2021届高中化学同步选择性必修第一册 第4章 微专题12 电化学原理在污染治理中的应用学案
展开微专题12 电化学原理在污染治理中的应用
利用电化学原理把空气中、溶液中的污染物去除或把有毒物质变为无毒、低毒物质，其具有易于控制、无污染或少污染、高度灵活性和经济性等优点，也可以综合运用原电池、电解池原理来解决生活生产中的实际问题。
1．利用反应6NO2＋8NH3===7N2＋12H2O构成电池的方法，既能实现有效消除氮氧化物的排放，减轻环境污染，又能充分利用化学能，装置如图所示，下列说法不正确的是( )
A．电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极
B．为使电池持续放电，离子交换膜需选用阴离子交换膜
C．电极A极反应式为2NH3－6e－===N2＋6H＋
D．当有4.48 L NO2(标准状况)被处理时，转移电子为0.8 mol
答案 C
解析 由反应6NO2＋8NH3===7N2＋12H2O可知，反应中NO2为氧化剂，NH3为还原剂，则A为负极，B为正极。B为正极，A为负极，电流由正极经导线流向负极，故A正确；原电池工作时，阴离子向负极移动，为使电池持续放电，离子交换膜需选用阴离子交换膜，防止二氧化氮反应生成硝酸盐和亚硝酸盐，导致原电池不能正常工作，故B正确；电解质溶液呈碱性，则负极电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O，故C错误；当有4.48 L NO2(标准状况)即0.2 mol被处理时，转移电子为0.2 mol×(4－0)＝0.8 mol，故D正确。
2．铈(Ce)是镧系金属元素。空气污染物NO通常用含Ce4＋的溶液吸收，生成HNO2、NO，再利用电解法将上述吸收液中的HNO2转化为无毒物质，同时生成Ce4＋，其原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．H＋由右室进入左室
B．Ce4＋从电解槽的c口流出，且可循环使用
C．阴极的电极反应式：
2HNO2＋6H＋＋6e－===N2↑＋4H2O
D．若用甲烷燃料电池作为电源，当消耗标准状况下33.6 L甲烷时，理论上可转化HNO2 2 mol
答案 C
解析 A项，根据电解原理，H＋由左室向右室移动，错误；B项，空气污染物NO通常用含Ce4＋的溶液吸收，生成HNO2、NO，N的化合价升高，Ce4＋的化合价降低，然后对此溶液进行电解，又产生Ce4＋，根据电解原理，应在阳极上产生，即Ce4＋从a口流出，可循环使用，错误；C项，根据电解原理，阴极上得电子，化合价降低，HNO2转化为无毒物质，即转化为N2，阴极电极反应式为2HNO2＋6H＋＋6e－===N2↑＋4H2O，正确；D项，标准状况下，
33.6 L甲烷参与反应转移电子物质的量为 mol＝12 mol，理论上可转化HNO2的物质的量为 mol＝4 mol，错误。
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。示意图如下所示，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：
①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋
②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋
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EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为酸性
答案 C
解析 由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴极。阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高，C项错误；由题图可知，电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，A项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B项正确；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D项正确。
4．(2019·南京建邺区月考)H2S废气资源化利用途径之一是回收能量并得到单质硫。反应原理为2H2S(g)＋O2(g)===S2(s)＋2H2O(l) ΔH＝－632 kJ·mol－1。如图为质子膜H2S燃料电池的示意图。下列说法正确的是( )
A．电极a为电池的正极
B．电极b上发生的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．电路中每流过4 mol电子，电池内部释放632 kJ热能
D．每17 g H2S参与反应，有1 mol H＋经质子膜进入正极区
答案 D
解析 由2H2S＋O2===S2＋2H2O得出负极H2S失电子发生氧化反应，则a为电池的负极，故A错误；正极O2得电子发生还原反应，所以电极b上发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故B错误；电路中每流过4 mol电子，则消耗1 mol氧气，但该装置将化学能转化为电能，所以电池内部几乎不放出热能，故C错误；每17 g即＝0.5 mol H2S参与反应，则消耗0.25 mol氧气，则根据O2＋4H＋＋4e－===2H2O可知，有1 mol H＋经质子膜进入正极区，故D正确。
5．按照要求回答下列问题。
(1)工业上，在强碱性条件下用电解法除去废水中的CN－，装置如图所示，依次发生的反应有：
ⅰ.CN－－2e－＋2OH－===CNO－＋H2O
ⅱ.2Cl－－2e－===Cl2↑
ⅲ.3Cl2＋2CNO－＋8OH－===N2＋6Cl－＋2CO＋4H2O
①a为电源________极。
②通电过程中溶液pH不断________(填“增大”“减小”或“不变”)。
③除去1 mol CN－，外电路中至少需要转移________ mol电子。
④为了使电解池连续工作，需要不断补充________。
答案 ①正 ②减小 ③5 ④NaOH和NaCl
解析 ①电解时铁电极作阴极，则b为电源负极，a为电源正极；②阴极反应式为：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，根据反应ⅰ、ⅱ、ⅲ及阴极反应式可知，通电过程中消耗OH－的量大于生成OH－的量，故溶液pH不断减小；③反应ⅰ转移2e－，反应ⅲ转移6e－，故除去1 mol
CN－，外电路中至少需要转移2 mol＋×6 mol＝5 mol电子；④通电过程中OH－不断被消耗，且有部分Cl2逸出，为了使电解池连续工作，需要不断补充NaOH和NaCl。
(2)利用如图所示装置(电极均为惰性电极)可吸收SO2，并用阴极排出的溶液吸收NO2来解决环境污染问题。
①阴极的电极反应式为：_________________________________________________________；
②阳极的电极反应式为：_________________________________________________________；
③电解时，H＋通过阳离子交换膜的移动方向是_______________________________________。
答案 ①2HSO＋2H＋＋2e－===S2O＋2H2O
②SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋ ③由阳极室到阴极室
解析 由图中信息可知，两电极连接在直流电源上，所以该装置为电解池；二氧化硫被氧化为硫酸，而HSO被还原为S2O。根据电解原理，阳极上发生氧化反应而阴极上发生还原反应，所以通入二氧化硫的为阳极室，另一侧为阴极室，所以a连接电源的正极，b连接电源的负极，电解池中一般溶液中的阳离子向阴极定向移动，而阴离子向阳极定向移动，但是由于电解池使用了交换膜，所以只有阳离子H＋才可以从阳极室通过阳离子交换膜向阴极室移动。
(3)用NaOH溶液吸收烟气中的SO2，将所得的Na2SO3溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H2SO4，其原理如下图所示(电极材料为石墨)。
①图中a极要连接电源的________(填“正”或“负”)极，C口流出的物质是________。
②SO放电的电极反应式为_____________________________________。
③电解过程中阴极区碱性明显增强，用平衡移动原理解释原因：_____________________
____________________________________________________________________。
答案 ①负 硫酸 ②SO－2e－＋H2O===SO＋2H＋ ③水为弱电解质，存在H2OH＋＋OH－，在阴极H＋放电生成H2，c(H＋)减小，水的电离平衡正向移动，碱性增加
解析 根据Na＋、SO的移向判断阴、阳极。Na＋移向阴极区，a极应接电源负极，b极应接电源正极，其电极反应式分别为
阳极：SO－2e－＋H2O===SO＋2H＋
阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
所以从C口流出的是H2SO4，在阴极区，由于H＋放电，破坏了水的电离平衡，c(H＋)减小，c(OH－)增大，生成NaOH，碱性增强，从B口流出的是浓度较大的NaOH溶液。
(4)用零价铁(Fe)去除水体中的硝酸盐(NO)已成为环境修复研究的热点之一。Fe还原水体中的NO的反应原理如图1所示。
①作负极的物质是________。
②正极的电极反应式是_________________________________________________________。
答案 ①铁 ②NO＋8e－＋10H＋===NH＋3H2O
(5)通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如图2所示。
①Pt电极上发生的是________反应(填“氧化”或“还原”)。
②写出NiO电极的电极反应式：___________________________________________________。
答案 ①还原 ②NO＋O2－－2e－===NO2
