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1、第33讲多池(或多室)电化学装置及分析【课标指引课标指引】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二离子交换膜电解池目录索引素养发展进阶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梳理梳理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_,Fe电极反应式为_。Zn-2e-Zn2+2H+2e-H22.原电池与电解池的串联装置(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)
2、为_,其余为_。(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_,b电极反应式为_。图甲图乙原电池电解池O2+4H+4e-2H2O2H2O+2e-H2+2OH-关键关键能力能力提升提升考向1 电解池的串联及分析例1(2023安徽宿州一模)我国科学家设计了一种CO2捕获和利用一体化装置,利用含的废水和CO2制备甲酸铵(HCOONH4)其原理过程示意图如下。有关说法错误的是()B对点训练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(N
3、O3)2CFeSO4Al2(SO4)3DCuSO4AgNO3B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(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
4、电池。下列说法错误的是()A.装置工作时,甲室溶液pH逐渐减小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-Li+Co2+4OH-D.若甲室Co2+减少200mg,乙室Co2+增加300mg,则此时已进行过溶液转移C解析 电池工作时,左边装置中细菌上乙酸盐的阴离子失去电子被氧化为CO2气体,Co2+在另一个电极上得到电子,被还原产生Co单质,CH3COO-失去电子后,H+、金属阳离子通过阳膜移向甲室,甲室溶液pH减小,A正确;对于乙室,正极上LiCoO2得到电子,被还原为Co2+,同时得到Li+,电极反应式为LiCoO2+e-+4H+Li+Co2+2H2
5、O,C错误;依据电子守恒,乙室消耗的H+比负极CH3COO-反应产生的H+多,因而需补充盐酸,B正确;根据转移电子守恒,可知没有进行溶液转移时,乙室Co2+增加的质量是甲室Co2+减少质量的2倍,而实际二者倍数为=1.52,故此时已进行过溶液转移,D正确。对点训练2我国科学家研究出一种新型水系Zn-C2H2电池(装置如图甲所示),既能实现乙炔加氢又能发电;同时开发新型催化剂,实现CO2电催化加氢制备C3H6(装置如图乙所示)。下列说法错误的是()A.甲、乙两装置相互连接时,a口应接c口B.离子交换膜M与N不能选择相同的交换膜C.a极的电极反应式为C2H2+2e-+2H2OC2H4+2OH-D.
6、甲、乙两装置相互连接时,理论上每消耗1molCO2,b极质量增大48gA解析 甲装置中,Zn被氧化,所以b电极为负极,a电极为正极;乙池中d电极上H2O被氧化为O2,所以d电极为阳极,c电极为阴极,与电源负极相连,即与b口相连,A错误;装置甲中通过氢氧根迁移来平衡电荷,离子交换膜为阴离子交换膜,装置乙中通过氢离子迁移平衡电荷,为质子交换膜,B正确;a电极上C2H2被还原为C2H4,根据电子守恒、元素守恒可得电极反应为C2H2+2e-+2H2OC2H4+2OH-,C正确;c电极上的反应为3CO2+18e-+18H+C3H6+6H2O,b电极的反应为Zn-2e-+2OH-ZnO+H2O,增重为O原
7、子的质量,消耗1molCO2转移6mol电子,b电极上增重3molO原子的质量,即48g,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梳理梳理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_、形成_的作用。3.离子交换膜的应用平衡电荷闭合回路关键关键能力能力提升提升考向1 单膜电解池及分析例1(2023广东汕头检测)含有硝酸盐和亚硝酸盐的酸性废水可导致水体富营养化,引发环境污染。如图是利用电化学原理处理的原理,下列有关叙述错误的是()CA.直流电源为铅酸蓄电池时,Pb极连接Y电极
8、B.Y电极发生还原反应C.当产生14gN2时,有6molH+跨膜而过D.阳极电极反应式为2H2O-4e-O2+4H+解析 由原理图中Y极生成N2可知,Y极为阴极,所以X极为阳极。铅酸蓄电池中Pb电极为负极,PbO2电极为正极。Y极为阴极,与直流电源负极相连,A正确;Y极是阴极,发生还原反应,B正确;由于不能确定参与电极反应的 中氮元素的具体化合价,所以转移电子数无法确定,H+迁移数量无法确定,C错误;阳极区电解质溶液为硫酸溶液,故电极反应式为2H2O-4e-O2+4H+,D正确。对点训练1(2023广东汕尾统考)利用电解法将CO2转化为CH4的原理如图所示,下列说法正确的是()AA.电路中每转
9、移0.4mol电子,此时消耗CO2的质量与生成CH4的质量之差为1.4gB.电池工作一段时间后,在电极a附近滴入几滴紫色石蕊溶液,可观察到溶液由无色变为蓝色C.电解过程中,左侧溶液中的穿过质子交换膜移向电极bD.电池工作一段时间后,右侧溶液中的各离子浓度之间的关系为解析 电极b上发生反应为CO2+8H+8e-CH4+2H2O,由电极反应可知每转移8mol电子消耗44gCO2,同时生成16gCH4,质量差为28g,则转移0.4mol电子,两者质量差为1.4g,A项正确;电极a上发生反应:2H2O-4e-O2+4H+,电极附近溶液显酸性,则紫色石蕊溶液在电极a附近变为红色,B项错误;硫酸根离子不能
10、穿过质子交换膜,C项错误;根据电荷守恒可得:,D项错误。考向2 多膜电解池及分析例2(2021广东卷)钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是()A.工作时,室和室溶液的pH均增大B.生成1molCo,室溶液质量理论上减少16gC.移除两交换膜后,石墨电极上发生的反应不变D.电解总反应:2Co2+2H2O2Co+O2+4H+D解析 水放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由室向室移动,使室中氢离子浓度增大,溶液pH减小,故A错误;阴极生成1mol钴,阳极有1mol水放电,则室溶液质量减少18g,故B错误;若移除离子交换膜,氯离
11、子的放电能力强于水,氯离子会在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气,则移除离子交换膜后,石墨电极的电极反应会发生变化,故C错误;电解总反应的离子方程式为2Co2+2H2O2Co+O2+4H+,故D正确。对点训练2电解法常用于分离提纯物质,某混合物浆液含Al(OH)3、MnO2和少量Na2CrO4。考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出,某研究小组利用设计的电解分离装置(如图),使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液进行回收利用(已知:),下列说法不正确的是()A.阴极室生成的物质为NaOH和H2B.阳极的电极反应式是2H2O-4e-4H+O2C.a离子交换膜为阳离子交换膜D.当外电路中
12、转移2mol电子时,阳极室可生成1molD考向3 双极膜电解池及分析例3(2023广东实验中学检测)可充电水系Zn-CO2电池用锌和催化剂材料作两极,电池工作示意图如图所示,其中双极膜是由阳膜和阴膜制成的复合膜,在直流电场的作用下,双极膜复合层间的H2O电离出的H+和OH-可以分别通过膜移向两极。下列说法不正确的是()BA.放电时,电极a为负极,发生氧化反应B.放电时,b极的电极反应为CO2+2H+-2e-HCOOHC.充电时,若电路中通过1mole-则有0.5molHCOOH转化为CO2D.充电时,阴极区溶液pH增大解析 由图可知,a极为负极,Zn失电子发生氧化反应,电极反应式为Zn-2e-
13、Zn2+,b极为正极,发生还原反应,电极反应式为CO2+2H+2e-HCOOH,双极膜复合层间的H2O电离出的H+通过膜移向b极,OH-通过膜移向a极,充电时a极为阴极,电极反应式为Zn2+2e-Zn,b极为阳极,电极反应式为HCOOH-2e-CO2+2H+。由分析可知,放电时,a极为负极,Zn失电子发生氧化反应,A正确;放电时,b极为正极,发生还原反应,电极反应式为CO2+2H+2e-HCOOH,B错误;由分析可知,充电时b极电极反应式为HCOOH-2e-CO2+2H+,若电路中通过1mole-,则有0.5molHCOOH转化为CO2,C正确;充电时,a极为阴极,电极反应式为Zn2+2e-Z
14、n,阴极区溶液pH增大,D正确。对点训练3(2023广东梅州检测)双极膜在电化学中应用广泛,它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层,工作时水层中的H2O解离成H+和OH-,并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。三碘甲烷(CHI3)又名碘仿,在医药和生物化学中用作防腐剂和消毒剂。电解法制取碘仿的工作原理如图所示,反应原理为C2H5OH+5IO-CHI3+2I-+OH-+2H2O,下列说法不正确的是()A.电极N连接直流电源的负极B.电解一段时间后,硫酸溶液浓度降低C.电极M上的主要反应为I-2e-+2OH-IO-+H2OD.每制备1mol三碘甲烷,理论上双极膜内解离180gH2
15、OB解析 由图可知,该装置为电解池,氢离子在阴极得到电子发生还原反应生成氢气,双极膜中氢离子向阴极移动,电极N为电解池的阴极,与直流电源的负极相连,碱性条件下碘离子在阳极失去电子发生氧化反应生成次碘酸根离子,电极M为阳极,次碘酸根离子与乙醇反应生成三碘甲烷、碳酸根离子、碘离子、氢氧根离子和水,双极膜中氢氧根离子向阳极移动。由分析可知,电极N为电解池的阴极,与直流电源的负极相连,A正确;氢离子在阴极得到电子发生还原反应生成氢气,双极膜中氢离子向阴极移动,则电解一段时间后,阴极区硫酸浓度不变,B错误;电极M为阳极,碱性条件下碘离子在阳极失去电子发生氧化反应生成次碘酸根离子,电极反应式为I-2e-+
16、2OH-IO-+H2O,C正确;由得失电子数目守恒可知,每制备1mol三碘甲烷,需要消耗5mol次碘酸根离子,外电路转移10mol电子,则理论上双极膜内解离180g水,D正确。思维建模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)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。素养发展进阶素养发展进阶进阶1练易错避陷阱1.(2023广东广州检测)近期,我国科学家提出了一种双极膜硝酸盐还原工艺,原理如图。双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-,在外加直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法不正确的是()CA.m是H+B.b接电源正极C.产生的NH3与O2的物质的量之比为45D.左室电极反应为+6H2O+8e-NH3+9OH-2.如图所示,甲池的总反应式为N2H4+O2N2+2H2O,下列关于该装置工作时的说法正确的
