例谈电解原理在高考题中的应用

江苏 李宗来 李小娟

电解装置实现了电能到化学能的转化，使不能自发进行的反应在外在电压的迫使下而发生。电解原理在生产生活中的应用非常广泛，教材中涉及“氯碱工业”的电解饱和食盐水、熔融电解法制备活泼金属、精炼铜、电镀以及金属的电化学防护等。近年高考中电解原理的应用以新颖的形式与题材呈现，体现了高考命题在加强基本知识考查的同时，更加注重了试题的情景化、生活化、实用化，强化知识点的相互渗透与融合。本文赏析高考中电解原理在现今热门领域的应用，以期引起重视并对其有更深入地认识与理解。(为节约篇幅，节选高考题相关部分)

一、运用电解原理处理生产中的废水

下列叙述正确的是

( )

B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品

D.当电路中通过1 mol电子的电量时，会有0.5 mol的O2生成

【答案】B

【总结提升】本题以电解水为基本知识点考查电解原理的应用，利用两极不同的酸碱产物同时结合离子交换膜对酸性或碱性污水进行处理，或者在追求电荷平衡的促使下实现对污染物粒子的分离，同时产生目标副产物。

【例2】(2015·四川卷·4)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.用石墨作阳极，铁作阴极

【答案】D

【反思预测】应用电解的原理处理生产中的废水，可以直接将废水中有害物质通过电解分别在阳、阴两极上发生氧化和还原反应转化成为无害物质以实现污水净化；也可采用间接氧化和间接还原方式，即利用电解产生的具有氧化性或还原性的产物与废水中的有害物质发生化学反应，生成不溶于水的沉淀物，以达到分离去除的目的。电解法具有可处理各种不同类型的废水，适应性强、高效且无二次污染等特点，因此备受青睐并被广泛应用，这也是高考命题的重要素材和方向，应引起重视。

二、运用电解原理处理生产中的废气

1.运用电解法高效去除H2S废气

【例3】(2018·全国卷Ⅰ·13)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

该装置工作时，下列叙述错误的是

( )

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

【总结提升】图形图表在高考试题中出现的频率很高，是题干信息的重要载体，考查考生的接受、吸收、整合化学信息的能力，要学会提取图形图表中相关信息，解答相关问题。本题首先仔细观察电解装置图中表示物质变化的箭头指向，然后通过物质的化合价的变化从而确定阴阳极，阳极物质失去电子、化合价升高、发生氧化反应，阴极物质得到电子、化合价降低、发生还原反应。同时结合图象根据交换膜的类型、粒子的移动及电解质等条件书写电极反应式。

2.运用电解法脱硝去除NOx废气

【例4】(2014·北京·26节选)NH3经一系列反应可以得到HNO3，如图所示。

Ⅳ中，电解NO制备NH4NO3，其工作原理如图所示，为使电解产物全部转化为NH4NO3，需补充物质A，A是________，说明理由：________________。

【反思预测】废气是指人类在生产和生活过程中排出的有毒有害的气体，因废气气味大、毒性强，严重污染环境，影响人体健康。废气的种类很多，有H2S、SO2等硫化物，NH3和NO、NO2等氮化物以及苯、甲苯、甲醛等有机废气。其原理是让废气通过电解直接或者间接发生氧化还原反应，从而转化为无毒、无害有利用价值的物质。当今，应用电解原理对废水、废气、废渣进行处理，使之“变废为宝”是解决环境问题、造福人类的有效方法，是极有应用前景的，这也是高考中此类试题持续关注的焦点之一。

三、运用电解原理制备物质

1.多元弱酸的酸式盐、正盐的制备

【例5】(2018·全国卷Ⅰ·27节选)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。回答下列问题：

(1)生产Na2S2O5，通常是由NaHSO3过饱和溶液经结晶脱水制得。写出该过程的化学方程式：________________。

(2)制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为____________________。电解后，________室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。

【变式练习】(2017·江苏卷·16)铝是应用广泛的金属。以铝土矿(主要成分为Al2O3，含SiO2和Fe2O3等杂质)为原料制备铝的一种工艺流程如下：

(1)“电解Ⅰ”是电解熔融Al2O3，电解过程中作阳极的石墨易消耗，原因是________________。

(2)“电解Ⅱ”是电解Na2CO3溶液，原理如图所示。

阳极的电极反应式为________________。

，

阴极产生的物质A的化学式为________________。

【答案】(1)石墨电极被阳极上产生的O2氧化

2.运用电解原理制备能源燃料

【例6】(2015·福建卷·11)某模拟“人工树叶”电化学实验装置如图所示，该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料(C3H8O)。下列说法正确的是

( )

A.该装置将化学能转化为光能和电能

B.该装置工作时，H+从b极区向a极区迁移

C.每生成1 mol O2，有44 g CO2被还原

【答案】B

【变式练习】(1)(2015·浙江卷·11)在固态金属氧化物电解池中，高温共电解H2O-CO2混合气体制备H2和CO是一种新的能源利用方式，基本原理如图所示。下列说法不正确的是

( )

A.X是电源的负极

D.阴、阳两极生成的气体的物质的量之比是1∶1

(2)(2016·浙江卷)研究证实，CO2也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇，则生成甲醇的反应发生在________极，该电极反应式是________________。

【答案】(1)D

【反思预测】首先根据有外接电源则判断为电解池，同时可以根据电源的正、负极相连确定电解池的阴阳极，也可以通过电解质中粒子的移动方向确定阴阳极；还可以通过电解装置中物质变化的箭头指向，通过物质所含元素化合价的变化确定阴阳极。有机物中H(+1价)、O(+2价)再求C的平均价态，对于复杂的有机反应物的电极反应式可以先配平，再确定得失电子数目，因为也遵循原子守恒和电荷守恒。因此解读电解装置提供的信息，是解决问题的关键。能源燃料在生产生活中是不可或缺的，如何突破能源的匮乏制约着当今社会发展的瓶颈，是困扰已久的难题，通过电解在能量消耗较小的前提条件下制备清洁能源燃料是解决能源危机新的途径与方向，这也是未来高考命题的热点之一。

四、运用电解原理实现物质的分离提纯

【例7】(2017·天津卷·7节选)某混合物浆液含有Al(OH)3、MnO2和少量Na2CrO4。考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出，某研究小组利用设计的电解分离装置(如图)，使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液，并回收利用。回答Ⅱ中的问题。

Ⅱ.含铬元素溶液的分离和利用

，

分离后含铬元素的粒子是________；阴极室生成的物质为________(写化学式)。

【反思预测】利用电解原理来分离、提纯物质，如电解精炼铜，将粗铜作阴极，含Cu2+的溶液为电解液，通直流电，在阳极铜及比铜活泼的杂质金属失电子，在阴极只有Cu2+得电子析出，从而提纯了铜。也可以通过同性相斥、异性相吸在追求电荷平衡的促使下离子发生迁移，从而实现对物质的分离，判断离子的移动方向除上述方法之外还可通过离子膜的种类及离子的消耗与生成，一般由离子生成的一极移向离子消耗的一极。电解法是实现物质简单快速分离的一种有效手段，分离物质的同时得到副产物，具有超越一般分离方法的优点，已引起高考命题者的关注，因此要格外的重视。

五、运用电解原理实现二次电池的重复使用

( )

B.充电时释放CO2，放电时吸收CO2

【答案】D

【变式练习】(2018·全国卷Ⅲ·11)一种可充电锂-空气电池如图所示。当电池放电时，O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x(x=0或1)。下列说法正确的是

( )

A.放电时，多孔碳材料电极为负极

B.放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极

C.充电时，电解质溶液中Li+向多孔碳材料区迁移

【答案】D

【反思预测】二次电池又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电(原电池)后可通过充电(电解池)的方式使活性物质激活从而可重复使用的电池。书写电极反应式时，除了上述的方法与技巧外，要注意放电时原电池的负极电极反应式颠倒反应物与生成物，将原来的失去电子改为得到电子即为充电时电解池的阴极反应式，正极与阳极电极反应的书写也同样如此。二次电池融合了原电池与电解池的知识，综合性强，在高考试题中一直高频出现，只有掌握方法，把握原理、仔细分析才能准确应答各种不同新型的二次电池。

六、运用电解原理于金属的防护

1.外加电流的阴极保护法

【例9】(2017·全国卷Ⅰ·11)支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示，其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是

( )

A.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零

B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩

C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流

D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整

【答案】C

【解析】A.钢管表面不失电子，几乎无腐蚀电流，故A正确；B.外电路中，电子从高硅铸铁流向电源正极，从电源负极流向钢管桩，故B正确；C.高硅铸铁作为惰性辅助电极，不被损耗，故C错误；保护电流应根据环境(pH、离子浓度、温度)变化，故D正确。

2.通过电解增加保护膜的保护法

【例10】(2017·全国卷Ⅱ·11)用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜，电解质溶液一般为H2SO4-H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是

( )

A.待加工铝质工件为阳极

B.可选用不锈钢网作为阴极

D.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动

【答案】C

【反思预测】电解原理主要用于土壤、海水、河水等特殊环境下的金属防护，主要途径有：外加电流的阴极保护法，将被保护的金属与电源的负极相连作阴极，惰性电极充当阳极，在外电压的影响下，阴极表面积累了大量的负电荷，从而抑制其失去电子而被保护；或者通过电镀应用电解原理在金属表面镀上一层金属或者合金，既可以防腐又可以起到装饰作用，一般将待镀物作为阴极，镀层金属作为阳极，含镀层金属离子的溶液作为电解质，金属离子在阴极得电子被还原形成均匀、光亮而致密的镀层；也可通过电解使阳极氧化形成氧化膜增加保护层厚度达到防腐的目的。金属的防腐是热点的社会问题，是电化学知识在生产中应用的具体体现，将一直是高考关注的焦点之一。

综上所述，高考复习中夯实基础，在理解电解原理的同时注重知识点的应用至关重要。