(新高考)高考化学一轮复习讲义第6章第38讲电解原理的综合应用(含解析)

第38讲　电解原理的综合应用 复习目标　提升应用电解原理解决工业生产、生活中实际问题的能力。 1．电解原理常见的考查点 电解原理及应用是高考高频考点，该类试题往往与生产、生活及新科技等相联系，以装置图或流程图为载体呈现，题材广、信息新，题目具有一定难度。主要考查阴、阳极的判断、电极反应式、电解反应方程式的书写、溶液离子浓度变化及有关计算等。 2．“5点”突破电解综合应用题 (1)分清阴、阳极，与电源正极相连的为阳极，与电源负极相连的为阴极，两极反应为“阳氧阴还”。 (2)剖析离子移向，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极。 (3)注意放电顺序，正确判断放电的微粒或物质。 (4)注意介质，正确判断反应产物，酸性介质不出现OH－，碱性介质不出现H＋；不能想当然地认为金属作阳极，电极产物为金属阳离子。 (5)注意得失电子守恒和电荷守恒，正确书写电极反应式。 一、电解原理在物质制备中的应用 1．(2021·广东1月适应性测试，13)环氧乙烷(C2H4O)常用于医用消毒，一种制备方法为：使用惰性电极电解KCl溶液，用Cl－交换膜将电解液分为阴极区和阳极区，其中一区持续通入乙烯；电解结束，移出交换膜，两区混合反应：HOCH2CH2Cl＋OH－===Cl－＋H2O＋C2H4O。下列说法错误的是(　　) A．乙烯应通入阴极区 B．移出交换膜前存在反应：Cl2＋H2OHCl＋HClO C．使用Cl－交换膜阻止OH－通过，可使Cl2生成区的pH逐渐减小 D．制备过程的总反应为H2C===CH2＋H2O===H2＋C2H4O 答案　A 解析　环氧乙烷的制备原理：Cl－在阳极失电子生成Cl2，Cl2与水发生反应：Cl2＋H2OHCl＋HClO，HClO与乙烯发生加成反应生成HOCH2CH2Cl；阴极区发生反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，电解结束，移出交换膜，两区混合反应： HOCH2CH2Cl＋OH－===Cl－＋H2O＋C2H4O。根据分析可知阳极区会生成HCl，使用Cl－交换膜阻止OH－通过，HCl的浓度不断增大，pH逐渐减小，故C正确；根据分析可知该反应过程中KCl并没有被消耗，实际上是水、乙烯反应，总反应为H2C===CH2＋H2O===H2＋C2H4O，故D正确。 二、电解原理应用与污水处理 2．用如图所示装置除去含CN－、Cl－废水中的CN－时，控制溶液pH为9～10，阳极产生的ClO－将CN－氧化为两种无污染的气体，下列说法不正确的是(　　) A．阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ B．阳极的电极反应式为Cl－＋2OH－－2e－===ClO－＋H2O C．电解时使用锂钒氧化物二次电池(V2O5＋xLiLixV2O5)作电源，电池充电时a电极的电极反应式为LixV2O5－xe－===V2O5＋xLi＋ D．除去CN－的反应：2CN－＋5ClO－＋2H＋===N2↑＋2CO2↑＋5Cl－＋H2O 答案　D 解析　阳极产生的ClO－将CN－氧化为两种无污染的气体，两种气体为CO2和N2，该反应在碱性环境中发生，反应的离子方程式不应出现H＋，D项错误。 三、电解原理在大气治理方面的应用 3．(2022·湖南衡阳市高三联考)用“吸收—电解”循环法脱除烟气中的SO2，可减少对大气的污染。室温下，电解液K再生的装置如图所示，其中电解液的pH随n(SO)∶n(HSO)变化的关系见下表，下列对此判断正确的是(　　) 电解液 n(SO)∶n(HSO) pH K 9∶91 6.2 L 1∶1 7.2 M 91∶9 8.2 A.当电解液呈中性时溶液中：c(Na＋)>c(SO)>c(HSO)>c(OH－) B．再生液M吸收SO2主要反应的离子方程式为SO2＋OH－===HSO C．HSO在b极发生的电极反应式为HSO＋H2O－2e－===SO＋3H＋ D．若产生标准状况下2.24 L气体N，则d膜上共通过0.2 mol阳离子 答案　D 解析　根据装置图，阴离子通过c膜向a极移动，可知a极为阳极，发生的反应为HSO－2e－＋H2O===SO＋3H＋；b极为阴极，发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑，气体N为H2。n(SO)∶n(HSO)＝9∶91时，电解液pH＝6.2，n(SO)∶n(HSO)＝1∶1时，电解液pH＝7.2，由此推知当电解液呈中性时，c(HSO)＞c(SO)，A项错误；M吸收SO2主要发生的反应为SO＋SO2＋H2O===2HSO，B项错误；若产生标准状况下2.24 L气体N(0.1 mol H2)，阴极消耗0.2 mol H＋，减少0.2 mol正电荷，需要补充0.2 mol正电荷以达到平衡，则d膜上会通过0.2 mol阳离子，D项正确。 四、电解原理应用与金属处理 4．(2022·浙江重点中学联考)电解精炼法提纯镓(Ga)是工业上常用的方法，具体原理如图所示。已知：金属活动性顺序：Zn＞Ga＞Fe；镓的化学性质与铝相似。下列说法错误的是(　　) A．该装置中电流方向为N极→粗Ga→NaOH溶液→高纯Ga→M极 B．电解精炼镓时产生阳极泥的主要成分为Fe、Cu C．阴极发生的电极反应为Ga3＋＋3e－===Ga D．电解过程中需控制合适的条件，否则阴极可能会产生H2导致电解效率下降 答案　C 解析　题图中粗Ga作阳极，纯Ga作阴极，N极为正极，M极为负极。电解池中电流由电源正极流向电解池阳极，经过电解质溶液到达电解池阴极，再由阴极流向电源负极，A项正确；根据题中给出的金属活动性顺序，镓比铁、铜活泼，故铁、铜在电解精炼过程中形成阳极泥，B项正确；“镓的化学性质与铝相似”表明镓具有两性，结合电解质溶液显碱性，可知“粗Ga”阳极反应为Ga－3e－＋4OH－===GaO＋2H2O、Zn－2e－＋4OH－===ZnO＋2H2O，“高纯Ga”阴极反应为GaO＋3e－＋2H2O===Ga＋4OH－，C项错误；电解池中，若电解质溶液为水溶液，阴极上会存在H＋(或水电离出的H＋)得电子被还原为H2的竞争反应，若没控制合适的条件，该竞争反应可能会更明显，导致电解效率下降，D项正确。 1．(2021·全国甲卷，13)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是(　　) A．KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用 B．阳极上的反应式为：＋2H＋＋2e－―→＋H2O C．制得2 mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1 mol电子 D．双极膜中间层中的H＋在外电场作用下向铅电极方向迁移 答案　D 解析　KBr在上述电化学合成过程中除作电解质外，同时还是电解过程中阳极的反应物，生成的Br2与乙二醛反应制备乙醛酸，故A错误；阳极上Br－失去电子生成Br2，Br2将乙二醛氧化为乙醛酸，故B错误；电解过程中阴、阳极均生成乙醛酸，1 mol乙二酸生成1 mol乙醛酸转移的电子为2 mol，1 mol乙二醛生成1 mol乙醛酸转移的电子为2 mol，根据转移电子守恒可知制得2 mol乙醛酸时，理论上外电路中迁移了2 mol电子，故C错误；由上述分析可知，双极膜中间层的H＋在外电场作用下移向阴极，即H＋移向铅电极，故D正确。 2．(2021·北京，15)环氧乙烷(，简称EO)是一种重要的工业原料和消毒剂。由乙烯经电解制备EO的原理示意图如下。 (1)①阳极室产生Cl2后发生的反应有：________________________________、CH2===CH2＋HClO―→HOCH2CH2Cl。 ②结合电极反应式说明生成溶液a的原理：____________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)一定条件下，反应物按一定流速通过该装置。 电解效率η和选择性S的定义： η(B)＝×100% S(B)＝×100% ①若η(EO)＝100%，则溶液b的溶质为________________________________________。 ②当乙烯完全消耗时，测得η(EO)≈70%，S(EO)≈97%。推测η(EO)≈70%的原因： Ⅰ.阳极有H2O放电 Ⅱ.阳极有乙烯放电 Ⅲ.阳极室流出液中含有Cl2和HClO …… i．检验电解产物，推测Ⅰ不成立。需要检验的物质是____________________。 ii.假设没有生成EO的乙烯全部在阳极放电生成CO2，则η(CO2)≈________%。经检验阳极放电产物没有CO2。 iii.实验证实推测Ⅲ成立，所用试剂及现象是______________________。 可选试剂：AgNO3溶液、KI溶液、淀粉溶液、品红溶液 答案　(1)①Cl2＋H2OHCl＋HClO ②阴极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，K＋穿过阳离子膜进入阴极室形成KOH (2)①KCl　②i.O2　ii.13　iii.KI溶液和淀粉溶液，溶液变蓝(或品红溶液，品红褪色或KI溶液，溶液变成棕黄色) 解析　(1)阳极产生氯气后，可以和水发生反应生成次氯酸，其化学方程式为Cl2 ＋H2OHCl＋ HClO；溶液a是阴极的产物，在阴极发生反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，同时阳极的钾离子会向阴极移动和氢氧根离子结合形成氢氧化钾。 (2)①若η(EO)＝100%，则说明在电解过程中只有乙烯中的碳化合价发生变化，其他元素化合价没有变化。②i.阳极有H2O放电时会产生氧气，故需要检验的物质是O2；ii.设EO的物质的量为a，则转化的乙烯的物质的量为；生成EO转化的电子的物质的量为2a；此过程转移电子的总物质的量为；生成CO2的物质的量为2××3%；生成CO2转移的电子的物质的量为2××3%×6，则η(CO2)＝≈13%。 iii.实验证实推测Ⅲ成立，则会产生氯气，验证氯气即可。 课时精练 1．(2022·汕头市高三模拟)2021年3月5日，李克强总理在国务院政府报告中指出，扎实做好碳达峰、碳中和各项工作。科研工作者通过开发新型催化剂，利用太阳能电池将工业排放的CO2转化为CO，实现节能减排的目标。如图所示，下列有关说法正确的是(　　) A．N极为阴极 B．离子交换膜为阴离子交换膜 C．阳极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O D．理论上该装置在工作时，H3PO4与KH2PO4缓冲溶液的pH保持不变 答案　D 解析　N极为阳极，A错误；离子交换膜为阳离子交换膜，B错误；CO2在阴极转化为CO，故选项所写电极反应为阴极电极反应，C错误；根据得失电子守恒和阴、阳极电极反应知，缓冲溶液流入阴极的H＋和阳极流入缓冲溶液的H＋数目相等，故缓冲溶液中c(H＋)保持不变，故pH保持不变，D正确。 2．电—Fenton法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术，反应原理如图所示。电解产生的H2O2与Fe2＋发生反应生成的羟基自由基(·OH)能氧化降解有机污染物。下列说法错误的是(　　) A．电源的A极为负极 B．与电源B极相连电极的电极反应式为H2O－e－===H＋＋·OH C．Fenton反应为H2O2＋Fe2＋===Fe(OH)2＋＋·OH D．每消耗2.24 L O2(标准状况)，整个电解池中理论上可产生的·OH为0.2 mol 答案　D 解析　根据图示，三价铁离子在左端电极得到电子转化为亚铁离子，发生还原反应，左端电极为阴极，则A为电源负极，B为电源正极，右端电极为阳极。根据上述分析，电源的A极为负极，故A正确；与电源B极相连的电极为阳极，根据图示，水在阳极上失电