课件 高考化学一轮复习第七单元 化学反应与能量 发展素养(十一)　模型认知——电化学中的“多池”与“多室”

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发展素养(十一)　模型认知——电化学中的“多池”与“多室”
探究点1　多池串联电化学装置及分析探究点2　“多室”电化学装置及分析探究点3　多池与多室中的电子守恒计算作业手册
探究点1　多池串联电化学装置及分析
1.电解池的串联模型及分析(1)A、B为两个串联电解池,相同时间内,通过各个电极的电子数相等。(2)电极名称:Zn、Cu2电极是阳极,Fe、Cu1电极是阴极。(3)电极反应式:Zn电极反应式为Zn-2e- = Zn2+,Fe电极反应式为2H++2e- = H2↑。
2.原电池与电解池的串联模型及分析(1)装置中无外加直流电源时,一般情况下,两极金属的活动性相差较大的电池(或燃料电池)为原电池,其余为电解池。(2)图甲中,A为原电池,Zn是负极,Cu1是正极;B是电解池,Fe是阴极,Cu2是阳极。(3)图乙中通入O2的电极反应式为O2+4H++4e- = 2H2O,b电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-。
3.解答电池串联问题的思维流程
例1 [2024·福建泉州重点高中联考] 在如图所示串联装置中,通电片刻即发现乙装置左侧电极表面出现红色固体。下列说法不正确的是( 　)A.乙中左侧电极反应式:Cu2++2e- = CuB.电解过程中丙中溶液酸碱性无变化C.向甲中加入适量的盐酸,可使溶液恢复到电解前的状态D.标准状况下当甲中产生4.48 L气体时,丙中Cu电极质量增加21.6 g
[解析] 该装置外接电源,为电解池装置,通电片刻即发现乙装置左侧电极表面出现红色固体,说明发生反应:Cu2++2e- = Cu,则乙装置左侧电极为电解池阴极,右侧为阳极;电源左侧为负极,右侧为正极。乙中左侧电极反应式:Cu2++2e- = Cu,A正确;在丙装置中阳极发生失电子反应,阳极电极反应式:Ag-e- = Ag+,阴极电极反应式:Ag++e- Ag,所以电解过程中丙中溶液酸碱性无变化,B正确;
甲装置中阳极电极反应:2Cl--2e- = Cl2↑,阴极电极反应:2H2O+2e- = H2↑+2OH-,相当于从溶液中逸出HCl气体,若加入盐酸,则多加入了水,会导致KCl溶液浓度减小,C错误;标准状况下当甲中产生4.48 L气体时,两极各产生0.1 ml气体,转移电子为0.2 ml,丙中Cu电极上银离子得电子产生银单质,转移0.2 ml电子时,有0.2 ml Ag生成,则质量增加21.6 g,D正确。
变式题1 [2024·山东泰安调研] 某化学兴趣小组的同学用如图所示装置研究电化学问题。当闭合该装置的电键时,观察到电流表的指针发生偏转。下列有关说法正确的是(　 )A.该装置为两个原电池串联B.乙装置中Pt作负极,C作正极C.当甲中产生0.1 ml气体时,乙中析出固体的质量为6.4 gD.实验一段时间后,甲烧杯中溶液的pH减小
[解析] Zn、Cu电极和稀硫酸构成原电池,其中Zn作负极,Cu作正极;乙装置是电解池,C为阴极,Pt为阳极,A、B错误。当甲中产生0.1 ml H2时,电极反应式为2H++2e- = H2↑,电路转移0.2 ml电子,乙的电解池中,阴极上电极反应为Cu2++2e- = Cu,根据电子守恒计算得到0.1 ml Cu,质量为6.4 g,C正确。实验一段时间后,甲烧杯的溶液中c(H+)减小,pH增大,D错误。
变式题2 [2023·天津部分区联考] 某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源,进行电解饱和食盐水,如图所示。有关说法正确的是(　 )A.燃料电池工作时,通入甲烷一极的电极反应式为CH4+2H2O-8e- = CO2+8H+B.闭合开关K后,b电极上有Cl2生成C.若每个电池中甲烷通入量均为1 L(标准状况),且反应完全,理论上最多能产生氯气的体积为8 L(标准状况)D.电解饱和食盐水总反应的离子方程式为2Cl-+2H2O 2OH-+H2↑+Cl2↑
探究点2　“多室”电化学装置及分析
1.离子交换膜的分类与作用
2.含膜电化学装置的思路分析
例2 [2024·江苏镇江学情检测] 利用惰性电极电解Na2SO3和NaHSO3混合溶液分离得到两者的浓溶液,其电解装置如图所示,Ⅰ室里加入的是稀硫酸,Ⅱ室和Ⅲ室里加入的是Na2SO3和NaHSO3的混合溶液。下列说法正确的是(　 )A.阳极上发生的电极反应: 2H++2e- = H2↑B.交换膜a是阴离子交换膜C.电解一段时间后,Ⅱ室得到NaHSO3溶液D.电解时每转移1 ml电子,理论上阴极区可获得11.2 L气体
变式题1 [2024·辽宁重点高中联合体联考] 某团队开发出了用于制氢的膜基海水电解槽,其装置如图所示。已知隔水膜只允许水分子透过。下列说法正确的是(　 )A.M极为阳极B.理论上迁移1 ml OH-时,海水质量净减9 gC.M极的电极反应式为2H2O-2e- = 2OH-+H2↑D.电路上每通过2 ml电子,理论上N极逸出标准状况下22.4 L H2
[解析] 电解池中阴离子向阳极移动,OH-由M极移向N极,则M极为阴极,N极为阳极,A错误;M极电极反应式为2H2O+2e- = 2OH-+H2↑,N极电极反应式为2H2O-4e- = 4H++O2↑,理论上迁移1 ml OH-时,转移1 ml e-,则生成0.5 ml H2和0.25 ml O2,海水质量净减0.5 ml×2 g·ml-1+0.25 ml×32 g·ml-1=9 g,B正确,C错误;N极产生O2,D错误。
探究点3　多池与多室中的电子守恒计算
1.根据总反应式计算先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列出比例式计算。2.根据电子守恒计算(1)用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。(2)用于混合溶液中电解的分阶段计算。
3.根据关系式计算根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。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)。
[解析] 电极a上CO2得电子生成CO、CO得电子产生乙烯,a为阴极,b为阳极。电极a上CO2得电子生成CO、CO得电子产生乙烯,没有氧气产生,A错误;电极b为阳极,与电源正极相连,B错误;由图可知,单原子Ni催化剂上发生反应:CO2+H2O+2e- = CO+2OH-,C错误;由CO2转化为乙烯的电极反应为2CO2+8H2O+12e- = C2H4+12OH-,若乙烯的电解效率为75%,电路中通过10 ml电子时,根据公式得n(生成乙烯所用的电子)=7.5 ml,产生的乙烯为0.625 ml,D正确。
变式题 [2024·湖南衡阳三校联考] 氯碱工业是高耗能产业,将电解池与燃料电池串联组合的新工艺可节能,装置如图所示,下列叙述错误的是(注:假定空气中氧气的体积分数为20%)(　 )A.A池为电解池,B池为燃料电池B.c>a>bC.X为Cl2,Y为H2D.若生成标准状况下22.4 L X,则理论上消耗标准状况下空气28 L
[解析] A池左侧通入的精制饱和氯化钠溶液变为稀氯化钠溶液,则A池为电解池,生成X的一极为电解池的阳极,氯离子在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气,则X为氯气,生成Y的电极为阴极,水在阴极得到电子发生还原反应生成氢气和氢氧根离子,阴极附近氢氧根离子浓度增大,则Y为氢气,氢氧化钠溶液的浓度:a%>b%;B池为燃料电池,B池中通入空气的电极为燃料电池的正极,空气中氧气在正极得到电子发生还原反应生成氢氧根离子,电极反应式为O2+4e-+2H2O = 4OH-,
探究点一 多池串联电化学装置及分析
1. [2024·山东齐鲁名校联盟联考] 钴酸锂电池是目前用量最大的锂离子电池,用它作电源按下图装置进行电解。通电后,a电极上一直有气泡产生;d电极附近先出现白色沉淀(CuCl),后白色沉淀逐渐转变成橙黄色沉淀(CuOH)。已知钴酸锂电池放电时总反应为Li1-xCO2+LixC6 = LiCO2+6C,下列有关叙述正确的是( 　 )A.Li1-xCO2作负极,失电子B.当外电路中转移0.2 ml电子时,理论上装置Ⅰ中加入100 mL 2 ml·L-1盐酸可复原C.电极d为阴极,电解过程中发生反应Cu+Cl--e- = CuClD.随着电解的进行,U形管Ⅱ中发生了如下转化CuCl+OH- = CuOH+Cl-
[解析] 根据电池总反应Li1-xCO2+LixC6 = LiCO2+6C,LixC6作负极失电子发生氧化反应,则Li1-xCO2作正极得电子发生还原反应;U形管Ⅰ中a为阴极,b为阳极;U形管Ⅱ中c为阴极,d为阳极;根据电池总反应,LixC6作负极,则Li1-xCO2作正极,得电子,A错误;盐酸中的水会稀释Ⅰ中的溶液,故不可复原,B错误;a电极一直有气泡,且a的材料为铜,故a极为阴极,d为阳极,d极反应式为Cu+Cl--e- = CuCl,C错误;d电极先产生白色沉淀(CuCl),白色沉淀逐渐转变成橙黄色沉淀(CuOH),发生的反应是CuCl+OH- = CuOH+Cl-,D正确。
电池工作时,b极反应为C6H5OH-28e-+11H2O = 6CO2↑+28H+,b极附近pH减小,B正确;右侧为电解装置,c是阴极,c极反应式为2H++2e- = H2↑,d为阳极,d极反应式为H2O-e- ·OH+H+,C6H5OH+28·OH = 6CO2↑+17H2O,转移28 ml电子,c极生成14 ml H2,d极生成6 ml CO2,所以两极产生气体的体积比(相同条件下)为7∶3,C正确;d极区苯酚被·OH氧化为二氧化碳,反应的方程式为C6H5OH+28·OH = 6CO2↑+17H2O,D正确。
3. MFC-电芬顿技术不需要外加能量即可发生,通过产生羟基自由基(·OH)处理有机污染物,可获得高效的废水净化效果,其耦合系统原理示意图如图所示。下列说法中错误的是(　 )A.标准状况下,乙池中消耗22.4 L O2时,可以产生2 ml·OHB.甲池是将化学能转化为电能的装置,其中a电极上发生氧化反应C.电子移动方向为a→Y,X→bD.乙池中生成羟基自由基的反应为Fe2++H2O2+H+ = Fe3++H2O+·OH
[解析] 乙池中Y电极上的反应为O2+2H++2e- = H2O2,之后再发生反应H2O2+H++Fe2+ = Fe3++H2O+·OH, 当产生1 ml羟基自由基时,需要 1 ml H2O2,消耗1 ml的O2,标准状况下消耗22.4 L的O2,A错误;甲池为原电池,将化学能转化为电能,是燃料电池,b电极上氧气被还原,为正极,a电极为负极,发生氧化反应,B正确;
甲池为原电池,a电极为负极,b电极为正极,乙池为电解池,X电极为阳极,Y电极为阴极,串联装置中,电子由原电池负极流向电解池阴极,即a→Y,由电解池的阳极流向原电池正极,即X→b,C正确;乙池中生成羟基自由基的反应:H2O2+H++Fe2+ = Fe3++H2O+·OH,其中H2O2作氧化剂,亚铁离子作还原剂,D正确。
装置D中石墨为阴极,电极反应式为2H2O+2e- = 2OH-+H2↑,Fe电极为阳极,电极反应式为Fe+2OH--2e- = Fe(OH)2↓,随后被氧化生成Fe(OH)3:4Fe(OH)2+O2+2H2O = 4Fe(OH)3,故装置D中生成0.2 ml Fe(OH)3时,消耗水分子的物质的量为0.4 ml+0.1 ml=0.5 ml,C错误;装置E中极板M为阴极,在Cu材料上镀银,应将Cu材料作阴极,Ag材料作阳极,AgNO3 溶液作电解质溶液,故极板M的材料应为Cu,D正确。
探究点二 “多室”电化学装置及分析
7. 我国科学家采用碳基电极材料设计了一种新的电解氯化氢回收氯气的工艺方案,原理如图所示。下列说法错误的是(　 )A.a是电源的正极B.阴极的电极反应式为Fe2+-e- = Fe3+C.电路中每转移1 ml e-,理论上可以回收氯气11.2 L(标准状况)D.该工艺涉及的总反应为4HCl+O2 2Cl2+2H2O
整个过程是电解条件下,Fe3+起催化剂作用, HCl与O2反应生成Cl2和H2O,该工艺的总反应式为4HCl+O2 Cl2+2H2O,D正确。
8. [2023·山东临沂期初调研] 某课题研究小组设计如图所示装置(电极材料均为Pt),该装置可将工业废水中的乙胺(CH3CH2NH2)转化为无毒无害物质。下列说法中错误的是(　 )A.电极N为电池的负极B.电池工作时,H+由N极区通过质子交换膜移动到M极区C.电极N的电极反应式为2CH3CH2NH2+8H2O-30e- = 4CO2↑+N2↑+30H+D.当空气(氧气体积分数为20%)的进入量为7.5 ml时,可以处理含乙胺(质量分数为9%)的废水0.1 kg
[解析] 含有乙胺的废水通入电极N区,空气通入电极M区,则电极N是电池的负极,电极M是正极,A正确;电池工作时,阳离子向正极移动,则H+由N极区通过质子交换膜移动到M极区,B正确;电极N上,CH3CH2NH2发生氧化反应转化为无毒无害物质,应生成N2和CO2,电极反应式为2CH3CH2NH2+8H2O-30e- 4CO2↑+N2↑+30H+,C正确;
9. [2023·湖南郴州质量检测] 某科研小组利用如图所示装置完成乙炔转化为乙烯的同时为用电器供电。其中锌板处发生的反应有:①Zn-2e- = Zn2+;②Zn2++4OH- = [Zn(OH)4]2-; ③[Zn(OH)4]2- = ZnO+2OH-+H2O。下列说法不正确的是 ( 　)A.电极a的电势高于电极b的电势B.放电过程中正极区KOH溶液浓度保持不变,OH-从左室流向右室C.电极a上发生的电极反应为C2H2+2H2O+2e- = C2H4+2OH-D.电解足量CuSO4溶液,理论上消耗2.24 L(标准状况)C2H2时,生成6.4 g Cu
[解析] 在a电极,C2H2转化为C2H4,C元素由-1价降低到-2价,得电子发生还原反应,则该电极为正极;锌板b为负极。由分析可知,电极a为正极,电极b为负极,则电极a的电势高于电极b的电势,A正确;放电过程中,正极区发生反应C2H2+2H2O+2e- = C2H4+2OH-,OH-透过阴离子交换膜移向负极,正极区KOH的物质的量不变,但H2O参加电极反应,造成水量减少,KOH溶液浓度增大,B不正确;
[解析] 由图可知,最左侧为阳极室,水放电生成氧气和H+,最右侧为阴极室,水放电生成氢气和OH-,电解池中阳离子向阴极移动,BP膜中H+均向右侧溶液迁移,F-、Cl-通过M膜、N膜向左侧迁移,故M膜、N膜为一价阴离子交换膜,A正确;
工业高盐废水中F-、Cl-通过M膜、N膜向左侧迁移,H+与右侧双极膜迁移出来的OH-中和,故反应后溶液a的溶质主要为ZnSO4和CuSO4,溶液b的溶质主要为右侧迁移过来的F-、Cl-与左侧双极膜迁移过来的H+生成的HF和HCl,B错误;阳极反应为2H2O- 4e- 4H++O2↑,当阳极产生22.4 L气体(标准状况下为1 ml)时,根据电子守恒可知,有4 ml离子通过N膜,C正确; 电解过程中,若pH过高则会导致Zn2+、Cu2+转化为沉淀,故应控制高盐废水的pH不能过高,D正确。
11.[2023·福建南平三模] 双极膜(BP)是一种能将水分子解离成H+和OH-的特殊离子交换膜。应用双极膜制取聚合硫酸铁净水剂 [Fe2(OH)n(SO4)3-0.5n]m(PFS)的电化学装置如图所示。下列说法错误的是(　 )A.M为阴离子交换膜,乙为OH-B.电极a的电极反应式为2H++2e- = H2↑C.电流密度过大,会使PFS产品含量降低D.若制得1 ml [Fe(OH)SO4]3,理论上转移的电子为2 ml
探究点三 多池与多室中的电子守恒计算
[解析] 浓差电池在开始时电解质溶液浓度不同,放电结束后电解质溶液浓度相同,则Cu(2)为负极,Cu(1)为正极。故a为阴极,b为阳极。电解池可制得O2、H2、H2SO4和NaOH,根据电解池分析左边得到NaOH和H2,右边得到O2、H2SO4。a为电解池的阴极,A正确;电池放电过程中,Cu(2)为负极,则负极上的电极反应为Cu-2e- = Cu2+,B正确;