1、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梳理夯实学科基础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
2、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题组强化训练形成关键能力1
3、.某同学组装了如图所示的电化学装置，电极为Al，其他均为Cu，则下列说法正确的是()A电流方向：电极电极B电极发生还原反应C电极逐渐溶解D电极的电极反应式：Cu22e=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)装置中Y电极的电极材料是_(填化学式)，工作时SO42向_(填“X”或“Y”)电极移动；Y电极的电极反应式为_。(2)装置中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梳理夯实学科基础1.离子交换膜的种类阳离子交换膜只允许阳离子透过，不允
4、许阴离子或某些分子透过阴离子交换膜只允许阴离子透过，不允许阳离子或某些分子透过质子交换膜只允许H透过，不允许其他阳离子和阴离子透过双极膜由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜特点是在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H和OH并分别通过阴膜和阳膜，作为H和OH的离子源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CO2H2e=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2H2O4e=O24H，生成H。离
5、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H2PO2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2H2O4e=O24H，产生的H结合移入的H2PO2生成H3PO2。阴极：电极反应为2H2O2e=2OHH2，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
6、的K通过K交换膜移向左侧，a极为阴极，电极反应为2H2O2e=2OHH2，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2H2O4e=4HO2，促使溶液中的反应2CrO42+2H+Cr2O72H2O正向进行，生成K2Cr2O7。题组强化训练形成关键能力题组一“隔膜”在新型电池中的应用12019年3月，我国科学家研发出一种新型的锌碘单液流电池，其原理图所示。下列说法不正确的是()A放电时，B电极反应式：I22e=2IB放电时，电解质储罐中离子总浓度增大CM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
7、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Ca电极的电极反应式为：CH3OCH33H2O12e=2CO212HD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()Ab电极应该接电源的负极Ba电极的电极反应式2HSO3+2H+2e=S2O422H2OC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
8、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BB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
9、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梳理夯实学科基础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QIt和Qn(e)NA1.6109 C来计算电路中通
10、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。题组强化训练形成关键能力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 molL1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)()A1 B7 C13 D142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()A4103 molL1 B2103 molL1C1103 molL1 D1107
11、 molL1题组二“膜电池”中膜两侧溶液质量变化的计算3氨硼烷(NH3BH3)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NH3BH33H2O2=NH4BO24H2O。下列说法错误的是()A.负极反应式为NH3BH36e+2H2O=NH4+BO26HB当加入6.2 g NH3BH3(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
12、L1 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。则电源的N端为_极；电极b上发生的电极反应为_；计算电极b上生成的气体在标准状况下的体积为_ L；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
13、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
14、变”，下同)；丙中溶液的pH将_。情 境 创 新 设 计硼酸溶于水、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？_高考真题演练明确考查方向12021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
15、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22020全国卷科学家近年发明了一种新型ZnCO2水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。下列说法错误的是()A放电时，负极反应为Zn2e+4OH=ZnOH42B放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 molC.充电时
16、，电池总反应为2ZnOH42=2ZnO24OH2H2OD充电时，正极溶液中OH浓度升高32021山东卷以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 mol 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 L42021河北卷KO2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
17、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水随堂过关训练提升学科素养1科学家设计如图所示装置获取氢能源和电能。其中，a极为Pt电极，电解质溶液为1 mol/L KOH溶液(已知：QnF，F为法拉第常数，F96 500 C/mol)。下列说法错误的是()A.M是直流电源、N是用电器B当K和K1相接时，溶液中的OH向b极迁移C.当K和K2相接时，b极的电极反应式为NiOOHeH=Ni(OH)2D理论上，每生成1 mol H2最多产生1.93105 C的电荷量2
18、如图所示装置可间接氧化工业废水中的含氮离子(NH4+)。下列说法不正确的是()A乙是电能转变为化学能的装置B含氮离子氧化时的离子方程式为3Cl2+2NH4+=N26Cl8HC若生成的H2和N2的物质的量之比为31，则处理后废水的pH减小D电池工作时，甲池中的Na移向Mg电极3一种集有机污水处理和产H2和CH4于一体的微生物电解池具有很好的应用前景。利用微生物电化学法生产甲烷的装置如图所示。下列有关说法正确的是()A.“产电菌”极的电势比“产甲烷菌”极的低B“产甲烷菌”能有效抑制H的放电C阴极的电极反应式是CO28e8H=CH42H2OD若产生1 mol CH4，理论上阳极室生成CO2的体积为4
19、4.8 L4某同学组装了如图所示的电化学装置，则下列说法正确的是()A图中甲池为原电池装置，Cu电极发生还原反应B实验过程中，甲池左侧烧杯中NO3的浓度不变C若用铜制U形物代替“盐桥”，工作一段时间后取出U形物称量，质量会减小D若甲池中Ag电极质量增加5.4 g时，乙池某电极析出1.6 g 金属，则乙中的某盐溶液可能是AgNO3溶液第21讲多池、多室的电化学装置考点一题组强化训练形成关键能力1解析：电极为Al，其他均为Cu，因此，装置、与盐桥形成的原电池中Al作负极，作正极，装置中是阳极，是阴极。A项，电流是从正极沿导线流向负极，即电极电极，正确；B项，电极的电极反应式为Al3e=Al3，发生
20、氧化反应，错误；C项，电极是正极，电极反应式：Cu22e=Cu，故电极质量逐渐增大，错误；D项，电极为阳极，电极反应式为Cu2e=Cu2，错误。答案：A2解析：(1)由装置中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；SO42向负极移动，即SO42移向X电极；Y电极的电极反应式为PbO2+SO42 +4H2e=PbSO42H2O。(2)装置是电絮凝净水装置，工作时，Al转化为Al3，然后水解生成Al(OH)3胶体，电极反应为Al3e=Al3；由题图知，还发生反应2H2O4e=O24H。(3)由Pb2e=Pb2可知消耗103.5 g
21、(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2H2O2e=H22OH，即产生0.4 mol H2。答案：(1)PbO2XPbO2+SO424H2e=PbSO42H2O(2)Al3e=Al3、2H2O4e=O24H(3)0.4考点二题组强化训练形成关键能力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I22e=2I，A项正确；放电时，左侧即负极，电极反应式为Zn2e=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
22、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Zn22e=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 导线 b极，错误；C项，a为负极，发生氧化反应，电极反应式为CH3OCH312e3H2O=2CO212H，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
23、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，HSO3被还原生成S2O42，电极反应式为2HSO3 +2H2e=S2O422H2O，B正确；b电极是阳极，电极反应式为SO2+2H2O2e=4H+SO42，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
24、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，淡水从口排出，D正确。答案：B考点三题组强化训练形成关键能力1解析：惰性电极电解氯化钠溶液，阳极反应式：2Cl2e=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2NaCl2H2O H2Cl22NaOH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
25、1 L0.1 molL1，c(H)110140.1 molL11013 molL1，则溶液的pHlg101313。答案：C2解析：根据2CuSO42H2O2Cu2H2SO4O2得n(H)2n(H2SO4)2n(Cu)20.064 g64 gmol10.002 mol，c(H)0.002 mol0.5 L4103 molL1。答案：A3解析：NH3BH3NH4BO2，B的化合价升高，失去电子，发生氧化反应，则通入NH3BH3的一极是负极，溶液呈酸性，故负极反应式为NH3BH36e+2H2O=NH4+BO26H，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)NH3BH3并
26、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 g1.2 g5 g，右室质量增加1.2 g，即两极室内液体质量差为5 g1.2 g3.8 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CH3OH6eH2O=CO26Hm 6 mol 44 g32 g12 g 1 mol 2 g通入氧气的一极为正极，电极反应式为O24e4H=2H
27、2Om 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m左(减少)3 g，m右(增加)9 g。两侧溶液的质量之差为m右(增加)m左(减少)9 g3 g12 g。答案：125解析：(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。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4OH4e=O22H2O。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
28、量为x g，据电解前后溶质的质量不变可得：100 g10%(100x) g10.47%，解得x4.5，则电解过程中消耗水的物质的量为4.5 g18 gmol10.25 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 mol1422.4 Lmol12.8 L。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)正4OH4e=O22H2O2.8不变(2)能CuSO4溶液变为H2S
29、O4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CH3OH+8OH6e=CO326H2O。(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4AgNO32H2O4AgO24HNO3。(3)根据各电极上转移的电子相同，得n(Ag)4n(O2)2n(Cu)，故V(O2)145.40 g108 gmol122.4 Lmol10.28 L280 mL，m(Cu)125.40 g108 gmol164 gmol11.60 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2NaCl2H2O2NaO
30、HH2Cl2，则溶液pH增大，而甲中总反应为2CH3OH3O24KOH=2K2CO36H2O，溶液pH减小。答案：(1)原电池CH3OH+8OH6e=CO326H2O(2)阳极4AgNO32H2O4AgO24HNO3(3)280D1.60(4)减小增大情 境 创 新 设 计提示：(1)2H2O4e=O24H(2)a%b%。N室为阴极室，溶液中水电离出的H得电子发生还原反应，生成H2，促进水的电离，溶液中OH浓度增大，即a%Ag，所以甲池中Cu电极为负极，负极发生氧化反应，错误；B项，NO3由甲池右侧烧杯向左侧烧杯定向移动，左侧烧杯中NO3的浓度增大，错误；C项，若用铜制U形物代替“盐桥”，甲池的左侧烧杯为电解池，右侧烧杯为原电池，U形物插入右侧烧杯中的Cu为负极，电极反应式为Cu2e=Cu2，插入左侧烧杯中的Cu为阴极，电极反应式为Cu22e=Cu，根据电子守恒，工作一段时间后取出U形物称量，质量不变，错误；D项，甲池中Ag电极的电极反应式为Age=Ag，若甲池中Ag电极质量增加5.4 g时，电路中通过的电子的物质的量为n(e)n(Ag)5.4 g108 gmol10.05 mol，乙池某电极析出1.6 g金属，乙池中盐溶液的阳离子应为不活泼金属的阳离子，若乙中的某盐溶液是AgNO3溶液，根据电子守恒，乙池中阴极先后发生的电极反应为Age=Ag、2H2e=H2，正确。答案：D
