备酸碱。BMED膜堆包括阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜(A、D)。已知：在直流电源的作用下，双极膜内中间界面层发生水的解离，生成H＋和OH－。下列说法错误的是( )
A．电极a连接电源的正极
B．B为阳离子交换膜
C．电解质溶液采用Na2SO4溶液可避免有害气体的产生
D．Ⅱ口排出的是淡水
B [根据题干信息确定该装置为电解池，阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，所以电极a为阳极，连接电源的正极，A正确；水在双极膜A解离后，氢离子吸引阴离子透过B膜到左侧形成酸，B为阴离子交换膜，B错误；电解质溶液采用Na2SO4溶液，电解时生成氢气和氧气，可避免有害气体的产生，C正确；海水中的阴、阳离子透过两侧交换膜向两侧移动，淡水从Ⅱ口排出，D正确。]
3．普通电解精炼铜的方法所制备的铜中仍含杂质，利用下面的双膜(阴离子交换膜和过滤膜)电解装置可制备高纯度的Cu。下列有关叙述中正确的是( )
A．电极a为粗铜，电极b为精铜
B．甲膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区
C．乙膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区
D．当电路中通过1 ml电子时，可生成32 g精铜
D [由题意结合电解原理可知，电极a是阴极，为精铜，电极b是阳极，为粗铜，A项错误；甲膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区，B项错误；乙膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区，C项错误；当电路中通过1 ml电子时，可生成0.5 ml精铜，其质量为32 g，D项正确。]
再生铅行业是我国在重视环境保护和充分利用有色金属再生资源的情况下逐步发展起来的新兴产业。工业发达国家和地区再生铅工业的发展较快，再生铅在铅工业中占有重要的位置。从环境保护的角度看，无论原铅工业如何发达，也应当充分重视废铅的回收与再生事业。从废旧铅蓄电池中可以回收铅，其化学工艺为
eq \x(废铅)―→eq \x(PbO)eq \(――――→,\s\up8(HCl/NaCl))eq \x(Na2PbCl4)eq \(――→,\s\up8(电解))eq \x(Pb)
通过电解获得单质铅的电解原理如图所示。
[问题1] 写出阴、阳极的电极反应式？
[提示] 阴极：PbCleq \\al(2－,4)＋2e－===Pb＋4Cl－；阳极：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。
[问题2] 电解过程中阳极附近pH有什么变化？
[提示] 阳极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阳极区硫酸浓度增大，pH降低
[问题3] 当电路中流经4 ml电子时，阴极可得多少克铅？
[提示] 当电路中通过4 ml电子时，阴极可得414 g铅
[问题4] 当Na2PbCl4浓度下降后，在阴极区加入什么物质可实现电解质溶液的再生使用？
[提示] 阴极发生的反应为PbCleq \\al(2－,4)＋2e－===Pb＋4Cl－，同时H＋通过质子交换膜，在阴极区形成HCl/NaCl溶液，因此电解后向阴极区加入PbO，可以生成PbCleq \\al(2－,4)，从而实现电解质溶液的再生使用。
通过本情境素材中电极反应式的书写、电解过程中阳极附近溶液pH的变化、电解池中的有关计算以及如何实现电解质溶液的再生使用，提升了证据推理与模型认知、科学态度与社会责任的核心素养。
1．(2020·全国Ⅱ卷)电致变色器件可智能调控太阳光透过率，从而实现节能。如图是某电致变色器件的示意图。当通电时，Ag＋注入到无色WO3薄膜中，生成AgxWO3，器件呈现蓝色，对于该变化过程，下列叙述错误的是( )
A．Ag为阳极
B．Ag＋由银电极向变色层迁移
C．W元素的化合价升高
D．总反应为WO3＋xAg===AgxWO3
C [根据题图可知，该装置为电解池，由通电时Ag＋注入到无色WO3薄膜中，生成AgxWO3，可知Ag为该电解池的阳极，透明导电层为该电解池的阴极，结合题给信息可写出阳极和阴极的电极反应式分别为Ag－e－===Ag＋和xAg＋＋WO3＋xe－===AgxWO3。
根据上述分析可知Ag为阳极，A项正确；电解池工作时，Ag＋向阴极移动，即Ag＋由银电极向变色层迁移，B项正确；结合上述分析可知WO3在阴极发生还原反应，即W元素的化合价降低，C项错误；结合阳极和阴极的电极反应式可写出总反应为WO3＋xAg===AgxWO3，D项正确。]
2．(2020·山东合格考)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含CH3COO－的溶液为例)。下列说法错误的是( )
A．负极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋
B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜
C．当电路中转移1 ml电子时，模拟海水理论上除盐58.5 g
D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
B [根据题意，可得放电时的电极反应，负极(a极)：CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，正极(b极)：2H＋＋2e－===H2↑，A项正确；该电池工作时，Cl－向a极移动，Na＋向b极移动，即隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，B项错误；电路中转移1 ml电子时，向a极和b极分别移动1 ml Cl－和1 ml Na＋，则模拟海水理论上可除盐58.5 g，C项正确；电池工作时负极产生CO2，正极产生H2，结合正、负极的电极反应知，一段时间后，正极和负极产生气体的物质的量之比为2∶1，D项正确。]
3．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H2SO4H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是( )
A．待加工铝质工件为阳极
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
C [A对：该电解池阳极发生的电极反应为2Al＋3H2O－6e－===Al2O3＋6H＋，铝化合价升高失电子，所以待加工铝质工件应为阳极。B对，C错：阴极发生的电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，阴极可选用不锈钢网作电极。D对：电解质溶液中的阴离子向阳极移动。]
4．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－===FeOeq \\al(2－,4)＋4H2O
B．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 ml电子的电量时，会有1 ml H2生成
C [A项，阳极发生氧化反应，电极反应式：Fe－6e－＋8OH－===FeOeq \\al(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 ml电子的电量时，会有1 ml H2生成，正确。]
5．用多孔石墨电极完成下列实验。下列解释或推理合理的是( )
A．电解Ⅰ一段时间后，c(Na2SO4)一定增大
B．由Ⅱ中反应H2＋Cu2＋===Cu↓＋2H＋可知用玻璃导管将H2通入CuSO4溶液也会产生红色沉淀
C．Ⅲ中，只可能发生反应2Ag＋＋Cu===Cu2＋＋2Ag
D．Ⅰ中，a极上既发生了化学过程，也发生了物理过程
D [电解Na2SO4溶液相当于电解水，若原Na2SO4溶液为饱和溶液，电解一段时间后消耗一部分水，电解液仍为饱和溶液，此时Na2SO4溶液的浓度不变，A说法错误；Ⅱ中出现的现象是因为形成了原电池，但如果用玻璃导管通入H2，无法形成原电池，故无红色固体现象产生，B说法错误；Ⅲ中假如还有氢气存在的话，还可能发生氢气置换银的反应：2Ag＋＋H2===2Ag↓＋2H＋，C说法错误；Ⅰ中除电解水的化学过程外，还存在多孔石墨电极吸附氢气和氧气的物理过程，D项说法正确。]
探 究 任 务
1．掌握原电池原理及应用，建立解决原电池问题的思维模型。
2．掌握各种化学电源的分析方法，建立解决化学电源问题的思维模型。
3．掌握电解池原理及应用，建立解决电解问题的思维模型。
4．掌握原电池和电解池中各种膜的作用，建立分析各种膜的作用的思维模型。
原电池的工作原理及应用
实验装置
部分实验现象
实验装置
部分实验现象
CuSO4溶液①
a极质量减少，b极质量增加
稀硫酸③
d极溶解，c极有气泡产生
实验装置
部分实验现象
实验装置
部分实验现象
稀硫酸②
b极有气泡产生，c极无明显变化
稀硫酸④
电流从a极流向d极
化学电源的分析方法
电解池原理及应用
隔膜在电化学中的功能
实验步骤
现象
Ⅰ中，a、b两极均产生气泡
Ⅱ中，a极上析出红色固体
Ⅲ中，a极上析出灰白色固体
1．陌生电池的分析方法
对于涉及原电池的工作原理的题目而言，往往是通过最简单的原电池入手，借助对原电池原理的分析，对不熟悉的、陌生的原电池(含一次电池、二次电池及燃料电池等)进行分析，其思考方法一般可以描述如下：
(1)根据原电池的构成条件对给出的反应加以判断，分出正极与正极反应(元素化合价降低)、负极与负极反应(元素化合价升高)。
(2)根据化合价的变化情况，列出各电极的具体变化情况，根据电荷守恒、原子守恒、溶液的酸碱性等条件判断出电极反应和电解质溶液的变化情况。
(3)适当应用技巧(看清价态变化、从简单入手等)，根据电池总反应与电极反应之间的关系，在保证电子转移相等的情况下，可以先写出易写的、简单的某一极的电极反应式，再利用总反应式减去该电极反应式，得到另一极的电极反应式。
(4)根据题意，利用原电池反应原理、溶液性质变化等规律对各问题作出相应的回答。
2．关于原电池原理的应用
(1)设计化学电源：人们利用原电池原理，将化学能直接转化为电能，制作了多种电池。如干电池、蓄电池、充电电池以及高能燃料电池，以满足不同的需要。在现代生活、生产和科学研究以及科学技术的发展中，电池发挥的作用不可代替，大到宇宙火箭、人造卫星、飞机、轮船，小到电脑、电话、手机以及心脏起搏器等，都离不开各种各样的电池。
(2)加快氧化还原反应的速率：一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大。例如，在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。
(3)比较金属活动性强弱：原电池中，一般活动性强的金属作负极，而活动性弱的金属(或非金属)作正极。如有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，则可以断定金属活动性A>B。
(4)设计原电池：根据原电池的反应原理，对于给定的自发的氧化还原反应，可以设计成需要的原电池形式并加以利用。
(5)解释金属腐蚀：含有杂质的金属往往会更容易被腐蚀，这与构成原电池而使反应速率加快的原理相同。
MgAgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是( )
A．负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋
B．正极反应式为Ag＋＋e－===Ag
C．电池放电时Cl－由正极向负极迁移
D．负极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑
B [A．活泼金属镁作负极，失电子发生氧化反应，反应式为Mg－2e－===Mg2＋，故A正确；B．AgCl是难溶物，其电极反应式为2AgCl＋2e－===2Cl－＋2Ag，故B错误；C．原电池放电时，阴离子向负极移动，则Cl－在正极产生由正极向负极迁移，故C正确；D．镁是活泼金属与水反应，即Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑，故D正确。]
1．我国化学家研究的一种锂水电池处于当今锂电池研发的前沿，该电池采用复合膜包裹的金属锂作负极，锰酸锂(LiMn2O4)作正极，以稀Li2SO4水溶液作电解质溶液，工作时电池的总反应为：LiMn2O4＋Li===Li2Mn2O4。下列有关该电池的说法正确的是( )
A．电池放电时，溶液中的锂离子向电极a移动
B．电池放电时的负极反应式为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑
C．电池放电时，锰酸锂发生氧化反应，锰元素被氧化
D．电池放电时的正极反应式为：LiMn2O4＋Li＋＋e－===Li2Mn2O4
D [A、该电池放电时，溶液中的SOeq \\al(2－,4)向负极电极a移动，而溶液中的锂离子向电极b移动，故A错误；B、电池放电时原电池原理，电极a Li失电子发生氧化反应作原电池负极，电极反应式为Li－e－===Li＋，故B错误；C、电池放电时，锰酸锂为正极，发生还原反应，锰元素被还原，故C错误；D、锰酸锂为正极，发生还原反应，锰元素被还原，则电池放电时的正极反应式为LiMn2O4＋Li＋＋e－===Li2Mn2O4，故D正确。]
2．某化学小组构想将汽车尾气(NO、NO2)转化为重要的化工原料HNO3，其原理如图所示，其中A、B为多孔导电材料。下列说法一定正确的是( )
A．该电池工作时，电子的流向外电路由A到B，内电路由B到A形成闭合回路
B．电极B附近的HNO3浓度增大
C．A电极的反应为NO2－e－＋H2O===NOeq \\al(－,3)＋2H＋，NO－3e－＋2H2O===NOeq \\al(－,3)＋4H＋
D．该电池工作时，每消耗11.2 L O2(标准状况下)，可以除去含1 ml NO和NO2的混合尾气
C [将汽车尾气(NO、NO2)转化为重要的化工原料HNO3，则通入氧气的电极B是正极，A是负极。
A．电子的流向外电路由负极到正极，即A到B，电子不能经过电解质，故A错误；B．B电极上电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，有水生成，硝酸根离子不参加反应，所以硝酸根离子的物质的量不变，溶液体积增大，所以硝酸根离子浓度减小，故B错误；C．A电极氮氧化物失电子转化为硝酸根离子，电极反应式为NO2－e－＋H2O===NOeq \\al(－,3)＋2H＋、NO－3e－＋2H2O===NOeq \\al(－,3)＋4H＋，故C正确；D．1 ml NO和NO2的混合尾气中气体含量未知，则无法确定得失电子数目，故D错误。]
3．有a、b、c、d四个金属电极，实验装置及部分实验现象如下：由此判断这四种金属的活动性顺序是( )
A．a＞b＞c＞d B．d＞a＞b＞c
C．b＞c＞d＞a D．a＞b＞d＞c
B [①中形成原电池，a极质量减少，b极质量增加，a为负极，b为正极，金属的活动性：a＞b；②中没有形成原电池，b极有气体产生，c极无变化，所以金属的活动性：b＞c；③中形成原电池，d极溶解，c极有气泡产生，d是负极，c是正极，所以金属的活动性：d＞c；④中形成原电池，电流从a极流向d极，说明a为正极，d为负极，所以金属的活动性：d＞a；综上所述，这四种金属的活动性顺序为d＞a＞b＞c，故选B。]
1．解有关一次电池类题的方法
一次电池的本质是自发的氧化还原反应，故解决与一次电池相关的问题时主要根据氧化还原反应的相关知识进行考虑。
(1)分析物质价态：根据氧化还原反应知识，确定涉及化合价变化的物质或微粒，然后判断出发生氧化反应、还原反应的物质或微粒。
(2)确定电极名称：根据负极发生氧化反应、正极发生还原反应的特点判断出原电池的正、负极。
(3)解决相关问题：根据原电池中电极的变化、电子的流向、电流的流向、电解质溶液中离子的移动方向等特点，对涉及的相关问题进行科学、准确回答。
2．解有关二次电池类题的方法
二次电池属于原电池、电解池的综合体，故思考问题时，必须同时利用原电池反应、电解池反应的相关原理解决问题。
(1)辨别反应方向：根据给出的总反应式，结合放电(原电池)、充电(电解池)，判断出反应的方向与装置的特点。
(2)活用电极反应：由于放电、充电的过程可逆，故需借助原电池的相关知识判断出相应的原电池的电极反应，则充电时电解的电极反应就是相应原电池电极反应的逆过程，阳极反应与正极反应逆向对应、阴极反应与负极反应逆向对应。
(3)准确判断题意：由于涉及了反应的两个方向，故在解题时特别要注意反应的方向性，不能将放电时涉及的相关反应，错放在充电时涉及的相关反应上进行思考，要避免发生张冠李戴的情况。
3．解有关燃料电池类题的方法
(1)解答燃料电池题目的思维模型
(2)解答燃料电池题目的几个关键点
①要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
②通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。
③通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。
(2020·全国Ⅲ卷)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)空气电池如图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===VOeq \\al(3－,4)＋2B(OH)eq \\al(－,4)＋4H2O。该电池工作时，下列说法错误的是( )
A．负载通过0.04 ml电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应
B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C．电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)eq \\al(－,4)＋4VOeq \\al(3－,4)
D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
B [由题给信息知VB2电极上发生失电子的氧化反应，则VB2电极为负极，复合碳电极为正极，正极发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，电池总反应方程式为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8[B(OH)4]－＋4VOeq \\al(3－,4)。
由上述分析知，正极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，则电路中通过0.04 ml e－时，正极有0.01 ml O2参加反应，其在标准状况下的体积为0.224 L，A项正确；由正、负极的电极反应式可知，该电池工作时，负极区溶液的pH降低，正极区溶液的pH升高，B项错误；由上述分析知，该电池的总反应方程式为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8[B(OH)4]－＋4VOeq \\al(3－,4)，C项正确；电流与电子的流动方向相反，电流从正极出发，沿负载流向负极，再经过溶液最终回到正极，D项正确。]
1．(2020·全国Ⅰ卷)科学家发明了一种新型Zn－CO2水介质电池。电池示意图如图所示，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是( )
A．放电时，负极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)eq \\al(2－,4)
B．放电时，1 ml CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 ml
C．充电时，电池总反应为2Zn(OH)eq \\al(2－,4)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D．充电时，正极溶液中OH－浓度升高
D [由题给装置图可知，放电时负极锌失去电子后结合OH－生成Zn(OH)eq \\al(2－,4)，负极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)eq \\al(2－,4)，A项正确；放电时，正极上CO2得电子生成HCOOH，CO2中C的化合价为＋4，HCOOH中C的化合价为＋2,1 ml CO2转化为1 ml HCOOH，转移2 ml电子，B项正确；充电时阴极上Zn(OH)eq \\al(2－,4)参与反应得到锌，阳极上H2O参与反应得到氧气，电池总反应为2Zn(OH)eq \\al(2－,4)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O，C项正确；充电时，阳极上发生失电子的氧化反应：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，氢氧根离子浓度降低，D项错误。]
2．镍镉(Ni－Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2，有关该电池的说法正确的是( )
A．充电时阳极反应：Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O
B．充电过程是化学能转化为电能的过程
C．放电时负极附近溶液的碱性不变
D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
A [放电时Cd的化合价升高，Cd作负极，Ni的化合价降低，NiOOH作正极，则充电时Cd(OH)2作阴极，Ni(OH)2作阳极，电极反应式为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，A项正确；充电过程是电能转化为化学能的过程，B项错误；放电时负极电极反应式为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，Cd电极周围OH－的浓度减小，C项错误；放电时OH－向负极移动，D项错误。]
3．科学家设计出质子膜H2S燃料电池，实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如图所示。下列说法错误的是( )
A．电极a为电池的负极
B．电极b上发生的电极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C．电路中每通过4 ml电子，在正极消耗44.8 L H2S
D．每17 g H2S参与反应，有1 ml H＋经质子膜进入正极区
C [根据题目可知，该电池为燃料电池，根据燃料电池的特点，通氧气的一极为正极，故电极b为正极，电极a为负极，A项正确；电极b为正极，氧气得电子生成水，B项正确；从装置图可以看出，电池总反应为2H2S＋O2===S2＋2H2O，电路中每通过4 ml电子，正极应该消耗1 ml O2，负极应该有2 ml H2S反应，但是题目中没有给定标准状况下，所以不一定是44.8 L，故C错误；17 g H2S即0.5 ml H2S，每0.5 ml H2S参与反应会消耗0.25 ml O2，根据正极反应式O2＋4H＋＋4e－===2H2O，可知有1 ml H＋经质子膜进入正极区，故D正确。]
分析电解原理应用类题的一般思路
1．通电前
电解质溶液的电离过程(包括电解质和水的电离)。
2．通电后
(1)离子移向：阴离子移向阳极(与电源正极相连)，失电子被氧化；阳离子移向阴极(与电源负极相连)，得电子被还原。
(2)放电能力：①阳极：活泼金属>S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子；②阴极：Ag＋>Hg2＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋(酸)> Pb2＋> Fe2＋>Zn2＋>H＋(H2O)>Al3＋>Mg2＋> Na＋>Ca2＋
(3)电极反应。
(4)电解结果：两极现象、离子浓度、溶液的酸碱性及pH变化等。
(2020·山东合格考)采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如图所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是( )
A．阳极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑
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
D [a极上产生O2，发生的反应为水被氧化生成O2的反应，即a极为阳极，b极为阴极，a极电极反应式：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，b极电极反应式：2H＋＋O2＋2e－===H2O2，A项正确；电解一段时间后，溶液中H＋浓度未变，即阳极室的pH未变，B项正确；电解过程中H＋通过质子交换膜，从a极区向b极区迁移，C项正确；由阴、阳极的电极反应式，可知电解一段时间后，b极消耗O2的量是a极生成O2的量的2倍，即a极生成的O2与b极反应的O2的量不相等，D项错误。]
1．工厂采用电解法处理含铬废水，耐酸电解槽用铁板作阴、阳极，槽中盛放含铬废水，原理示意图如图，下列说法不正确的是( )
Cr2Oeq \\al(2－,7)为主的废水
A．A为电源正极
B．阳极区溶液中发生的氧化还原反应为Cr2Oeq \\al(2－,7)＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O
C．阴极区附近溶液pH增大
D．若不考虑气体的溶解，当收集到H213.44 L(标准状况)时，有0.2 ml Cr2Oeq \\al(2－,7)被还原
D [A．由图可知，右侧生成氢气，氢离子得到电子发生还原反应，电解池阴极上发生还原反应，所以右侧铁板为阴极，故左侧铁板为阳极，故A为电源正极，故A正确；B．左侧铁板为阳极，铁放电生成亚铁离子，亚铁离子被溶液中的Cr2Oeq \\al(2－,7)氧化，反应生成Cr3＋、Fe3＋，反应式为Cr2Oeq \\al(2－,7)＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O，故B正确；C．阴极氢离子得到电子生成氢气，溶液中氢离子浓度降低，pH值变大，故C正确；D．13.44 L氢气的物质的量为eq \f(13.44 L,22.4 L/ml)＝0.6 ml，根据电子转移守恒n(Fe2＋)＝eq \f(0.6 ml×2,2)＝0.6 ml，根据Cr2Oeq \\al(2－,7)＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O可知，被还原的Cr2Oeq \\al(2－,7)的物质的量为0.6 ml×eq \f(1,6)＝0.1 ml，故D错误。]
2．(2016·全国卷Ⅰ)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SOeq \\al(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。
下列叙述正确的是( )
A．通电后中间隔室的SOeq \\al(2－,4)向正极迁移，正极区溶液pH增大
B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品
C．负极反应为2H2O－4e－===O2＋4H＋，负极区溶液pH降低
D．当电路中通过1 ml电子的电量时，会有0.5 ml的O2生成
B [A项正极区发生的反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，由于生成H＋，正极区溶液中阳离子增多，故中间隔室的SOeq \\al(2－,4)向正极迁移，正极区溶液的pH减小；B项负极区发生的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴离子增多，中间隔室的Na＋向负极迁移，故负极区产生NaOH，正极区产生H2SO4；C项由B项分析可知，负极区产生OH－，负极区溶液的pH升高；D项正极区发生的反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，当电路中通过1 ml电子的电量时，生成0.25 ml O2。]
3．(2018·全国Ⅰ卷)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为
①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋
②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋
该装置工作时，下列叙述错误的是( )
A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O
B．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S
C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为酸性
C [阴极发生还原反应，氢离子由交换膜右侧向左侧迁移，阴极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，A项正确；结合阳极区发生的反应，可知协同转化总反应为CO2＋H2S===S＋CO＋H2O，B项正确；石墨烯作阳极，其电势高于ZnO@石墨烯的，C项错误；Fe3＋、Fe2＋在碱性或中性介质中会生成沉淀，它们只稳定存在于酸性较强的介质中，D项正确。]
1．常见的隔膜
隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类：
(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
2．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)能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3．离子交换膜选择的依据
离子的定向移动。
4．离子交换膜的应用
利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。可用电解LiCl溶液制备LiOH，装置如图所示。下列说法中正确的是( )
A．电极B连接电源正极
B．A极区电解液为LiCl溶液
C．阳极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D．每生成1 ml H2，有1 ml Li＋通过该离子交换膜
B [由题意知，电解LiCl溶液制备LiOH，由于B电极生成氢气，A与B用阳离子交换膜隔开，所以B为阴极，B极区为LiOH溶液，A极区为LiCl溶液。电极B上产生氢气，所以B为阴极，B连接电源负极，A项错误；阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，C项错误；每生成1 ml H2，有2 ml Li＋通过该离子交换膜，D项错误。]
1．已知：电流效率等于电路中通过的电子数与消耗负极材料失去的电子总数之比。现有两个电池Ⅰ、Ⅱ，装置如图所示。
Ⅰ Ⅱ
下列说法正确的是( )
A．Ⅰ和Ⅱ的电池反应不相同
B．能量转化形式不同
C．Ⅰ的电流效率低于Ⅱ的电流效率
D．5 min后，Ⅰ、Ⅱ中都只含1种溶质
C [Ⅰ、Ⅱ装置中电极材料相同，电解质溶液部分相同，电池反应、负极反应和正极反应式相同，A项错误；Ⅰ和Ⅱ装置的能量转化形式都是化学能转化成电能，B项错误；Ⅰ装置中铜与氯化铁直接接触，会在铜极表面发生反应，导致部分能量损失(或部分电子没有通过电路)，电流效率降低，而Ⅱ装置采用阴离子交换膜，铜与氯化铜接触，不会发生副反应，放电过程中交换膜左侧负极的电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，阳离子增多，右侧正极的电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，负电荷过剩，Cl－从交换膜右侧向左侧迁移，电流效率高于Ⅰ装置， C正确；放电一段时间后，Ⅰ装置中生成氯化铜和氯化亚铁，Ⅱ装置中交换膜左侧生成氯化铜，右侧生成了氯化亚铁，可能含氯化铁，D项错误。]
2．某科研小组研究采用BMED膜堆(示意图如下)，模拟以精制浓海水为原料直接制备酸碱。BMED膜堆包括阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜(A、D)。已知：在直流电源的作用下，双极膜内中间界面层发生水的解离，生成H＋和OH－。下列说法错误的是( )
A．电极a连接电源的正极
B．B为阳离子交换膜
C．电解质溶液采用Na2SO4溶液可避免有害气体的产生
D．Ⅱ口排出的是淡水
B [根据题干信息确定该装置为电解池，阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，所以电极a为阳极，连接电源的正极，A正确；水在双极膜A解离后，氢离子吸引阴离子透过B膜到左侧形成酸，B为阴离子交换膜，B错误；电解质溶液采用Na2SO4溶液，电解时生成氢气和氧气，可避免有害气体的产生，C正确；海水中的阴、阳离子透过两侧交换膜向两侧移动，淡水从Ⅱ口排出，D正确。]
3．普通电解精炼铜的方法所制备的铜中仍含杂质，利用下面的双膜(阴离子交换膜和过滤膜)电解装置可制备高纯度的Cu。下列有关叙述中正确的是( )
A．电极a为粗铜，电极b为精铜
B．甲膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区
C．乙膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区
D．当电路中通过1 ml电子时，可生成32 g精铜
D [由题意结合电解原理可知，电极a是阴极，为精铜，电极b是阳极，为粗铜，A项错误；甲膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区，B项错误；乙膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区，C项错误；当电路中通过1 ml电子时，可生成0.5 ml精铜，其质量为32 g，D项正确。]
再生铅行业是我国在重视环境保护和充分利用有色金属再生资源的情况下逐步发展起来的新兴产业。工业发达国家和地区再生铅工业的发展较快，再生铅在铅工业中占有重要的位置。从环境保护的角度看，无论原铅工业如何发达，也应当充分重视废铅的回收与再生事业。从废旧铅蓄电池中可以回收铅，其化学工艺为
eq \x(废铅)―→eq \x(PbO)eq \(――――→,\s\up8(HCl/NaCl))eq \x(Na2PbCl4)eq \(――→,\s\up8(电解))eq \x(Pb)
通过电解获得单质铅的电解原理如图所示。
[问题1] 写出阴、阳极的电极反应式？
[提示] 阴极：PbCleq \\al(2－,4)＋2e－===Pb＋4Cl－；阳极：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。
[问题2] 电解过程中阳极附近pH有什么变化？
[提示] 阳极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阳极区硫酸浓度增大，pH降低
[问题3] 当电路中流经4 ml电子时，阴极可得多少克铅？
[提示] 当电路中通过4 ml电子时，阴极可得414 g铅
[问题4] 当Na2PbCl4浓度下降后，在阴极区加入什么物质可实现电解质溶液的再生使用？
[提示] 阴极发生的反应为PbCleq \\al(2－,4)＋2e－===Pb＋4Cl－，同时H＋通过质子交换膜，在阴极区形成HCl/NaCl溶液，因此电解后向阴极区加入PbO，可以生成PbCleq \\al(2－,4)，从而实现电解质溶液的再生使用。
通过本情境素材中电极反应式的书写、电解过程中阳极附近溶液pH的变化、电解池中的有关计算以及如何实现电解质溶液的再生使用，提升了证据推理与模型认知、科学态度与社会责任的核心素养。
1．(2020·全国Ⅱ卷)电致变色器件可智能调控太阳光透过率，从而实现节能。如图是某电致变色器件的示意图。当通电时，Ag＋注入到无色WO3薄膜中，生成AgxWO3，器件呈现蓝色，对于该变化过程，下列叙述错误的是( )
A．Ag为阳极
B．Ag＋由银电极向变色层迁移
C．W元素的化合价升高
D．总反应为WO3＋xAg===AgxWO3
C [根据题图可知，该装置为电解池，由通电时Ag＋注入到无色WO3薄膜中，生成AgxWO3，可知Ag为该电解池的阳极，透明导电层为该电解池的阴极，结合题给信息可写出阳极和阴极的电极反应式分别为Ag－e－===Ag＋和xAg＋＋WO3＋xe－===AgxWO3。
根据上述分析可知Ag为阳极，A项正确；电解池工作时，Ag＋向阴极移动，即Ag＋由银电极向变色层迁移，B项正确；结合上述分析可知WO3在阴极发生还原反应，即W元素的化合价降低，C项错误；结合阳极和阴极的电极反应式可写出总反应为WO3＋xAg===AgxWO3，D项正确。]
2．(2020·山东合格考)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含CH3COO－的溶液为例)。下列说法错误的是( )
A．负极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋
B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜
C．当电路中转移1 ml电子时，模拟海水理论上除盐58.5 g
D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
B [根据题意，可得放电时的电极反应，负极(a极)：CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，正极(b极)：2H＋＋2e－===H2↑，A项正确；该电池工作时，Cl－向a极移动，Na＋向b极移动，即隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，B项错误；电路中转移1 ml电子时，向a极和b极分别移动1 ml Cl－和1 ml Na＋，则模拟海水理论上可除盐58.5 g，C项正确；电池工作时负极产生CO2，正极产生H2，结合正、负极的电极反应知，一段时间后，正极和负极产生气体的物质的量之比为2∶1，D项正确。]
3．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H2SO4H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是( )
A．待加工铝质工件为阳极
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
C [A对：该电解池阳极发生的电极反应为2Al＋3H2O－6e－===Al2O3＋6H＋，铝化合价升高失电子，所以待加工铝质工件应为阳极。B对，C错：阴极发生的电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，阴极可选用不锈钢网作电极。D对：电解质溶液中的阴离子向阳极移动。]
4．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－===FeOeq \\al(2－,4)＋4H2O
B．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 ml电子的电量时，会有1 ml H2生成
C [A项，阳极发生氧化反应，电极反应式：Fe－6e－＋8OH－===FeOeq \\al(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 ml电子的电量时，会有1 ml H2生成，正确。]
5．用多孔石墨电极完成下列实验。下列解释或推理合理的是( )
A．电解Ⅰ一段时间后，c(Na2SO4)一定增大
B．由Ⅱ中反应H2＋Cu2＋===Cu↓＋2H＋可知用玻璃导管将H2通入CuSO4溶液也会产生红色沉淀
C．Ⅲ中，只可能发生反应2Ag＋＋Cu===Cu2＋＋2Ag
D．Ⅰ中，a极上既发生了化学过程，也发生了物理过程
D [电解Na2SO4溶液相当于电解水，若原Na2SO4溶液为饱和溶液，电解一段时间后消耗一部分水，电解液仍为饱和溶液，此时Na2SO4溶液的浓度不变，A说法错误；Ⅱ中出现的现象是因为形成了原电池，但如果用玻璃导管通入H2，无法形成原电池，故无红色固体现象产生，B说法错误；Ⅲ中假如还有氢气存在的话，还可能发生氢气置换银的反应：2Ag＋＋H2===2Ag↓＋2H＋，C说法错误；Ⅰ中除电解水的化学过程外，还存在多孔石墨电极吸附氢气和氧气的物理过程，D项说法正确。]
探 究 任 务
1．掌握原电池原理及应用，建立解决原电池问题的思维模型。
2．掌握各种化学电源的分析方法，建立解决化学电源问题的思维模型。
3．掌握电解池原理及应用，建立解决电解问题的思维模型。
4．掌握原电池和电解池中各种膜的作用，建立分析各种膜的作用的思维模型。
原电池的工作原理及应用
实验装置
部分实验现象
实验装置
部分实验现象
CuSO4溶液①
a极质量减少，b极质量增加
稀硫酸③
d极溶解，c极有气泡产生
实验装置
部分实验现象
实验装置
部分实验现象
稀硫酸②
b极有气泡产生，c极无明显变化
稀硫酸④
电流从a极流向d极
化学电源的分析方法
电解池原理及应用
隔膜在电化学中的功能
实验步骤
现象
Ⅰ中，a、b两极均产生气泡
Ⅱ中，a极上析出红色固体
Ⅲ中，a极上析出灰白色固体
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