2020年高考化学提升突破专题十 电化学知识的应用(带答案解析)

专题10 电化学知识的应用

——全面培养科学精神和社会责任

电化学是化学学科的重要组成部分。目前，高中化学课程中的电化学内容涉及原电池、电解池、金属的腐蚀与防护等。电化学尤其是新型电源和光电设备不仅能体现化学学科的价值，而且有利于学生获取相关的知识与科学方法，更好地促进学生掌握化学学科规律。学习和使用电化学知识既能解决化学问题，又能发展和提高学生的化学学科核心素养。

高考电化学试题的情境来源于生活中的化学电源、研发中的新型电池、实验室中的电化学装置以及生产中的电化学设备，既能考查学生对基本电化学知识的掌握程度，也能考查基于模型认知、变化观念和证据推理等认知方面的素养，也能渗透灌输创新意识和社会责任等情感态度方面的素养。

1．【2019新课标Ⅰ卷】利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之

间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是

A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能

B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H 2+2MV2+2H++2MV+

C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3

D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动

【答案】B

【解析】本题还属于否定式单选题，仍要求选择错误的说法。A项正确，工业合成氨的条件是高温、高压、

催化剂，而生物燃料电池则在室温下合成氨，条件温和，且能将化学能转化为电能；B项错误，图中的氢

化酶作用下，发生氧化还原反应H2+2MV2+=2H++2MV+，氢气发生氧化反应生成氢离子，MV2+发生还原反

应生成MV+，左室电极上反应式为MV+－e－=MV2+，即发生氧化反应，因此左电极为该生物燃料电池的负

极；C项正确，正极区，在固氮酶作用下发生反应N2+6MV++6H+=2NH3+6MV2+，氮元素由0价降低为－3

价，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3；D项正确，电池工作时，负极反应式为MV+－e－=MV2+，

正极反应式为MV2++e－=MV+，则内电路中带正电的质子（即H+）移向正极，即从左极室移质子交换膜，

进而穿过交换膜移向右极室。

【素养解读】本题以生物燃料电池、室温合成氨等真实情境为载体，考查原电池、燃料电池的工作原理， 渗透了宏观辨识与微观探析、变化观念、证据推理与模型认知等素养的水平1、水平2、水平3的考查，体 现了考纲中信息的接受、吸收和整合能力的要求，也体现了分析问题与解决问题能力的考查。

2．【2019新课标Ⅲ卷】为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn （3D ?Zn ）可以 高效沉积ZnO 的特点，设计了采用强碱性电解质的3D ?Zn —NiOOH 二次电池，结构如下图所示。电池反应为

Zn(s)+2NiOOH(s)+H 2O(l)???→←???

放电

充电

ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。

A ．三维多孔海绵状Zn 具有较高的表面积，所沉积的ZnO 分散度高

B ．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH ?(aq)?e ?NiOOH(s)+H 2O(l)

C ．放电时负极反应为Zn(s)+2OH ?(aq)?2e ?

ZnO(s)+H 2O(l)

D ．放电过程中OH ?通过隔膜从负极区移向正极区 【答案】D

【解析】本题属于否定式单选题，选择说法错误的是，A 、多孔增加了表面积，加快反应速率，使沉积的 ZnO 分散度高，故A 说法正确；B 、根据电池反应方程式，正极反应式为NiOOH ＋H 2O ＋e －

=Ni(OH)2＋OH

－

，充电时，电池的正极连接电源的正极，阳极反应式为正极反应式的逆过程，即阳极反应式为Ni(OH)2(s)

＋OH －

(aq)－e －

=NiOOH(s)＋H 2O(l)，故B 说法正确；C 、根据电池反应方程式，负极上失去电子，化合价升 高，即负极反应式为Zn(s)+2OH ?(aq)?2e ?

ZnO(s)+H 2O(l)，故C 说法正确；D 、根据原电池的工作原理，

阴离子从正极区移向负极区，故D 说法错误。

【素养解读】本题以新的科学成果为载体，考查原电池工作原理、电极反应式的书写、二级电池等知识， 涉及变化观念、宏观辨识、微观探析等素养，体现了运用知识能力，分析问题与解决问题能力的考查，难 度系数不大。

1、新型化学电源

一般这类试题以我国科学家发表的科技成果为素材设计高考题，既弘扬了社会主义核心价值观，又落实了立德树人的根本任务，起点很高，但考查的内容并不难，落脚于电化学基本理论，主要考查二次电池的充放电的电极反

应及离子移动方向等，注重于基本能力的考查。

首先大致浏览一下题目和题目所配的原理图(此时不要过多地纠结于化学电源的工作原理)；然后，重点关注需要回答的问题，看是否属于考查原电池一般原理的题目。如是，解决必须借助化学电源工作原理解决的题目时，要带着问题去研究题目或题目所提供的原理图。

电极反应式书写与判断的三个步骤

步骤一：负极失去电子发生氧化反应；正极上，溶液中阳离子(或氧化性强的离子)得到电子，发生还原反应，充电时则正好相反；

步骤二：两电极转移电子数守恒，符合正极反应加负极反应等于电池反应的原则；

步骤三：注意电极产物是否与电解质溶液反应，若反应，一般要将电极反应和电极产物与电解质溶液发生的反应合并。

【典例1】【2018·高考全国卷Ⅱ】我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池。将NaClO4

溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为：3CO2＋

4Na=2Na2CO3＋C。下列说法错误的是()

A．放电时，ClO－4向负极移动

B．充电时释放CO2，放电时吸收CO2

C．放电时，正极反应为：3CO2＋4e－===2CO2－3＋C

D．充电时，正极反应为：Na＋＋e－===Na

【答案】D

【解析】电池放电时，ClO－4向负极移动，A项正确；结合总反应可知放电时需吸收CO2，而充电时释放出

CO2，B项正确；放电时，正极CO2得电子被还原生成单质C，即电极反应式为3CO2＋4e－===2CO2－3＋C，

C项正确；充电时阳极发生氧化反应，即C被氧化生成CO2，D项错误。

【素养解读】本题以我国科学家研制的可呼吸Na—CO2二次电池为背景，要求考生依据题干给予的电极材

料信息判断出电池正负极，进而判断电极反应式；命题要求考生对于电化学反应原理不仅要有感性认识，

还要应用模型思想、综合相关模块知识、辩证分析与解答具体问题。

2、多池串联模型

（1）常见串联装置图

模型一外接电源与电解池的串联(如图)

A、B为两个串联电解池，相同时间内，各电极得失电子数相等。模型二原电池与电解池的串联(如图)

显然两图中，A均为原电池，B均为电解池。

2.“串联”类装置的解题流程

【典例2】某同学组装了如图所示的电化学装置，电极Ⅰ为Al，其他均为Cu，则下列说法正确的是()

A．电流方向：电极Ⅳ→→电极Ⅰ

B．电极Ⅰ发生还原反应

C．电极Ⅱ逐渐溶解

D．电极Ⅲ的电极反应：Cu2＋＋2e－===Cu

【答案】A

【解析】A项，电子移动方向：电极Ⅰ→→电极Ⅳ，电流方向与电子移动方向相反，正确；B项，原电

池负极在工作中失电子，被氧化，发生氧化反应，错误；C项，原电池正极为得电子一极，铜离子在电极

Ⅱ上得电子，生成铜单质，该电极质量逐渐增大，错误；D项，电解池中阳极为非惰性电极时，电极本身

失电子，形成离子进入溶液中，因为电极Ⅱ为正极，因此电极Ⅲ为电解池的阳极，其电极反应式为Cu－2e

－===Cu2＋，错误。

【素养解读】当多个电化学装置串联时，两电极材料活泼性相差大的作原电池，其他作电解池，由此可知

图示中左边两池组成原电池，右边组成电解池。解题的关键就是从模型的角度分析出池型，然后进行进一

步的解答。

3、电化学中“离子交换膜”的作用

隔膜的使用充分体现了变化与平衡思想。同时，交换膜隔离两种电解质溶液，避免负极材料与能发生反应的电解质溶液直接接触，能提高电流效率。在这种装置中，交换膜起到盐桥作用，且优于盐桥，盐桥需要定时替换或再生。通过限制离子迁移，使指定离子在溶液中定向移动形成闭合回路，完成氧化剂和还原剂在不接触条件下发生氧化还原反应。

（1）常见的隔膜

隔膜又叫离子交换膜，由特殊高分子材料制成。离子交换膜分三类：

1．阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。

2．阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。

3．质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。

（2）隔膜的作用

1．能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。

2．能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。

3．能提高产品的纯度。

（3）解这类问题方法

【典例3】【2018新课标1卷】最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2 和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯（石墨烯包裹的ZnO）和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：

①EDTA-Fe2+-e-＝EDTA-Fe3+

②2EDTA-Fe3++H2S＝2H++S+2EDTA-Fe2+

该装置工作时，下列叙述错误的是

A．阴极的电极反应：CO2+2H++2e-＝CO+H2O

B．协同转化总反应：CO2+H2S＝CO+H2O+S

C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低

D．若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需为酸性

【答案】C

【解析】该装置属于电解池，CO2在ZnO@石墨烯电极上转化为CO，发生得到电子的还原反应，为阴极，石墨烯电极为阳极，发生失去电子的氧化反应，则详解：A、CO2在ZnO@石墨烯电极上转化为CO，发生得到电子的还原反应，为阴极，电极反应式为CO2+H＋+2e－＝CO+H2O，A正确；B、根据石墨烯电极上发生的电极反应可知①+②即得到H2S－2e－＝2H＋+S，因此总反应式为CO2+H2S＝CO+H2O+S，B正确；C、

石墨烯电极为阳极，与电源的正极相连，因此石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯电极上的高，C错误；D、由

于铁离子、亚铁离子均易水解，所以如果采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需要酸性，D正确。答案选C。

【素养解读】准确判断出阴阳极是解答的关键，注意从元素化合价变化的角度去分析氧化反应和还原反应，进而得出阴阳极。电势高低的判断是解答的难点，注意从物理学的角度借助于阳极与电源的正极相连去分析。

1．科学家研制出了一种新型的锂-空气电池，其工作原理如图所示。关于该电池的说法中不正确的是

()

A．随着电极反应的不断进行，正极附近的电解液pH不断升高

B．可将有机电解液改为水溶液

C．放电时，当有22.4 L O2(标准状况下)被还原时，溶液中有4 mol Li＋从左槽移动到右槽

D．电池总反应方程式为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH

2．一种以NaBH4和H2O2为原料的新型电池的工作原理如图所示。下列说法错误的是()

A．电池的正极反应为H2O2＋2e－===2OH－

B．电池放电时Na＋从a极区移向b极区

C．电池放电时电子从电极b经外电路流向电极a

D．b极室的输出液经处理后可输入a极室循环利用

3．我国科学家发明的水溶液锂电池为电动汽车发展扫除了障碍，装置原理如图所示，其中固体薄膜只允

许Li＋通过。锂离子电池的总反应为x Li＋Li1－x Mn2O4LiMn2O4。下列有关说法错误的是()

A．放电时，Li＋穿过固体薄膜进入水溶液电解质中

B．放电时，正极反应为Li1－x Mn2O4＋x Li＋＋x e－===LiMn2O4

C．充电时，电极b为阳极，发生氧化反应

D．该电池的缺点是存在副反应2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑

4．某兴趣小组的同学用如图所示装置研究有关电化学的问题。当闭合该装置的电键时，观察到电流表的指针发生了偏转。

请回答下列问题：

（1）甲池为________(填“原电池”“电解池”或“电镀池”)，通入CH3OH电极的电极反应式为

________________________________________________________________________。

（2）乙池中A(石墨)电极的名称为________(填“正极”“负极”“阴极”或“阳极”)，总反应式为

______________________________________________________________________。

（3）当乙池中B极质量增加5.40 g时，甲池中理论上消耗O2的体积为________mL(标准状况下)，丙池中________极析出________g铜。

（4）若丙中电极不变，将其溶液换成NaCl溶液，电键闭合一段时间后，甲中溶液的pH将________(填“增

大”“减小”或“不变”)；丙中溶液的pH将________(填“增大”“减小”或“不变”)。

1．B 该锂电池中，正极上的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，正极附近的电解液pH会升高，A 项正确；Li属于活泼金属，能与水反应，不能将有机电解液改为水溶液，B项错误；放电时，当有22.4 L O2(标准状况下)被还原时，根据正极反应式：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，会转移电子4 mol，即溶液中有4 mol Li＋从左槽(负极)移动到右槽，C项正确；由图示可知，正极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，电池总反应方程式为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH，D项正确。

2．选C。以硼氢化钠(NaBH4)和H2O2作原料的电池中，电解质溶液呈碱性，由工作原理装置图可知，负极发生氧化反应，电极反应式为BH－4＋8OH－－8e－===BO－2＋6H2O，正极H2O2发生还原反应，得到电子被还原生成OH－，

电极反应式为H 2O 2＋2e －===2OH －

，A 项正确；放电时为原电池，阳离子移向正极，b 为正极，B 项正确；电子由负极经外电路流向正极，电子应该由a 到b ，C 项错误；正极电极反应式为H 2O 2＋2e －

===2OH －

，产生的氢氧化钠溶液可以循环使用，D 项正确。

3．D Li 为活泼金属，放电时，发生氧化反应，故电极a 为负极，阳离子从负极移向正极，即Li ＋

穿过固体薄膜进

入水溶液电解质中，然后移向电极b ，A 、B 项正确；充电时，电池正极接电源正极，发生氧化反应，是阳极，C 项正确；由于固体薄膜只允许Li ＋

通过，水不能与Li 接触，故不存在Li 与水的反应，D 项错误。

4．(1)原电池 CH 3OH －6e －

＋8OH －

===CO 2－

3＋6H 2O (2)阳极 4AgNO 3＋2H 2O4Ag ＋O 2↑＋4HNO 3 (3)280 D

1.60 (4)减小 增大

【解析】 (1)甲池为原电池，通入CH 3OH 的电极为负极，电极反应式为CH 3OH －6e －

＋8OH －

===CO 2－

3＋6H 2O 。 (2)乙池中电解AgNO 3溶液，其中C 作阳极，Ag 作阴极，总反应式为4AgNO 3＋2H 2O4Ag ＋O 2↑＋4HNO 3。 (3)根据各电极上转移的电子数相同，得n (Ag)＝4n (O 2)＝2n (Cu)，故V (O 2)＝14×5.40108

×22.4 L ＝0.28 L ＝280 mL ，m (Cu)

＝12×5.40108

×64 g ＝1.60 g 。 (4)若丙中电极不变，将其溶液换成NaCl 溶液，根据丙中总反应2NaCl ＋2H 2O2NaOH ＋H 2↑＋Cl 2↑，则溶液pH 增大，

而甲中总反应为2CH 3OH ＋3O 2＋4KOH2K 2CO 3＋6H 2O ，溶液pH 减小。