第22講多池多室的電化學裝置分析（精講課件）-高考二輪精準復習45講

高中化學二輪精準復習45講多池多室的電化學裝置分析第22講2023類型一.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。知識梳理考點一多池串聯(lián)的模型及原理分析類型二原電池為電源的電解池串聯(lián)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，電解池的電極材料一般不能和電解質(zhì)溶液自發(fā)反應。1．根據(jù)電極材料和電解液判斷2.根據(jù)電極反應現(xiàn)象判斷在某些裝置中根據(jù)電極反應或反應現(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，A、C極發(fā)生氧化反應。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。3．根據(jù)“鹽橋”判斷【典題示例】[典例1]可利用太陽能光伏電池電解水制高純氫,工作示意圖如圖。通過控制開關連接K1或K2,可交替得到H2和O2。①制H2時,連接__________,

產(chǎn)生H2的電極反應式是__________。

②改變開關連接方式,可得O2。③結合①和②中電極3的電極反應,說明電極3的作用:__________。

K1

2H2O+2e-====H2↑+2OH-制H2時,電極3發(fā)生反應:Ni(OH)2+OH--e-=NiOOH+H2O。制O2時,上述電極反應逆向進行,使電極3得以循環(huán)使用【審題流程】解答本類試題的流程如下:【解析】①電解堿性電解液時,H2O電離出的H+在陰極得到電子產(chǎn)生H2,根據(jù)題圖可知電極1與電池負極連接,為陰極,所以制H2時,連接K1,產(chǎn)生H2的電極反應式為2H2O+2e-==H2↑+2OH-。③制備O2時堿性電解液中的OH-失去電子生成O2,連接K2,O2在電極2上產(chǎn)生。連接K1時,電極3為電解池的陽極,Ni(OH)2失去電子生成NiOOH,電極反應式為Ni(OH)2-e-+OH-====NiOOH+H2O,連接K2時,電極3為電解池的陰極,電極反應式為NiOOH+e-+H2O====Ni(OH)2+OH-,使電極3得以循環(huán)使用。如圖，A、B、C、D均為石墨電極，E、F分別為短周期相鄰兩種活潑金屬元素的單質(zhì)，且E能與NaOH溶液反應。接通電路，反應一段時間。[典例2]獨立完成下列題目，并說出判斷池型及電極的依據(jù)。(1)乙池是_____池。乙池中：電極E是_____極，電子______，電流______，發(fā)生______反應，元素價態(tài)_____，移向E的離子為_______。(2)甲池是_____池。甲池中：電極B是_____極，電子_____，電流_____，發(fā)生_____反應，元素價態(tài)_____，移向B的離子為______。C極電極反應式為：______________。燒杯中溶液會變藍的是________(填“a”或“b”)。反思：串聯(lián)電池的解題流程？01判池型有外接電源？無外接電源？02判電極原電池找正負極；電解池找陰陽極。03工作原理電子、電流、離子移向；得失電子，反應類型。04電極反應式正誤判斷PH變化，現(xiàn)象描述，計算。[思維建模]串聯(lián)電路的解題流程[精練1]如圖所示裝置可間接氧化工業(yè)廢水中含氮離子(NH)。下列說法不正確的是(

)甲乙A．乙是電能轉變?yōu)榛瘜W能的裝置B．含氮離子氧化時的離子方程式為3Cl2＋2NH4＋===N2＋6Cl－＋8H＋C．若生成H2和N2的物質(zhì)的量之比為3∶1，則處理后廢水的pH減小D．電池工作時，甲池中的Na＋移向Mg電極解析：

根據(jù)題意可知甲為原電池，Mg為負極，石墨為正極，乙為電解池，右電極為陰極，左電極為陽極。D項，原電池工作時，Na＋移向正極即石墨電極，錯誤。D

PbO2X

Al－3e－===Al3＋、2H2O－4e－===O2↑＋4H＋0.4

4．“多池組合”裝置中的數(shù)據(jù)處理原電池和電解池綜合裝置的有關計算的根本依據(jù)就是電子轉移守恒，分析時要注意串聯(lián)電路中各支路電流相等。A[思路點撥]

n(氣體)＝0.1mol陽極：4OH－－4e－===

O2↑＋2H2O0.4mol0.1mol陰極：Cu2＋＋2e－

===

Cu

0.1mol0.4mol－0.2mol＝0.2mol2H＋＋2e－

===

H2↑

0.2mol0.1mol解析:石墨作電極電解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液，陽極反應式為4OH－－4e－=2H2O＋O2↑，陰極先后發(fā)生兩個反應：Cu2＋＋2e－=Cu,2H＋＋2e－===H2↑。從收集到O2為2.24L可推知上述電解過程中共轉移0.4mol電子，而在生成2.24LH2的過程中轉移0.2mol電子，所以Cu2＋共得到0.4mol－0.2mol＝0.2mol電子，電解前Cu2＋的物質(zhì)的量和電解得到的Cu的物質(zhì)的量都為0.1mol。電解前后分別有以下守恒關系：c(K＋)＋2c(Cu2＋)＝c(NO3

-)，c(K＋)＋c(H＋)＝c(NO3

-)，不難算出：電解前c(K＋)＝0.2mol·L－1，電解后c(H＋)＝0.4mol·L－1。電化學計算的三種方法如以電路中通過4mole－為橋梁可構建以下關系式：(式中M為金屬，n為其離子的化合價數(shù)值)該關系式具有總攬電化學計算的作用和價值，熟記電極反應式，靈活運用關系式便能快速解答常見的電化學計算問題。注意:(1)電化學計算中，常利用Q＝I·t和Q＝n(e－)·NA×1.6×10－9C來計算電路中通過的電量。(2)串聯(lián)電池中，各電極上轉移電子的物質(zhì)的量是相等的，這是串聯(lián)電池計算的根本依據(jù)?？键c二離子交換膜在電化學裝置中的應用知識梳理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合制成的陰、陽復合膜。該膜特點是在直流電的作用下，陰、陽膜復合層間的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.考情趨勢(1)“膜”數(shù)量的變化:由“單膜”→“雙膜”→“多膜”。(2)“膜”種類的變化:由“陰、陽離子交換膜”→“質(zhì)子交換膜”→“高聚物隔膜”→“雙極隔膜”等。(3)“膜”作用變化:由“離子交換”→“物質(zhì)制備”→“分離提純”等。含膜電池裝置分析[真題示例1](2020山東卷)微生物脫鹽電池是一種高效、經(jīng)濟的能源裝置,利用微生物處理有機廢水獲得電能,同時可實現(xiàn)海水淡化?，F(xiàn)以NaCl溶液模擬海水,采用惰性電極,用下圖裝置處理有機廢水(以含CH3COO-的溶液為例)。下列說法錯誤的是(

)A.負極反應為CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+B.隔膜1為陽離子交換膜,隔膜2為陰離子交換膜C.當電路中轉移1mol電子時,模擬海水理論上除鹽58.5gD.電池工作一段時間后,正、負極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為2∶1B【解題思路】第一步,根據(jù)圖示判斷電化學裝置的類型。該裝置為原電池裝置。第二步,根據(jù)粒子變化判斷正、負極。CH3COO-轉化為CO2,C元素的化合價升高,CH3COO-失電子被氧化,因此a極為負極,b極為正極。第三步,根據(jù)電極反應原理確定各電極上發(fā)生的反應。依據(jù)電荷守恒可得負極反應為CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+;正極反應為2H++2e-

==H2↑。第四步逐項分析判斷。[真題示例2](2020全國Ⅰ)科學家近年發(fā)明了一種新型Zn-CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如下,電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時,溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質(zhì)甲酸等,為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是(

)D第四步,逐項分析判斷。

【解題思路】第一步,根據(jù)圖示判斷電化學裝置的類型。該裝置為二次電池,既可充電又可放電。第二步,根據(jù)粒子變化,判斷正、負極和陰、陽極。放電時Zn失電子生成[Zn(OH)4]2-,Zn作負極;充電時,在陽極上水失電子生成氧氣,陰極上[Zn(OH)4]2-得電子生成Zn。第三步,根據(jù)電極反應原理確定各電極上發(fā)生的反應。負極電極反應為Zn-2e-+4OH-===[Zn(OH)4]2-;正極電極反應為CO2+2H++2e-===HCOOH,同時說明電解質(zhì)溶液1為堿性溶液,電解質(zhì)溶液2為酸性溶液。歸納總結

(1)含離子交換膜電化學裝置題的解題步驟在原電池中應用離子交換膜，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，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，提高產(chǎn)品純度或防止造成危險等。(2)離子交換膜類型的判斷方法 ①首先寫出陰、陽兩極上的電極反應。 ②依據(jù)電極反應式確定該電極附近哪種離子剩余。 ③根據(jù)電極附近溶液呈電中性，從而判斷出離子移動的方向。 ④根據(jù)離子移動的方向，確定離子交換膜的類型。(3)防范失分點①看清圖示,是否說明了離子交換膜的類型,是否標注了電源的正、負極,是否標注了電子流向、電荷流向等,明確陰、陽離子的移動方向。②根據(jù)原電池和電解池中陰、陽離子的移動方向,結合題目中給出的制備、電解物質(zhì)等信息,找出物質(zhì)生成或消耗的電極區(qū)域,確定移動的陰、陽離子,從而推知離子交換膜的類型。3.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：通入CO2，生成HCOOH，發(fā)生還原反應，多孔錫作陰極，電極反應為CO2＋H＋＋2e－===HCOO－，消耗從左側遷移過來的H＋。左側“Pt片”作陽極，水電離產(chǎn)生的OH－放電，電極反應為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移向右側。

有“膜”條件下離子定向移動方向的判斷方法離子通過隔膜的定量關系(1)通過隔膜的離子帶的電荷數(shù)等于電路中電子轉移數(shù)。(2)離子遷移：依據(jù)電荷守恒，通過隔膜的離子數(shù)不一定相等。[精練1]2019年3月，我國科學家研發(fā)出一種新型的鋅碘單液流電池，其原理圖所示。下列說法不正確的是(

)A．放電時，B電極反應式：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4NAC解析：放電時，B電極為正極，I2得到電子生成I－，電極反應式為I2＋2e－===2I－，A項正確；放電時，左側即負極，電極反應式為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，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極的電極反應式為Zn2＋＋2e－===Zn，A極增重65g，轉移2mol電子，所以C區(qū)增加2molK＋、2molCl－，離子總數(shù)為4NA，D正確。

B

[精練3]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【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，氫離子與透過B膜的陰離子到左側形成酸，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、陽離子透過兩側交換膜向兩側移動