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1、电化学原理及应用(45分钟100分)一、选择题(本题包括6小题,每小题7分,共42分)1.生物体中细胞膜内的葡萄糖、细胞膜外的富氧液体及细胞构成微型的生物原电池,下列有关判断正确的是()A.负极发生的电极反应可能是：O2+4e-+2H2O=4OH-B.正极发生的电极反应可能是：O2+4e-=2O2-C.负极反应主要是C6H12O6生成CO2或HCD.正极反应主要是C6H12O6生成CO2或C2.下列与金属腐蚀有关的说法正确的是()A.图a中,插入海水中的铁棒,越靠近底端腐蚀越严重B.图b中,开关由M改置于N时,Cu-Zn合金的腐蚀速率减小C.图c中,接通开关时Zn腐蚀速率增大,Zn上放出气体的
2、速率也增大D.图d中,Zn-MnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的3.某兴趣小组设计如下微型实验装置。实验时,先断开K2,闭合K1,两极均有气泡产生;一段时间后,断开K1,闭合K2,发现电流表A指针偏转。下列有关描述正确的是()A.断开K2,闭合K1时,总反应的离子方程式为2H+2Cl-Cl2+H2B.断开K2,闭合K1时,石墨电极附近溶液变红C.断开K1,闭合K2时,铜电极上的电极反应式为Cl2+2e-=2Cl-D.断开K1,闭合K2时,石墨电极作正极4.(2013新课标全国卷)“ZEBRA”蓄电池的结构如图所示,电极材料多孔Ni/NiCl2和金属钠之间由钠离子导体制作的陶
3、瓷管相隔。下列关于该电池的叙述错误的是()A.电池反应中有NaCl生成B.电池的总反应是金属钠还原三价铝离子C.正极反应为：NiCl2+2e-=Ni+2Cl-D.钠离子通过钠离子导体在两电极间移动5.(2013厦门质检)“天宫一号”的供电系统(RFC)是一种将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的可充放电电池。下图为RFC工作原理示意图,有关说法正确的是()A.当有0.1 mol电子转移时,a极产生1.12 L O2(标准状况下)B.b极上发生的电极反应是4H2O+4e-=2H2+4OH-C.d极上发生的电极反应是O2+4H+4e-=2H2OD.c极上进行还原反应,B中的H+可以通过隔膜进入A6
4、.(2013泉州质检)右图是模拟电化学反应装置图。下列说法正确的是()A.若X为锌棒,Y为NaCl溶液,开关K置于M处,可减缓铁的腐蚀,这种方法称为外接电源的阴极保护法B.若X为碳棒,Y为饱和NaOH溶液,开关K置于N处,保持温度不变,则溶液的pH保持不变C.若X为银棒,Y为硝酸银溶液,开关K置于N处,铁棒质量将增加,溶液中银离子浓度将减小D.若X为铜棒,Y为硫酸铜溶液,开关K置于M处,铜棒质量将增加,此时外电路中的电子向铁电极移动二、非选择题(本题包括4小题,共58分)7.(13分)某小组同学设想用如图装置电解硫酸钾溶液来制取氧气、氢气、硫酸和氢氧化钾。(1)X极与电源的(填“正”或“负”)
5、极相连,氢气从(填“A”“B”“C”或“D”)口导出。(2)离子交换膜只允许一类离子通过,则M为(填“阴离子”或“阳离子”,下同)交换膜,N为 交换膜。(3)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(石墨为电极),则电池负极的反应式为 。(4)若在标准状况下,制得11.2 L氢气,则生成硫酸的质量是,转移的电子数为。8.(13分)某化学活动小组利用如下甲装置对原电池进行探究,请回答以下问题：(其中盐桥为含有饱和KCl溶液的琼脂)(1)在甲装置中,当电流计中指针发生偏转时,盐桥中的K+移向烧杯(填“A”或“B”),装置中电子的移动路径和方向为 。该小组同学提出设想：如果将实验中的盐桥
6、换为导线(铜制),电流计是否也发生偏转呢?带着疑问,该小组利用乙装置进行了实验,发现电流计指针同样发生偏转。回答下列问题：(2)对于实验中产生电流的原因,起初认为该装置仍然为原电池,但老师提醒注意使用的是铜导线,经深入探讨后认为烧杯A实际为原电池,在此问题上,该小组成员的意见发生了很大分歧;一部分同学认为是由于ZnSO4溶液水解显酸性,此时原电池实际是由Zn、Cu做电极,H2SO4溶液作为电解质溶液而构成的原电池。如果这个观点正确,写出烧杯B中铜片上发生反应的电极反应式 。另一部分同学认为是溶液酸性较弱,由于溶解在溶液中的氧气的作用,使得Zn、Cu之间形成原电池。如果这个观点正确,那么原电池的
7、正极反应式为 _。(3)若第(2)小题中观点正确,则可以利用此原理设计电池为在偏远海岛工作的灯塔供电。其具体装置为以金属铝和石墨为电极,以海水为电解质溶液,请写出该电池工作时总反应的化学方程式 。9.(14分)新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料,两电极上分别通入CH4和O2,电解质为KOH溶液。某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源,进行饱和氯化钠溶液电解实验,如图所示。回答下列问题：(1)甲烷燃料电池正极、负极的电极反应分别为 、。(2)闭合K开关后,a、b电极上均有气体产生,其中b电极上得到的是,电解氯化钠溶液的总反应方程式为;(3)若每个电池甲烷通入量为1 L(标准状况),且反应
8、完全,则理论上通过电解池的电量为(法拉第常数F=9.65104Cmol-1,列式计算),最多能产生的氯气体积为L(标准状况)。10.(18分)(2013漳州联考)(1)甲醇(CH3OH)是重要的能源物质,研究甲醇具有重要意义。为提高甲醇燃料的利用率,科学家发明了一种燃料电池,电池的一个电极通入空气,另一个电极通入甲醇气体,电解质是掺入了Y2O3的ZrO2晶体,在高温下它能传导O2-。电池工作时正极反应式为 。若以该电池为电源,用石墨做电极电解100 mL含有如下离子的溶液。离子Cu2+H+Cl-SO2-4c/molL-11441电解一段时间后,当两极收集到相同体积(相同条件)的气体时(忽略溶液
9、体积的变化及电极产物可能存在的溶解现象),阳极上收集到氧气的物质的量为 mol。(2)甲醇对水质会造成一定的污染,有一种电化学法可消除这种污染,其原理是：通电后将Co2+氧化成Co3+,然后以Co3+做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO2而净化。实验室用下图装置模拟上述过程：写出阳极电极反应式 ;除去甲醇的离子反应为6Co3+CH3OH+H2O=CO2+6Co2+6H+,该过程中被氧化的元素是,当产生标准状况下2.24 L CO2时,共转移电子mol。答案解析1.【解析】选C。该生物原电池中负极是C6H12O6失去电子生成CO2或HC,正极是氧气得到电子,电极反应是O2+4e-+2H2O=4OH-,
10、故C正确。2.【解析】选B。A项,因溶液具有均一性,烧杯底端的溶液的浓度与上端相同,但液面处O2浓度较大,故液面处腐蚀程度比底端腐蚀严重,A错误;B项,由M改置于N后,锌作原电池的负极,Cu-Zn合金应充当原电池的正极,明显受到了一定的保护,腐蚀速率减小,B正确;C项,接通开关时,锌作原电池的负极,腐蚀速率变大,但是气体不在锌(负极)上产生,而是在铂(正极)上产生,C错误;D项,Zn-MnO2干电池发生放电反应,导致Zn被腐蚀,主要原因是锌发生氧化反应,体现了锌的还原性,D错误。3.【解析】选D。断开K2,闭合K1时,装置为电解池,两极均有气泡产生,则反应为2Cl-+2H2OH2+2OH-+C
11、l2,石墨为阳极,铜为阴极,因此石墨电极处产生Cl2,在铜电极处产生H2,附近产生OH-,溶液变红,故A、B两项均错误;断开K1、闭合K2时,为原电池反应,铜电极反应为H2-2e-+2OH-=2H2O,为负极,而石墨电极反应为Cl2+2e-=2Cl-,为正极,故C项错误,D项正确。4.【解析】选B。金属钠失电子变为钠离子,NiCl2中的Ni2+被还原,剩余Cl-,故有氯化钠生成,A项正确;电池的总反应应该是金属钠还原Ni2+,B项错误;正极反应为Ni2+得电子生成金属镍,C项正确;钠离子导体可以传导钠离子,故钠离子可以在两极间移动,D项正确。5.【解析】选D。由图可知左装置为电解池,右装置是原
12、电池,气体X在阴极产生,即a极产生H2,气体Y在阳极产生,即b极产生O2,故A、B、C都不正确;c极反应为O2+4H+4e-=2H2O,发生还原反应,d极反应为H2-2e-=2H+,B中产生H+,A中消耗H+,故B中的H+可以通过隔膜进入A,D正确。6.【解析】选B。A项,若X为锌棒,Y为NaCl溶液,开关K置于M处,该装置是原电池,锌作负极被腐蚀,铁被保护,这种方法称为牺牲阳极的阴极保护法,故错误。B项,若X为碳棒,Y为饱和NaOH溶液,开关K置于N处,该装置是电解池,碳棒是阳极,铁棒是阴极,保持温度不变,电解后溶液的体积减小,氢氧化钠的浓度不变,则溶液的pH不变,故正确。C项,若X为银棒,
13、Y为硝酸银溶液,开关K置于N处,该装置是电镀池,铁棒质量将增加,但溶液中银离子浓度将不变,故错误。D项,若X为铜棒,Y为硫酸铜溶液,开关K置于M处,铁作负极被腐蚀,铜棒上铜离子得电子析出铜而使铜棒质量增加,此时外电路中的电子向铜电极移动,故错误。7.【解析】题图中左边加入含硫酸的水,暗示左边制硫酸,即OH-在阳极发生氧化反应,使左边溶液中H+增多,为了使溶液呈电中性,硫酸钾溶液中的S通过M交换膜向左边迁移,即M为阴离子交换膜,由此推知X为阳极,与电源正极相连,B出口产生氧气,A出口流出硫酸;同理,右侧加入含KOH的水,说明右边制备KOH溶液,H+在Y极发生还原反应,说明Y极为阴极,与电源负极相
14、连,右边溶液中OH-增多,硫酸钾溶液中K+向右迁移,N为阳离子交换膜,所以C出口产生氢气,D出口流出KOH溶液。(3)若将制得的氢气和氧气在氢氧化钾溶液中构成原电池,正极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-,负极反应式为2H2-4e-+4OH-=4H2O。(4)n(H2)=0.5 mol,2H+2e-=H2,得电子1 mol,X极的反应式为4OH-4e-=2H2O+O2,根据得失电子守恒知,生成H+的物质的量为1 mol,故生成0.5 mol H2SO4,m(H2SO4)=49 g。答案：(1)正C(2)阴离子阳离子(3)H2-2e-+2OH-=2H2O(4)49 g6.0210238.【
15、解析】(1)甲装置中Zn为负极,Cu为正极,电流方向为Cu电流计Zn盐桥Cu,电流的方向为正电荷运动的方向,负电荷运动的反方向,故K+移向B烧杯,电子由Zn电极经外电路流向Cu电极。(2)若盐桥改为铜导线,且仍有电流产生,说明A为原电池,而B为电解池。A中Zn为负极,Cu为正极,氧化性微粒可能为Zn2+水解产生的H+或溶解于溶液中的O2。则B中铜片为阴极,电极反应式为Cu2+2e-=Cu。如所述,A中正极上O2获得电子。(3)Al为负极,石墨为正极,海水为电解质溶液,O2为氧化剂,总反应方程式为4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3。答案：(1)B由Zn电极沿导线流向Cu电极(2)Cu2+
16、2e-=CuO2+2H2O+4e-=4OH-(3)4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)39.【解析】(1)在碱性环境下,该燃料电池的总反应为CH4+2O2+2OH-=C+3H2O,正极反应为2O2+4H2O+8e-=8OH-,则两式相减得出负极反应为CH4+10OH-8e-=C+7H2O。(2)根据图示得知该装置为两个串联的电源和一个电解池,由于甲烷发生氧化反应因而与甲烷相连的电解池的b极为阴极,产生的气体为氢气。(3)1 mol甲烷氧化失去电子8 mol,电量为89.65104C,因题中燃料电池是串联的,但电子的传递只能用一个电池计算,由于甲烷失去电子数是氯离子失电子数的8倍,所以有关系
17、式CH44Cl2。答案：(1)2O2+4H2O+8e-=8OH-CH4+10OH-8e-=C+7H2O(2)H22NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2(3)89.65104Cmol-1=3.45104C4【答题误区】(1)书写负极反应式时,易忽视电解质溶液的环境,把生成物C写成CO2而导致错误。(2)因漏掉“电解”而导致电解氯化钠溶液的总反应方程式失分。(3)不注意审题,只写结果而不列式计算导致失分。10.【解析】(1)正极上氧气得电子生成氧离子,电极反应式为O2+4e-=2O2-;n(Cu2+)=0.1 mol,n(H+)=0.4 mol,n(Cl-)=0.4 mol,n(S)=0.1 mol,要想使两极得到相同体积的气体,阳极上有氧气生成,设氧气的物质的量为x,电解时阴阳极上得失电子数相等,所以0.1 mol2+(x+0. 2)mol2=4x+0.4 mol1,x=0.1 mol。(2)阳极上二价钴离子失电子生成三价钴离子,电极反应式为Co2+-e-=Co3+失电子的物质作还原剂,被氧化,所以被氧化的是C或碳;6Co3+CH3OH+H2O=CO2+6Co2+6H+转移e- 22.4 L 6 mol 2.24 L 0.6 mol故转移电子0.6 mol。答案：(1)O2+4e-=2O2-0.1(2)Co2+-e-=Co3+C或碳0.6- 6 -