適用于新高考新教材備戰(zhàn)2025屆高考化學(xué)一輪總復(fù)習(xí)第6章化學(xué)反應(yīng)與能量第33講多池(或多室)電化學(xué)裝置及分析課件

第33講多池(或多室)電化學(xué)裝置及分析【課標(biāo)指引】

1.結(jié)合實(shí)例,掌握多池串聯(lián)裝置、多室電解裝置的分析方法。2.了解離子交換膜的分類及特點(diǎn),掌握離子交換膜的判斷方法及作用?？键c(diǎn)一多池串聯(lián)裝置及分析考點(diǎn)二離子交換膜電解池目錄索引

素養(yǎng)發(fā)展進(jìn)階考點(diǎn)一多池串聯(lián)裝置及分析必備知識(shí)?梳理1.電解池的串聯(lián)裝置

(1)A、B為兩個(gè)串聯(lián)電解池,相同時(shí)間內(nèi),通過(guò)各個(gè)電極的電子數(shù)相等。(2)Zn電極反應(yīng)式為_(kāi)______________,Fe電極反應(yīng)式為_(kāi)_______________。Zn-2e-══Zn2+2H++2e-

══H2↑2.原電池與電解池的串聯(lián)裝置

(1)裝置中無(wú)外加直流電源時(shí),一般情況下,兩極金屬的活動(dòng)性相差較大的電池(或燃料電池)為_(kāi)_______,其余為_(kāi)_______。

(2)圖甲和圖乙中,A均為原電池,B均為電解池。圖乙中通入O2的電極反應(yīng)式為_(kāi)___________________,b電極反應(yīng)式為_(kāi)______________________。圖甲

圖乙原電池

電解池

O2+4H++4e-══2H2O2H2O+2e-══H2↑+2OH-關(guān)鍵能力?提升考向1電解池的串聯(lián)及分析例1(2023·安徽宿州一模)我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種CO2捕獲和利用一體化裝置,利用含

的廢水和CO2制備甲酸銨(HCOONH4)其原理過(guò)程示意圖如下。有關(guān)說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)B[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練1]

下圖裝置中a、b、c、d均為Pt電極。電解過(guò)程中,電極b和d上沒(méi)有氣體逸出,但質(zhì)量均增大,且增重b>d。符合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的鹽溶液是(

)選項(xiàng)XYAMgSO4CuSO4BAgNO3Pb(NO3)2CFeSO4Al2(SO4)3DCuSO4AgNO3B解析

當(dāng)X為MgSO4時(shí),b極上生成H2,電極質(zhì)量不增加,A錯(cuò)誤;X為FeSO4,Y為Al2(SO4)3,b、d極上均產(chǎn)生氣體,C錯(cuò)誤;X為CuSO4,Y為AgNO3時(shí),b極上析出Cu,d極上析出Ag,其中d極增加的質(zhì)量大于b極增加的質(zhì)量,D錯(cuò)誤。考向2原電池和電解池的串聯(lián)及分析例2(2022·山東卷,13改編)設(shè)計(jì)如圖裝置回收金屬鈷。保持細(xì)菌所在環(huán)境pH穩(wěn)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(zhuǎn)化為Co2+,工作時(shí)保持厭氧環(huán)境,并定時(shí)將乙室溶液轉(zhuǎn)移至甲室。已知電極材料均為石墨材質(zhì),右側(cè)裝置為原電池。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A.裝置工作時(shí),甲室溶液pH逐漸減小B.裝置工作一段時(shí)間后,乙室應(yīng)補(bǔ)充鹽酸C.乙室電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iCoO2+2H2O+e-═Li++Co2++4OH-D.若甲室Co2+減少200mg,乙室Co2+增加300mg,則此時(shí)已進(jìn)行過(guò)溶液轉(zhuǎn)移C解析

電池工作時(shí),左邊裝置中細(xì)菌上乙酸鹽的陰離子失去電子被氧化為CO2氣體,Co2+在另一個(gè)電極上得到電子,被還原產(chǎn)生Co單質(zhì),CH3COO-失去電子后,H+、金屬陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)膜移向甲室,甲室溶液pH減小,A正確;對(duì)于乙室,正極上LiCoO2得到電子,被還原為Co2+,同時(shí)得到Li+,電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iCoO2+e-+4H+═Li++Co2++2H2O,C錯(cuò)誤;依據(jù)電子守恒,乙室消耗的H+比負(fù)極CH3COO-反應(yīng)產(chǎn)生的H+多,因而需補(bǔ)充鹽酸,B正確;根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒,可知沒(méi)有進(jìn)行溶液轉(zhuǎn)移時(shí),乙室Co2+增加的質(zhì)量是甲室Co2+減少質(zhì)量的2倍,而實(shí)際二者倍數(shù)為

=1.5<2,故此時(shí)已進(jìn)行過(guò)溶液轉(zhuǎn)移,D正確。[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練2]

我國(guó)科學(xué)家研究出一種新型水系Zn-C2H2電池(裝置如圖甲所示),既能實(shí)現(xiàn)乙炔加氫又能發(fā)電;同時(shí)開(kāi)發(fā)新型催化劑,實(shí)現(xiàn)CO2電催化加氫制備C3H6(裝置如圖乙所示)。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A.甲、乙兩裝置相互連接時(shí),a口應(yīng)接c口B.離子交換膜M與N不能選擇相同的交換膜C.a極的電極反應(yīng)式為C2H2+2e-+2H2O═C2H4+2OH-D.甲、乙兩裝置相互連接時(shí),理論上每消耗1molCO2,b極質(zhì)量增大48gA解析

甲裝置中,Zn被氧化,所以b電極為負(fù)極,a電極為正極;乙池中d電極上H2O被氧化為O2,所以d電極為陽(yáng)極,c電極為陰極,與電源負(fù)極相連,即與b口相連,A錯(cuò)誤;裝置甲中通過(guò)氫氧根遷移來(lái)平衡電荷,離子交換膜為陰離子交換膜,裝置乙中通過(guò)氫離子遷移平衡電荷,為質(zhì)子交換膜,B正確;a電極上C2H2被還原為C2H4,根據(jù)電子守恒、元素守恒可得電極反應(yīng)為C2H2+2e-+2H2O═C2H4+2OH-,C正確;c電極上的反應(yīng)為3CO2+18e-+18H+═

C3H6+6H2O,b電極的反應(yīng)為Zn-2e-+2OH-═ZnO+H2O,增重為O原子的質(zhì)量,消耗1

mol

CO2轉(zhuǎn)移6

mol電子,b電極上增重3

mol

O原子的質(zhì)量,即48

g,D正確。考點(diǎn)二離子交換膜電解池必備知識(shí)?梳理1.離子交換膜的種類

2.離子交換膜的作用(1)能將兩極區(qū)隔離,阻止兩極區(qū)產(chǎn)生的物質(zhì)接觸,防止發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。(2)能選擇性地通過(guò)離子,起到________________、形成________________的作用。

3.離子交換膜的應(yīng)用平衡電荷

閉合回路

關(guān)鍵能力?提升考向1單膜電解池及分析例1(2023·廣東汕頭檢測(cè))含有硝酸鹽和亞硝酸鹽的酸性廢水可導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化,引發(fā)環(huán)境污染。如圖是利用電化學(xué)原理處理

的原理,下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是(

)CA.直流電源為鉛酸蓄電池時(shí),Pb極連接Y電極B.Y電極發(fā)生還原反應(yīng)C.當(dāng)產(chǎn)生14gN2時(shí),有6molH+跨膜而過(guò)D.陽(yáng)極電極反應(yīng)式為2H2O-4e-═O2↑+4H+解析

由原理圖中Y極

生成N2可知,Y極為陰極,所以X極為陽(yáng)極。鉛酸蓄電池中Pb電極為負(fù)極,PbO2電極為正極。Y極為陰極,與直流電源負(fù)極相連,A正確;Y極是陰極,發(fā)生還原反應(yīng),B正確;由于不能確定參與電極反應(yīng)的

中氮元素的具體化合價(jià),所以轉(zhuǎn)移電子數(shù)無(wú)法確定,H+遷移數(shù)量無(wú)法確定,C錯(cuò)誤;陽(yáng)極區(qū)電解質(zhì)溶液為硫酸溶液,故電極反應(yīng)式為2H2O-4e-═O2↑+4H+,D正確。[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練1](2023·廣東汕尾統(tǒng)考)利用電解法將CO2轉(zhuǎn)化為CH4的原理如圖所示,下列說(shuō)法正確的是(

)AA.電路中每轉(zhuǎn)移0.4mol電子,此時(shí)消耗CO2的質(zhì)量與生成CH4的質(zhì)量之差為1.4gB.電池工作一段時(shí)間后,在電極a附近滴入幾滴紫色石蕊溶液,可觀察到溶液由無(wú)色變?yōu)樗{(lán)色C.電解過(guò)程中,左側(cè)溶液中的

穿過(guò)質(zhì)子交換膜移向電極bD.電池工作一段時(shí)間后,右側(cè)溶液中的各離子濃度之間的關(guān)系為解析

電極b上發(fā)生反應(yīng)為CO2+8H++8e-═CH4+2H2O,由電極反應(yīng)可知每轉(zhuǎn)移8

mol電子消耗44

g

CO2,同時(shí)生成16

g

CH4,質(zhì)量差為28

g,則轉(zhuǎn)移0.4

mol電子,兩者質(zhì)量差為1.4

g,A項(xiàng)正確;電極a上發(fā)生反應(yīng):2H2O-4e-═O2↑+4H+,電極附近溶液顯酸性,則紫色石蕊溶液在電極a附近變?yōu)榧t色,B項(xiàng)錯(cuò)誤;硫酸根離子不能穿過(guò)質(zhì)子交換膜,C項(xiàng)錯(cuò)誤;根據(jù)電荷守恒可得:

,D項(xiàng)錯(cuò)誤?？枷?多膜電解池及分析例2(2021·廣東卷)鈷(Co)的合金材料廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域。如圖為水溶液中電解制備金屬鈷的裝置示意圖。下列說(shuō)法正確的是(

)A.工作時(shí),Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B.生成1molCo,Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少16gC.移除兩交換膜后,石墨電極上發(fā)生的反應(yīng)不變D.電解總反應(yīng):2Co2++2H2O2Co+O2↑+4H+D解析

水放電生成的氫離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜由Ⅰ室向Ⅱ室移動(dòng),使Ⅱ室中氫離子濃度增大,溶液pH減小,故A錯(cuò)誤;陰極生成1

mol鈷,陽(yáng)極有1

mol水放電,則Ⅰ室溶液質(zhì)量減少18

g,故B錯(cuò)誤;若移除離子交換膜,氯離子的放電能力強(qiáng)于水,氯離子會(huì)在陽(yáng)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成氯氣,則移除離子交換膜后,石墨電極的電極反應(yīng)會(huì)發(fā)生變化,故C錯(cuò)誤;電解總反應(yīng)的離子方程式為2Co2++2H2O2Co+O2↑+4H+,故D正確。[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練2]

電解法常用于分離提純物質(zhì),某混合物漿液含Al(OH)3、MnO2和少量Na2CrO4。考慮到膠體的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出,某研究小組利用設(shè)計(jì)的電解分離裝置(如圖),使?jié){液分離成固體混合物和含鉻元素溶液進(jìn)行回收利用(已知:

),下列說(shuō)法不正確的是(

)A.陰極室生成的物質(zhì)為NaOH和H2B.陽(yáng)極的電極反應(yīng)式是2H2O-4e-═4H++O2↑C.a離子交換膜為陽(yáng)離子交換膜D.當(dāng)外電路中轉(zhuǎn)移2mol電子時(shí),陽(yáng)極室可生成1molD考向3雙極膜電解池及分析例3(2023·廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué)檢測(cè))可充電水系Zn-CO2電池用鋅和催化劑材料作兩極,電池工作示意圖如圖所示,其中雙極膜是由陽(yáng)膜和陰膜制成的復(fù)合膜,在直流電場(chǎng)的作用下,雙極膜復(fù)合層間的H2O電離出的H+和OH-可以分別通過(guò)膜移向兩極。下列說(shuō)法不正確的是(

)BA.放電時(shí),電極a為負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng)B.放電時(shí),b極的電極反應(yīng)為CO2+2H+-2e-═HCOOHC.充電時(shí),若電路中通過(guò)1mole-則有0.5molHCOOH轉(zhuǎn)化為CO2D.充電時(shí),陰極區(qū)溶液pH增大解析

由圖可知,a極為負(fù)極,Zn失電子發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為Zn-2e-═Zn2+,b極為正極,發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)式為CO2+2H++2e-═HCOOH,雙極膜復(fù)合層間的H2O電離出的H+通過(guò)膜移向b極,OH-通過(guò)膜移向a極,充電時(shí)a極為陰極,電極反應(yīng)式為Zn2++2e-═Zn,b極為陽(yáng)極,電極反應(yīng)式為HCOOH-2e-═CO2+2H+。由分析可知,放電時(shí),a極為負(fù)極,Zn失電子發(fā)生氧化反應(yīng),A正確;放電時(shí),b極為正極,發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)式為CO2+2H++2e-═HCOOH,B錯(cuò)誤;由分析可知,充電時(shí)b極電極反應(yīng)式為HCOOH-2e-═CO2+2H+,若電路中通過(guò)1

mol

e-,則有0.5

mol

HCOOH轉(zhuǎn)化為CO2,C正確;充電時(shí),a極為陰極,電極反應(yīng)式為Zn2++2e-═Zn,陰極區(qū)溶液pH增大,D正確。[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練3](2023·廣東梅州檢測(cè))雙極膜在電化學(xué)中應(yīng)用廣泛,它是由陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜復(fù)合而成。雙極膜內(nèi)層為水層,工作時(shí)水層中的H2O解離成H+和OH-,并分別通過(guò)離子交換膜向兩側(cè)發(fā)生遷移。三碘甲烷(CHI3)又名碘仿,在醫(yī)藥和生物化學(xué)中用作防腐劑和消毒劑。電解法制取碘仿的工作原理如圖所示,反應(yīng)原理為C2H5OH+5IO-═CHI3+

+2I-+OH-+2H2O,下列說(shuō)法不正確的是(

)A.電極N連接直流電源的負(fù)極B.電解一段時(shí)間后,硫酸溶液濃度降低C.電極M上的主要反應(yīng)為I--2e-+2OH-═IO-+H2OD.每制備1mol三碘甲烷,理論上雙極膜內(nèi)解離180gH2OB解析

由圖可知,該裝置為電解池,氫離子在陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣,雙極膜中氫離子向陰極移動(dòng),電極N為電解池的陰極,與直流電源的負(fù)極相連,堿性條件下碘離子在陽(yáng)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成次碘酸根離子,電極M為陽(yáng)極,次碘酸根離子與乙醇反應(yīng)生成三碘甲烷、碳酸根離子、碘離子、氫氧根離子和水,雙極膜中氫氧根離子向陽(yáng)極移動(dòng)。由分析可知,電極N為電解池的陰極,與直流電源的負(fù)極相連,A正確;氫離子在陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣,雙極膜中氫離子向陰極移動(dòng),則電解一段時(shí)間后,陰極區(qū)硫酸濃度不變,B錯(cuò)誤;電極M為陽(yáng)極,堿性條件下碘離子在陽(yáng)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成次碘酸根離子,電極反應(yīng)式為I--2e-+2OH-═IO-+H2O,C正確;由得失電子數(shù)目守恒可知,每制備1

mol三碘甲烷,需要消耗5

mol次碘酸根離子,外電路轉(zhuǎn)移10

mol電子,則理論上雙極膜內(nèi)解離180

g水,D正確。思維建模1.分析“多室”電解池類題目的思維流程2.判斷離子交換膜種類的方法(1)判斷離子交換膜的用途是制取物質(zhì),還是避免電極產(chǎn)物之間發(fā)生反應(yīng)。(2)根據(jù)電解質(zhì)溶液呈電中性的原則,判斷離子交換膜的種類。明確電極反應(yīng)及產(chǎn)物,寫(xiě)出陰、陽(yáng)極上的電極反應(yīng)式。(3)依據(jù)電極反應(yīng)式判斷該電極附近剩余哪種離子,考慮交換膜的用途,結(jié)合溶液呈電中性的原則,判斷離子移動(dòng)的方向,確定離子交換膜的種類。素養(yǎng)發(fā)展進(jìn)階進(jìn)階1練易錯(cuò)·避陷阱1.(2023·廣東廣州檢測(cè))近期,我國(guó)科學(xué)家提出了一種雙極膜硝酸鹽還原工藝,原理如圖。雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-,在外加直流電場(chǎng)作用下分別向兩極遷移。下列說(shuō)法不正確的是(

)CA.m是H+B.b接電源正極C.產(chǎn)生的NH3與O2的物質(zhì)的量之比為4∶5D.左室電極反應(yīng)為

+6H2O+8e-═NH3↑+9OH-2.如圖所示,甲池的總反應(yīng)式為N2H4+O2═N2+2H2O,下列關(guān)于該裝置工作時(shí)的說(shuō)法正確的是(

)A.該裝置工作時(shí),Ag電極上有氣體生成B.甲池中負(fù)極反應(yīng)式為N2H4-4e-═N2+4H+C.甲池和乙池中溶液的pH均減小D.當(dāng)甲池中消耗3.2gN2H4時(shí),乙池中理論上最多產(chǎn)生6.4g固體C解析

該裝置圖中,甲池為燃料電池,其中左邊電極為負(fù)極,右邊電極為正極,乙池為電解池,石墨電極為陽(yáng)極,Ag電極為陰極,陰極上Cu2+得電子生成銅,無(wú)氣體生成,A錯(cuò)誤;甲池溶液呈堿性,電極反應(yīng)式不出現(xiàn)H+,B錯(cuò)誤;根據(jù)甲池的總反應(yīng)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(yīng)式為2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4,電解液酸性增強(qiáng),pH減小,C正確;3.2

g

N2H4的物質(zhì)的量為0.1

mol,轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.4

mol,產(chǎn)生0.2

mol

Cu,質(zhì)量為12.8

g,D錯(cuò)誤。進(jìn)階2練熱點(diǎn)·提素能3.(2023·廣東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)三模)如下所示電解裝置中,通電后Fe2O3逐漸溶解,裝置溫度升高,下列判斷錯(cuò)誤的是(

)CA.a是電源的負(fù)極B.通電一段時(shí)間后,石墨電極Ⅱ附近可能收集到一種能使澄清石灰水變渾濁的氣體C.隨著電解的進(jìn)行,CuCl2溶液濃度變大D.當(dāng)0.01molFe2O3完全溶解時(shí),至少產(chǎn)生氣體336mL(折合成標(biāo)準(zhǔn)狀況下)4.(2023·山西忻州一模)鎳離子(Ni2+)和鈷離子(Co2+)性質(zhì)相似,工業(yè)上可通過(guò)電化學(xué)裝置將廢水中的Co2+和Ni2+分離,裝置如圖。已知Co2+和乙酰丙酮不反應(yīng),下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A.膜a為陰離子交換膜,膜b為陽(yáng)離子交換膜B.通電過(guò)程中Ⅳ室內(nèi)硫酸濃度逐漸增大C.Ⅲ室中Ni2+參與的反應(yīng)為Ni2++2CH3COCH2COCH3+2OH-═Ni(CH3COCHCOCH3)2+2H2OD.通電過(guò)程中N極每產(chǎn)生11.2L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)氣體,雙極膜內(nèi)減少18gH2OB解析

根據(jù)電解池中離子移動(dòng)方向,左側(cè)石墨M為陽(yáng)極,右側(cè)石墨N為陰極,Ⅱ室為原料室,膜b為陽(yáng)離子交換膜,Co2+、Ni2+進(jìn)入Ⅲ室,Co2+和乙酰丙酮不反應(yīng),Ni2+和乙酰丙酮反應(yīng)。膜a為陰離子交換膜,膜b為陽(yáng)離子交換膜,A正確;石墨N為陰極,2H++2e-═H2↑,Ⅳ室內(nèi)消耗的H+與轉(zhuǎn)移來(lái)的H+相等,故硫酸濃度不變,B錯(cuò)誤;由題中信息可知,Ⅲ室中Ni2+參與的反應(yīng)為Ni2++2CH3COCH2COCH3+2OH-═Ni(CH3COCHCOCH3)2+2H2O,C正確;通電過(guò)程中N極每產(chǎn)生11.2

L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)氣體,即0.5

mol

H2,透過(guò)雙極膜H+

1

mol,雙極膜內(nèi)減少18

g

H2O,D正確。進(jìn)階3研真題·明考向5.(2023·湖北卷)我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)如圖所示的電解池,實(shí)現(xiàn)了海水直接制備氫氣技術(shù)的綠色化。該裝置工作時(shí)陽(yáng)極無(wú)Cl2生成且KOH溶液的濃度不變,電解生成氫氣的速率為xmol·h-1。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A.b電極反應(yīng)式為2H2O+2e-═H2↑+2OH-B.離子交換膜為陰離子交換膜C.電解時(shí)海水中動(dòng)能高的水分子可穿過(guò)PTFE膜D.海水為電解池補(bǔ)水的速率為2xmol·h-1D解析

該裝置工作時(shí),b電極連接電源負(fù)極為陰極,電極上放出H2:2H2O+2e-═H2↑+2OH-,A正確;陽(yáng)極無(wú)Cl2生成且KOH溶液濃度不變,陽(yáng)極發(fā)生的電極反應(yīng)為4OH--4e-═O2↑+2H2O,為保持OH-濃度不變,則陰極產(chǎn)生的OH-要通過(guò)離子交換膜進(jìn)入陽(yáng)極室,則離子交換膜為陰離子交換膜,B正確;電解的本質(zhì)是電解水,而KOH濃度不變,PTFE膜不透液態(tài)水,則通過(guò)PTFE膜的水應(yīng)為動(dòng)能高的水分子(透汽),C正確