专题1分层作业6 电解池的工作原理及应用
A级 必备知识基础练
1.如图所示,将锌棒和铜棒插入稀硫酸中。下列说法正确的是( )
A.甲装置中锌棒作为负极发生氧化反应,乙装置中锌棒作为阴极发生还原反应
B.甲装置中电子由锌棒经导线流向铜棒
C.乙装置中电解质溶液中的氢离子流向锌棒
D.甲、乙两个装置的反应原理不同
2.用石墨作为电极电解大量CuSO4溶液。通电一段时间后,欲使电解液恢复到起始状态,应向溶液中加入适量的( )
A.CuSO4 B.H2O
C.CuO D.CuSO4·5H2O
3.用惰性电极电解物质的量浓度相同、体积比为3∶1的硫酸铜和氯化钠的混合溶液,不可能发生的反应有( )
A.2Cu2++2H2O2Cu+4H++O2↑
B.Cu2++2Cl-Cu+Cl2↑
C.2Cl-+2H2O2OH-+H2↑+Cl2↑
D.2H2O2H2↑+O2↑
4.在新型钴基电催化剂作用下,用石墨、铁为电极材料,可将CO2和水转化为甲酸。其反应原理如下图所示,下列说法正确的是( )
A.石墨为阴极,铁为阳极
B.阳极的电极反应式:2O2--4e-O2↑
C.阴极的电极反应式:CO2+2e-+2H+HCOOH
D.电解过程中阳极的质量肯定不变
5.(2023河北邯郸高二期中)下面是电解饱和食盐水的装置,通电一段时间后下列说法不正确的是( )
A.阴极附近溶液的pH增大
B.阳极产生的气体可用湿润的淀粉碘化钾试纸检验
C.若阳极最终收集到4.48 L气体,则反应中转移电子的物质的量为0.4 mol
D.完全电解后充分混合U形管中的物质,所得溶液中会含有NaClO
6.以CH3OH、CO、O2为主要原料,用电化学方法合成碳酸二甲酯的装置如图所示。
下列说法不正确的是( )
A.质子由交换膜左侧向右侧迁移
B.X为负极,与X极相连的一极上发生还原反应
C.阳极反应式为2CH3OH+CO-2e-(CH3O)2CO+2H+
D.每还原16 g O2时生成1 mol碳酸二甲酯
7.(2023河北唐山十县联盟高二期中)下列实验装置能达到实验目的的是( )
A B
电解饱和食盐水并检验气体 构成铜锌原电池
续表
C D
电解精炼铜 铁片镀银
8.电解、电镀、电解精炼被广泛应用,请回答下列问题:
(1)镀铜可防止铁制品被腐蚀,电镀时用铜而不用石墨作为阳极的原因是 。
(2)以CuSO4溶液为电解质溶液进行粗铜(含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质)的电解精炼,下列说法正确的是 (填字母)。
A.电能全部转化为化学能
B.粗铜接电源正极,发生氧化反应
C.溶液中Cu2+向阳极移动
D.利用阳极泥可回收Ag、Pt、Au等金属
(3)以铝材为阳极,在H2SO4溶液中电解,铝材表面形成氧化膜,阳极的电极反应式为 。
B级 关键能力提升练
9.电镀、冶炼等行业会产生大量的硝酸废液,增加水体中的氮污染。某工厂开发了一种电化学降解N、降低酸性的设备,原理如图所示,图中M为质子(H+)交换膜。下列说法不正确的是( )
A.铅蓄电池的A极为正极,电极材料为PbO2
B.该电解池阴极反应为2N+6H2O+10e-N2↑+12OH-
C.若电解过程中转移2 mol电子,则交换膜左侧电解液的质量变化为18 g
D.若铅蓄电池工作过程中负极质量增加9.6 g,电解池阴极室产生N2 448 mL(标准状况下)
10.某工业废水中残留较高浓度的NaCl和Na2SO4,利用四室电解池可对废水进行脱盐净化,装置原理如图所示。下列说法错误的是( )
A.甲为直流电源的正极
B.Ⅱ室可得较高浓度的硫酸和盐酸的混合溶液
C.电解一段时间后,Ⅱ室与Ⅳ室增加的质量之比可能为1∶2
D.阳极室为Ⅰ室,电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑
11.我国某科研团队设计了一种新型能量存储/转化装置(如下图所示)。闭合K2、断开K1时,制氢并储能;断开K2、闭合K1时,供电。下列说法错误的是( )
A.制氢时,溶液中K+向Pt电极移动
B.制氢时,X电极反应式为Ni(OH)2-e-+OH-NiOOH+H2O
C.供电时,Zn电极附近溶液的pH降低
D.供电时,装置中的总反应为Zn+2H2OZn(OH)2+H2↑
12.用惰性电极电解M(NO3)x的水溶液,当阴极上质量增加a g时,在阳极上同时产生b L(标准状况)氧气,从而可知M的相对原子质量为( )
A. B.
C. D.
13.NaClO2(亚氯酸钠)是常用的消毒剂和漂白剂,工业上可采用电解法制备,工作原理如图所示。下列叙述正确的是( )
A.若直流电源为铅蓄电池,则a极为PbO2
B.阳极的电极反应式为ClO2+e-Cl
C.交换膜左侧NaOH的物质的量不变,气体X为Cl2
D.制备18.1 g NaClO2时理论上有0.2 mol Na+由交换膜左侧向右侧迁移
14.电解制备钴(Co)的工作原理如图所示。下列关于该装置工作时的说法不正确的是( )
A.a为电源的正极
B.钴电极上的电极反应为Co2++2e-Co
C.Ⅱ室中HCl的浓度减小
D.若不使用离子交换膜,石墨电极上会析出Cl2
15.在如图装置中,若通电一段时间后,甲装置中Cl-有剩余,乙装置左侧电极质量增加,则下列说法错误的是 ( )
A.乙装置中左侧电极反应式:Cu2++2e-Cu
B.电解过程中丙装置的溶液pH无变化
C.向甲装置中通入适量的HCl气体,可使溶液恢复到电解前的状态
D.当甲装置中产生标准状况下4.48 L气体时,丙装置中Cu电极上质量增加43.2 g
16.某小组同学模拟工业上用离子交换膜法制烧碱的方法,可以设想用如图装置电解硫酸钾溶液来制取氢气、氧气、硫酸和氢氧化钾。
(1)该电解槽的阳极反应为 ,此时通过阴离子交换膜的离子数 (填“大于”“小于”或“等于”)通过阳离子交换膜的离子数。
(2)制得的氢氧化钾溶液从出口 (填“A”“B”“C”或“D”,下同)导出,制得的氧气从出口 导出。
(3)通电开始后,阴极附近溶液pH会增大,请简述原因: 。
(4)若将制得的氢气、氧气和氢氧化钾溶液组合为氢氧燃料电池,则电池正极的电极反应为 。
C级 学科素养拔高练
17.重铬酸钾(K2Cr2O7)又名红矾钾,是化学实验中一种重要的分析试剂。工业上以铬酸钾(K2CrO4)为原料,采用电化学法制备重铬酸钾。制备装置如图所示(阳离子交换膜只允许阳离子通过):
制备原理:2Cr(黄色)+2H+Cr2(橙色)+H2O
(1)通电后阳极室产生的现象为 ;其电极反应式是 。
(2)该制备过程总反应的离子方程式可表示为4Cr+4H2O2Cr2+4OH-+2H2↑+O2↑。若实验开始时在右室中加入38.8 g K2CrO4,t min后测得右室中K与Cr的物质的量之比为3∶2,则溶液中K2CrO4和K2Cr2O7的物质的量之比为 ;K2CrO4恰好反应时电路中转移电子的物质的量为 。
参考答案
专题1 分层作业6 电解池的工作原理及应用
1.B 解析 甲装置是原电池,锌棒作为负极失去电子被氧化,乙装置是电解池,锌棒与电源的正极相连,作为阳极发生氧化反应,A项错误。甲装置中锌棒作为负极失去电子,电子经过导线流向铜棒,B项正确。乙装置中电解质溶液中的氢离子向阴极铜棒移动,C项错误。甲、乙两装置中对应的氧化还原反应均为Zn+2H+Zn2++H2↑,反应原理相同,D项错误。
2.C 解析 用石墨电极电解大量CuSO4溶液,发生反应:2CuSO4+2H2O2Cu+2H2SO4+O2↑,电解质溶液的恢复依据“出什么,加什么”的原则,应向溶液中加入适量的CuO,C项正确。
3.C 解析 设混合溶液的体积为4 L,物质的量浓度均为1 mol· L-1,溶液中硫酸铜和氯化钠的物质的量分别为3 mol 和1 mol,根据转移电子守恒,第一阶段:阳极上氯离子放电,阴极上铜离子放电,电解的总反应化学方程式是Cu2++2Cl-Cu+Cl2↑,氯离子完全反应时,剩余铜离子2.5 mol;第二阶段:阳极上氢氧根离子放电,阴极上铜离子放电,电解的总反应化学方程式是2Cu2++2H2O2Cu+4H++O2↑;第三阶段:阳极上氢氧根离子放电,阴极上氢离子放电,电解的总反应化学方程式是2H2O2H2↑+O2↑。
4.B 解析 电解反应中,若铁为阳极,铁会溶解,不会得到氧气,所以石墨为阳极,铁为阴极,A项错误;石墨为阳极,氧离子移向阳极,在阳极放电生成氧气,阳极的电极反应式为2O2--4e-O2↑,B项正确;在阴极CO2转化为甲酸,发生还原反应,需要水参与反应,同时生成氧离子,电极反应式为CO2+H2O+2e-HCOOH+O2-,C项错误;电解过程中阳极生成氧气,氧气与石墨反应,所以质量会减少,D项错误。
5.C 解析 电解饱和食盐水时,选用石墨棒作阳极材料时,在阳极是氯离子失电子得到氯气,而使用活泼金属铁作阴极,则阴极是水中的氢离子得电子放出氢气,所以阴极附近溶液中的氢氧根离子浓度增大,故A正确;在阳极区域,氯离子失电子产生氯气,遇湿润的淀粉碘化钾试纸会变蓝,故B正确;电解过程中,氯离子在阳极失电子生成4.48 L氯气,没有说明所处的环境,无法计算物质的量,故C错误;电解氯化钠溶液过程中产生的氯气会与氢氧化钠溶液反应,所以溶液中会有NaClO生成,故D正确。
6.A 解析 根据物质转化可知,氧气发生还原反应,CO发生氧化反应,X极为负极,Y极为正极。A项,质子由交换膜右侧向左侧迁移,错误;B项,电解池的阴极与电源的负极相连,阴极上发生还原反应,正确;C项,CO中碳元素的化合价升高,甲醇中碳元素的化合价没有变化,正确;D项,阴极反应式为O2+4e-+4H+2H2O,n(O2)=0.5 mol,n(e-)=2 mol,由阳极反应式知,转移2 mol电子生成1 mol(CH3O)2CO,正确。
7.B 解析 铁棒作阴极,阴极上放电的是氢离子,而不是氯离子,所以阴极上得不到氯气,淀粉碘化钾溶液不会变蓝,故A错误;锌作负极,铜作正极,发生的自发氧化还原反应为Zn+Cu2+Zn2++Cu,符合构成原电池的条件,故B正确;电解精炼铜时,粗铜作阳极,纯铜作阴极,故C错误;铁作阳极,铁自身放电,消耗铁电极,不能在铁片表面镀银,故D错误。
8.答案 (1)补充溶液中的Cu2+,保持溶液中Cu2+的浓度恒定 (2)BD (3)2Al+3H2O-6e-Al2O3+6H+
解析 (1)电镀时,镀件作为阴极,镀层金属作为阳极,含镀层金属的盐溶液作为电解液。(2)以CuSO4溶液为电解质溶液电解精炼铜时,粗铜作为阳极(发生氧化反应),精铜作为阴极(Cu2+发生还原反应),较活泼金属(Al、Zn、Cu)在阳极被氧化,不活泼金属(Au、Pt、Ag)在阳极附近沉积,形成阳极泥,电解质溶液中Cu2+向阴极移动。电解过程中,电能转化为化学能和热能。(3)阳极材料是铝,属于活泼金属电极,电极本身参与反应,反应过程中失去电子而生成Al2O3。电解质溶液是稀硫酸,所以电极反应式为2Al+3H2O-6e-Al2O3+6H+。
9.B 解析 据装置图可知,与电源B极相连的电极上N得到电子生成了N2,说明该电极为电解池的阴极,B极为电池的负极,A为电池的正极,正极上PbO2得到电子生成PbSO4,A项正确;阴极上N得到电子生成N2,电解质溶液为酸性环境,则电极反应式为2N+12H++10e-N2↑+6H2O,B项错误;电解池左侧为H2O失去电子生成H+、O2,若电解过程中转移2 mol电子,则有2 mol H+穿过质子交换膜移向右侧,同时有0.5 mol O2逸出,因此交换膜左侧电解液的质量变化为2 mol×1 g·mol-1+0.5 mol×32 g·mol-1=18 g,C项正确;铅蓄电池放电时,负极为Pb失去电子生成PbSO4,电极反应式为Pb-2e-+SPbSO4,每转移2 mol电子,增重96 g,负极质量增加9.6 g,则转移电子为×2=0.2 mol,根据转移电子守恒以及阴极电极反应式可知,阴极生成0.02 mol N2,其标准状况下体积为0.02 mol×22.4 L·mol-1=0.448 L=448 mL,D项正确。
10.C 解析 由阳离子移向右侧、阴离子移向左侧可知,Ⅰ室为阳极室,Ⅳ室为阴极室,则甲为电源正极,乙为电源负极,A正确;Ⅰ室中的H+进入Ⅱ室;Ⅳ室电解生成阴离子OH-,则Na+穿过阳离子膜c进入Ⅳ室,则Ⅲ室阳离子“亏空”,阴离子被迫进入Ⅱ室,则最终Ⅱ室得到较高浓度的硫酸和盐酸的混合溶液,B正确;Ⅱ室进入的离子有H+、S、Cl-,其中溶质为HCl、H2SO4;Ⅳ室NaOH增多,若电路中通过2 mol电子,则Ⅱ室溶质增加的质量为73~98 g,Ⅳ室增加的质量为44 g,故Ⅱ室与Ⅳ室溶质增加的质量之比不可能为1∶2,C错误;Ⅰ室为阳极室,水失电子生成O2,电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,D正确。
11.D 解析 闭合K2制氢时,光伏电池供电,X电极与Pt电极构成电解池;闭合K1放电时,X电极与Zn电极构成原电池。根据题图分析,制氢时表面析出H2的Pt电极为阴极,故K+应该移向Pt电极,A项正确;制氢时,X电极为电解池阳极时,Ni元素失电子、化合价升高,故电极反应式为Ni(OH)2-e-+OH-NiOOH+H2O,B项正确;供电时,发生的是原电池反应,Zn电极为负极,发生氧化反应并消耗OH-,则Zn电极附近溶液的pH降低,C项正确;供电时,X电极发生还原反应,氧化剂为NiOOH,供电时电池反应中氧化剂不是H2O,D项错误。
12.C 解析 根据电解原理,可列出阴、阳极的电极反应式。
阳极:4OH--4e-2H2O+O2↑
阴极:Mx++xe-M
根据阴、阳两极得失电子守恒有:
×4=×x(y为M的相对原子质量)
解得y=。
13.C 解析 A项,左边通入ClO2,ClO2得电子生成Cl,故左侧Pt电极为阴极,连接电源的负极,铅蓄电池Pb极为负极,则a极为Pb,错误;B项,b为电源正极,右侧Pt电极为阳极,故氯离子失电子生成氯气,电极反应式为2Cl--2e-Cl2↑,错误;C项,交换膜左侧NaOH不参与电极反应,物质的量不变,根据B项分析可知,气体X为Cl2,正确;D项,电解池中阳离子向阴极移动,则制备18.1 g(0.2 mol)NaClO2,理论上有0.2 mol Na+由交换膜右侧向左侧迁移,错误。
14.C 解析 A项,该装置为电解制备Co,则钴为阴极,石墨为阳极,a为电源的正极,正确;B项,钴为阴极,电极反应式为Co2++2e-Co,正确;C项,Ⅰ室中发生的电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,电解池中阳离子移到阴极,即Ⅰ室溶液中H+移到Ⅱ室,阴离子移到阳极,即Ⅲ室中Cl-移到Ⅱ室,则Ⅱ室中HCl的浓度增大,错误;D项,若Ⅰ、Ⅱ室之间不使用阳离子交换膜,Ⅱ室中Cl-移到阳极先失电子,则石墨电极上会析出Cl2,正确。
15.D 解析 乙装置溶液中含有Cu2+、K+、S、H+、OH-,根据放电顺序,左侧电极质量增加,为阴极,发生的电极反应为Cu2++2e-Cu,A项正确;丙装置阳极反应为Ag-e-Ag+,阴极反应为Ag++e-Ag,溶液成分不变,所以丙装置的溶液pH无变化,B项正确;甲装置为电解KCl溶液生成KOH、Cl2、H2,则向甲中通入适量的HCl气体,可使溶液恢复到电解前的状态,C项正确;甲装置产生的气体为Cl2、H2,当总物质的量为0.2 mol时,Cl2和H2各占0.1 mol,转移电子的物质的量为0.2 mol,丙装置中Cu电极析出的Ag为0.2 mol,质量增加21.6 g,D项错误。
16.答案 (1)2H2O-4e-O2↑+4H+ 小于 (2)D B (3)阴极的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,OH-浓度增大 (4)O2+2H2O+4e-4OH-
解析 (1)电解时,阳极上失电子发生氧化反应,反应为2H2O-4e-O2↑+4H+;阳极氢氧根离子放电,因此硫酸根离子向阳极移动,阴极氢离子放电,因此钾离子向阴极移动,所以通过相同电量时,通过阴离子交换膜的离子数小于通过阳离子交换膜的离子数。(2)氢氧化钾在阴极生成,所以在D口导出;氧气在阳极生成,且氧气是气体,所以从B口导出。(3)通电开始后,阴极的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,OH-浓度增大,所以溶液的pH增大。(4)燃料电池中,燃料在负极上失电子发生氧化反应,氧化剂在正极上得电子发生还原反应,该燃料电池中,氧气是氧化剂,所以氧气在正极上得电子和水反应生成氢氧根离子,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。
17.答案 (1)阳极附近产生无色气体,溶液由黄色逐渐变为橙色 2H2O-4e-O2↑+4H+ (2)2∶1 0.1 mol
解析 (2)设溶液中K2CrO4和K2Cr2O7的物质的量分别为a mol、b mol,则(2a+2b)∶(a+2b)=3∶2,计算得出a∶b=2∶1;n(Cr)=n(K2CrO4)==0.2 mol,由Cr守恒可知,0.1 mol K2CrO4参加反应生成0.05 mol K2Cr2O7,由给出的离子方程式可知关系式:4Cr~4e-,故转移电子的物质的量为0.1 mol。
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