全国版2021高考化学一轮复习课时作业25新型化学电源及电解原理的应用含解析 练习

课时作业(二十五)　新型化学电源及电解原理的应用

1．(2019·安徽宿州质检)太阳能光电池具有可靠稳定、寿命长、安装维护简便等优点，现已得到广泛应用。氮化镓(GaN)光电池的结构如图所示。下列说法中正确的是(　　)

A．该装置系统中只存在光能与电能之间的转化

B．Cu电极上的电极反应式为CO2＋8H＋－8e－===CH4＋2H2O

C．工作时，产生的O2、CH4体积比为1∶1(同温同压)

D．离子交换膜为质子交换膜，H＋从左池移向右池

D　[由图可知，该装置系统中存在太阳能与化学能、化学能与电能及化学能与热能等的转化，A错误；CO2在Cu电极上发生还原反应生成CH4，则电极反应式为CO2＋8H＋＋8e－===CH4＋2H2O，B错误；H2O在GaN电极上发生氧化反应生成O2，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，根据得失电子守恒可知，产生O2和CH4的物质的量之比为2∶1，在同温同压下的体积比为2∶1，C错误；由上述分析知左池产生H＋，右池消耗H＋，则离子交换膜为质子变换膜，H＋向正极移动，即H＋由左池向右池，D正确。]

2．(2019·山西实验中学模拟)电化学气敏传感器可用于监测环境中NH3的含量，其工作原理如图所示，其中NH3被氧化为常见无毒物质。下列说法错误的是(　　)

A．溶液中OH－向电极a移动

B．电极b上发生还原反应

C．负极的电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O

D．理论上反应消耗的NH3与O2的物质的量之比为3∶4

D　[NH3在电极a上发生氧化反应，则a为负极，b为正极，溶液中OH－向电极a(负极)移动，A正确；O2在b极上发生还原反应，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B正确；NH3在负极上被氧化生成N2，电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O，C正确；反应中NH3被氧化生成N2，而O2被还原生成OH－，根据得失电子守恒可知，理论上反应消耗的NH3与O2的物质的量之比n(NH3)∶n(O2)＝4∶3，D错误。]

3．(2019·湖南湘东五校联考)高铁电池具有比能量高、无污染的特点，用如图模拟其工作原理(放电时两电极均有稳定的金属氢氧化物生成)。下列有关说法中正确的是(　　)

A．放电时，电子由正极通过外电路流向负极

B．放电时，负极上的电极反应式为Zn＋2H2O－2e－===Zn(OH)2＋2H＋

C．充电时，阴极区溶液的pH减小

D．充电时，阳极上的电极反应式为Fe(OH)3＋5OH－－3e－===FeO＋4H2O

D　[放电时，电子由负极经外电路流向正极，A错误；负极的电解质溶液呈碱性，放电时，Zn在负极上发生氧化反应生成Zn(OH)2，电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，B错误；充电时，阴极上发生还原反应，电极反应式为Zn(OH)2＋2e－===Zn＋2OH－，由于生成了OH－，阴极区溶液的pH增大，C错误；充电时，Fe(OH)3在阳极上发生氧化反应生成FeO，电极反应式为Fe(OH)3＋5OH－－3e－===FeO＋4H2O，D正确。]

4．(2019·山西大同联考)某污水处理厂利用微生物电池将镀铬废水中的Cr2O催化还原，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．电池工作过程中电子由a极流向b极

B．b极反应式为Cr2O＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O

C．电池工作过程中，a极区附近溶液的pH增大

D．每处理1 mol Cr2O，可生成33.6 L(标准状况下)CO2

答案　C

5．(2019·福建南平质检)有人设想以N2和H2为反应物，以溶有X的稀盐酸为电解质溶液，制造出新型燃料电池，装置如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．放电时H＋向左移动，生成的物质X是NH4Cl

B．通入H2的一极为正极

C．通入N2的电极反应为：N2＋6H＋－6e－===2NH3

D．放电过程右边区域溶液pH逐渐增大

A　[以N2、H2为原料，以溶有X的稀盐酸为电解质溶液构成新型燃料电池，正极发生还原反应，即氮气被还原生成NH，电极反应式为N2＋6e－＋8H＋===2NH；负极是氢气失电子生成氢离子，电极方程式为H2－2e－===2H＋，总反应为：N2＋3H2＋2HCl===2NH4Cl。A.放电时H＋向正极移动，即向左移动，生成的物质X是NH4Cl，正确；B.通入H2的一极为负极，错误；C.通入N2的电极为正极，发生还原反应，N2＋6e－＋8H＋===2NH，错误；D.放电过程右边区域为负极区，H2－2e－===2H＋，溶液pH逐渐减小，错误。]

6．(2019·浙江宁波调研)液氨－液氧燃料电池曾用于驱动潜艇，其示意图如图所示，下列有关说法不正确的是(　　)

A．电极2是正极，发生还原反应

B．电池工作时，Na＋向电极1移动

C．电流由电极2经外电路流向电极1

D．电极1发生的电极反应为：2NH3＋6OH－－6e－===N2↑＋6H2O

B　[A.根据装置图所示的物质关系分析可得，由NH3生成N2时化合价升高，失去电子，所以电极1为负极，发生氧化反应，电极2为正极，发生还原反应，所以A正确；B.在电池内部的电解质溶液中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，所以Na＋应向电极2移动，故B错误；C.电流是由正极流向负极，故C正确；D.OH－向负极移动，所以电极1(负极)的反应式为2NH3＋6OH－－6e－===N2↑＋6H2O，故D正确。]

7．(2019·安徽合肥质检)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。下列说法正确的是(　　)

A．电极B连接电源的正极

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 mol H2，有1 mol Li＋通过离子交换膜

B　[由图可知，电极B上产生H2，则发生的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故电极B为阴极，与电源的负极相连，A错误；A极区电解液为LiCl溶液，Li＋透过阳离子交换膜进入B极区生成LiOH，则B极区为LiOH溶液，B正确；电极A为阳极，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，C错误；由A项分析可知， 生成1 mol H2同时生成2 mol OH－，为保持B极区溶液呈电中性，应有2 mol Li＋通过离子交换膜进入B极区，D错误。]

8．(2019·北京海淀区模拟)电解Na2CO3溶液制取NaHCO3溶液和NaOH溶液的装置如图所示。下列说法中不正确的是(　　)

A．阴极产生的物质A是H2

B．溶液中Na＋由阳极室向阴极室迁移

C．阳极OH－放电，H＋浓度增大，CO转化为HCO

D．物质B是NaCl，其作用是增强溶液导电性

D　[阴极上发生还原反应，电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，则阴极上产生的物质A是H2，A正确；电解池中阳离子向阴极移动，则Na＋由阳极室向阴极室迁移，B正确；由图可知，阳极上产生O2，则阳极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，溶液中c(H＋)增大，CO转化为HCO，C正确；由图可知，阴极区得到NaOH溶液，为不引入杂质，物质B应为NaOH，其作用是增强溶液的导电性，D错误。]

9．(2019·河北张家口模拟)锂－硫电池是一种新型储能电池，放电时的总反应为2Li＋xS===Li2Sx。以该电池为电源制备甲烷的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．b为锂－硫电池的负极

B．锂－硫电池的正极反应式为Li－e－===Li＋

C．阳极反应式为CO＋3CO＋2H2O－2e－===4HCO

D．该装置工作时溶液中的c(CO)增大

C　[由图可知，CO在M极被还原生成CH4，CO在N极被氧化生成CO2，则M是阴极，N是阳极，故b是锂－硫电池的正极，A错误。锂－硫电池放电时，Li失电子被氧化，则Li作负极，电极反应式为Li－e－===Li＋；S在正极发生还原反应，电极反应式为xS＋2Li＋＋2e－===Li2Sx，B错误。由图可知，CO在阳极被氧化生成CO2，CO2与Na2CO3溶液反应生成NaHCO3，故阳极反应式为CO＋3CO＋2H2O－2e－===4HCO，C正确。该装置工作时，溶液中CO与CO2、H2O反应生成HCO，则溶液中的c(CO)减小，D错误。]

10．(2018·四川德阳二诊)硼酸( H3BO3) 为一元弱酸，H3BO3可以通过电解的方法制备。其工作原理如下图所示( 阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)。下列说法错误的是(　　)

A．a与电源的正极相连接

B．阳极的电极反应式为：2H2O－4e－＝O2↑＋4H＋

C．[B(OH)4]－穿过阴膜进入产品室，Na＋穿过阳膜进入阴极室

D．当电路中通过3 mol 电子时，可得到1 mol H3BO3

D　[A.与a极相连的石墨所处的区域为阳极室，则a与电源的正极相连接，正确；B.阳极上发生氧化反应，溶液中水失去电子生成氧气，电极反应式为：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋↑，正确；C.在电解池中，阴离子向阳极运动，阳离子向阴极运动，因此[B(OH)4]－穿过阴膜进入产品室，Na＋穿过阳膜进入阴极室，正确；D.阳极电极反应式为：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阴极上发生还原反应，溶液中的水得到电子生成氢气，2H2O＋2e－===H2↑＋ 2OH－，[B(OH)4]－穿过阴膜进入产品室，与氢离子反应生成H3BO3，[B(OH)4]－＋H＋===H3BO3＋H2O，当电路中通过3 mol电子时，生成3 mol氢离子，可得到3 mol H3BO3，错误。]

11．四室式电渗析法制备盐酸和NaOH的装置如图所示。a、b、c为阴、阳离子交换膜。已知：阴离子交换膜只允许阴离子透过，阳离子交换膜只允许阳离子透过。下列叙述正确的是(　　)

A．b、c分别为阳离子交换膜、阴离子交换膜

B．通电后Ⅲ室中的Cl－透过c迁移至阳极区

C．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高

D．电池总反应为4NaCl＋6H2O4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑

D　[由图中信息可知，Ⅰ中左侧电极与负极相连为阴极，Ⅳ中右侧电极为阳极，所以通电后，阴离子向右定向移动，阳离子向左定向移动，阳极上OH－放电生成O2、阴极上H＋放电生成H2；氢离子透过c进入Ⅲ，氯离子透过b进入Ⅲ，盐酸浓度变大，所以b、c分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜；钠离子透过a, NaOH的浓度变大，所以a也是阳离子交换膜。A.b、c分别为阴离子交换膜、阳离子交换膜，错误；B.通电后Ⅲ室中的Cl－不能透过阳离子交换膜c迁移至Ⅳ室，错误；C.电解一段时间后，Ⅰ中的溶液的pH升高，Ⅱ中的溶液的pH不变，Ⅲ和Ⅳ两室中的溶液的pH均减小，错误；D.电池总反应为4NaCl＋6H2O4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑，正确。]

12．根据下列要求回答下列问题。

(1)次磷酸钴[Co(H2PO2)2]广泛用于化学镀钴，以金属钴和次磷酸钠为原料，采用四室电渗析槽电解法制备，原理如下图。

则Co的电极反应式为__________________，A、B、C为离子交换膜，其中B为________离子交换膜(填“阳”或“阴”)。

解析　以金属钴和次磷酸钠为原料，用电解法制备次磷酸钴[Co(H2PO2)2]，Co的化合价从0价升高到＋2价，则Co的电极反应式为Co－2e－===Co2＋，产品室可得到次磷酸钴的原因是：阳极室的Co2＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室的H2PO通过阴离子交换膜进入产品室与Co2＋结合生成Co(H2PO2)2，所以B是阴离子交换膜；

答案　Co－2e－===Co2＋　阴

(2)我国科研人员研制出的可充电“Na－CO2”电池，以钠箔和多壁碳纳米管(MWCNT)为电极材料，总反应方程式为4Na＋3CO22Na2CO3＋C。放电时该电池“吸入”CO2，其工作原理如图所示。

①放电时，正极的电极反应式为________________________________________________________________________

____________。

②若生成的Na2CO3和C全部沉积在正极表面，当正极增加的质量为28 g时，转移电子的物质的量为________。

③可选用高氯酸钠－四甘醇二甲醚作电解液的理由是

________________________________________________________________________。

解析　①放电时，正极发生得到电子的还原反应，则根据总反应式可知电极反应式为3CO2＋4Na＋＋4e－===2Na2CO3＋C；②根据反应式可知每转移4 mol电子，正极质量增加2×106 g＋12 g＝224 g，所以当正极增加的质量为28 g时，转移电子的物质的量为×4 mol＝0.5 mol。③根据题干信息以及金属钠的化学性质可知可选用高氯酸钠－四甘醇二甲醚作电解液的理由是导电性好、与金属钠不反应，难挥发等。

答案　①3CO2＋4Na＋＋4e－===2Na2CO3＋C

②0.5 mol　③导电性好、与金属钠不反应、难挥发等(答案合理即可)

(3)用电化学法模拟工业处理SO2。将硫酸工业尾气中的SO2通入如图装置(电极均为惰性材料)进行实验，可用于制备硫酸，同时获得电能：

①M极发生的电极反应式为________________________________________________________________________。

②质子交换膜右侧的溶液在反应后pH________(填“增大”“减小”“不变”)。

③当外电路通过0.2 mol e－时，质子交换膜左侧的溶液质量________(填“增大”或“减小”)________克。

解析　①该装置是原电池，反应原理为二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸，通入氧气的N电极是正极，原电池放电时，氢离子由负极移向正极，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，电极反应式为：O2＋4e－＋4H＋===2H2O，负极M上，二氧化硫失电子和水反应生成硫酸，电极反应式为：SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO；②质子交换膜右侧为正极区，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，溶液中的氢离子浓度减小，pH增大；

③质子交换膜左侧为负极区，负极上，二氧化硫失电子和水反应生成硫酸，电极反应式为：SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO，当外电路通过0.2 mol e－时，生成0.4 mol H＋，有0.2 mol H＋通过质子交换膜移向右侧，左侧的溶液质量增大64 g/mol×0.1 mol－0.2 mol×1 g/mol＝6.2 g。

答案　①SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋　②增大　③增大　6.2