資源簡介

第39講多池、多室的電化學裝置
1.了解串聯裝置的連接特點，了解離子交換膜的特點及作用。
2．掌握多池、多室問題分析的一般方法。
3．能熟練用電子守恒、關系式法等進行有關電化學計算。
考點一多池串聯的兩大模型及原理分析
1.常見多池串聯裝置圖
模型一外接電源與電解池的串聯(如圖)
A、B為兩個串聯電解池，相同時間內，各電極得失電子數相等。
模型二原電池與電解池的串聯(如圖)
甲、乙兩圖中，A均為原電池，B均為電解池。
2．二次電池的充電
(1)可充電電池原理示意圖
充電時，原電池負極與外接電源負極相連，原電池正極與外接電源正極相連，記作“正接正，負接負”。
(2)可充電電池有充電和放電兩個過程，放電時是原電池反應，充電時是電解池反應。充電、放電不是可逆反應。
(3)放電時的負極反應和充電時的陰極反應相反，放電時的正極反應和充電時的陽極反應相反。將負(正)極反應式變換方向并將電子移項即可得出陰(陽)極反應式。
3．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值)
該關系式具有總覽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。
感悟：
【教考銜接】
典例[2022·山東卷，13]設計如圖裝置回收金屬鈷。保持細菌所在環境pH穩定，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)轉化為Co2＋，工作時保持厭氧環境，并定時將乙室溶液轉移至甲室。已知電極材料均為石墨材質，右側裝置為原電池。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，乙室應補充鹽酸
c．乙室電極反應式為
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移
【解題關鍵】右側裝置為原電池，帶細菌電極為負極，LiCoO2電極為正極；左側裝置為電解池，帶細菌電極為陽極，CoCl2電極為陰極；兩個電池為串聯連接。
聽課筆記
【對點演練】
1．如圖所示，甲池的總反應式為N2H4＋O2===N2＋2H2O，下列關于該裝置工作時的說法正確的是()
A．該裝置工作時，Ag電極上有氣體生成
B．甲池中負極反應式為N2H4－4e－===N2＋4H＋
C．甲池和乙池中溶液的pH均減小
D．當甲池中消耗3.2gN2H4時，乙池中理論上最多產生6.4g固體
2．鉛酸蓄電池是典型的可充電電池，正、負極是惰性材料，電池總反應式為Pb＋PbO2＋2H2SO4放電，充電2PbSO4＋2H2O，回答下列問題(不考慮氫、氧的氧化還原)：
(1)放電時，正極的電極反應式是_。電解液中H2SO4的濃度將變_；當外電路通過1mol電子時，理論上負極板的質量增加_g。
(2)在完全放電耗盡PbO2和Pb時，若按如圖連接，電解一段時間后，則在A電極上生成_，B電極上生成_，此時鉛酸蓄電池的正、負極的極性將_(填“不變”或“對換”)。
3．在如圖所示的裝置中，若通直流電5min時，銅電極的質量增加2.16g。試回答下列問題。
(1)電源中X為直流電源的_極。
(2)pH變化：A_(填“增大”“減小”或“不變”，下同)，B_，C_。
(3)通電5min時，B中共收集224mL(標準狀況下)氣體，溶液體積為200mL，則通電前CuSO4溶液的物質的量濃度為_(設電解前后溶液體積無變化)。
(4)常溫下，若A中KCl足量且溶液的體積也是200mL，電解后，溶液的pH為_(設電解前后溶液體積無變化)。
考點二多室電化學裝置
為實現特定功能需求，在電化學裝置中增加離子交換膜，將原電池或電解池分隔成兩個或多個相對獨立的室。
1．離子交換膜的分類和應用
2．分析某室質量變化的關鍵
分析某室質量的變化，既要考慮該區(或該電極)的化學反應，又要考慮通過“交換膜”的離子帶來的質量變化。
【教考銜接】
典例1[2022·湖南卷，8]海水電池在海洋能源領域備受關注，一種鋰—海水電池構造示意圖如下。下列說法錯誤的是()
A．海水起電解質溶液作用
B．N極僅發生的電極反應：
2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C．玻璃陶瓷具有傳導離子和防水的功能
D．該鋰—海水電池屬于一次電池
【解題思路】鋰—海水電池的總反應為4Li＋O2＋2H2O===4LiOH。M極上Li失去電子發生氧化反應，則M電極為負極，電極反應為Li－e－===Li＋；N極為正極，電極反應為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
聽課筆記
【師說·延伸】①本題關鍵是正確解讀玻璃陶瓷的作用，從而確定正極反應物是O2；②將鋰—海水電池的總反應定為2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑是典型的錯誤。
典例2微生物脫鹽池是在微生物燃料電池的基礎上發展而來的新興生物電化學系統，示意圖如圖所示。下列說法錯誤的是()
A．該裝置能實現從海水中得到淡水，同時去除有機物，而且還可提供電能
B．電極b為正極
C.負極反應為CH3COO－＋7OH－－8e－===2CO2↑＋5H2O
D．Y為陽離子交換膜
【解題思路】燃料電池通入O2的電極為正極，因此b為正極；CH3COO－反應的電極為負極，即a為負極。
聽課筆記
【對點演練】
考向一單膜電解池
1．已知：電流效率＝電路中通過的電子數與消耗負極失去電子總數之比。現有兩個電池Ⅰ、Ⅱ，裝置如圖所示。
下列說法正確的是()
A．Ⅰ和Ⅱ的電池反應不相同
B．能量轉化形式不同
C．Ⅰ的電流效率低于Ⅱ的電流效率
D．5min后，Ⅰ、Ⅱ中都只含1種溶質
2．[2024·九省聯考吉林卷，14]某生物質電池原理如下圖所示，充、放電時分別得到高附加值的醇和羧酸。下列說法正確的是()
A．放電時，正極電極反應為：
＋H2O－2e－===＋2H＋
B．放電時，Co0.2Ni0.8(OH)2轉化為Co0.2Ni0.8OOH
C．充電時，K＋通過交換膜從左室向右室遷移
D．充電時，陰極電極反應為：＋2H2O＋2e－===＋2OH－
考向二多膜電解池
3．H3PO2也可用電滲析法制備，“四室電滲析法”工作原理如圖所示(陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過)：
(1)寫出陽極的電極反應式_。
(2)分析產品室可得到H3PO2的原因_。
(3)早期采用“三室電滲析法”制備H3PO2：將“四室電滲析法”中陽極室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。并撤去陽極室與產品室之間的陽膜，從而合并了陽極室與產品室。其缺點是產品中混有_雜質，該雜質產生的原因是_。
考向三雙極膜電解池
4．為適應不同發電形式產生的波動性，我國科學家設計了一種電化學裝置，其原理如圖所示。當閉合K1和K3、打開K2時，裝置處于蓄電狀態；當打開K1和K3、閉合K2時，裝置處于放電狀態。放電時，雙極膜中間層中的H2O解離為H＋和OH－并分別向兩側遷移。下列說法錯誤的是()
A．蓄電時，碳錳電極的電極反應式為Mn2＋＋2H2O－2e－＝MnO2＋4H＋
B．蓄電時，右側電解池發生的總反應為2ZnO通電2Zn＋O2↑
C．放電時，每消耗1molMnO2，理論上有4molH＋由雙極膜向碳錳電極遷移
D．理論上，該電化學裝置運行過程中需要補充H2SO4和KOH
5．利用微生物電化學處理有機廢水，同時可淡化海水并獲得酸堿。現以NaCl溶液模擬海水、采用惰性電極，用如下圖所示的裝置處理有機廢水(以含有機酸CH3COOH溶液為例)，在直流電場作用下，雙極膜間的水解離成H＋和OH－。下列說法正確的是()
A．膜a為陰離子交換膜，膜b為陽離子交換膜
B．產品室生成的物質為鹽酸
C．當陰極產生22.4L氣體時，理論上可除去模擬海水中117gNaCl
D．陽極反應式為：CH3COOH＋2H2O＋8e－===2CO2↑＋8H＋
第39講多池、多室的電化學裝置
考點一
突破·關鍵能力
教考銜接
典例解析：假設乙酸鹽為CH3COONa。甲室陽極反應為CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，陰極反應為Co2＋＋2e－===Co，電池反應為CH3COO－＋4Co2＋＋2H2O===2CO2↑＋4Co＋7H＋，溶液pH逐漸減小，a錯誤；乙室負極反應為CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，正極反應為LiCoO2＋e－＋4H＋===Li＋＋Co2＋＋2H2O，電池反應為CH3COO－＋8LiCoO2＋25H＋===2CO2↑＋8Li＋＋8Co2＋＋14H2O，b正確、c錯誤；若甲室Co2＋減少200mg，轉移電子n（e－）＝×2＝0.0068mol，乙室Co2＋增加300mg，轉移電子n（e－）＝×1＝0.0051mol，說明此時已進行過溶液轉移，d正確。
答案：bd
對點演練
1．解析：該裝置圖中，甲池為燃料電池，其中左邊電極為負極，右邊電極為正極，乙池為電解池，石墨電極為陽極，Ag電極為陰極，陰極上Cu2＋得電子生成銅，無氣體生成，A錯誤；甲池溶液呈堿性，電極反應式不出現H＋，B錯誤；根據甲池的總反應式可知有水生成，電解液被稀釋，故堿性減弱，pH減小，乙池的總反應式為2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，電解液酸性增強，pH減小，C正確；3.2gN2H4的物質的量為0.1mol，轉移電子的物質的量為0.4mol，產生0.2molCu，質量為12.8g，D錯誤。
答案：C
2．解析：（1）根據總反應式可知放電時，正極PbO2得到電子，電極反應式是PbO2＋4H＋＋＋2e－===PbSO4＋2H2O，負極電極反應式是Pb＋－2e－===PbSO4；由反應式知放電時消耗H2SO4，則H2SO4濃度變小；當外電路通過1mol電子時，理論上負極板的質量增加0.5mol×96g·mol－1＝48g。（2）若按題圖連接，B為陽極，失去電子發生氧化反應，A為陰極，得到電子發生還原反應，B電極上發生的反應為PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋，A電極發生的反應為PbSO4＋2e－===Pb＋，所以A電極上生成Pb，B電極上生成PbO2，此時鉛酸蓄電池的正、負極的極性將對換。
答案：（1）PbO2＋4H＋＋＋2e－===PbSO4＋2H2O小48（2）PbPbO2對換
3．解析：（1）三個裝置是串聯的電解池。電解AgNO3溶液時，Ag＋在陰極發生還原反應生成Ag，所以質量增加的銅電極是陰極，由此推知X是電源負極。（2）電解KCl溶液生成KOH，溶液pH增大；電解CuSO4、K2SO4溶液生成H2SO4，溶液pH減小；電解AgNO3溶液，銀為陽極，不斷溶解，Ag＋在陰極不斷析出，AgNO3溶液濃度基本不變，pH不變。（3）通電5min時，C中析出0.02molAg，電路中通過0.02mol電子；B中共收集0.01mol氣體，若該氣體全為氧氣，則電路中需通過0.04mol電子，電子轉移不守恒，因此，B中電解分為兩個階段，先電解CuSO4溶液，生成O2，后電解水，生成O2和H2，B中收集到的氣體是O2和H2的混合物。設電解CuSO4溶液時生成O2的物質的量為xmol，電解H2O時生成O2的物質的量為ymol，則4x＋4y＝0.02（電子轉移守恒），x＋3y＝0.01（氣體體積之和），解得x＝y＝0.0025，所以n（CuSO4）＝2×0.0025mol＝0.005mol，c（CuSO4）＝＝0.025mol·L－1。（4）常溫下，通電5min時，A中放出0.01molH2，溶液中生成0.02molKOH，c（OH－）＝＝0.1mol·L－1，pH＝13。
答案：（1）負（2）增大減小不變（3）0.025mol·L－1（4）13
考點二
突破·關鍵能力
教考銜接
典例1解析：海水中含有大量的電解質，故A項正確；Li是活潑金屬，作負極，則N極是正極，正極上海水中溶解的O2、CO2等均能放電，B項錯誤；由于Li易與水反應，故玻璃陶瓷應具有良好的防水功能，同時為形成閉合的回路，也應具有傳導離子的功能，C項正確；該電池屬于一次電池，D項正確。
答案：B
典例2解析：該裝置為原電池，a極有機物發生氧化反應生成二氧化碳，海水中的Na＋和Cl－通過離子交換膜分別移向正極和負極，能實現從海水中得到淡水，同時去除有機物，而且還可提供電能，A正確；根據分析，電極b通入氧氣，得電子，為正極，B正確；由圖可知，負極為有機弱酸性廢水CH3COO－的電極，失電子發生氧化反應，溶液為酸性，電極反應為CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，C錯誤；原電池中陽離子移向正極、陰離子移向負極，從而達到脫鹽目的，所以Y為陽離子交換膜、X為陰離子交換膜，D正確。
答案：C
對點演練
1．解析：Ⅰ、Ⅱ裝置中電極材料相同，電解質溶液部分相同，電池反應，負極反應和正極反應式相同，A項錯誤；Ⅰ和Ⅱ裝置的能量轉化形式都是化學能轉化成電能，B項錯誤；Ⅰ裝置中銅與氯化鐵直接接觸，會在銅極表面發生反應，導致部分能量損失（或部分電子沒有通過電路），導致電流效率降低。而Ⅱ裝置采用陰離子交換膜，銅與氯化銅接觸，不會發生副反應，放電過程中交換膜左側負極的電極反應式為Cu－2e－===Cu2＋，陽離子增多；右側正極的電極反應式為2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，負電荷過剩。Cl－從交換膜右側向左側遷移，電流效率高于Ⅰ裝置，C正確；放電一段時間后，Ⅰ裝置中生成氯化銅和氯化亞鐵，Ⅱ裝置中交換膜左側生成氯化銅，右側生成了氯化亞鐵，可能含氯化鐵，D項錯誤。
答案：C
2．答案：D
3．解析：（2）中應該從閉合回路的角度，陰、陽離子的流向分析；（3）注意陽極反應生成O2，O2具有氧化性，H3PO2和H2均具有還原性，二者會被O2氧化生成。
答案：（1）2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
（2）陽極室的H＋穿過陽膜擴散至產品室，原料室的H2穿過陰膜擴散至產品室，二者反應生成H3PO2
（3）H2或H3PO2被氧化
4．解析：蓄電時，左側為電解池，碳錳電極為電解池的陽極，電極反應式為：Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋，A正確；右側裝置也是電解池，電解池發生的總反應為：2ZnO2Zn＋O2↑，B正確；放電時，裝置組合成原電池，碳錳電極為原電池的正極，電極反應為MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O，每有1molMnO2消耗，理論上有4molH＋由雙極膜向碳錳電極遷移，C正確；該電化學裝置運行過程中，、K＋均沒有參與反應，只需要補充H2O，不需要補充H2SO4和KOH，D錯誤。
答案：D
5．解析：由圖知，陽極上CH3COOH失去電子生成CO2，陰極上氫離子得電子生成氫氣，該電解池是利用微生物電化學處理有機廢水，同時可淡化海水并獲得酸堿，則氫離子通過雙極膜進入產品室，氯離子通過膜b進入產品室，則膜b為陰離子交換膜，產品室生成的物質為鹽酸；膜a為陽離子交換膜，鈉離子從此進入陰極，得到產品氫氧化鈉。由分析可知，膜a為陽離子交換膜，膜b為陰離子交換膜，A項錯誤；氫離子通過雙極膜進入產品室，氯離子通過膜b進入產品室，產品室生成的物質為鹽酸，B項正確；陰極產生22.4L氣體未說明狀態，無法通過氣體摩爾體積計算，C項錯誤；陽極上CH3COOH失去電子生成CO2，陽極反應式為：CH3COOH＋8OH－－8e－===2CO2↑＋6H2O，D項錯誤。
答案：B

展開更多......

收起↑