(高中化学步步高全书完整的Word版文档-2022版)第六章 第34讲 多池、多室的电化学装置.docx
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1、第第 32 讲讲多池、多室的电化学装置多池、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。 考点一考点一多池串联的两大模型及原理分析多池串联的两大模型及原理分析 1常见串联装置图 模型一外接电源与电解池的串联(如图) A、B 为两个串联电解池,相同时间内,各电极得失电子数相等。 模型二原电池与电解池的串联(如图) 显然两图中,A 均为原电池,B 均为电解池。 2“串联”类装置的解题流程 1(2020长春质检)下图装置中 a、b、c、d 均为 Pt 电极。电解过程中,电极 b 和 d
2、上没有气体逸出, 但质量均增大,且增重 bd。符合上述实验结果的盐溶液是() 选 项 XY A Mg SO4 CuSO4 B Ag NO3 Pb(NO3)2 C FeS O4 Al2(SO4)3 D CuS O4 AgNO3 答案B 解析A 项,当 X 为 MgSO4时,b 极上生成 H2,电极质量不增加,错误;C 项,X 为 FeSO4,Y 为 Al2(SO4)3,b、d 极上均产生气体,错误;D 项,b 极上析出 Cu,d 极上析出 Ag,其中 d 极增加的质量大 于 b 极增加的质量,错误。 2如图所示装置可间接氧化工业废水中含氮离子(NH 4)。下列说法不正确的是() A乙是电能转变为
3、化学能的装置 B含氮离子氧化时的离子方程式为 3Cl22NH 4=N26Cl 8H C若生成 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 答案D 3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 表的指针发生了偏转。 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
4、消耗 O2的体积为_mL(标准状况下),丙池 中_极析出_g 铜。 (4)若丙池中电极不变, 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”);丙中溶液的 pH 将_(填“增大”“减小”或“不变”)。 答案(1)原电池CH3OH6e 8OH=CO2 36H2O (2)阳极4AgNO32H2O= 电解 4AgO24HNO3 (3)280D1.60(4)减小增大 解析(1)甲池为原电池,通入 CH3OH 的电极为负极,电极反应式为 CH3OH6e 8OH=CO2 3 6H2O。 (2)乙池中电解 AgNO3溶液,其中 C 作阳极,Ag
5、作阴极,总反应式为 4AgNO32H2O= 电解 4AgO2 4HNO3。 (3)根据各电极上转移的电子数相同,得 n(Ag)4n(O2)2n(Cu),故 V(O2)1 4 5.40 108 22.4 L0.28 L 280 mL,m(Cu)1 2 5.40 108 64 g1.60 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 2NaCl2H2O= 电解 2NaOHH2Cl2,则溶液 pH 增大,而甲中总反应为 2CH3OH3O2 4KOH=2K2CO36H2O,溶液 pH 减小。 多池串联的装置中,先根据电极反应物和电解质溶液判断哪个是原电池,其余装置一般为电解
6、池;与 原电池正极相连的电极为电解池阳极,与原电池负极相连的电极为电解池阴极,据此判断各池中发生的反 应。 考点二考点二多室隔膜在电化学中的应用多室隔膜在电化学中的应用 常见的离子交换膜 1含义和作用 (1)含义:离子交换膜又叫隔膜,由高分子特殊材料制成。 (2)作用:能将两极区隔离,阻止两极区产生的物质接触,防止发生化学反应。 能选择性的通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。 2分类和应用 1用下面的装置制取 NaOH、H2和 Cl2,此装置有何缺陷? 答案缺陷 1:Cl2和 H2混合而引起爆炸; 缺陷 2:Cl2与 NaOH 反应生成 NaClO,影响 NaOH 的产量。 2用下图装
7、置电解饱和食盐水,其中阳离子交换膜的作用有哪些? 答案(1)平衡电荷,形成闭合回路; (2)防止 Cl2和 H2混合而引起爆炸; (3)避免 Cl2与 NaOH 反应生成 NaClO,影响 NaOH 的产量; (4)避免 Cl 进入阴极区导致制得的 NaOH 不纯。 题组一“隔膜”在新型电池中的应用 1(2020黔东南州模拟)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 Ca 电极的电极反应式为:CH3OCH33H2O12e =2CO212H D当 b 电极消耗 22.4 L O
8、2时,质子交换膜有 4 mol H 通过 答案C 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 CH3OCH3 12e 3H2O=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。 2(2020青岛高三模拟)2019 年 3 月,我国科学家研发出一种新型的锌碘单液流电池,其原理图所示。 下列说法不正确的是() A放电时,B 电极反应式:I22e =2I B放电时,电解质储罐中离子总浓度增大
9、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 4NA 答案C 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
10、 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。 题组二“双室”电解池的应用 3 (2020合肥第一次教学质量检测)利用 LiOH 和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。 可用电解 LiCl 溶液制备 LiOH,装置如图所示。下列说法正确的是() A电极 B 连接电源正极 BA 极区电解液为 LiCl 溶液 C阳极反应式为 2H2O2e =H22OH D每生成 1 mol H2,有 1 mol Li 通过该离子交换膜 答案B 解析由题意知,电解 LiCl 溶液制备 LiOH,由于电极 B 生成氢气,A 与 B 用阳离子交换膜隔开,所 以
11、B 为阴极,B 极区为 LiOH 溶液,A 极区为 LiCl 溶液,A 项错误,B 项正确;阳极反应式为 2Cl 2e =Cl2,C 项错误;每生成 1 mol H2,有 2 mol Li 通过该离子交换膜,D 项错误。 4(2020四川宜宾诊断)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 2HSO 32H 2e=S2O2 42H2O C装置中所用离子交换膜为阳离子交换膜 D电路中每转移 1 mol 电子,消耗 SO2的体积为 11
12、.2 L 答案BC 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,HSO 3被还原生成 S2O2 4,电极反应式为 2HSO 32H 2e=S2O2 4 2H2O,B 正确;b 电极是阳极,电极反应式为 SO22H2O2e =4HSO2 4,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 正确;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
13、标准 状况下,D 错误。 题组三“多室”电解池的应用 5(2020长春质检)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 答案B 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
14、 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。 6 (2020河南天一大联考阶段检测)普通电解精炼铜的方法所制备的铜中仍含杂质, 利用下面的双膜(阴 离子交换膜和过滤膜)电解装置可制备高纯度的 Cu。下列有关叙述正确的是() A电极 a 为纯铜,电极 b 为粗铜 B甲膜为过滤膜,可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区 C乙膜为阴离子交换膜,可阻止杂质阳离子进入阴极区 D当电路中通过 1 mol 电子时,可生
15、成 32 g 纯铜 答案AD 解析由题意结合电解原理可知,电极 a 是阴极,为纯铜,电极 b 是阳极,为粗铜,A 项正确;甲膜 为阴离子交换膜,可阻止杂质阳离子进入阴极区,B 项错误;乙膜为过滤膜,可阻止阳极泥及漂浮物杂质 进入阴极区,C 项错误;当电路中通过 1 mol 电子时,可生成 0.5 mol 纯铜,其质量为 32 g,D 项正确。 7四室式电渗析法制备盐酸和 NaOH 的装置如图所示。a、b、c 为阴、阳离子交换膜。已知:阴离子 交换膜只允许阴离子透过,阳离子交换膜只允许阳离子透过。下列叙述正确的是() Ab、c 分别依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜 B通电后室中的 Cl 透过 c
16、 迁移至阳极区 C、四室中的溶液的 pH 均升高 D电池总反应为 4NaCl6H2O= 电解 4NaOH4HCl2H2O2 答案D 解析由图中信息可知,左边电极与负极相连为阴极,右边电极为阳极,所以通电后,阴离子向右定 向移动,阳离子向左定向移动,阳极上 H2O 放电生成 O2和 H ,阴极上 H2O 放电生成 H2和 OH;H透过 c,Cl 透过 b,二者在 b、c 之间的室形成盐酸,盐酸浓度变大,所以 b、c 分别为阴离子交换膜和阳离 子交换膜;Na 透过 a,NaOH 的浓度变大,所以 a 是阳离子交换膜,故 A、B 两项均错误;电解一段时间 后,中的溶液的 c(OH )升高,pH 升高
17、,中为 NaCl 溶液,pH 不变,中有 HCl 生成,故 c(H)增大, pH 减小,中 H 移向,H2O 放电生成 O2,使水的量减小,c(H)增大,pH 减小,C 错误。 (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。 考点三考点三电化学原理的相关计算电化学原理的相关计算 电化学综合计算的三种
18、常用方法 (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 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。 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 mol e 为桥梁可构建如下关系式: 4e 2222 ()2Cl BrIO 、 2 2H2C 4 u4AgM n 阳极产物阴极产物 (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
19、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。 1500 mL KNO3和 Cu(NO3)2的混合溶液中 c(NO 3)0.6 molL 1,用石墨作电极电解此溶液,当通电 一段时间后,两极均收集到 2.24 L 气体(标准状况下),假定电解后溶液体积仍为 500 mL,下列说法正确的 是() A原混合溶液中 c(K )为 0.2 molL1 B上述电解过程中共转移 0.2 mol 电子 C电解得到的 Cu 的物质的量为 0.05 mol D电解后溶液中 c(H )为 0.2 molL1 答案A 解析石墨作电极电解 KNO3和 Cu(NO3)2的混合溶液,阳极反应式为 4OH 4e
20、=2H2OO2,阴 极先后发生两个反应:Cu2 2e=Cu,2H2e=H2。从收集到 O2为 2.24 L 可推知上述电解过程中 共转移 0.4 mol 电子,而在生成 2.24 L H2的过程中转移 0.2 mol 电子,所以 Cu2 共得到 0.4 mol0.2 mol 0.2 mol 电子,电解前 Cu2 的物质的量和电解得到的 Cu 的物质的量都为 0.1 mol。电解前后分别有以下 守恒关系:c(K )2c(Cu2)c(NO 3),c(K )c(H)c(NO 3),不难算出:电解前 c(K )0.2 molL1,电 解后 c(H )0.4 molL1。 2(2020山东师大附中模拟)
21、某化学课外活动小组拟用铅蓄电池进行电絮凝净水的实验探究,设计的 实验装置如图所示,下列叙述正确的是() AX 极的电极反应式:Pb2e SO2 4=PbSO4 B铅蓄电池工作时,每转移 2 mol 电子,消耗 196 g H2SO4 C电解池的反应仅有 2Al6H2O= 电解 2Al(OH)33H2 D每消耗 103.5 g Pb,理论上电解池阴极上有 11.2 L H2生成 答案AB 解析由图可知,电解池中,Al 电极上发生氧化反应生成 Al3 和 O2,H2O 在 Fe 电极上被还原生成 H2,则 Al 电极是阳极,Fe 电极是阴极,Y 极是正极,X 极是负极,则 X 极的电极反应式为 P
22、b2e SO2 4=PbSO4,A 正确;铅蓄电池工作时,电池总反应式为 PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O,则转 移 2 mol 电子时消耗 2 mol H2SO4,其质量为 196 g,B 正确;由图可知,Al 电极上除生成 Al3 外,还生成 O2,Fe 电极上生成 H2和 OH ,故电解池中还发生反应:2H2O= 电解 2H2O2,C 错误;消耗 103.5 g(即 0.5 mol)Pb 时,电路中转移 1 mol 电子,则阴极上逸出 0.5 mol H2,题目未指明气体所处状况,H2的体积不 确定,D 错误。 3在如图所示的装置中,若通直流电 5 min 时,铜电极的质量
23、增加 2.16 g。试回答下列问题。 (1)电源中 X 电极为直流电源的_极。 (2)pH 变化:A_,B_,C_。(填“增大”“减小”或“不变”) (3)通电 5 min 时,B 中共收集 224 mL(标准状况下)气体,溶液体积为 200 mL,则通电前 CuSO4溶液 的物质的量浓度为_(设电解前后溶液体积无变化)。 (4)常温下,若 A 中 KCl 足量且溶液的体积也是 200 mL,电解后,溶液的 pH 为_(设电解前 后溶液体积无变化)。 答案(1)负(2)增大减小不变 (3)0.025 molL 1 (4)13 解析(1)三个装置是串联的电解池。电解 AgNO3溶液时,Ag 在阴
24、极发生还原反应变为 Ag,所以质 量增加的铜电极是阴极,则银电极是阳极,Y 是正极,X 是负极。 (2)电解 KCl 溶液生成 KOH,溶液 pH 增大;电解 CuSO4溶液生成 H2SO4,溶液 pH 减小;电解 AgNO3 溶液,银为阳极,不断溶解,Ag 浓度基本不变,pH 不变。 (3)通电 5 min 时,C 中析出 0.02 mol Ag,电路中通过 0.02 mol 电子。B 中共收集 0.01 mol 气体,若该 气体全为氧气,则电路中需通过 0.04 mol 电子,电子转移不守恒,因此,B 中电解分为两个阶段,先电解 CuSO4溶液,生成 O2,后电解水,生成 O2和 H2,B
25、 中收集到的气体是 O2和 H2的混合物。设电解 CuSO4 溶液时生成 O2的物质的量为 x, 电解 H2O 时生成 O2的物质的量为 y, 则 4x4y0.02 mol(电子转移守恒), x3y0.01 mol(气体体积之和),解得 xy0.002 5 mol,所以 n(CuSO4)20.002 5 mol0.005 mol, c(CuSO4)0.005 mol 0.2 L 0.025 molL 1。 (4)通电 5 min 时, A 中放出 0.01 mol H2, 溶液中生成 0.02 mol KOH, c(OH )0.02 mol 0.2 L 0.1 molL 1,pH13。 (1)
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