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1、第第3333讲讲 多多池池(或多室或多室)电化学装置及分析电化学装置及分析第六章第六章内容索引010203考点一多池串联装置及分析考点一多池串联装置及分析考点二离子交换膜电解池考点二离子交换膜电解池真题真题演练演练 角度角度拓展拓展复习目标复习目标1结合实例,掌握多池串联装置、多室电解装置的分析方法。2了解离子交换膜的分类及特点,掌握离子交换膜的判断方法及作用。考点一多池串联装置及分析考点一多池串联装置及分析必备必备知识知识 自主自主预诊预诊1.电解池的串联装置(1)A、B为两个串联电解池,相同时间内,通过各个电极的电子数相等。(2)Zn电极反应式为Zn-2e-=Zn2+,Fe电极反应式为2H
2、+2e-=H2。2.原电池与电解池的串联装置 图甲 图乙(1)装置中无外加直流电源时,一般情况下,两极金属的活动性相差较大的电池(或燃料电池)为原电池,其余为电解池。(2)图甲和图乙中,A均为原电池,B均为电解池。图乙中通入O2的电极反应式为O2+4H+4e-=2H2O,b电极反应式为2H2O+2e-=H2+2OH-。关键关键能力能力 考考向突破向突破考向1电解池的串联及分析例1.下图装置中a、b、c、d均为Pt电极。电解过程中,电极b和d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XYAMgSO4CuSO4BAgNO3Pb(NO3)2CFeSO4Al2(SO4
3、)3DCuSO4AgNO3答案B解析当X为MgSO4时,b极上生成H2,电极质量不增加,A错误;X为FeSO4,Y为Al2(SO4)3,b、d极上均产生气体,C错误;X为CuSO4,Y为AgNO3时,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,D错误。考向2原电池和电解池的串联及分析例2.(2023广东汕头模拟)研究微生物燃料电池不仅可以获得高效能源,还能对工业污水等进行处理。利用微生物燃料电池处理含硫废水并电解制备KIO3的原理如图所示,下列说法正确的是()A.光照强度大小不影响KIO3的制备速率B.右侧电池中K+通过阳离子交换膜从P极移向Q极D.不考虑损耗,电路中
4、每消耗1 mol O2,理论上Q极可制得342.4 g KIO3 思路导引电池种类、电极及电极反应式如下表:答案C 解析光照强度大小影响单位时间内生成氧气的量,即影响电流大小,会影响KIO3的制备速率,A错误;铂电极P为阴极,铂电极Q为阳极,阴极生成氢氧根离子,而阳极生成的 比消耗的OH-少,溶液中K+通过阳离子交换膜从Q极移向P极,B错误;不考虑损耗,电路中每消耗1 mol O2,转移电子为4 mol,生成KIO3为4 mol =0.8 mol,理论上Q极可制得KIO3的质量为0.8 mol214 gmol-1=171.2 g,D错误。归纳总结分析电池串联问题的思维流程对点训练1.(2023
5、辽宁抚顺模拟)利用膜技术原理和电化学原理制备少量硫酸和绿色硝化剂N2O5,装置如图所示,下列说法正确的是()A.电极a和电极d上都发生氧化反应B.c电极上的电极反应式为N2O4+H2O+2e-=N2O5+2H+C.乙装置d电极附近溶液的pH增大D.电路中每转移2 mol e-,甲池质子膜右侧溶液质量变化为18 g答案D 解析电极d为阴极,氢离子在阴极得到电子发生还原反应生成氢气,A错误;与正极相连的电极c为电解池的阳极,在无水硝酸作用下,四氧化二氮在阳极失去电子发生氧化反应生成五氧化二氮,电极反应式为N2O4+2 -2e-=2N2O5,B错误;电极d为阴极,H+在阴极得到电子发生还原反应生成氢
6、气,电极反应式为2H+2e-=H2,阳极区的H+通过阳离子交换膜进入阴极区,电极附近溶液pH不变,C错误;电极b为正极,酸性条件下,O2在正极得到电子并结合通过质子膜的H+生成水,发生的反应为O2+4H+4e-=2H2O,则电路中每转移2 mol e-,甲池质子膜右侧溶液质量变化为2 mol 18 gmol-1=18 g,D正确。2.MFC-电芬顿技术不需要外加能量即可发生,通过产生羟基自由基(OH)处理有机污染物,可获得高效的废水净化效果,其耦合系统原理示意图如图。下列说法错误的是()A.标准状况下,乙池中消耗22.4 L O2时,可以产生2 molOHB.甲池是将化学能转化为电能,其中a极
7、上发生氧化反应C.电子移动方向为:aY,XbD.乙池中生成羟基自由基的反应为Fe2+H2O2+H+=Fe3+H2O+OH答案A解析乙池中Y电极上的反应为O2+2H+2e-=H2O2,再发生反应H2O2+H+Fe2+=Fe3+H2O+OH,当产生1 mol羟基自由基时,需要1 mol H2O2,消耗1 mol的O2,则标准状况下消耗22.4 L的O2时,产生的是1 mol的羟基自由基,A错误;甲池为原电池,将化学能转化为电能,b电极上氧气被还原,b电极为正极,a电极为负极,a电极发生的是氧化反应,B正确;甲池为原电池,a电极为负极,b电极为正极。乙池为电解池,X电极为阳极,Y电极为阴极。串联装置
8、中,电子由原电池负极流向电解池阴极,即aY,同时由电解池的阳极流向原电池正极,即Xb,C正确;乙池中生成自由基的反应为H2O2+H+Fe2+=Fe3+H2O+OH,其中H2O2作氧化剂,二价铁离子作还原剂,D正确。考点二离子交换膜电解池考点二离子交换膜电解池必备必备知识知识 自主自主预诊预诊1.离子交换膜的种类 2.离子交换膜的作用(1)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。(2)能选择性地通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。3.离子交换膜的应用关键关键能力能力 考考向突破向突破考向1单膜电解池及分析例1.(2023江苏南通等七市调研)微生物电解池(MEC)是一种
9、新型的且能兼顾氢气或甲烷回收的废水处理技术,将电化学法和生物还原法有机结合,MEC具有很好的应用前景。微生物电化学产甲烷法的装置如图所示。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.该微生物电解池工作时将化学能转化为电能C.阴极的电极反应式为CO2+8e-+8H+=CH4+2H2OD.若产生1 mol CH4,理论上阳极室生成CO2的体积为44.8 L思路导引“产电菌”电极上CH3COO-CO2,发生氧化反应 该电极为阳极;“产甲烷菌”电极上CO2CH4,发生还原反应 该电极为阴极。阴极“产甲烷菌”极CO2+8H+8e-=CH4+2H2O阳极“产电菌”极CH3COO-
10、+2H2O-8e-=2CO2+7H+答案C解析根据装置示意图可知,“产电菌”极为阳极,“产甲烷菌”极为阴极,电解池中阳极的电势高于阴极的电势,A错误;电解池可将电能转化为化学能,B错误;阴极CO2得电子,并与H+反应生成甲烷和水,电极反应式为CO2+8H+8e-=CH4+2H2O,C正确;根据电极反应式CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2+7H+可知,产生1 mol CH4时转移8 mol电子,理论上,标准状况下阳极室生成CO2的体积为44.8 L,D错误。考向2多膜电解池及分析例2.用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的 ,模拟装置如图所示。下列说法正确的是()A.阳极室溶液由无
11、色变成棕黄色B.阴极的电极反应式为4OH-4e-=2H2O+O2C.电解一段时间后,阴极室溶液中的pH升高D.电解一段时间后,阴极室溶液中的溶质一定是(NH4)3PO4答案C 解析阳极上Fe发生氧化反应,溶液由无色变为浅绿色,A错误;阴极上H+发生还原反应:2H+2e-=H2,B错误;阴极消耗H+,电解一段时间后,阴极室溶液pH升高,C正确;电解一段时间后,阴极室溶液pH升高,还能与OH-反应生成NH3H2O,因此阴极室溶液中溶质除(NH4)3PO4外,还可能有NH3H2O,D错误。考向3双极膜电解池及分析例3.(2023辽宁大连模拟)为适应可再生能源的波动性和间歇性,我国科学家设计了一种电化
12、学装置,其原理如下图所示。当闭合K1和K3、打开K2时,装置处于蓄电状态;当打开K1和K3、闭合K2时,装置处于放电状态。放电时,双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-并分别向两侧迁移。下列有关该电化学装置工作时的说法不正确的是()A.蓄电时,碳锰电极附近溶液pH减小 C.放电时,每消耗1 mol MnO2,理论上有4 mol H+由双极膜向碳锰电极迁移D.理论上,该电化学装置运行过程中不需要补充H2SO4和KOH答案C 解析蓄电时为电解池反应,碳锰电极上Mn2+失电子生成MnO2,电极反应式为Mn2+2H2O-2e-=MnO2+4H+,溶液pH减小,A正确;蓄电时,右侧电解池中ZnO得电子
13、生成Zn,OH-失电子生成O2,总反应为2ZnO 2Zn+O2,B正确;放电时,碳锰电极为正极,电极反应式为MnO2+4H+2e-=Mn2+2H2O,每消耗1 mol MnO2,需要消耗4 mol H+,但碳锰电极只生成2 mol正电荷,剩余正电荷需要从双极膜间得到,则理论上应有2 mol H+由双极膜向碳锰电极迁移,C错误;该电化学装置运行过程中H+得电子生成H2,但实际过程为消耗了溶剂水,氢离子浓度增大,OH-失电子生成O2,但实际过程也是消耗了溶剂水,氢氧根离子浓度增大,则不需要补充H2SO4和KOH,D正确。归纳总结1.分析“多室”电解池类题目的思维流程2.判断离子交换膜种类的方法(1
14、)判断离子交换膜的用途是制取物质,还是避免电极产物之间发生反应。(2)根据电解质溶液呈电中性的原则,判断离子交换膜的种类。明确电极反应及产物,写出阴、阳极上的电极反应式。(3)依据电极反应式判断该电极附近剩余哪种离子,考虑交换膜的用途,结合溶液呈电中性的原则,判断离子移动的方向,确定离子交换膜的种类。对点训练1.一种利用Ag-Cu纳米阴极将CO2通过电化学反应转化为C2H4或C2H5OH的装置如图所示。下列说法正确的是()A.M极应与外接电源的正极相连B.装置中离子透过膜为阴离子透过膜D.M极生成乙醇的电极反应式为2CO2+12H+12e-=C2H5OH+3H2O 答案D解析CO2转化为C2H
15、4、C2H5OH时需要得电子,则M极为阴极,与外接电源的负极相连,A错误;阴极反应消耗H+,阳极反应生成H+,为维持电解质溶液呈电中性,阳极产生的H+要通过交换膜向阴极移动,故离子交换膜为阳离子交换膜,B错误;阳极水失电子,氢离子向左迁移,溶液中水减少了,硫酸根离子浓度增大,C错误;M极生成乙醇的电极反应式为2CO2+12H+12e-=C2H5OH+3H2O,D正确。2.(2023山东济宁模拟)双极膜(BP)是阴、阳复合膜,在直流电作用下,阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH-。利用双极膜电渗析法和惰性电极电解食盐水可获得淡水、NaOH溶液和盐酸,其工作原理如下图所示,M、N为离子交换膜。
16、下列说法错误的是()A.M膜为阳离子交换膜B.出口2的产物是盐酸C.若去掉双极膜(BP),阳极室会有Cl2生成D.电路中每转移1 mol电子,两极共得到0.5 mol气体答案D 解析 该装置为电解池,由可获得淡水可知,M膜为阳离子交换膜,A正确;出口2的产物为盐酸,B正确;若去掉双极膜,浓NaCl溶液中的Cl-会在阳极上失去电子发生氧化反应生成Cl2,则阳极室会有氯气生成,C正确;H+在阴极上得到电子发生还原反应生成H2,OH-在阳极上失去电子发生氧化反应生成O2,若电路中每转移1 mol电子,由得失电子数目守恒可得两极共得到气体真题真题演练演练 角度角度拓展拓展角度一多池串联装置及分析1.(2022山东卷,13改编)设计如图装置回收金属钴。保持细菌所在环境pH稳定,借助其降解乙酸盐生成CO2,将废旧锂离子电池的正极材料LiCoO2(s)转化为Co2+,工作时保持厌氧环境,并定时将乙室溶液转移至甲室。已知电极材料均为石墨材质,右侧装置为原电池。下列说法正确的是()A.装置工作时,甲室溶液pH逐渐增大B.装置工作一段时间后,乙室应补充盐酸C.乙室电极反应式为LiCoO2+2H2O+e-=
