2024版新教材高考化学全程一轮总复习第六章化学反应与能量第21讲多池多室的电化学装置学生用书

第21讲　多池、多室的电化学装置复 习 目 标1．掌握多池连接的分析应用；2.了解离子交换膜的分类及特点；3.理解离子交换膜在装置中的作用；4.熟悉电化学综合计算中的常用方法。考点一　多池串联的模型及原理分析必备知识整理1.有外接电源电池类型的判断方法有外接电源的各电池均为电解池，若电池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同，则该电池为电镀池。如图：则甲为电镀池，乙、丙均为电解池。2．无外接电源电池类型的判断方法(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，甲池为原电池，其余为电解池。(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不同的金属电极或一个金属电极一个碳棒电极；而电解池则一般两个都是惰性电极，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。[思维建模]　串联电路的解题流程对点题组训练1.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ⅠB．电极Ⅰ发生还原反应C．电极Ⅱ逐渐溶解D．电极Ⅲ的电极反应式：Cu2＋＋2e－===Cu2．一种用铅蓄电池进行电絮凝净水装置如图所示，回答下列问题：（1）装置Ⅰ中Y电极的电极材料是　　　　（填化学式），工作时S向　　　　（填“X”或“Y”）电极移动；Y电极的电极反应式为__________________________________。（2）装置Ⅱ中Al电极的电极反应式为_________________________。（3）每消耗103.5 g Pb，装置的电流效率为80%，则理论上电解池阴极上生成　　　mol H2。考点二　离子交换膜在电化学装置中的应用必备知识整理1.离子交换膜的种类2.离子迁移方向的判断（1）离子从“生成区”移向“消耗区”以电解CO2制HCOOH为例，其原理如图所示。右侧：通入CO2，生成HCOOH，发生还原反应，多孔锡作阴极，电极反应为CO2＋H＋＋2e－===HCOO－，消耗从左侧迁移过来的H＋。左侧“Pt片”作阳极，水电离产生的OH－放电，电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成H＋。离子移动方向：H＋通过阳离子交换膜从左侧移向右侧。（2）离子从“原料区”移向“产物区”以电渗析法制备H3PO2为例，其原理如图所示。离子移动方向及交换膜类型：产品室为阳极，原料室中的阴离子H2P移向产品室，膜1为阴离子交换膜；原料室中的阳离子Na＋移向阴极室，膜2为阳离子交换膜。阳极：电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，产生的H＋结合移入的H2P生成H3PO2。阴极：电极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，产生的OH－结合移入的Na＋生成NaOH。（3）离子从“浓→稀”的溶液区移出，移向“稀→浓”的溶液区以电化学制备K2Cr2O7为例，其原理如图所示，其中a、b均为石墨电极。左侧：为“稀→浓”的溶液区，则右侧的K＋通过K＋交换膜移向左侧，a极为阴极，电极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，产生的OH－结合移入的K＋生成KOH。右侧：b极为阳极，电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，促使溶液中的反应2Cr＋2H＋⇌Cr2＋H2O正向进行，生成K2Cr2O7。对点题组训练题组一　“隔膜”在新型电池中的应用1．2019年3月，我国科学家研发出一种新型的锌碘单液流电池，其原理如图所示。下列说法不正确的是（　　）A．放电时，B电极反应式：I2＋2e－===2I－B．放电时，电解质储罐中离子总浓度增大C．M为阳离子交换膜，N为阴离子交换膜D．充电时，A极增重65 g时，C区增加的离子数为4NA2．二甲醚（CH3OCH3）燃料电池的工作原理如图，下列有关叙述正确的是（　　）A．该装置能实现化学能100%转化为电能B．电子移动方向：a极→b极→质子交换膜→a极C．a电极的电极反应式为：CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋D．当b电极消耗22.4 L O2时，质子交换膜有4 mol H＋通过题组二　“双室”及“多室”电解池的应用3．连二亚硫酸钠（Na2S2O4）俗称保险粉，是一种强还原剂。工业常用惰性电极电解亚硫酸氢钠的方法制备连二亚硫酸钠，原理及装置如图所示，下列说法正确的是（　　）A．b电极应该接电源的负极B．a电极的电极反应式2HS＋2H＋＋2e－===S2＋2H2OC．装置中所用离子交换膜为阴离子交换膜D．电路中每转移1 mol电子，消耗SO2的体积为11.2 L4．某科研小组研究采用BMED膜堆（示意图如下），模拟以精制浓海水为原料直接制备酸碱。BMED膜堆包括阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜（A、D）。已知：在直流电源的作用下，双极膜内中间界面层发生水的解离，生成H＋和OH－。下列说法错误的是（　　）A．电极a连接电源的正极B．B为阳离子交换膜C．电解质溶液采用Na2SO4溶液可避免有害气体的产生D．Ⅱ口排出的是淡水特别提醒（1）含离子交换膜电化学装置题的解题步骤（2）在原电池中应用离子交换膜，起到替代盐桥的作用，一方面能起到平衡电荷、导电的作用，另一方面能防止电解质溶液中的离子与电极直接反应，提高电流效率；在电解池中使用选择性离子交换膜的主要目的是限制某些离子（或分子）的定向移动，避免电解质溶液中的离子或分子与电极产物反应，提高产品纯度或防止造成危险等。考点三　电化学原理的相关计算必备知识整理1.计算类型原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算，相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算。产物的量与电量关系的计算等。2．电化学计算的三种方法如以电路中通过4 mol e－为桥梁可构建以下关系式：（式中M为金属，n为其离子的化合价数值）该关系式具有总揽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。特别提醒（1）电化学计算中，常利用Q＝I·t和Q＝n（e－）·NA×1.6×10－19 C来计算电路中通过的电量。（2）串联电池中，各电极上转移电子的物质的量是相等的，这是串联电池计算的根本依据。对点题组训练题组一　根据总反应式建立等量关系进行计算1．常温下，用铂作电极电解1 L 1 mol·L－1的氯化钠溶液，当收集到1.12 L氯气（标准状况）时，溶液的pH约为（不考虑气体溶解，忽略溶液体积变化）（　　）A．1　 　　B．7　 　　C．13 　　　D．142．将两个铂电极插入500 mL CuSO4溶液中进行电解，通过一定时间后，某一电极增重0.064 g（设电解时该电极无氢气析出，且不考虑水解和溶液体积变化），此时溶液中氢离子浓度约为（　　）A．4×10－3 mol·L－1 B．2×10－3 mol·L－1C．1×10－3 mol·L－1 D．1×10－7 mol·L－1题组二　“膜电池”中膜两侧溶液质量变化的计算3．氨硼烷（NH3·BH3）电池装置如图所示（起始未加入氨硼烷之前，两极室内液体质量相等），该电池工作时的总反应为NH3·BH3＋3H2O2===NH4BO2＋4H2O。下列说法错误的是（　　）A.负极反应式为NH3·BH3－6e－＋2H2O===N＋B＋6H＋B．当加入6.2 g NH3·BH3（假设完全反应）时，左右两极室内液体质量差为5 gC．电池工作时，阳离子向正极移动，故H＋通过质子交换膜向右移动D．其他条件不变，向酸性H2O2溶液中加入适量硫酸能增强溶液导电性4．如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 mol·L－1 H2SO4溶液。当电池中有1 mol电子发生转移时，左右两侧溶液的质量之差为　　　　 g（假设反应物耗尽，忽略气体的溶解）。题组三　依据电子守恒，突破“串联电池”计算5．如图所示装置中，甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100 g 5% NaOH溶液、足量CuSO4溶液和100 g 10% K2SO4溶液，电极均为石墨电极。（1）接通电源，一段时间后，测得丙中K2SO4溶液的质量分数为10.47%，乙中c电极质量增加。则①电源的N端为　　　　极；②电极b上发生的电极反应为___________________________________；③计算电极b上生成的气体在标准状况下的体积为　　　　 L；④电解前后丙中溶液的pH　　　　（填“增大”“减小”或“不变”）。（2）乙装置中如果电解过程中铜全部析出，此时电解能否继续进行：　　　　（填“能”或“不能”），原因是_______________________________________________。6．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，观察到电流计的指针发生了偏转。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”，下同）；丙中溶液的pH将　　　　。新 情 境 新 高 考离子交换膜在电解中的应用硼酸溶于水、酒精、甘油、醚类及香精油中，水溶液呈弱酸性。大量用于玻璃工业，可以改善玻璃制品的耐热、透明性能，提高机械强度，缩短熔融时间；H3BO3可以通过电解NaB（OH）4溶液的方法制备，其工作原理如图：[问题探究]（1）请书写M室发生的电极反应式。________________________________________________________________________（2）比较N室中a%和b%的大小关系。________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________（3）b膜为哪种离子交换膜？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________（4）理论上每生成1 mol产品，阴极室可生成标准状况下气体的体积是多少？________________________________________________________________________________________________________________________________________________本讲真题研练1．[2022·山东卷]（双选）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LiCoO2（s）转化为Co2＋，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，乙室应补充盐酸C．乙室电极反应式为LiCoO2＋2H2O＋e－===Li＋＋Co2＋＋4OH－D．若甲室Co2＋减少200 mg，乙室Co2＋增加300 mg，则此时已进行过溶液转移2.[2021·全国乙卷]沿海电厂采用海水为冷却水，但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率。为解决这一问题，通常在管道口设置一对惰性电极（如图所示），通入一定的电流。下列叙述错误的是（　　）A．阳极发生将海水中的Cl－氧化生成Cl2的反应B.管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClOC．阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气D.阳极表面形成的Mg（OH）2等积垢需要定期清理3．[2021·河北卷]K－O2电池结构如图，a和b为两个电极，其中之一为单质钾片。关于该电池，下列说法错误的是（　　）A．隔膜允许K＋通过，不允许O2通过B．放电时，电流由b电极沿导线流向a电极；充电时，b电极为阳极C．产生1 Ah电量时，生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为2.22D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗3.9 g钾时，铅酸蓄电池消耗0.9 g水第21讲　多池、多室的电化学装置考点一对点题组训练1．解析：电极Ⅰ为Al，其他均为Cu，因此，装置①、②与盐桥形成的原电池中Al作负极，Ⅱ作正极，装置③中Ⅲ是阳极，Ⅳ是阴极。A项，电流是从正极沿导线流向负极，即电极Ⅳ→Ⓐ→电极Ⅰ，正确；B项，电极Ⅰ的电极反应式为Al－3e－===Al3＋，发生氧化反应，错误；C项，电极Ⅱ是正极，电极反应式：Cu2＋＋2e－===Cu，故电极Ⅱ质量逐渐增大，错误；D项，电极Ⅲ为阳极，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，错误。答案：A2．解析：(1)由装置Ⅱ中Al发生失电子的氧化反应知Al为阳极，Fe为阴极，与Al相接的铅蓄电池的Y电极为正极，电极材料是PbO2；向负极移动，即移向X电极；Y电极的电极反应式为＋2H2O。(2)装置Ⅱ是电絮凝净水装置，工作时，Al转化为Al3＋，然后水解生成Al(OH)3胶体，电极反应为Al－3e－===Al3＋；由题图知，还发生反应2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。(3)由Pb－2e－===Pb2＋可知消耗103.5 g (0.5 mol)Pb，转移电子的物质的量为1 mol，装置的电流效率为80%，故装置Ⅱ阴极上放电效率是80%，参与反应的电子为0.8 mol，该电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，即产生0.4 mol H2。答案：(1)PbO2　X＋4H＋＋2e－===PbSO4＋2H2O(2)Al－3e－===Al3＋、2H2O－4e－===O2↑＋4H＋(3)0.4考点二对点题组训练1．解析：放电时，B电极为正极，I2得到电子生成I－，电极反应式为I2＋2e－===2I－，A项正确；放电时，左侧即负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，所以电解质储罐中的离子总浓度增大，B项正确；离子交换膜的作用是防止I2、Zn接触发生反应，负极区生成Zn2＋，正极区生成I－，所以Cl－通过M膜进入负极区，K＋通过N膜进入正极区，所以M为阴离子交换膜，N为阳离子交换膜，C项错误；充电时，A极的电极反应式为Zn2＋＋2e－===Zn，A极增重65 g，转移2 mol电子，所以C区增加2 mol K＋、2 mol Cl－，离子总数为4NA，D项正确。答案：C2．解析：A项，化学能转化为热能和电能，不可能100%转化为电能，错误；B项，电子不能经过电解质溶液，所以电子由a极b极，错误；C项，a为负极，发生氧化反应，电极反应式为CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋，正确；D项，气体所处状况不知，无法由体积求物质的量，所以通过H＋的物质的量无法求出，错误。答案：C3．解析：NaHSO3在a电极被还原生成Na2S2O4，则a电极是阴极，b电极是阳极，故b电极接电源的正极，A错误；a电极发生还原反应，被还原生产，电极反应式为＋2H2O，B正确；b电极是阳极，电极反应式为，阳极生成H＋，阴极消耗H＋，为维持溶液呈电中性，H＋透过离子交换膜向阴极迁移，则该离子交换膜是阳离子交换膜，C错误；电路中每转移1 mol电子，阳极消耗0.5 mol SO2，在标准状况下的体积为11.2 L，题目未指明SO2是否处于标准状况下，D错误。答案：B4．解析：根据题干信息确定该装置为电解池，阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，所以电极a为阳极，连接电源的正极，A正确；水在双极膜A解离后，氢离子吸引阴离子透过B膜到左侧形成酸，B为阴离子交换膜，B错误；电解质溶液采用Na2SO4溶液，电解时生成氢气和氧气，可避免有害气体的产生，C正确；海水中的阴、阳离子透过两侧交换膜向两侧移动，淡水从Ⅱ口排出，D正确。答案：B考点三对点题组训练1．解析：惰性电极电解氯化钠溶液，阳极反应式：2Cl－－2e－===Cl2↑，当阳极产生1.12 L即0.05 mol氯气时，根据电解的总反应式2NaCl＋2H2O H2↑＋Cl2↑＋2NaOH可知，生成氢氧化钠的物质的量是0.1 mol，溶液中OH－的物质的量浓度是＝0.1 mol·L－1，c(H＋)＝ mol·L－1＝10－13 mol·L－1，则溶液的pH＝＝13。答案：C2．解析：根据2CuSO4＋2H2O2Cu＋2H2SO4＋O2↑得n(H＋)＝2n(H2SO4)＝2n(Cu)＝2×＝0.002 mol，c(H＋)＝＝4×10－3 mol·L－1。答案：A3．解析：NH3·BH3―→NH4BO2，B的化合价升高，失去电子，发生氧化反应，则通入NH3·BH3的一极是负极，溶液呈酸性，故负极反应式为＋6H＋，A项正确。反应开始前，两极室质量相等，当加入6.2 g(0.2 mol)NH3·BH3并完全反应时，转移1.2 mol电子，同时左室中有1.2 mol H＋通过质子交换膜移向右室，则左室质量增加6.2 g－1.2 g＝5 g，右室质量增加1.2 g，即两极室内液体质量差为5 g－1.2 g＝3.8 g，B项错误，C项正确。H2SO4是强电解质，其他条件不变时，向酸性H2O2溶液中加入适量硫酸能增大溶液中自由移动的离子浓度，故能增强溶液导电性，D项正确。答案：B4．解析：根据电极反应式，结合电子守恒法和差量法进行计算。通入甲醇的一极为负极，电极反应式为CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋　Δm 6 mol 44 g－32 g＝12 g1 mol 2 g通入氧气的一极为正极，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O　Δm 4 mol 32 g 1 mol 8 g1 mol电子发生转移时，左侧还有1 mol H＋穿过质子交换膜进入右侧，即左侧减少1 g H＋，右侧增加了1 g H＋，故Δm左(减少)＝3 g，Δm右(增加)＝9 g。两侧溶液的质量之差为Δm右(增加)＋Δm左(减少)＝9 g＋3 g＝12 g。答案：125．解析：(1)①接通电源一段时间后，乙中c电极质量增加，说明c电极表面析出Cu，则该电极为阴极，从而推知M端为电源的负极，N端为电源的正极。②电极b为阳极，用惰性电极电解NaOH溶液相当于电解水，阳极上OH－放电生成O2，电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O。③用惰性电极电解K2SO4溶液相当于电解水，设电解过程中消耗水的质量为x g，据电解前后溶质的质量不变可得：100 g×10%＝(100－x) g×10.47%，解得x≈4.5，则电解过程中消耗水的物质的量为＝0.25 mol，转移电子的物质的量为0.5 mol，故电极b上生成的O2在标准状况下的体积为V(O2)＝0.5 mol××22.4 L·mol－1＝2.8 L。④丙中用惰性电极电解K2SO4溶液相当于电解水，电解过程中c(K2SO4)增大，但溶液的pH不变。(2)当电解过程中铜全部析出时，CuSO4溶液变为H2SO4溶液，继续电解则为电解H2SO4溶液，相当于电解水。答案：(1)①正　②4OH－－4e－===O2↑＋2H2O　③2.8　④不变(2)能　CuSO4溶液变为H2SO4溶液，可继续电解H2SO4溶液，实质电解水6．解析：(1)甲池为原电池，通入CH3OH的电极为负极，电极反应式为＋6H2O。(2)乙池为用惰性电极电解AgNO3溶液，其中A作阳极，B作阴极，总反应式为4AgNO3＋2H2O4Ag＋O2↑＋4HNO3。(3)根据各电极上转移电子数目相同，得n(Ag)＝4n(O2)＝2n(Cu)，故V(O2)＝×22.4 L·mol－1＝0.28 L＝280 mL，m(Cu)＝×64 g·mol－1＝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＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，则溶液pH增大，而甲中总反应为2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O，溶液pH减小。答案：(1)原电池＋6H2O(2)阳极　4AgNO3＋2H2O4Ag＋O2↑＋4HNO3(3)280　D　1.60　(4)减小　增大新情境新高考提示：(1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋(2)a%