化學(xué)教案（通用版）第21講多池多室的電化學(xué)裝置

第21講多池、多室的電化學(xué)裝置復(fù)習(xí)目標1．掌握多池連接的分析應(yīng)用；2.了解離子交換膜的分類及特點；3.理解離子交換膜在裝置中的作用；4.熟悉電化學(xué)綜合計算中的常用方法?？键c一多池串聯(lián)的模型及原理分析必備知識整理1.有外接電源電池類型的判斷方法有外接電源的各電池均為電解池，若電池陽極材料與電解質(zhì)溶液中的陽離子相同，則該電池為電鍍池。如圖：則甲為電鍍池，乙、丙均為電解池。2．無外接電源電池類型的判斷方法(1)直接判斷非常直觀明顯的裝置，如燃料電池、鉛蓄電池等在電路中，則其他裝置為電解池。如圖所示：A為原電池，B為電解池，甲池為原電池，其余為電解池。(2)根據(jù)電池中的電極材料和電解質(zhì)溶液判斷原電池一般是兩種不同的金屬電極或一個金屬電極一個碳棒電極；而電解池則一般兩個都是惰性電極，如兩個鉑電極或兩個碳棒電極。原電池中的電極材料和電解質(zhì)溶液之間能發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，電解池的電極材料一般不能和電解質(zhì)溶液自發(fā)反應(yīng)。如圖所示：B為原電池，A為電解池。(3)根據(jù)電極反應(yīng)現(xiàn)象判斷在某些裝置中根據(jù)電極反應(yīng)或反應(yīng)現(xiàn)象可判斷電極，并由此判斷電池類型。如圖所示：若C極溶解，D極上析出Cu，B極附近溶液變紅，A極上放出黃綠色氣體，則可知乙是原電池，D是正極，C是負極；甲是電解池，A是陽極，B是陰極。B、D極發(fā)生還原反應(yīng)，A、C極發(fā)生氧化反應(yīng)。[思維建模]串聯(lián)電路的解題流程對點題組訓(xùn)練1.某同學(xué)組裝了如圖所示的電化學(xué)裝置，電極Ⅰ為Al，其他均為Cu，則下列說法正確的是（）A．電流方向：電極Ⅳ→?→電極ⅠB．電極Ⅰ發(fā)生還原反應(yīng)C．電極Ⅱ逐漸溶解D．電極Ⅲ的電極反應(yīng)式：Cu2＋＋2e－=Cu2．一種用鉛蓄電池進行電絮凝凈水裝置如圖所示，回答下列問題：（1）裝置Ⅰ中Y電極的電極材料是（填化學(xué)式），工作時SO42-向（填“X”或“Y”）電極移動；Y電極的電極反應(yīng)式為（2）裝置Ⅱ中Al電極的電極反應(yīng)式為_________________________。（3）每消耗gPb，裝置的電流效率為80%，則理論上電解池陰極上生成molH2?？键c二離子交換膜在電化學(xué)裝置中的應(yīng)用必備知識整理1.離子交換膜的種類陽離子交換膜只允許陽離子透過，不允許陰離子或某些分子透過陰離子交換膜只允許陰離子透過，不允許陽離子或某些分子透過質(zhì)子交換膜只允許H＋透過，不允許其他陽離子和陰離子透過雙極膜由一張陽膜和一張陰膜復(fù)合制成的陰、陽復(fù)合膜。該膜特點是在直流電的作用下，陰、陽膜復(fù)合層間的H2O解離成H＋和OH－并分別通過陰膜和陽膜，作為H＋和OH－的離子源2.離子遷移方向的判斷（1）離子從“生成區(qū)”移向“消耗區(qū)”以電解CO2制HCOOH為例，其原理如圖所示。右側(cè)：通入CO2，生成HCOOH，發(fā)生還原反應(yīng)，多孔錫作陰極，電極反應(yīng)為CO2＋H＋＋2e－=HCOO－，消耗從左側(cè)遷移過來的H＋。左側(cè)“Pt片”作陽極，水電離產(chǎn)生的OH－放電，電極反應(yīng)為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，生成H＋。離子移動方向：H＋通過陽離子交換膜從左側(cè)移向右側(cè)。（2）離子從“原料區(qū)”移向“產(chǎn)物區(qū)”以電滲析法制備H3PO2為例，其原理如圖所示。離子移動方向及交換膜類型：產(chǎn)品室為陽極，原料室中的陰離子H2PO2-移向產(chǎn)品室，膜1為陰離子交換膜；原料室中的陽離子Na＋移向陰極室，膜陽極：電極反應(yīng)為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，產(chǎn)生的H＋結(jié)合移入的H2PO2-生成H3PO陰極：電極反應(yīng)為2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，產(chǎn)生的OH－結(jié)合移入的Na＋生成NaOH。（3）離子從“濃→稀”的溶液區(qū)移出，移向“稀→濃”的溶液區(qū)以電化學(xué)制備K2Cr2O7為例，其原理如圖所示，其中a、b均為石墨電極。左側(cè)：為“稀→濃”的溶液區(qū)，則右側(cè)的K＋通過K＋交換膜移向左側(cè)，a極為陰極，電極反應(yīng)為2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，產(chǎn)生的OH－結(jié)合移入的K＋生成KOH。右側(cè)：b極為陽極，電極反應(yīng)為2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，促使溶液中的反應(yīng)2CrO42-＋2H＋?Cr2O72-＋H2O正向進行，生成K2Cr對點題組訓(xùn)練題組一“隔膜”在新型電池中的應(yīng)用1．2019年3月，我國科學(xué)家研發(fā)出一種新型的鋅碘單液流電池，其原理如圖所示。下列說法不正確的是（）A．放電時，B電極反應(yīng)式：I2＋2e－=2I－B．放電時，電解質(zhì)儲罐中離子總濃度增大C．M為陽離子交換膜，N為陰離子交換膜D．充電時，A極增重65g時，C區(qū)增加的離子數(shù)為4NA2．二甲醚（CH3OCH3）燃料電池的工作原理如圖，下列有關(guān)敘述正確的是（）A．該裝置能實現(xiàn)化學(xué)能100%轉(zhuǎn)化為電能B．電子移動方向：a極→b極→質(zhì)子交換膜→a極C．a(chǎn)電極的電極反應(yīng)式為：CH3OCH3＋3H2O－12e－=2CO2＋12H＋D．當(dāng)b電極消耗LO2時，質(zhì)子交換膜有4molH＋通過題組二“雙室”及“多室”電解池的應(yīng)用3．連二亞硫酸鈉（Na2S2O4）俗稱保險粉，是一種強還原劑。工業(yè)常用惰性電極電解亞硫酸氫鈉的方法制備連二亞硫酸鈉，原理及裝置如圖所示，下列說法正確的是（）A．b電極應(yīng)該接電源的負極B．a(chǎn)電極的電極反應(yīng)式2HSO3-＋2H＋＋2e－=S2O42-C．裝置中所用離子交換膜為陰離子交換膜D．電路中每轉(zhuǎn)移1mol電子，消耗SO2的體積為L4．某科研小組研究采用BMED膜堆（示意圖如下），模擬以精制濃海水為原料直接制備酸堿。BMED膜堆包括陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極膜（A、D）。已知：在直流電源的作用下，雙極膜內(nèi)中間界面層發(fā)生水的解離，生成H＋和OH－。下列說法錯誤的是（）A．電極a連接電源的正極B．B為陽離子交換膜C．電解質(zhì)溶液采用Na2SO4溶液可避免有害氣體的產(chǎn)生D．Ⅱ口排出的是淡水特別提醒（1）含離子交換膜電化學(xué)裝置題的解題步驟（2）在原電池中應(yīng)用離子交換膜，起到替代鹽橋的作用，一方面能起到平衡電荷、導(dǎo)電的作用，另一方面能防止電解質(zhì)溶液中的離子與電極直接反應(yīng)，提高電流效率；在電解池中使用選擇性離子交換膜的主要目的是限制某些離子（或分子）的定向移動，避免電解質(zhì)溶液中的離子或分子與電極產(chǎn)物反應(yīng)，提高產(chǎn)品純度或防止造成危險等。考點三電化學(xué)原理的相關(guān)計算必備知識整理1.計算類型原電池和電解池的計算包括兩極產(chǎn)物的定量計算、溶液pH的計算，相對原子質(zhì)量和阿伏加德羅常數(shù)的計算。產(chǎn)物的量與電量關(guān)系的計算等。2．電化學(xué)計算的三種方法如以電路中通過4mole－為橋梁可構(gòu)建以下關(guān)系式：（式中M為金屬，n為其離子的化合價數(shù)值）該關(guān)系式具有總攬電化學(xué)計算的作用和價值，熟記電極反應(yīng)式，靈活運用關(guān)系式便能快速解答常見的電化學(xué)計算問題。特別提醒（1）電化學(xué)計算中，常利用Q＝I·t和Q＝n（e－）·NA××10－19C來計算電路中通過的電量。（2）串聯(lián)電池中，各電極上轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量是相等的，這是串聯(lián)電池計算的根本依據(jù)。對點題組訓(xùn)練題組一根據(jù)總反應(yīng)式建立等量關(guān)系進行計算1．常溫下，用鉑作電極電解1L1mol·L－1的氯化鈉溶液，當(dāng)收集到L氯氣（標準狀況）時，溶液的pH約為（不考慮氣體溶解，忽略溶液體積變化）（）A．1B．7C．13D．142．將兩個鉑電極插入500mLCuSO4溶液中進行電解，通過一定時間后，某一電極增重g（設(shè)電解時該電極無氫氣析出，且不考慮水解和溶液體積變化），此時溶液中氫離子濃度約為（）A．4×10－3mol·L－1B．2×10－3mol·L－1C．1×10－3mol·L－1D．1×10－7mol·L－1題組二“膜電池”中膜兩側(cè)溶液質(zhì)量變化的計算3．氨硼烷（NH3·BH3）電池裝置如圖所示（起始未加入氨硼烷之前，兩極室內(nèi)液體質(zhì)量相等），該電池工作時的總反應(yīng)為NH3·BH3＋3H2O2=NH4BO2＋4H2O。下列說法錯誤的是（）A.負極反應(yīng)式為NH3·BH3－6e－＋2H2O=NH4+＋BO2B．當(dāng)加入gNH3·BH3（假設(shè)完全反應(yīng)）時，左右兩極室內(nèi)液體質(zhì)量差為5gC．電池工作時，陽離子向正極移動，故H＋通過質(zhì)子交換膜向右移動D．其他條件不變，向酸性H2O2溶液中加入適量硫酸能增強溶液導(dǎo)電性4．如某甲醇燃料電池的工作原理如圖所示，質(zhì)子交換膜（只有質(zhì)子能夠通過）左右兩側(cè)的溶液均為1L2mol·L－1H2SO4溶液。當(dāng)電池中有1mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移時，左右兩側(cè)溶液的質(zhì)量之差為g（假設(shè)反應(yīng)物耗盡，忽略氣體的溶解）。題組三依據(jù)電子守恒，突破“串聯(lián)電池”計算5．如圖所示裝置中，甲、乙、丙三個燒杯依次分別盛放100g5%NaOH溶液、足量CuSO4溶液和100g10%K2SO4溶液，電極均為石墨電極。（1）接通電源，一段時間后，測得丙中K2SO4溶液的質(zhì)量分數(shù)為10.47%，乙中c電極質(zhì)量增加。則①電源的N端為極；②電極b上發(fā)生的電極反應(yīng)為___________________________________；③計算電極b上生成的氣體在標準狀況下的體積為L；④電解前后丙中溶液的pH（填“增大”“減小”或“不變”）。（2）乙裝置中如果電解過程中銅全部析出，此時電解能否繼續(xù)進行：（填“能”或“不能”），原因是_______________________________________________。6．某興趣小組的同學(xué)用如圖所示裝置研究有關(guān)電化學(xué)的問題。當(dāng)閉合該裝置的電鍵時，觀察到電流計的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。請回答下列問題：（1）甲池為（填“原電池”“電解池”或“電鍍池”），通入CH3OH電極的電極反應(yīng)式為________________________________________________________________________。（2）乙池中A（石墨）電極的名稱為（填“正極”“負極”“陰極”或“陽極”），總反應(yīng)式為________________________________________________。（3）當(dāng)乙池中B極質(zhì)量增加g時，甲池中理論上消耗O2的體積為mL（標準狀況下），丙池中極析出g銅。（4）若丙中電極不變，將其溶液換成NaCl溶液，電鍵閉合一段時間后，甲中溶液的pH將（填“增大”“減小”或“不變”，下同）；丙中溶液的pH將。新情境新高考離子交換膜在電解中的應(yīng)用硼酸溶于水、酒精、甘油、醚類及香精油中，水溶液呈弱酸性。大量用于玻璃工業(yè)，可以改善玻璃制品的耐熱、透明性能，提高機械強度，縮短熔融時間；H3BO3可以通過電解NaB（OH）4溶液的方法制備，其工作原理如圖：[問題探究]（1）請書寫M室發(fā)生的電極反應(yīng)式。________________________________________________________________________（2）比較N室中a%和b%的大小關(guān)系。________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________（3）b膜為哪種離子交換膜？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________（4）理論上每生成1mol產(chǎn)品，陰極室可生成標準狀況下氣體的體積是多少？________________________________________________________________________________________________________________________________________________本講真題研練1．[2022·山東卷]（雙選）設(shè)計如圖裝置回收金屬鈷。保持細菌所在環(huán)境pH穩(wěn)定，借助其降解乙酸鹽生成CO2，將廢舊鋰離子電池的正極材料LiCoO2（s）轉(zhuǎn)化為Co2＋，工作時保持厭氧環(huán)境，并定時將乙室溶液轉(zhuǎn)移至甲室。已知電極材料均為石墨材質(zhì)，右側(cè)裝置為原電池。下列說法正確的是（）A．裝置工作時，甲室溶液pH逐漸增大B．裝置工作一段時間后，乙室應(yīng)補充鹽酸C．乙室電極反應(yīng)式為LiCoO2＋2H2O＋e－=Li＋＋Co2＋＋4OH－D．若甲室Co2＋減少200mg，乙室Co2＋增加300mg，則此時已進行過溶液轉(zhuǎn)移2.[2021·全國乙卷]沿海電廠采用海水為冷卻水，但在排水管中生物的附著和滋生會阻礙冷卻水排放并降低冷卻效率。為解決這一問題，通常在管道口設(shè)置一對惰性電極（如圖所示），通入一定的電流。下列敘述錯誤的是（）A．陽極發(fā)生將海水中的Cl－氧化生成Cl2的反應(yīng)B.管道中可以生成氧化滅殺附著生物的NaClOC．陰極生成的H2應(yīng)及時通風(fēng)稀釋安全地排入大氣D.陽極表面形成的Mg（OH）2等積垢需要定期清理3．[2021·河北卷]K－O2電池結(jié)構(gòu)如圖，a和b為兩個電極，其中之一為單質(zhì)鉀片。關(guān)于該電池，下列說法錯誤的是（）A．隔膜允許K＋通過，不允許O2通過B．放電時，電流由b電極沿導(dǎo)線流向a電極；充電時，b電極為陽極C．產(chǎn)生1Ah電量時，生成KO2的質(zhì)量與消耗O2的質(zhì)量比值約為D．用此電池為鉛酸蓄電池充電，消耗g鉀時，鉛酸蓄電池消耗g水第21講多池、多室的電化學(xué)裝置考點一對點題組訓(xùn)練1．解析：電極Ⅰ為Al，其他均為Cu，因此，裝置①、②與鹽橋形成的原電池中Al作負極，Ⅱ作正極，裝置③中Ⅲ是陽極，Ⅳ是陰極。A項，電流是從正極沿導(dǎo)線流向負極，即電極Ⅳ→?→電極Ⅰ，正確；B項，電極Ⅰ的電極反應(yīng)式為Al－3e－=Al3＋，發(fā)生氧化反應(yīng)，錯誤；C項，電極Ⅱ是正極，電極反應(yīng)式：Cu2＋＋2e－=Cu，故電極Ⅱ質(zhì)量逐漸增大，錯誤；D項，電極Ⅲ為陽極，電極反應(yīng)式為Cu－2e－=Cu2＋，錯誤。答案：A2．解析：(1)由裝置Ⅱ中Al發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)知Al為陽極，F(xiàn)e為陰極，與Al相接的鉛蓄電池的Y電極為正極，電極材料是PbO2；SO42-向負極移動，即SO42-移向X電極；Y電極的電極反應(yīng)式為PbO(2)裝置Ⅱ是電絮凝凈水裝置，工作時，Al轉(zhuǎn)化為Al3＋，然后水解生成Al(OH)3膠體，電極反應(yīng)為Al－3e－=Al3＋；由題圖知，還發(fā)生反應(yīng)2H2O－4e－=O2↑＋4H＋。(3)由Pb－2e－=Pb2＋可知消耗g(mol)Pb，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為1mol，裝置的電流效率為80%，故裝置Ⅱ陰極上放電效率是80%，參與反應(yīng)的電子為mol，該電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，即產(chǎn)生molH2。答案：(1)PbO2XPbO2+SO42-＋4H＋＋2e－=PbSO(2)Al－3e－=Al3＋、2H2O－4e－=O2↑＋4H＋(3)考點二對點題組訓(xùn)練1．解析：放電時，B電極為正極，I2得到電子生成I－，電極反應(yīng)式為I2＋2e－=2I－，A項正確；放電時，左側(cè)即負極，電極反應(yīng)式為Zn－2e－=Zn2＋，所以電解質(zhì)儲罐中的離子總濃度增大，B項正確；離子交換膜的作用是防止I2、Zn接觸發(fā)生反應(yīng)，負極區(qū)生成Zn2＋，正極區(qū)生成I－，所以Cl－通過M膜進入負極區(qū)，K＋通過N膜進入正極區(qū)，所以M為陰離子交換膜，N為陽離子交換膜，C項錯誤；充電時，A極的電極反應(yīng)式為Zn2＋＋2e－=Zn，A極增重65g，轉(zhuǎn)移2mol電子，所以C區(qū)增加2molK＋、2molCl－，離子總數(shù)為4NA，D項正確。答案：C2．解析：A項，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能和電能，不可能100%轉(zhuǎn)化為電能，錯誤；B項，電子不能經(jīng)過電解質(zhì)溶液，所以電子由a極導(dǎo)線b極，錯誤；C項，a為負極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CH3OCH3－12e－＋3H2O=2CO2＋12H＋，正確；D項，氣體所處狀況不知，無法由體積求物質(zhì)的量，所以通過H＋的物質(zhì)的量無法求出答案：C3．解析：NaHSO3在a電極被還原生成Na2S2O4，則a電極是陰極，b電極是陽極，故b電極接電源的正極，A錯誤；a電極發(fā)生還原反應(yīng)，HSO3-被還原生產(chǎn)S2O42-，電極反應(yīng)式為2HSO3-+2H＋＋2e－=S2O42-＋2H2O，B正確；b電極是陽極，電極反應(yīng)式為SO2+2H2O-2e-=4H++SO42-，陽極生成H答案：B4．解析：根據(jù)題干信息確定該裝置為電解池，陰離子向陽極移動，陽離子向陰極移動，所以電極a為陽極，連接電源的正極，A正確；水在雙極膜A解離后，氫離子吸引陰離子透過B膜到左側(cè)形成酸，B為陰離子交換膜，B錯誤；電解質(zhì)溶液采用Na2SO4溶液，電解時生成氫氣和氧氣，可避免有害氣體的產(chǎn)生，C正確；海水中的陰、陽離子透過兩側(cè)交換膜向兩側(cè)移動，淡水從Ⅱ口排出，D正確。答案：B考點三對點題組訓(xùn)練1．解析：惰性電極電解氯化鈉溶液，陽極反應(yīng)式：2Cl－－2e－=Cl2↑，當(dāng)陽極產(chǎn)生L即mol氯氣時，根據(jù)電解的總反應(yīng)式2NaCl＋2H2O電解=H2↑＋Cl2↑＋2NaOH可知，生成氫氧化鈉的物質(zhì)的量是mol，溶液中OH－的物質(zhì)的量濃度是0.1mol1L＝mol·L－1，c(H＋)＝1×10-140.1mol·L－1＝10－13mol·L－1答案：C2．解析：根據(jù)2CuSO4＋2H2O電解=2Cu＋2H2SO4＋O2↑得n(H＋)＝2n(H2SO4)＝2n(Cu)＝2×0.064g64g·mol-1＝mol，c(H＋)＝0.002mol0.5L＝4×10答案：A3．解析：NH3·BH3→NH4BO2，B的化合價升高，失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，則通入NH3·BH3的一極是負極，溶液呈酸性，故負極反應(yīng)式為NH3·BH3-6e-+2H2O=NH4++BO2-＋6H＋，A項正確。反應(yīng)開始前，兩極室質(zhì)量相等，當(dāng)加入g(mol)NH3·BH3并完全反應(yīng)時，轉(zhuǎn)移mol電子，同時左室中有molH＋通過質(zhì)子交換膜移向右室，則左室質(zhì)量增加g－g＝5g，右室質(zhì)量增加g，即兩極室內(nèi)液體質(zhì)量差為5g－g＝g，B項錯誤，答案：B4．解析：根據(jù)電極反應(yīng)式，結(jié)合電子守恒法和差量法進行計算。通入甲醇的一極為負極，電極反應(yīng)式為CH3OH－6e－＋H2O=CO2↑＋6H＋Δm6mol44g－32g＝12g1mol2g通入氧氣的一極為正極，電極反應(yīng)式為O2＋4e－＋4H＋=2H2OΔm4mol32g1mol8g1mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移時，左側(cè)還有1molH＋穿過質(zhì)子交換膜進入右側(cè)，即左側(cè)減少1gH＋，右側(cè)增加了1gH＋，故Δm左(減少)＝3g，Δm右(增加)＝9g。兩側(cè)溶液的質(zhì)量之差為Δm右(增加)＋Δm左(減少)＝9g＋3g＝12g。答案：125．解析：(1)①接通電源一段時間后，乙中c電極質(zhì)量增加，說明c電極表面析出Cu，則該電極為陰極，從而推知M端為電源的負極，N端為電源的正極。②電極b為陽極，用惰性電極電解NaOH溶液相當(dāng)于電解水，陽極上OH－放電生成O2，電極反應(yīng)式為4OH－－4e－=O2↑＋2H2O。③用惰性電極電解K2SO4溶液相當(dāng)于電解水，設(shè)電解過程中消耗水的質(zhì)量為xg，據(jù)電解前后溶質(zhì)的質(zhì)量不變可得：100g×10%＝(100－x)g×10.47%，解得x≈，則電解過程中消耗水的物質(zhì)的量為4.5g18g·mol-1＝mol，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為mol，故電極b上生成的O2在標準狀況下的體積為V(O2)＝mol×14×L·mol－1＝L。④丙中用惰性電極電解K2SO4溶液相當(dāng)于電解水，電解過程中c(K2SO4)增大(2)當(dāng)電解過程中銅全部析出時，CuSO4溶液變?yōu)镠2SO4溶液，繼續(xù)電解則為電解H2SO4溶液，相當(dāng)于電解水。答案：(1)①正②4OH－－4e－=O2↑＋2H2O③④不變(2)能CuSO4溶液變?yōu)镠2SO4溶液，可繼續(xù)電解H2SO4溶液，實質(zhì)電解水6．解析：(1)甲池為原電池，通入CH3OH的電極為負極，電極反應(yīng)式為CH3OH+8OH--6(2)乙池為用惰性電極電解AgNO3溶液，其中A作陽極，B