2024届高考一轮复习 第六章 化学反应与能量 第5讲 串联电池 电化学的相关计算课件PPT

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1. 2022·山东等级考改编)设计如图装置回收金属钴。保持细菌所在环境pH稳定，借助其降解乙酸盐生成CO2，将废旧锂离子电池的正极材料LiCO2(s)转化为C2＋，工作时保持厌氧环境，并定时将乙室溶液转移至甲室。已知电极材料均为石墨材质，右侧装置为原电池。下列说法正确的是( )
A．装置工作时，甲室溶液pH逐渐增大B．装置工作一段时间后，乙室不需要补充盐酸C．乙室电极反应式为 LiCO2＋2H2O＋e－===Li＋＋C2＋＋4OH－D．若甲室C2＋减少200 mg，乙室C2＋增加300 mg，则此时已进行过溶液转移
解析：电池工作时，左侧为电解池，左侧石墨极为阳极，电极反应式为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2＋7H＋，H＋移向甲室，溶液pH减小，A错误；对于乙室，正极上LiCO2得到电子，被还原为C2＋，同时得到Li＋，其中的O与溶液中的H＋结合生成H2O，因此电池工作一段时间后应该补充盐酸，B错误；电解质溶液为酸性，不可能大量存在OH－，乙室电极反应式为LiCO2＋e－＋4H＋===Li＋＋C2＋＋2H2O，C错误；
2．(2021·天津等级考)如下所示电解装置中，通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成，Fe2O3逐渐溶解，下列判断错误的是 ( )A．a是电源的负极B．通电一段时间后，向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出现红色C．随着电解的进行，CuCl2溶液浓度变大D．当0.01 ml Fe2O3完全溶解时，至少产生气体336 mL(折合成标准状况下)
解析：通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成，Fe2O3逐渐溶解，说明石墨电极Ⅱ为阳极，则电源b为正极，a为负极，石墨电极Ⅰ为阴极，故A正确；石墨电极Ⅱ为阳极，通电一段时间后，产生氧气和氢离子，所以向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出现红色，故B正确；随着电解的进行，铜离子在阴极得电子生成铜单质，所以CuCl2溶液浓度变小，故C错误；当0.01 ml Fe2O3完全溶解时，消耗氢离子为0.06 ml，根据阳极电极反应式2H2O－4e－===O2＋4H＋，产生氧气为0.015 ml，体积为336 mL (折合成标准状况下)，故D正确。答案：C
3．(2021·山东等级考)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH­O2、N2H4­O2、(CH3)2NNH2­O2清洁燃料电池，下列说法正确的是 ( )A．放电过程中，K＋均向负极移动B．放电过程中，KOH物质的量均减小C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2­O2燃料电池的理论放电量最大D．消耗1 ml O2时，理论上N2H4­O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2 L
解析：碱性环境下，甲醇燃料电池总反应为2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O；N2H4­O2清洁燃料电池总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合价均为－2价，H元素化合价为＋1价，所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为(CH3)2NNH2＋4O2＋4KOH===2K2CO3＋N2＋6H2O。放电过程为原电池工作原理，所以钾离子均向正极移动，A错误；根据分析可知，N2H4­O2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未消耗KOH，所以KOH的物质的量不变，其他两种燃料电池根据总反应可知，KOH的物质的量减小，B错误；
根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗1 ml O2生成的氮气的物质的量为1 ml，在标准状况下为22.4 L，D错误。答案：C
题型(一) 串联电池串联电池中原电池、电解池的判断1．有外接电源的判断方法则甲为电镀池，乙、丙均为电解池
2．无外接电源的判断方法(1)直接判断非常直观明显的装置，如燃料电池、铅酸蓄电池等在电路中，则其他装置为电解池。如图所示，A为原电池，B为电解池。
(2)根据电池中的电极材料和电解质溶液判断原电池一般是两种活泼性不同的金属电极或一种金属电极和一个碳棒作电极；而电解池则一般都是两个惰性电极，如两个铂电极或两个碳棒电极。原电池中的电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应，电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。如图所示，B为原电池，A为电解池。
(3)根据电极反应现象判断在某些装置中根据电极反应或反应现象可判断电极，并由此判断电池类型。如图所示，若C极溶解，D极上析出Cu，B极附近溶液变红，A极上放出黄绿色气体，则可知乙是原电池，D是正极，C是负极；甲是电解池，A是阳极，B是阴极。B、D极发生还原反应，A、C极发生氧化反应。
[典例] 如图所示，甲池的总反应式为2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O。下列说法正确的是( )
石墨棒作阳极，Ag作阴极，只能在银极上镀银，D项错误。[答案] C
[思维建模] 串联类电池的思维流程
[综合应用训练]1．某实验室用新型二次电池模拟工业上制备Mn和MnO2的工作原理如图所示。下列说法错误的是( )A．a电极的电极反应为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2OB．装置工作时，c、d两个电极的质量都增加C．c电极反应为Mn2＋＋2e－===MnD．d电极附近溶液的pH增大
解析：根据示意图可知b为负极，a为正极，c为阴极，d为阳极。c、d的电极反应分别为Mn2＋＋2e－===Mn，Mn2＋－2e－＋2H2O===MnO2＋4H＋。d电极附近溶液c(H＋)增大，pH变小，D错误。答案：D
2．相同金属在其不同浓度盐溶液中可形成浓差电池。如图所示装置是利用浓差电池电解Na2SO4溶液(a、b电极均为石墨电极)，可以制得O2、H2、H2SO4和NaOH。下列说法不正确的是( )A．a电极的电极反应式为4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－B．c、d离子交换膜依次为阳离子交换膜和阴离子交换膜C．电池放电过程中，Cu(1)电极上的电极反应式为Cu2＋＋2e－===CuD．电池从开始工作到停止放电，电解池理论上可制得320 g NaOH
解析：浓差电池放电过程中，Cu(1)电极上发生使Cu2＋浓度降低的还原反应，作正极，Cu(2)电极上发生使Cu2＋浓度升高的氧化反应，作负极，则a电极为电解池的阴极，H2O中的H＋得到电子发生还原反应生成H2，A项正确；电解过程中，硫酸钠溶液中的Na＋通过阳离子交换膜c进入阴极区，SO通过阴离子交换膜d进入阳极区，B项正确；
电池放电过程中，Cu(1)电极作正极，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，C项正确；电池从开始工作到停止放电，正极区硫酸铜溶液的浓度由2.5 ml·L－1降低到1.5 ml·L－1，负极区硫酸铜溶液的浓度同时由0.5 ml·L－1升到1.5 ml·L－1，正极反应还原Cu2＋的物质的量为2 L×(2.5－1.5)ml·L－1＝2 ml，电路中转移4 ml电子，电解池的阴极生成4 ml OH－，即阴极区可得4 ml氢氧化钠，其质量为160 g，D项错误。答案：D
3．羟基自由基(·OH)具有强氧化性。我国科学家设计了一种能将苯酚氧化为CO2、H2O的原电池—电解池组合装置(如图所示)，该装置能实现发电、环保二位一体。下列说法正确的是( )
4．如图X是直流电源。Y槽中 c、d为石墨棒，Z槽中e、f是质量相同的铜棒。接通电路后，发现d附近显红色。(1)①电源上b为______极(填“正”“负”“阴”或“阳”，下同)。②Z槽中e为_____极。③连接Y、Z槽线路中，电子流动的方向是d_____e(填“―→”或“”)。
(2)①写出c极上反应的电极反应式：_______________________________。②写出Y槽中总反应的化学方程式：_______________________________。③写出Z槽中e极上反应的电极反应式：____________________________。
题型(二) 电化学相关的计算电化学计算的三种方法
如以通过4 ml e－为桥梁可构建如下关系式：(式中M为金属，n为其离子的化合价数值)该关系式具有总览电化学计算的作用和价值，熟记电极反应式，灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。
[典例] 如图所示，通电5 min后，电极5的质量增加2.16 g，请回答下列问题。 (1)a为电源的______(填“正”或“负”)极，C池是______池。A池阳极的电极反应为____________，C池阴极的电极反应为_________________。
(2)如果B池中共收集到224 mL气体(标准状况)且溶液体积为200 mL(设电解过程中溶液体积不变)，则通电前溶液中Cu2＋的物质的量浓度为______。(3)如果A池溶液是200 mL足量的食盐水(电解过程溶液体积不变)，则通电5 min后，溶液的pH为______。
[解析] (1)根据已知条件通电5 min后，电极5的质量增加2.16 g，说明电极5作阴极，Ag＋放电，电极反应为Ag＋＋e－===Ag，转移电子的物质的量为0.02 ml，同时可知电极6作阳极，与电源的正极相连。则a是负极，b是正极，电极1、3、5作阴极，电极2、4、6作阳极。
[答案] (1)负 电解 2Cl－－2e－===Cl2↑ Ag＋＋e－===Ag (2)0.025 ml·L－1 (3)13
[思维建模] 电子守恒法的解题流程
[综合应用训练]1．在如图A池用石墨电极电解pH＝13的NaOH溶液100 mL，B池为模拟电解精炼铜的装置，其中c电极为纯铜，d电极为粗铜(含有杂质Fe、Ag)，溶液是足量CuSO4溶液，通电一段时间后停止电解，A池a极上产生的气体在标准状况下为2.24 L，下列说法不正确的是 ( )A．d电极质量一定减少6.4 gB．c电极质量一定增加6.4 gC．A池pH增大D．A池溶液质量减少1.8 g
解析：电解精炼铜时粗铜作阳极，纯铜作阴极，即d为阳极，c为阴极，则a、b分别为阴极和阳极。a极产生0.1 ml H2，则流经各电极的电子均为0.2 ml，d极粗铜含有杂质Fe、Ag，质量减少不等于6.4 g，A错误；而阴极只有Cu2＋得电子，质量增加一定为6.4 g，B正确；A池实质上是电解水，NaOH浓度变大，pH变大，溶液质量减少1.8 g，C、D正确。答案：A
2．如图甲所示，A为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，电解质溶液为KOH溶液。B为浸透饱和硫酸钠溶液和酚酞溶液的滤纸，滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液，C、D为电解槽。(1)甲烷燃料电池中负极反应式为________________________。
(2)关闭K1，打开K2，通电后，B中的紫红色液滴向d端移动，则电源a端为________极，通电一段时间后，观察到滤纸c端出现的现象是________。(3)D装置中有200 mL一定浓度的NaCl与CuSO4的混合溶液，闭合K2、打开K1后理论上两极所得气体的体积随时间变化的关系如图乙所示(气体体积已换算成标准状况下的体积，电解前后溶液的体积变化忽略不计)，则原混合溶液中NaCl的物质的量浓度为_______ml·L－1，t2 s时所得溶液的pH＝________。
(4)若C装置中溶液为AgNO3溶液且足量，电池总反应的离子方程式为________________________________________________。电解结束后，为了使溶液恢复原样，则可以在反应后的溶液中加入_____________(填化学式)。