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2024届高考化学复习讲义第六章化学反应与能量变化第八讲多池连接及电化学的相关计算含答案
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这是一份2024届高考化学复习讲义第六章化学反应与能量变化第八讲多池连接及电化学的相关计算含答案，共7页。
考点 多池连接及电化学的相关计算
1.原电池、电解池连接
根据两池电极材料活动性或两池电极上的反应物的还原性强弱判断负极（还原性强的为负极）；或根据两池电极上的反应物的氧化性强弱判断正极（氧化性强的为正极）。
2.多个电解池串连
注意 判断多个电解池串联的每个池的阴、阳极时，应找根源上直流电源的正、负极，不要受旁边串联的电解池的影响。还要注意阳极的电极材料是否为活性电极。
3.电化学中有关得失电子守恒的计算
在原电池或电解池电路中转移的电子的物质的量与各电极上转移的电子的物质的量相等。穿过膜的离子所带电荷数也与转移的电子数目相等。
注意 计算溶液质量变化时除了看电极反应外，还要注意穿过膜的离子引起的溶液质量的变化。如果电极上有副反应，计算转移电子总数时要把发生副反应转移的电子数计算在内。
4.电流效率η的计算
η＝生成目标产物消耗的电子数转移的电子总数×100％。先根据电极反应式计算出生成目标产物需要的电子的物质的量，再代入该公式进行计算。
5.能量密度E的计算
E＝电池输出电能燃料质量，1 kW·h＝3.6×106 J，电能公式W＝UQ。
1.原电池与电解池串联装置如图所示。
（1）甲池中负极反应式为 H2－2e－2H＋ 。
（2）向乙池U形管中滴入酚酞溶液，现象是 U形管右侧溶液变红 。乙池左侧NaOH溶液中发生反应的离子方程式为 Cl2＋2OH－Cl－＋ClO－＋H2O 。
2.电化学降解硝酸盐中NO3－的原理如图所示。
（1）电源正极为 A （填“A”或“B”），阴极反应式为 2NO3－＋6H2O＋10e－N2↑＋12OH－ 。
（2）若电解过程中转移2 ml电子，则阳极室的质量减少 18 g。
3.工业上电解精炼银时，电解液的pH为1.5～2，电流强度为5～10 A，若电解液pH太小，电解精炼过程中在阴极除了Ag＋放电，还会发生 2H＋＋2e－H2↑ （写电极反应式），若用10 A的电流电解60 min 后，得到32.4 g Ag，则该电解池的电解效率为 80.4 ％。（保留小数点后一位；通过一定电量时阴极上实际沉积的金属质量与通过相同电量时理论上应沉积的金属质量之比叫电解效率；法拉第常数为 96 500 C·ml－1）
4.二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池（5.93 kW·h·kg－1）。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为 CH3OCH3＋3H2O－12e－2CO2↑＋12H＋ ，1 ml二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生 12 ml电子的电量；该电池的理论输出电压为1.20 V，能量密度E＝ 1.20V×1000g46g·ml－1×12×96500C·ml－11kg×3.6×106J·kW－1·h－1≈8.39 kW·h·kg－1 （列式计算，能量密度＝电池输出电能/燃料质量，1 kW·h＝3.6×106 J，F＝96 500 C·ml－1）。
研透高考 明确方向
命题点1 原电池与电解池串联
1.[2022山东]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（ B ）
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，乙室应补充盐酸
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 根据右侧装置为原电池，乙酸盐降解为二氧化碳，发生氧化反应，LiCO2转化为C2＋，发生还原反应，知右侧装置左电极为负极，右电极为正极；左侧装置为电解池，左电极为阳极，乙酸盐转化为CO2气体，右电极为阴极，C2＋转化为C单质。
装置工作时，甲室为阴极室，阳极发生反应CH3COO－－8e－＋2H2O2CO2↑＋7H＋，结合阴极反应及电解液呈电中性知，阳极生成的 H＋通过阳膜进入阴极室，故甲室溶液pH减小，A项错误；乙室为正极室，正极反应为LiCO2＋e－＋4H＋Li＋＋C2＋＋2H2O，消耗H＋生成H2O，电解质溶液酸性减弱，故工作一段时间后需要补充盐酸，B项正确，C项错误；根据甲室中电极反应C2＋＋2e－C和乙室中电极反应可知，甲室中减少的C2＋的质量为乙室中增加的C2＋的质量的一半，则甲室C2＋减少200 mg，乙室C2＋需增加400 mg，而此时乙室C2＋增加了 300 mg，故还没有进行过溶液转移，D项错误。
命题点2 根据得失电子守恒计算
2.某甲醇燃料电池的工作原理如图所示，质子交换膜（只有质子能够通过）左右两侧的溶液均为1 L 2 ml·L－1 H2SO4溶液。当电池中有1 ml 电子发生转移时，左右两侧溶液的质量之差为 12 g（假设反应物耗尽，忽略气体的溶解）。
解析 根据电极反应式，结合得失电子守恒和差量法进行计算。该燃料电池中通入甲醇的一极为负极，电极反应式为
CH3OH－6e－＋H2OCO2↑＋6H＋ Δm
6 ml 44 g－32 g＝12 g
1 ml 2 g
通入氧气的一极为正极，电极反应式为
O2＋4e－＋4H＋2H2O Δm
4 ml 32 g
1 ml 8 g
电路中转移1 ml 电子时，左侧还有1 ml H＋通过质子交换膜进入右侧，即左侧减少1 g H＋，右侧增加1 g H＋，故Δm左＝3 g，Δm右＝9 g，两侧溶液的质量之差为Δm右＋Δm左＝9 g＋3 g＝12 g。
命题点3 电流效率（η）的计算
3.[重庆高考]一定条件下，如图所示装置可实现有机物的电化学储氢（忽略其他有机物）。
（1）导线中电子移动方向为 A→D 。（用A、D表示）
（2）生成目标产物的电极反应式为 C6H6＋6H＋＋6e－C6H12 。
（3）该储氢装置的电流效率η＝ 64.3％ 。（η＝生成目标产物消耗的电子数转移的电子总数×100％，计算结果保留小数点后1位）
解析 （1）由装置图可知，电解池左边电极D上发生的反应是“苯加氢还原”，则电极D是阴极，故导线中电子移动方向为A→D。（2）该电解池的目的是储氢，故目标产物为环己烷，则生成环己烷的电极反应式为C6H6＋6H＋＋6e－C6H12。（3）阳极生成的H＋经过高分子电解质膜移动至阴极，一部分H＋与苯反应生成环己烷，还有一部分H＋得电子生成H2（2H＋＋2e－H2↑，阴极的副反应），左边（阴极区）出来的混合气体为未参与反应的其他气体、未反应的苯（g）、生成的环己烷（g）和H2。设未反应的苯蒸气的物质的量为x ml，生成的H2的物质的量为y ml，阴极生成的气态环己烷的物质的量为（2.4－x） ml，得到电子的物质的量为6×（2.4－x） ml，阴极生成y ml H2得到2y ml电子，阳极（电极E）的电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，生成2.8 ml O2失去电子的物质的量为4×2.8 ml＝11.2 ml，根据得失电子守恒有6×（2.4－x） ml＋2y ml＝11.2 ml；阴极出来的混合气体中苯蒸气的物质的量分数为xml10ml＋yml＝0.1；联立解得x＝1.2，电流效率为6×（2.4－1.2）ml11.2ml×100％≈64.3％。课标要求
核心考点
五年考情
核心素养对接
能分析、解释原电池和电解池的工作原理
多池连接及电化学的相关计算
2022山东，T13；2021北京，T15；2020全国Ⅲ，T12
证据推理与模型认知：能分析、识别复杂的电解装置并进行推理
命题分析预测
1.多池串联主要考查电极类型判断、电极反应式的书写等；原电池和电解池的相关计算主要包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、根据电荷量求产物的量、根据产物的量求电荷量等。
2.预计2025年高考仍会考查电池中利用得失电子守恒计算两极产物的量，另外，电池的电流效率的计算也可能是热点；电化学跨学科命题更能考查考生的综合能力，是高考命题的重要趋势
装置
工作原理
利用膜技术原理和电化学原理制备少量硫酸和绿色硝化剂N2O5，装置如图所示：
左池为[1] 原电池 ，a极的电极反应为[2] SO2－2e－＋2H2OSO42－＋4H＋ 、b极的电极反应为[3] O2＋4e－＋4H＋2H2O 。
右池为[4] 电解池 ，c极的电极反应为[5] N2O4－2e－＋2HNO32N2O5＋2H＋ 、d极的电极反应为[6] 2H＋＋2e－H2↑
左池总反应为[7] 2SO2＋2H2O＋O22SO42－＋4H＋ ；右池总反应为[8] N2O4＋2HNO3电解2N2O5＋H2↑ 。
左池和右池中的隔膜分别为[9] 阳 （填“阴”或“阳”，后同）离子交换膜、[10] 阳 离子交换膜
装置
工作原理
甲池中阳极反应式：[11] Ag－e－Ag＋ ，阴极反应式：[12] Ag＋＋e－Ag｡
乙池中阳极反应式：[13] 2Cl－－2e－Cl2↑ ，阴极反应式：[14] 2H2O＋2e－H2↑＋2OH－ 。
丙池中阳极反应式：[15] 2H2O－4e－O2↑＋4H＋ ，阴极反应式：[16] Cu2＋＋2e－Cu
当电路中通过0.1 ml 电子时，乙池中溶液质量减少[17] 3.65 g，丙池中溶液质量减少[18] 4.0 g
装置
工作原理
新型的高比能量锌－碘溴液流电池
放电时，负极反应式：[19] Zn－2e－Zn2＋ ，
正极反应式：[20] I2Br－＋2e－2I－＋Br－ 。
充电时，b电极增加0.65 g Zn时，a电极有[21] 0.02 ml I－被氧化成I2Br－
装置
工作原理
燃料电池负极反应式：[22] CH4－8e－＋10OH－CO32－＋7H2O ；
电解池阴极反应式：[23] Zn2＋＋2e－Zn
燃料电池中负极消耗2.24 L（标准状况）CH4，且能量完全转化为电能，电解池中回收制得19.5 g Zn，则该装置的电流效率η＝[24] 75％
考点 多池连接及电化学的相关计算
1.原电池、电解池连接
根据两池电极材料活动性或两池电极上的反应物的还原性强弱判断负极（还原性强的为负极）；或根据两池电极上的反应物的氧化性强弱判断正极（氧化性强的为正极）。
2.多个电解池串连
注意 判断多个电解池串联的每个池的阴、阳极时，应找根源上直流电源的正、负极，不要受旁边串联的电解池的影响。还要注意阳极的电极材料是否为活性电极。
3.电化学中有关得失电子守恒的计算
在原电池或电解池电路中转移的电子的物质的量与各电极上转移的电子的物质的量相等。穿过膜的离子所带电荷数也与转移的电子数目相等。
注意 计算溶液质量变化时除了看电极反应外，还要注意穿过膜的离子引起的溶液质量的变化。如果电极上有副反应，计算转移电子总数时要把发生副反应转移的电子数计算在内。
4.电流效率η的计算
η＝生成目标产物消耗的电子数转移的电子总数×100％。先根据电极反应式计算出生成目标产物需要的电子的物质的量，再代入该公式进行计算。
5.能量密度E的计算
E＝电池输出电能燃料质量，1 kW·h＝3.6×106 J，电能公式W＝UQ。
1.原电池与电解池串联装置如图所示。
（1）甲池中负极反应式为 H2－2e－2H＋ 。
（2）向乙池U形管中滴入酚酞溶液，现象是 U形管右侧溶液变红 。乙池左侧NaOH溶液中发生反应的离子方程式为 Cl2＋2OH－Cl－＋ClO－＋H2O 。
2.电化学降解硝酸盐中NO3－的原理如图所示。
（1）电源正极为 A （填“A”或“B”），阴极反应式为 2NO3－＋6H2O＋10e－N2↑＋12OH－ 。
（2）若电解过程中转移2 ml电子，则阳极室的质量减少 18 g。
3.工业上电解精炼银时，电解液的pH为1.5～2，电流强度为5～10 A，若电解液pH太小，电解精炼过程中在阴极除了Ag＋放电，还会发生 2H＋＋2e－H2↑ （写电极反应式），若用10 A的电流电解60 min 后，得到32.4 g Ag，则该电解池的电解效率为 80.4 ％。（保留小数点后一位；通过一定电量时阴极上实际沉积的金属质量与通过相同电量时理论上应沉积的金属质量之比叫电解效率；法拉第常数为 96 500 C·ml－1）
4.二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池（5.93 kW·h·kg－1）。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为 CH3OCH3＋3H2O－12e－2CO2↑＋12H＋ ，1 ml二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生 12 ml电子的电量；该电池的理论输出电压为1.20 V，能量密度E＝ 1.20V×1000g46g·ml－1×12×96500C·ml－11kg×3.6×106J·kW－1·h－1≈8.39 kW·h·kg－1 （列式计算，能量密度＝电池输出电能/燃料质量，1 kW·h＝3.6×106 J，F＝96 500 C·ml－1）。
研透高考 明确方向
命题点1 原电池与电解池串联
1.[2022山东]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（ B ）
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，乙室应补充盐酸
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 根据右侧装置为原电池，乙酸盐降解为二氧化碳，发生氧化反应，LiCO2转化为C2＋，发生还原反应，知右侧装置左电极为负极，右电极为正极；左侧装置为电解池，左电极为阳极，乙酸盐转化为CO2气体，右电极为阴极，C2＋转化为C单质。
装置工作时，甲室为阴极室，阳极发生反应CH3COO－－8e－＋2H2O2CO2↑＋7H＋，结合阴极反应及电解液呈电中性知，阳极生成的 H＋通过阳膜进入阴极室，故甲室溶液pH减小，A项错误；乙室为正极室，正极反应为LiCO2＋e－＋4H＋Li＋＋C2＋＋2H2O，消耗H＋生成H2O，电解质溶液酸性减弱，故工作一段时间后需要补充盐酸，B项正确，C项错误；根据甲室中电极反应C2＋＋2e－C和乙室中电极反应可知，甲室中减少的C2＋的质量为乙室中增加的C2＋的质量的一半，则甲室C2＋减少200 mg，乙室C2＋需增加400 mg，而此时乙室C2＋增加了 300 mg，故还没有进行过溶液转移，D项错误。
命题点2 根据得失电子守恒计算
2.某甲醇燃料电池的工作原理如图所示，质子交换膜（只有质子能够通过）左右两侧的溶液均为1 L 2 ml·L－1 H2SO4溶液。当电池中有1 ml 电子发生转移时，左右两侧溶液的质量之差为 12 g（假设反应物耗尽，忽略气体的溶解）。
解析 根据电极反应式，结合得失电子守恒和差量法进行计算。该燃料电池中通入甲醇的一极为负极，电极反应式为
CH3OH－6e－＋H2OCO2↑＋6H＋ Δm
6 ml 44 g－32 g＝12 g
1 ml 2 g
通入氧气的一极为正极，电极反应式为
O2＋4e－＋4H＋2H2O Δm
4 ml 32 g
1 ml 8 g
电路中转移1 ml 电子时，左侧还有1 ml H＋通过质子交换膜进入右侧，即左侧减少1 g H＋，右侧增加1 g H＋，故Δm左＝3 g，Δm右＝9 g，两侧溶液的质量之差为Δm右＋Δm左＝9 g＋3 g＝12 g。
命题点3 电流效率（η）的计算
3.[重庆高考]一定条件下，如图所示装置可实现有机物的电化学储氢（忽略其他有机物）。
（1）导线中电子移动方向为 A→D 。（用A、D表示）
（2）生成目标产物的电极反应式为 C6H6＋6H＋＋6e－C6H12 。
（3）该储氢装置的电流效率η＝ 64.3％ 。（η＝生成目标产物消耗的电子数转移的电子总数×100％，计算结果保留小数点后1位）
解析 （1）由装置图可知，电解池左边电极D上发生的反应是“苯加氢还原”，则电极D是阴极，故导线中电子移动方向为A→D。（2）该电解池的目的是储氢，故目标产物为环己烷，则生成环己烷的电极反应式为C6H6＋6H＋＋6e－C6H12。（3）阳极生成的H＋经过高分子电解质膜移动至阴极，一部分H＋与苯反应生成环己烷，还有一部分H＋得电子生成H2（2H＋＋2e－H2↑，阴极的副反应），左边（阴极区）出来的混合气体为未参与反应的其他气体、未反应的苯（g）、生成的环己烷（g）和H2。设未反应的苯蒸气的物质的量为x ml，生成的H2的物质的量为y ml，阴极生成的气态环己烷的物质的量为（2.4－x） ml，得到电子的物质的量为6×（2.4－x） ml，阴极生成y ml H2得到2y ml电子，阳极（电极E）的电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，生成2.8 ml O2失去电子的物质的量为4×2.8 ml＝11.2 ml，根据得失电子守恒有6×（2.4－x） ml＋2y ml＝11.2 ml；阴极出来的混合气体中苯蒸气的物质的量分数为xml10ml＋yml＝0.1；联立解得x＝1.2，电流效率为6×（2.4－1.2）ml11.2ml×100％≈64.3％。课标要求
核心考点
五年考情
核心素养对接
能分析、解释原电池和电解池的工作原理
多池连接及电化学的相关计算
2022山东，T13；2021北京，T15；2020全国Ⅲ，T12
证据推理与模型认知：能分析、识别复杂的电解装置并进行推理
命题分析预测
1.多池串联主要考查电极类型判断、电极反应式的书写等；原电池和电解池的相关计算主要包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、根据电荷量求产物的量、根据产物的量求电荷量等。
2.预计2025年高考仍会考查电池中利用得失电子守恒计算两极产物的量，另外，电池的电流效率的计算也可能是热点；电化学跨学科命题更能考查考生的综合能力，是高考命题的重要趋势
装置
工作原理
利用膜技术原理和电化学原理制备少量硫酸和绿色硝化剂N2O5，装置如图所示：
左池为[1] 原电池 ，a极的电极反应为[2] SO2－2e－＋2H2OSO42－＋4H＋ 、b极的电极反应为[3] O2＋4e－＋4H＋2H2O 。
右池为[4] 电解池 ，c极的电极反应为[5] N2O4－2e－＋2HNO32N2O5＋2H＋ 、d极的电极反应为[6] 2H＋＋2e－H2↑
左池总反应为[7] 2SO2＋2H2O＋O22SO42－＋4H＋ ；右池总反应为[8] N2O4＋2HNO3电解2N2O5＋H2↑ 。
左池和右池中的隔膜分别为[9] 阳 （填“阴”或“阳”，后同）离子交换膜、[10] 阳 离子交换膜
装置
工作原理
甲池中阳极反应式：[11] Ag－e－Ag＋ ，阴极反应式：[12] Ag＋＋e－Ag｡
乙池中阳极反应式：[13] 2Cl－－2e－Cl2↑ ，阴极反应式：[14] 2H2O＋2e－H2↑＋2OH－ 。
丙池中阳极反应式：[15] 2H2O－4e－O2↑＋4H＋ ，阴极反应式：[16] Cu2＋＋2e－Cu
当电路中通过0.1 ml 电子时，乙池中溶液质量减少[17] 3.65 g，丙池中溶液质量减少[18] 4.0 g
装置
工作原理
新型的高比能量锌－碘溴液流电池
放电时，负极反应式：[19] Zn－2e－Zn2＋ ，
正极反应式：[20] I2Br－＋2e－2I－＋Br－ 。
充电时，b电极增加0.65 g Zn时，a电极有[21] 0.02 ml I－被氧化成I2Br－
装置
工作原理
燃料电池负极反应式：[22] CH4－8e－＋10OH－CO32－＋7H2O ；
电解池阴极反应式：[23] Zn2＋＋2e－Zn
燃料电池中负极消耗2.24 L（标准状况）CH4，且能量完全转化为电能，电解池中回收制得19.5 g Zn，则该装置的电流效率η＝[24] 75％
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