高考化学答题技巧之选择题 题型02 电化学图像分析(解析版)Word（20页）

题型02 电化学图像分析 1．电化学题解题流程 2．电化学解题模板 第一步：读题 逐字逐句读，挖掘关键字，排除无效信息，找到对解题有价值的信息，并作标记。 第一步：确定装置类型 放电为原电池，充电为电解池。 第二步：判断电极名称 放电时的正极为充电时间阳极，放电时的负极为充电时的阴极。 第三步：写出电极反应 放电时的正极反应颠倒过来为充电时的阳极反应；放电时的负极反应颠倒过来为充电时的阴极反应。 第四步：分析离子移动 由生成一极向消耗一极移动；区域pH 变化：OH-生成区，H+消耗区，pH 增大；OH-消耗区，H+生成区， pH 减小。 3．原电池及其设计 (1)原电池闭合回路的形成有多种方式，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极相接触。 电化学图象题是高考中电化学最常见的呈现方式，通过陌生电化学装置图，考查学生接受、吸收、整合 化学信息的能力，也体现了对“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养考查。命题角度主要有新型一般 电池、新型可充电电池、新型燃料电池、电解池原理及其应用，另外有无离子交换膜也是关注的角度。 在复杂、陌生、新颖的研究对象和真实问题情境下，体现了对电化学知识基础性、综合性、创新性和应 用性的考查。 (2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动，与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。 (3)无论在原电池还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。 (4)原电池设计步骤 4．二次电池结构原理 5．锂离子电池充放电分析 正极材料：LiMO2(M：Co、Ni、Mn 等)；LiM2O4(M：Co、Ni、Mn 等)；LiMPO4(M：Fe 等) 负极材料：石墨(能吸附锂原子) 负极反应：LixCn－xe－===xLi＋＋Cn 正极反应：Li1－xMO2＋xLi＋＋xe－===LiMO2 总反应：Li1－xMO2＋LixCn Cn＋LiMO2。 6．燃料电池结构分析 7．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。 8．燃料电池电极反应式书写的常用方法 第一步，写出电池总反应式。 燃料电池的总反应与燃料燃烧的反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加合后的反应。 如甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH 溶液)的反应如下： CH4＋2O2===CO2＋2H2O ① CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O ② ①＋②可得甲烷燃料电池的总反应式：CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。 第二步，写出电池的正极反应式。 根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，因电解质溶液不同，故其电极反 应也会有所不同： (1)酸性电解质：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 (2)碱性电解质：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。 (3)固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－===2O2－。 (4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－===2CO。 第三步，电池的总反应式－电池的正极反应式＝电池的负极反应式。 9．离子交换膜的类型 (1)阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过，阻止阴离子和气体通过) 以锌铜原电池为例，中间用阳离子交换膜隔开 ①负极反应式：Zn-2e-=Zn2＋ ②正极反应式：Cu2＋＋2e-=Cu ③Zn2＋通过阳离子交换膜进入正极区 ④阳离子→透过阳离子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极) (2)阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过，阻止阳离子和气体通过) 以Pt 为电极电解淀粉KI 溶液，中间用阴离子交换膜隔开 ①阴极反应式：2H2O＋2e-=H2↑＋2OH- ②阳极反应式：2I-_2e-=I2 ③阴极产生的OH-移向阳极与阳极产物反应：3I2＋6OH-=IO3 -＋ 5I-＋3H2O ④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极(或原电池的负极) (3)质子交换膜(只允许H＋和水分子通过) 在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH)，可获得清洁能源H2 ①阴极反应式：2H＋＋2e-=H2↑ ②阳极反应式：CH3COOH-8e-＋2H2O=2CO2↑＋8H＋ ③阳极产生的H＋通过质子交换膜移向阴极 ④H＋→透过质子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极) (4)电渗析法 将含AnBm 的废水再生为HnB 和 A(OH)m 的原理：已知A 为金属活动 顺序表H 之前的金属，Bn-为含氧酸根 离子 (5)解题模板 第一步，分清隔膜类型。即交换膜属于阳离子交换膜、阴离子交换膜或质子交换膜中的哪一种，判断 允许哪种离子通过隔膜。 第二步，写出电极反应，判断交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，根据电荷平衡判断离子迁移方向。 第三步，分析隔膜作用。在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或 避免产物因发生反应而造成危险。 1．(2023•全国新课标卷，10)一种以V2O5和Zn 为电极、Zn(CF3SO3)2水溶液为电解质的电池，其示意 图如下所示。放电时，Zn2+可插入V2O5层间形成ZnxV2O5·nH2O。下列说法错误的是( ) A．放电时V2O5为正极 B．放电时Zn2+由负极向正极迁移 C．充电总反应：xZn+V2O5+nH2O=ZnxV2O5·nH2O D．充电阳极反应：ZnxV2O5·nH2O-2xe- =xZn2++V2O5+nH2O 【答案】C 【解析】由题中信息可知，该电池中Zn 为负极、V2O5 为正极，电池的总反应为 xZn+V2O5+nH2O=ZnxV2O5·nH2O。A 项，由题信息可知，放电时，Zn2+可插入V2O5层间形成ZnxV2O5·nH2O， V2O5发生了还原反应，则放电时V2O5为正极，A 正确；B 项，Zn 为负极，放电时Zn 失去电子变为Zn2+， 阳离子向正极迁移，则放电时Zn2+由负极向正极迁移，B 正确；C 项，电池在放电时的总反应为 xZn+V2O5+nH2O=ZnxV2O5·nH2O，则其在充电时的总反应为ZnxV2O5·nH2O=xZn+V2O5+nH2O，C 不正确；D 项， 充电阳极上ZnxV2O5·nH2O 被氧化为V2O5，则阳极的电极反应为ZnxV2O5·nH2O-2xe- =xZn2++V2O5+nH2O，D 正 确；故选C。 2．(2023•全国乙卷，12)室温钠-硫电池被认为是一种成本低、比能量高的能源存储系统。一种室温 钠-硫电池的结构如图所示。将钠箔置于聚苯并咪唑膜上作为一个电极，表面喷涂有硫黄粉末的炭化纤维素 纸作为另一电极。工作时，在硫电极发生反应： S8+e-→ S ， S +e-→S ，2Na++ S +2(1- )e- →Na2Sx 下列叙述错误的是( ) A．充电时Na+从钠电极向硫电极迁移 B．放电时外电路电子流动的方向是a→b C．放电时正极反应为：2Na++ S8+2e-→Na2Sx D．炭化纤维素纸的作用是增强硫电极导电性能 【答案】A 【解析】由题意可知放电时硫电极得电子，硫电极为原电池正极，钠电极为原电池负极。A 项，充电 时为电解池装置，阳离子移向阴极，即钠电极，故充电时，Na+由硫电极迁移至钠电极，A 错误；B 项，放 电时Na 在a 电极失去电子，失去的电子经外电路流向b 电极，硫黄粉在b 电极上得电子与a 电极释放出的 Na+结合得到Na2Sx，电子在外电路的流向为a→b，B 正确；C 项，由题给的的一系列方程式相加可以得到 放电时正极的反应式为2Na++ S8+2e-→Na2Sx，C 正确；D 项，炭化纤维素纸中含有大量的炭，炭具有良好 的导电性，可以增强硫电极的导电性能，D 正确；故选A。 3．(2023•湖北省选择性考试，10)我国科学家设计如图所示的电解池，实现了海水直接制备氢气技术 的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH 溶液的浓度不变，电解生成氢气的速率为x mol·h -1。下列 说法错误的是( ) A．b 电极反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH- B．离子交换膜为阴离子交换膜 C．电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE 膜 D．海水为电解池补水的速率为2x mol·h -1 【答案】D 【解析】由图可知，该装置为电解水制取氢气的装置，a 电极与电源正极相连，为电解池的阳极，b 电 极与电源负极相连，为电解池的阴极，阴极反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH- ，阳极反应为4OH--4e- =O2↑+2H2O，电池总反应为2H2O 2H2↑+O2↑。A 项，b 电极反应式为b 电极为阴极，发生还原反应，电 极反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，故A 正确；B 项，该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH 浓度不变，阳极发 生的电极反应为4OH--4e-=O2↑+2H2O，为保持OH-离子浓度不变，则阴极产生的OH-离子要通过离子交换膜 进入阳极室，即离子交换膜应为阴离子交换摸，故B 正确；C 项，电解时电解槽中不断有水被消耗，海水 中的动能高的水可穿过PTFE 膜，为电解池补水，故C 正确；D 项，由电解总反应可知，每生成1molH2要 消耗1molH2O，生成H2的速率为x mol·h -1，则补水的速率也应是x mol·h -1，故D 错误；故选D。 4． (2023•山东卷，11)利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示，甲、 乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是( ) A．甲室Cu 电极为正极 B．隔膜为阳离子膜 C．电池总反应为：Cu2++4NH3=[Cu(NH3)4]2+ D．NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响 【答案】CD 【解析】A 项，向甲室加入足量氨水后电池开始工作，则甲室Cu 电极溶解，变为铜离子与氨气形成 [Cu(NH3)4]2+，因此甲室Cu 电极为负极，故A 错误；B 项， 再原电池内电路中阳离子向正极移动，若隔膜 为阳离子膜，电极溶解生成的铜离子要向右侧移动，通入氨气要消耗铜离子，显然左侧阳离子不断减小， 明显不利于电池反应正常进行，故B 错误；C 项，左侧负极是Cu+4NH3-2e- =[Cu(NH3)4]2+，正极是Cu 2++2e- = Cu，则电池总反应为：Cu2++4NH3=[Cu(NH3)4]2+，故C 正确；D 项，NH3扩散到乙室会与铜离子反应生成 [Cu(NH3)4]2+，铜离子浓度降低，铜离子得电子能力减弱，因此将对电池电动势产生影响，故D 正确。故选 CD。 5．(2022•全国甲卷)一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH 溶液中，Zn2+以 Zn(OH) 4 2-存在)。电池放电时，下列叙述错误的是( ) A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移 B．Ⅰ区的SO4 2-通过隔膜向Ⅱ区迁移 C． MnO2电极反应：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O D．电池总反应：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH) 4 2-+Mn2++2H2O 【答案】A 【解析】根据图示的电池结构和题目所给信息可知，Ⅲ区Zn 为电池的负极，电极反应为Zn-2e-+4OH- =Zn(OH) 4 2-，Ⅰ区MnO2为电池的正极，电极反应为MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O；电池在工作过程中，由于 两个离子选择隔膜没有指明的阳离子隔膜还是阴离子隔膜，故两个离子隔膜均可以通过阴、阳离子，因此 可以得到Ⅰ区消耗H+，生成Mn2+，Ⅱ区的K+向Ⅰ区移动或Ⅰ区的SO4 2-向Ⅱ区移动，Ⅲ区消耗OH-，生成 Zn(OH) 4 2-，Ⅱ区的SO4 2-向Ⅲ区移动或Ⅲ区的K+向Ⅱ区移动。A 项，Ⅱ区的K+只能向Ⅰ区移动，A 错误；B 项，Ⅰ区的SO4 2-向Ⅱ区移动，B 正确；C 项，MnO2电极的电极反应式为MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O，C 正 确；D 项，电池的总反应为Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH) 4 2-+Mn2++2H2O，D 正确；故选A。 1．铜锌原电池为电化学建构认识模型奠定了重要的基础，懂得原理才能真正做到举一反三，应用 到其他复杂的电池分析中。盐桥中装有琼脂凝胶，内含氯化钾。下面两种原电池说法错误的是( ) A．原电池Ⅰ和Ⅱ的反应原理都是Zn+Cu2+=Zn2++Cu B．电池工作时，导线中电子流向为Zn→Cu C．正极反应为Zn-2e-=Zn2+，发生还原反应 D．电池工作时，盐桥中的K+向右侧烧杯移动，Cl-向左侧烧杯移动 【答案】C 【解析】在原电池中，若两金属做电极，一般活泼金属做负极，不活泼金属做正极。Ⅰ和Ⅱ两个原电 池装置中，都是锌做负极，铜做正极。A 项，原电池Ⅰ和Ⅱ中，Zn 为负极，Cu 为正极，CuSO4为电解质 溶液，工作原理都是Zn+Cu2+=Zn2++Cu，故A 正确；B 项，在原电池中，负极锌失去电子，经外电路流向 正极铜，故B 正确；C 项，正极反应为Cu2++2e-=Cu，发生还原反应，故C 错误；D 项，在原电池内部，阳 离子移向正极，阴离子移向负极，装置Ⅱ中，右侧烧杯中的铜为正极，左侧烧杯中的锌为负极，所以盐桥 中的K+向右侧烧杯移动，Cl-向左侧烧杯移动，故D 正确；故选C。 2．风力发电输出功率的波动性导致其直接并网会对电网带来不良影响，需要连接储能电池装置，通过 储能电池对电能的存储、汇集，再集中供电来提高并网性能，下图是水系铝离子储能电池工作机理，下列 有关其说法不正确的是( ) A．单位质量的铝放出的电量高，并且价格低廉，储量丰富 B．铝储能电池是二次电池 C．放电时，Al3+从正极材料的空隙中脱出进入电解液，再以单质铝的形式沉积负极材料表面 D．该电池中金属铝电极易形成致密的氧化铝钝化膜，阻断铝离子的传输从而降低电池效能 【答案】D 【解析】A 项，铝在地壳中的含量丰富，且单位质量的铝放出的电量高，可以用于制造水系铝离子储 能电池，故A 正确；B 项，根据题意，储能电池通过对电能的存储、汇集，再集中供电，说明铝储能电池 是二次电池，故B 正确；C 项，放电时，铝失去电子变成Al3+，铝为负极，石墨为正极，Al3+从正极材料的 空隙中脱出进入电解液，再以单质铝的形式沉积负极材料表面，故C 正确；D 项，该电池中没有氧气产生， 金属铝电极表面不会形成致密的氧化铝钝化膜，故D 错误；故选D。 3．科学家报道了一种新型可充电Na/Fe 二次电池，其工作原理如图所示，下列有关说法正确的是( ) A．充电时，X 极为阴极，发生了氧化反应 B．充电时，Y 极的电极反应式为CaFeO2.5＋0.5Na2O-e-=CaFeO3＋Na＋ C．充电时，可用乙醇代替有机电解质溶液 D．电极材料中，单位质量金属放出的电能：Na＞Li 【答案】B 【解析】A 项，放电时，X 极上Na 失电子、发生氧化反应、为负极，则充电时，X 极为阴极，发生了 还原反应，故A 错误；B 项，充电时，Y 极做阳极，电极反应式为CaFeO2.5＋0.5Na2O-e-=CaFeO3＋Na＋， 故B 正确；C 项，乙醇是非电解质，不能导电，不能作为电解质溶液，故C 错误；D 项，若Na 和Li 都失 去1mol 电子，则电极材料中消耗Na 的质量为23g、Li 的质量为7g，所以单位质量金属放出的电能：Li＞ Na，故D 错误；故选B。 4．香港城市大学化学工作者首次提出了Al-N2电池(如图)，该电池使用N2为原料，以离子液体(Al2Cl7 -- AlCl4 -)为电解质，既实现了能量的存储，又实现了AlN 的生产， 和碱反应能产生NH3，可进一步生产 氮肥。下列说法错误的是( ) A．Al 极为负极，发生氧化反应 B．电池总反应为2Al+N2=2 C．石墨烯电极反应式为8Al2Cl7 -+N2+6e- =2AlN+14AlCl4 - D．生成标准状况下33.6LNH3，电池中转移3mol 电子 【答案】D 【解析】A 项， 根据图中原电池的结构，Al 极为负极，Al 极电极反应式为2Al+14AlCl4 --6e-=8Al2Cl7 -， 发生氧化反应，故A 正确；B 项，石墨烯电极为正极，正极反应式为8Al2Cl7 -+N2+6e- =2AlN+14AlCl4 -，Al 极 电极反应式为2Al+14AlCl4 --6e-=8Al2Cl7 -，所以电池总反应为2Al+N2=2AlN，故B 正确； C 项，石墨烯电极为 正极，正极发生还原反应，正极反应式为8Al2Cl7 -+N2+6e- =2AlN+14AlCl4 -，故C 正确；D 项，标准状况下 33.6LNH3的物质的量为1.5mol，AlN 和碱反应产生NH3的反应离子方程式为AlN+OH-+H2O=AlO2 -+NH3↑， 生成1.5mol 氨气消耗1.5molAlN，根据2Al+N2=2AlN，电池中转移了4.5mol 电子，故D 错误；故选D。 5．如图所示的锂-二氧化锰电池是以高氯酸锂或三氟甲基磺酸锂为电解质，其正极反应是一种典型的 嵌入式反应，电池总反应为Li+MnO2 LiMnO2。下列说法不正确的是( ) A．锂片做负极，发生氧化反应 B．放电时，电子移动方向为：电极盖1→用电器→电极盖2→内电路→电极盖1 C．高氯酸锂或三氟甲基磺酸锂应溶解在非水有机溶剂中 D．放电时，正极反应为：MnO2+Li++e-═LiMnO2 【答案】B 【解析】由图可知，Li 片作负极，电极反应式为Li-e-═Li+，MnO2作正极，电极反应式为MnO2+Li++e- ═LiMnO。A 项， 由分析可知，Li 片作负极，失电子发生氧化反应，A 正确；B 项，原电池工作时，电子 从负极经外电路流向正极，不经过电解质，B 错误；C 项，Li 性质活泼，能与水反应，故高氯酸锂或三氟 甲基磺酸锂应溶解在非水有机溶剂中，C 正确；D 项，MnO2 作正极，电极反应式为MnO2+Li++e- ═LiMnO2，D 正确；故选B。 6．(2024·河北邢台王岳联盟高三联考)我国最近在太阳能光电催化一化学耦合处理硫化氢研究中获得 新进展，相关装置如图所示。 下列说法错误的是( ) A．该装置中能量转化形式有化学能转化为电能 B．该装置工作时，b 极为正极 C．a 极的电极反应式为Fe2+-e-=Fe3+ D．电路中每通过1 mol e-，可处理34 g H2S 【答案】D 【解析】该装置中存在由化学能转化为电能的构成，因此存在原电池反应原理。负极上发生失去电子 的氧化反应，正极上发生得到电子的还原反应，在同一闭合回路中电子转移数目相等。A 项，根据图示可 知：该装置中存在的能量转化形式有光能转化为化学能，化学能转化为电能，故该装置中能量转化形式有 化学能转化为电能，A 正确；B 项，根据图示可知：在b 电极上H+得到电子被还原产生H2，故b 电极为原 电池的正极，B 正确；C 项，根据图示可知在a 极上F