資源簡介

第31講　多池、多室的電化學裝置
[課程標準]　1.掌握多池連接的分析應用。2.了解離子交換膜及其在裝置中的應用。
考點一　多池串聯的兩大模型
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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)
顯然兩圖中，A均為原電池，B均為電解池。
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1．某同學組裝了如圖所示的電化學裝置，電極Ⅰ為Al，其他均為Cu，則下列說法正確的是(　　)
A．電流方向：電極Ⅳ電極Ⅰ
B．電極Ⅰ發生還原反應
C．電極Ⅱ逐漸溶解
D．電極Ⅲ的電極反應：Cu2＋＋2e－===Cu
A　[當多個電化學裝置串聯時，兩電極材料活潑性相差大的作原電池，其他作電解池，由此可知圖示中左邊兩池組成原電池，右邊組成電解池。A項，電子移動方向：電極Ⅰ→ A→電極Ⅳ，電流方向與電子移動方向相反，正確；B項，原電池負極在工作中失電子，被氧化，發生氧化反應，錯誤；C項，原電池正極為得電子一極，銅離子在電極Ⅱ上得電子，生成銅單質，該電極質量逐漸增大，錯誤；D項，電解池中陽極為非惰性電極時，電極本身失電子，形成離子進入溶液中，因為電極Ⅱ為正極，因此電極Ⅲ為電解池的陽極，其電極反應式為Cu－2e－===Cu2＋，錯誤。]
2．某興趣小組的同學用如圖所示裝置研究有關電化學的問題。當閉合該裝置的電鍵時，觀察到電流表的指針發生了偏轉。
請回答下列問題：
(1)甲池為 (填“原電池”“電解池”或“電鍍池”)，通入CH3OH電極的電極反應式為 。
(2)乙池中A(石墨)電極的名稱為 (填“正極”“負極”“陰極”或“陽極”)，總反應式為 。
(3)當乙池中B極質量增加5.40 g時，甲池中理論上消耗O2的體積為 mL(標準狀況下)，丙池中 極析出 g銅。
(4)若丙池中電極不變，將其溶液換成NaCl溶液，電鍵閉合一段時間后，甲中溶液的pH將 (填“增大”“減小”或“不變”)；丙中溶液的pH將 (填“增大”“減小”或“不變”)。
解析：　(1)甲池為原電池，通入CH3OH的電極為負極，電極反應式為CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O。
(2)乙池中電解AgNO3溶液，其中C作陽極，Ag作陰極，總反應式為4AgNO3＋2H2O4Ag＋O2↑＋4HNO3。
(3)根據各電極上轉移的電子數相同，得n(Ag)＝4n(O2)＝2n(Cu)，故V(O2)＝××22.4 L＝0.28 L＝280 mL，m(Cu)＝××64 g＝1.60 g。(4)若丙中電極不變，將其溶液換成NaCl溶液，根據丙中總反應2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，則溶液pH增大，而甲中總反應為2CH3OH＋3O2＋4KOH2K2CO3＋6H2O，溶液pH減小。
答案：　(1)原電池　CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O
(2)陽極　4AgNO3＋2H2O4Ag＋O2↑＋4HNO3
(3)280　D　1.60　(4)減小　增大
“串聯”類裝置的解題流程
　　
學生用書?第150頁
考點二　電化學離子交換膜的分析與應用
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1．常見的隔膜
隔膜又叫離子交換膜，由高分子特殊材料制成。離子交換膜分三類：
(1)陽離子交換膜，簡稱陽膜，只允許陽離子通過，即允許H＋和其他陽離子通過，不允許陰離子通過。
(2)陰離子交換膜，簡稱陰膜，只允許陰離子通過，不允許陽離子通過。
(3)質子交換膜，只允許H＋通過，不允許其他陽離子和陰離子通過。
2．隔膜的作用
(1)能將兩極區隔離，阻止兩極區產生的物質接觸，防止發生化學反應。
(2)能選擇性的通過離子，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。
3．離子交換膜選擇的依據
離子的定向移動。
4．離子交換膜的應用
[微提醒]　(1)用下面的裝置制取NaOH、H2和Cl2，此裝置有以下缺陷：
缺陷1：Cl2和H2混合而引起爆炸；
缺陷2：Cl2與NaOH反應生成NaClO，影響NaOH的產量。
(2)用如圖裝置電解飽和食鹽水，其中陽離子交換膜的作用有以下四個方面：
①平衡電荷，形成閉合回路；
②防止Cl2和H2混合而引起爆炸；
③避免Cl2與NaOH反應生成NaClO，影響NaOH的產量；
④避免Cl－進入陰極區導致制得的NaOH不純。
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一、化學電源中的離子交換膜
1．(2022·黔東南州模擬)二甲醚(CH3OCH3)燃料電池的工作原理如圖，下列有關敘述正確的是(　　)
A．該裝置能實現化學能100%轉化為電能
B．電子移動方向為：a極→b極→質子交換膜→a極
C．a電極的電極反應式為：CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋
D．當b電極消耗22.4 L O2時，質子交換膜有4 mol H＋通過
C　[A項，化學能轉化為熱能和電能，不可能100%轉化為電能，錯誤；B項，電子不能經過電解質溶液，所以電子由a極b極，錯誤；C項，a為負極，發生氧化反應，電極反應式為：CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋，正確；D項，氣體所處的狀況不知，無法由氣體體積求物質的量，所以通過H＋的物質的量不知，錯誤。]
學生用書?第151頁
2.隨著各地“限牌”政策的推出，電動汽車成為汽車族的“新寵”。某電動汽車使用的是鈷酸鋰( LiCoO2)電池，其工作原理如圖所示，且電解質為一種能傳導Li＋的高分子材料，隔膜只允許Li＋通過，電池反應式為LixC6＋Li1－xCoO2C6＋LiCoO2。下列說法不正確的是(　　)
A．放電時，正極鋰的化合價未發生改變
B．充電時Li＋移動方向：右室→左室
C．放電時負極的電極反應式：LixC6－xe－===C6＋xLi＋
D．充電時陽極的電極反應式：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2
D　[放電時，負極的電極反應式為LixC6－xe－===C6＋xLi＋，正極的電極反應式為Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2，放電時正極上鋰的化合價不變，A、C項正確；充電時左側為陰極，右側為陽極，陽極發生失電子的氧化反應，陽離子由陽極移向陰極，B項正確、D項錯誤。]
在原電池中應用離子交換膜，起到替代鹽橋的作用，一方面能起到平衡電荷、導電的作用，另一方面能防止電解質溶液中的離子與電極直接反應，提高電流效率。　　
二、電解池中的離子交換膜
(一)單膜電解池
3．最近我國科學家設計了一種CO2＋H2S協同轉化裝置，實現對天然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如下所示，其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯電極區發生反應為：
①EDTA Fe2＋－e－===EDTA Fe3＋
②2EDTA Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA Fe2＋
該裝置工作時，下列敘述錯誤的是(　　)
A．陰極的電極反應：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O
B．協同轉化總反應：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S
C．石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯上的低
D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA Fe3＋/EDTA Fe2＋，溶液需為酸性
C　[由題中信息可知，石墨烯電極發生氧化反應，為電解池的陽極，則ZnO@石墨烯電極為陰極。陽極接電源正極，電勢高，陰極接電源負極，電勢低，故石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯上的高，C項錯誤；由題圖可知，電解時陰極反應式為CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，A項正確；將陰、陽兩極反應式合并可得總反應式為CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B項正確；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D項正確。]
4．KIO3也可采用“電解法”制備，裝置如圖所示。
(1)寫出電解時陰極的電極反應式： 。
(2)電解過程中通過陽離子交換膜的離子主要為 ，其遷移方向是 。
解析：　(1)電解液是KOH溶液，陰極的電極反應式為2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。(2)電解過程中陽極的K＋通過陽離子交換膜由電極a遷移到電極b。
答案：　(1)2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑　
(2)K＋　由電極a到電極b
(二)“雙膜”電解池
5．制備Na2S2O5也可采用三室膜電解技術，裝置如圖所示，其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。陽極的電極反應式為 。
電解后， 室的NaHSO3濃度增加。將該室溶液進行結晶脫水，可得到Na2S2O5。
解析：　陽極電極反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，電解過程中H＋透過陽離子交換膜進入a室，SO＋H＋===HSO，故a室中NaHSO3濃度增加。
答案：　2H2O－4e－===4H＋＋O2↑　a
學生用書?第152頁
(三)多膜電解池
6．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 。
解析：　(1)陽極發生氧化反應，在反應中OH－失去電子，電極反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。(2)H2O放電產生H＋，H＋進入產品室，原料室的H2PO穿過陰膜進入至產品室，二者發生反應：H＋＋H2PO===H3PO2。(3)如果撤去陽膜，H2PO或H3PO2可能會被氧化。
答案：　(1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
(2)陽極室的H＋穿過陽膜進入至產品室，原料室的H2PO穿過陰膜進入至產品室，二者反應生成H3PO2
(3)H3PO4　H2PO或H3PO2被陽極產物O2氧化
(四)雙極膜電解池
7．(2021·重慶1月適應性測試)雙極膜在電滲析中應用廣泛，它是由陽離子交換膜和陰離子交換膜復合而成。雙極膜內層為水層，工作時水層中的H2O解離成H＋和OH－，并分別通過離子交換膜向兩側發生遷移。如圖為NaBr溶液的電滲析裝置示意圖。
下列說法正確的是(　　)
A．出口2的產物為HBr溶液
B．出口5的產物為硫酸溶液
C．Br－可從鹽室最終進入陽極液中
D．陰極反應式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D　[電解時，雙極膜中的氫氧根離子向陽極移動，進入交換室1，鹽室中的Na＋向陰極移動，進入交換室1，則出口2的產物為NaOH溶液，A錯誤；鈉離子不能通過雙極膜，故出口5不是硫酸，B錯誤；Br－通過陰離子交換膜進入交換室2，但是不能通過雙極膜，所以Br－不會從鹽室最終進入陽極液中，C錯誤；電解池陰極處，發生還原反應，水解離成H＋和OH－，則在陰極發生的反應為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，D正確。]
在電解池中使用選擇性離子交換膜的主要目的是限制某些離子(或分子)的定向移動，避免電解質溶液中的離子或分子與電極產物反應，提高產品純度或防止造成危險等。　　
真題演練　明確考向
1．(雙選)(2022·山東卷)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200 mg，乙室Co2＋增加300 mg，則此時已進行過溶液轉移
BD　[A.電池工作時，左側陽極中細菌上乙酸鹽的陰離子失去電子被氧化為CO2氣體，同時生成H＋，電極反應式為CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，H＋通過陽膜進入陰極室，甲室的電極反應式為Co2＋＋2e－===Co，因此，甲室溶液pH逐漸減小，A錯誤；B.對于乙室，正極上LiCoO2得到電子，被還原為Co2＋，同時得到Li＋，其中的O2－與溶液中的H＋結合H2O，電極反應式為2LiCoO2＋2e－＋8H＋===2Li＋＋2Co2＋＋4H2O，負極發生的反應為CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，負極產生的H＋通過陽膜進入正極室，但是乙室的H＋濃度仍然是減小的，因此電池工作一段時間后應該補充鹽酸，B正確；C.電解質溶液為酸性，不可能大量存在OH－，乙室電極反應式為：LiCoO2＋4H＋＋e－===Li＋＋Co2＋＋2H2O，C錯誤；D.若甲室Co2＋減少200 mg，則電子轉移物質的量為n(e－)＝×2≈0.006 8 mol，若乙室Co2＋增加300 mg，則轉移電子的物質的量為n(e－)＝×1≈0.005 1 mol，由于電子轉移的物質的量不等，說明此時已進行過溶液轉移，D正確。]
2．(2022·全國甲卷)一種水性電解液Zn MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示(KOH溶液中，Zn2＋以Zn(OH)存在)。電池放電時，下列敘述錯誤的是(　　)
學生用書?第153頁
A．Ⅱ區的K＋通過隔膜向Ⅲ區遷移
B．Ⅰ區的SO通過隔膜向Ⅱ區遷移
C．MnO2電極反應：MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O
D．電池總反應：Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===Zn(OH)＋Mn2＋＋2H2O
A　[根據圖示的電池結構和題目所給信息可知，Ⅲ區Zn為電池的負極，電極反應為Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)，Ⅰ區MnO2為電池的正極，電極反應為MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O；電池在工作過程中，由于兩個離子選擇隔膜沒有指明是陽離子隔膜還是陰離子隔膜，故兩個離子隔膜均可以通過陰、陽離子，因此可以得到Ⅰ區消耗H＋，生成Mn2＋，Ⅱ區的K＋向Ⅰ區移動或Ⅰ區的SO向Ⅱ區移動，Ⅲ區消耗OH－，生成Zn(OH)，Ⅱ區的SO向Ⅲ區移動或Ⅲ區的K＋向Ⅱ區移動。據此分析答題。Ⅱ區的K＋只能向Ⅰ區移動，A錯誤；Ⅰ區的SO向Ⅱ區移動，B正確；MnO2電極的電極反應式為MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O，C正確；電池的總反應為Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===Zn(OH)＋Mn2＋＋2H2O，D正確。]
3．(2021·廣東，16)鈷(Co)的合金材料廣泛應用于航空航天、機械制造等領域。如圖為水溶液中電解制備金屬鈷的裝置示意圖。下列說法正確的是(　　)
A．工作時，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大
B．生成1 mol Co，Ⅰ室溶液質量理論上減少16 g
C．移除兩交換膜后，石墨電極上發生的反應不變
D．電解總反應：2Co2＋＋2H2O2Co＋O2↑＋4H＋
D　[由裝置圖可知，水放電生成的氫離子通過陽離子交換膜由Ⅰ室向Ⅱ室移動，使Ⅱ室中氫離子濃度增大，溶液pH減小，故A錯誤；陰極生成1 mol鈷，陽極有1 mol水放電，有0.5 mol氧氣生成，且有2 mol氫離子由Ⅰ室進入Ⅱ室，則Ⅰ室溶液質量減少18 g，故B錯誤；若移除離子交換膜，氯離子的放電能力強于水，氯離子會在陽極失去電子發生氧化反應生成氯氣，則移除離子交換膜，石墨電極的電極反應會發生變化，故C錯誤；電解的總反應的離子方程式為2Co2＋＋2H2O2Co＋O2↑＋4H＋，故D正確。]
4．(2021·江蘇1月適應性考試)利用電解法將CO2轉化為CH4的原理如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A．電解過程中，H＋由a極區向b極區遷移
B．電極b上反應為：CO2＋8HCO－8e－===CH4＋8CO＋2H2O
C．電解過程中化學能轉化為電能
D．電解時Na2SO4溶液濃度保持不變
A　[由a極生成O2可以判斷電極a為陽極，電極b為陰極，陽離子向陰極流動，則H＋由a極區向b極區遷移，故A正確；電極b上的反應為CO2＋8HCO＋8e－===CH4＋8CO＋2H2O，故B錯誤；電解過程是電能轉化為化學能，故C錯誤；電解時OH－比SO更容易失去電子，所以電解Na2SO4溶液的實質是電解水，溶液中的水發生消耗，Na2SO4溶液的濃度增大，故D錯誤。]
5.[2021·山東，17(4)]利用膜電解技術(裝置如圖所示)，以Na2CrO4為主要原料制備Na2Cr2O7的總反應方程式為：4Na2CrO4＋4H2O2Na2Cr2O7＋4NaOH＋2H2↑＋O2↑。則Na2Cr2O7在 (填“陰”或“陽”)極室制得，電解時通過膜的離子主要為 。
解析：　由4Na2CrO4＋4H2O2Na2Cr2O7＋4NaOH＋2H2↑＋O2↑可知，電解過程中實質是電解水，陽極上OH－失去電子生成H2O和O2，陰極上H＋得到電子生成H2，由2CrO＋2H＋Cr2O＋2H2O可知，Cr2O在c(H＋)增大的陽電極室中制得，即Na2Cr2O7在陽極室產生；電解過程中，陰極產生氫氧根離子，氫氧化鈉在陰極生成，所以為提高Na2Cr2O7的效率，Na＋通過離子交換膜移動陰極。
答案：　陽　Na＋
課時精練(三十一)　多池、多室的電化學裝置
(本欄目內容，在學生用書中以獨立形式分冊裝訂！)
1．(2022·貴州遵義高三期末)微生物燃料電池可用于凈化含鉻廢水，其工作原理如圖所示，該電池工作時，下列說法錯誤的是(　　)
A．該離子交換膜為陽離子交換膜
B．外電路中的電子的流動方向為M→電流表→N
C．M電極的電極反應式為H2O＋CH3OH＋6e－===CO2↑＋6H＋
D．N電極上發生還原反應，得到電子
C　[該電池中有機物CH3OH在微生物作用下發生失電子的氧化反應生成CO2，則M電極為負極，N電極為正極，正極上氧氣和Cr2O發生得電子的還原反應，N極上Cr2O得到電子與溶液中的H＋結合生成水、Cr(OH)3，反應消耗H＋，c(H＋)減小，N極Cr2O生成Cr(OH)3的電極反應為Cr2O＋6e－＋8H＋===2Cr(OH)3＋H2O，原電池工作時陽離子由負極移向正極，陰離子由正極移向負極，據此分析解答。A.根據上述分析可知：M電極為負極，N電極為正極，負極生成H＋，透過交換膜進入右側，故該離子交換膜為陽離子交換膜，A正確；B.在外電路中的電子的流動方向為負極M→電流表→正極N，B正確；C.M電極為負極，負極上CH3OH失去電子變為CO2，故負極的電極反應式為：CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋，C錯誤；D.N電極為正極，Cr2O得到電子發生還原反應，D正確。]
2．(2022·江蘇海安高三期末)K2FeO4和Zn在堿性條件下組成二次電池，放電原理如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A．在放電時，電子通過離子交換膜從右向左移動
B．在放電時，負極區電解質溶液的pH逐漸減小
C．在充電時，石墨電極上的電極反應式為：Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO＋4H2O
D．在充電時，將Zn電極與外接電源的正極相連
C　[K2FeO4 Zn可以組成高鐵電池，K2FeO4在電池中作正極材料，其電極反應式為FeO＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－，原電池的負極發生氧化反應，Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，電池反應為：3Zn＋2FeO＋8H2O===3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4OH－。A.在放電時，電子通過外電路從鋅電極向石墨電極移動，電子不能在電解質溶液中傳導，故A錯誤；B.在放電時，原電池的負極發生氧化反應，Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，氫氧根離子通過陰離子交換膜不斷進行補充，負極區電解質溶液的pH基本不變，故B錯誤；C.在充電時，石墨電極是陽極發生氧化反應，石墨電極上的電極反應式為：Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO＋4H2O，故C正確；D.在充電時，將Zn電極與外接電源的負極相連，故D錯誤。]
3．(2022·珠海高三上學期期末)一種三室可充電Zn MnO2電池如圖所示，膜N為陽離子交換膜。充電時Zn電極反應式為：Zn(OH)＋2e－===Zn＋4OH－。下列說法不正確的是(　　)
A．放電時，c室的pH減小
B．放電時，Zn電極電勢比MnO2電極低
C．充電時，SO由b室透過M膜到a室
D．充電時，MnO2電極反應式為Mn2＋＋2H2O＋2e－===MnO2＋4H＋
D　[充電時Zn電極反應式為：Zn(OH)＋2e－===Zn＋4OH－，發生還原反應，則Zn極為陰極，放電時Zn為負極，MnO2為正極。A.放電時，Zn失電子，作負極，電極反應式與充電的相反，即為：Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)，消耗OH－，c室的pH減小，故A正確；B.放電時Zn為負極，MnO2為正極，則Zn電極電勢比MnO2電極低，故B正確；C.充電時，陰離子移向陽極，由分析可知Zn極為陰極，MnO2為陽極，則SO由b室透過M膜到a室，故C正確；D.充電時，MnO2為陽極，發生氧化反應，電極反應式為Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋，故D錯誤。]
4．中國科學院福建物質結構研究所課題組基于二氧化碳和甲酸的相互轉化反應設計并實現了一種可逆的水系金屬—二氧化碳二次電池，放電時工作原理如圖所示。下列有關電池放電時的說法錯誤的是(　　)
A．N極發生還原反應
B．電子由N極流出經導線流入M極
C．N極的電極反應式為CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH
D．若電路中流過6.02×1022個電子，則理論上M極有3.25 g鋅參加反應
B　[由題圖可知，放電時，M極為二次電池的負極，鋅失去電子發生氧化反應生成鋅離子，雙極膜中產生的氫氧根離子移向負極區，N極為正極，二氧化碳在正極得到電子發生還原反應生成甲酸，雙極膜中產生的氫離子移向正極區。A項，N極為二次電池的正極，二氧化碳在正極得到電子發生還原反應生成甲酸，正確；B項，放電時，M極為二次電池的負極，N極為正極，電子由負極M極流出經導線流入正極N極，錯誤；C項，N極為二次電池的正極，二氧化碳在正極得到電子發生還原反應生成甲酸，電極反應式為CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH，正確；D項，放電時，M極為二次電池的負極，鋅失去電子發生氧化反應生成鋅離子，電路中流過6.02×1022個電子時，M極理論上參加反應的鋅的質量為××65 g/mol＝3.25 g，正確。]
5．濃差電池是利用物質的濃度差產生電勢的一種裝置。將兩個完全相同的電極浸入兩個溶質相同但濃度不同的電解質溶液中構成的濃差電池，稱為雙液濃差電池。模擬工業上電滲析法實現海水(用氯化鈉溶液代替)淡化的裝置如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A．SO向Cu(1)極區域遷移
B．C(2)極發生還原反應
C．膜1為陽離子交換膜
D．C(2)極反應為2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C　[由題述可知，濃差電池最終交換膜兩側硫酸銅溶液濃度相等，即陰離子交換膜左側溶液c(CuSO4)增大，右側c(CuSO4)減小，又因為只允許陰離子遷移，故交換膜左側銅極溶解，c(Cu2＋)增大；交換膜右側銅極上析出銅，c(Cu2＋)減小，即Cu(1)極為負極，發生反應Cu－2e－===Cu2＋；Cu(2)極為正極，發生還原反應，Cu2＋＋2e－===Cu，SO由陰離子交換膜右側向左側遷移，據此分析解題。A.由分析可知，Cu(1)極為負極，Cu(2)極為正極，原電池中陰離子流向負極，則SO向Cu(1)極區域遷移，A正確；B.由分析可知，Cu(1)極為負極，則C(2)極為陰極，電解池中陰極發生還原反應，B正確；C.由分析可知，Cu(2)極為正極，則C(1)極為陽極，電極反應為：2Cl－－2e－===Cl2↑，故NaCl中的Cl－通過膜1進入陽極室，故膜1為陰離子交換膜，C錯誤；D.由B項分析可知，C(2)極為陰極，發生還原反應，電極反應為2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，D正確。]
6．(2022·江西贛州高三期末)利用雙離子交換膜電解法可以由含硝酸銨的工業廢水生產硝酸和氨，原理如圖所示。下列敘述錯誤的是(　　)
A．硝酸溶液溶質質量分數a%＜b%
B．a、c膜為陰離子交換膜，b膜為陽離子交換膜
C．M、N室分別產生氧氣和氫氣
D．產品室發生的反應為NH＋OH－===NH3·H2O
C　[由題圖可知，電解時M室中石墨電極為陰極，陰極上水得電子生成H2和OH－，反應式為4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，M室的OH－通過a膜進入產品室，所以a膜為陰離子交換膜，同時原料室中的銨根離子通過b膜也進入產品室，所以b膜為陽離子交換膜，在產品室中OH－和NH 反應生成NH3·H2O。N室中石墨為陽極，陽極上水失電子生成O2和H＋，反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，原料室中的硝酸根離子通過c膜進入N室，所以c膜為陰離子交換膜，N室中H＋和NO反應生成HNO3。A.N室中石墨為陽極，陽極上水失電子生成O2和H＋，反應式為：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成氫離子，氫離子濃度增加，同時原料室中的硝酸根離子通過c膜進入N室，因此N室中硝酸溶液濃度a%＜b%，故A正確；B.由題干分析可知a、c為陰離子交換膜，b為陽離子交換膜，故B正確；C.由題干分析可知M、N室分別產生氫氣和氧氣，故C錯誤；D.產品室發生的反應為NH ＋OH－===NH3·H2O，故D正確。]
7．某大學科研團隊，在光電催化體系中，利用雙極膜處理煙氣中的SO2，工作原理如圖所示，O2在電極上生成一種具有強氧化性的羥基自由基(HO·)，
下列有關說法錯誤的是(　　)
A．該裝置把電能和光能轉化成化學能
B．陽極電極反應式：SO2－2e－＋4OH－===SO＋2H2O
C．該裝置處理標準狀況下5.6 L SO2時，有0.25 mol H＋透過膜a
D．該裝置中總反應方程式：2SO2＋O2＋2H2O2H2SO4
D　[根據題圖可知，該裝置為電解池，將電能和光能轉化為化學能，左側電極為SO2轉化為SO的過程，S元素化合價升高，失電子，作陽極，H2O電離出的OH－經過陰離子交換膜(膜b)進入陽極室，電解池右側是陰極室，H2O電離出的H＋經過陽離子交換膜(膜a)進入陰極室，氧氣在陰極得電子被還原為羥基自由基。A.由分析知，該裝置為電解池，是將電能和光能轉化為化學能，A正確；B.由題圖結合分析知，陽極SO2結合OH－轉化為SO，對應電極反應為：SO2－2e－＋4OH－===SO＋2H2O，B正確；C.當陽極處理1 mol SO2時，則電路中轉移2 mol電子，陰極O2得電子，根據電極反應O2＋2e－＋2H＋===2HO·知可形成2 mol HO·，2 mol HO·可氧化1 mol SO2，故實際陽極和陰極處理SO2量相等，則當有5.6 L SO2被處理時，實際陽極處理的n(SO2)＝＝0.125 mol，則電路中轉移電子＝2n(SO2)＝2×0.125 mol＝0.25 mol，根據電荷守恒知有0.25 mol H＋經過膜a進入陰極，C正確；D.由題圖知，陰極室發生反應：O2＋2e－＋2H＋===2HO·、2HO·＋SO2===2H＋＋SO，則陰極室總反應為：O2＋ SO2＋2e－===SO，陽極反應為SO2－2e－＋4OH－===SO＋2H2O，故該裝置總反應方程式為：2SO2＋O2＋4OH－2SO＋2H2O，D錯誤。]
8．一種電解法制備Ca(H2PO4)2并得到NaOH等副產物的示意裝置如圖，下列說法錯誤的是(　　)
A．與a、b相連的分別是電源的正極、負極
B．NaOH溶液中石墨電極上的反應為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
C．A膜、C膜均為陽離子交換膜，B膜為陰離子交換膜
D．產品室中的Ca2＋和原料室的Na＋物質的量濃度同等程度增大
D　[由題圖可知，產品Ca(H2PO4)2在產品室生成，左側石墨作陽極，氯離子放電，電極反應式為2Cl－－2e－===Cl2↑，陽極室的Ca2＋透過A膜進入產品室，A膜為陽離子交換膜，H2PO透過B膜進入產品室與Ca2＋結合生成Ca(H2PO4)2，B膜為陰離子交換膜，右側石墨極為陰極，水放電，電極反應式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，Na＋透過C膜進入陰極室，C膜為陽離子交換膜，據此作答。A.左側電極為陽極，應連接電源正極，即a、b相連的分別是電源的正極、負極，故A正確；B.右側石墨極為陰極，水放電，電極反應式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故B正確；C.A膜、C膜均為陽離子交換膜，B膜為陰離子交換膜，故C正確；D.陽極室的Ca2＋透過A膜進入產品室，產品室中的Ca2＋濃度增大，Na＋透過C膜進入陰極室，原料室的Na＋濃度減小，故D錯誤。]
9．(2022·韶關市高三上學期綜合測試)某鋰離子電池的總反應為2Li＋FeS===Fe ＋Li2S。某小組以該電池為電源電解處理含Ba(OH)2廢水和含Ni2＋、Cl－的酸性廢水，并分別獲得BaCl2溶液和單質鎳。電解處理的工作原理如圖所示[LiPF6·SO(CH3)2為鋰離子電池的電解質]。下列說法正確的是(　　)
A．X與鋰離子電池的Li電極相連
B．a室的電極反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
C．離子膜M為陽離子交換膜，離子膜N為陰離子交換膜
D．若去掉離子膜M將a、b兩室合并，則X電極的反應不變
C　[由反應式可知，鋰為鋰離子電池的負極，FeS為正極，由題圖可知，X電極與FeS電極相連，為電解池的陽極，氫氧根離子在陽極失去電子發生氧化反應生成氧氣和水，電極反應式為4OH－－4e===O2↑＋2H2O，a室中溶液中鋇離子通過陽離子交換膜進入b室；Y電極與鋰電極相連，為電解池的陰極，鎳離子在陰極得到電子發生還原反應生成鎳，電極反應式為Ni2＋＋2e－===Ni，c室中氯離子通過陽離子交換膜進入b室，則離子膜M為陽離子交換膜，離子膜N為陰離子交換膜。X電極與FeS電極相連，為電解池的陽極，故A錯誤；X電極與FeS電極相連，為電解池的陽極，氫氧根離子在陽極失去電子發生氧化反應生成氧氣和水，a室的電極反應式為4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，故B錯誤；離子膜M為陽離子交換膜，離子膜N為陰離子交換膜，故C正確；若去掉離子膜M將a、b兩室合并，放電能力強于氫氧根離子的氯離子會在陽極失去電子發生氧化反應生成氯氣，電極反應式為2Cl－－2e－===Cl2↑，故D錯誤。]
10．(2022·湛江一模)我國科研工作者提出通過電解原理聯合制備環氧乙烷同時處理酸性含鉻廢水，其工作原理示意圖如圖所示。其中雙極膜由陽離子交換膜和陰離子交換膜組成，工作時內層H2O解離為H＋和OH－，并分別向兩極遷移。下列說法正確的是(　　)
A．電極a為電源正極
B．膜q為陽離子交換膜
C．工作時，NaOH溶液濃度保持不變
D．N極的電極反應式為Cr2O＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O
D　[A.由題給信息可知，電極M上乙烯被氧化為環氧乙烷，電極N上Cr2O被還原為Cr3＋，則電極M為陽極，電極N為陰極，電極a為負極，電極b為正極，選項A錯誤；B.雙極膜中水解離出來的氫氧根離子向陽極區移動，膜q適合選用陰離子交換膜，選項B錯誤；C.陽極反應式為C2H4＋2OH－－2e－===＋H2O，工作時陽極區生成水，NaOH溶液濃度減小，選項C錯誤；D.Cr元素由＋6價變為＋3價，N極的反應式為Cr2O＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O，選項D正確。]
11．電滲析法制備高純度LiOH的裝置如圖所示。圖中雙極膜(BP)中間層中的H2O解離為H＋和OH－，并在直流電場作用下分別向兩極遷移。
下列說法不正確的是(　　)
A．X電極連接電源的正極
B．M和N均為陽離子交換膜
C．工作一段時間后，X電極室的pH基本保持不變
D．整個裝置中每轉移1 mol電子，最多生成1 mol LiOH
D　[A.該裝置為電解池，陰離子移向陽極，由氫氧根離子移向可知，X為陽極，連接電源的正極，A正確；B.由題圖可知，Li＋通過M和N交換膜，則M和N均為陽離子交換膜，B正確；C.工作一段時間后，H2O解離為H＋和OH－，X電極室的pH基本保持不變，C正確；D.由裝置圖可知，有兩個溶液室可得到濃LiOH，故整個裝置每轉移1 mol電子，最多生成2 mol LiOH，D錯誤。]
12．(2022·黑龍江哈九中三模)某科研小組設計雙陰極微生物燃料電池進行同步硝化和反硝化脫氮研究，裝置如圖所示。下列敘述錯誤的是(　　)
A．“厭氧陽極”的電極反應方程式為 C6H12O6＋6H2O － 24e－===6CO2↑＋24H＋
B．電池工作時，“缺氧陰極”電極附近的溶液pH增大
C．該電池工作中“好氧陰極”和“缺氧陰極”之間存在著對電子的競爭作用，NH和電極之間存在著對O2的競爭
D．若“好氧陰極”1 mol NH完全生成NO，此時向該電極輸送電子的物質的量為4 mol，則該區消耗的O2在標準狀況的體積約為44.8 L
D　[由題干微生物燃料電池示意圖可知，電子從“厭氧陽極”流出，即葡萄糖在厭氧陽極上失去電子，生成CO2，則該電極反應為C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，電子轉移到左側的“缺氧陰極”上，NO得到電子并結合陽極產生的H＋，生成NO2和H2O，NO2能夠進一步得到電子結合H＋，生成N2和H2O，電極反應分別為NO＋e－＋2H＋===NO2↑＋H2O，2NO2＋8e－＋8H＋===N2＋4H2O，電子轉移到“好氧陰極”，則可能是O2得到電子，發生的電極反應式為O2＋4H＋＋4e－===2H2O，同時O2還可能氧化NH生成NO，甚至還可以進一步被O2氧化成NO，反應方程式為2NH＋3O2===2NO＋2H2O＋4H＋，2NO＋O2===2NO，據此分析解題。“厭氧陽極”的電極反應方程式為 C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，A正確；電池工作時，“缺氧陰極”的電極反應為：NO＋e－＋2H＋===NO2↑＋H2O，2NO2＋8e－＋8H＋===N2＋4H2O，故其電極附近的溶液中H＋濃度減小，pH增大，故B正確；該電池工作中厭氧陽極的電子同時轉移到“好氧陰極”和“缺氧陰極”中，故“好氧陰極”和“缺氧陰極”之間存在著對電子的競爭作用，在“好氧陰極”電極上得電子也可以將O2還原，同時NH也可以被O2氧化，即NH和電極之間存在著對O2的競爭，C正確；若“好氧陰極”1 mol NH完全生成NO則反應中轉移了8 mol電子，此時轉移的電子是發生在NH和O2之間，消耗了2 mol O2，即此時并未向該電極輸送電子，則該區消耗的O2在標準狀況的體積約為2 mol×22.4 L/mol＝44.8 L，D錯誤。]
13．已知裝置E為電解池，認真觀察下列裝置，回答下列問題：
(1)裝置D為 (填“原電池”“電解池”或“電鍍池”)，裝置C中Pb上發生的電極反應方程式為 。
(2)裝置A中Pt電極的名稱為 (填“正極”“負極”“陰極”或“陽極”)，裝置A總反應的離子方程式為 。
(3)若裝置E中的目的是在Cu材料上鍍銀，則X為 (填化學式，下同)，極板N的材料為 。
(4)當裝置B中PbO2電極質量改變12.8 g時，裝置D中陽極產生氣體有 (填化學式)，它們的總物質的量為 。
解析：　根據裝置圖可知，裝置B、C可組成鉛蓄電池，Pb失電子，與硫酸根離子反應生成硫酸鉛，作負極，則裝置D、E、A的左側為陰極，右側為陽極。(4) 裝置B中PbO2＋2e－＋SO＋4H＋===PbSO4＋2H2O，轉移2 mol電子時，電極增重64 g，當電極增重12.8 g時，轉移電子12.8 g÷64 g×2＝0.4 mol，裝置D中陽極氯離子失電子生成氯氣，氯離子的物質的量為0.1 mol，則產生0.05 mol氯氣，然后水失電子生成氧氣，轉移0.3 mol電子生成0.075 mol氧氣，陰極水得電子生成氫氣和氫氧根離子，轉移0.4 mol電子，生成0.2 mol氫氣，總共生成0.05 mol氯氣，0.075 mol氧氣，0.2 mol氫氣，總物質的量為0.325 mol。
答案：　(1)電解池　Pb－2e－＋SO===PbSO4　(2) 陰極　 Cu＋2H＋Cu2＋＋H2↑
(3)AgNO3　 Ag　(4) Cl2、O2　 0.325 mol
14．(2022·福建三明高三期末)Ⅰ.如圖為相互串聯的甲、乙兩個電解池。
(1)甲池若為用電解原理精煉銅的裝置，A極電極反應式為 。
電解一段時間后，電解質溶液的濃度 (填“增大”“減小”或“不變”)。
(2)甲池若為鐵制品上鍍銀的裝置，A極材料是 。
(3)乙池中發生反應的離子方程式為 。
Ⅱ.鋰 空氣二次電池的探索和研發成為儲能領域的研究熱點。
(4)鋰 空氣電池工作和充電原理如圖所示。下列說法正確的是 (填字母)。
①有機電解液　②固體電解質　③水性電解液　④催化劑　⑤納米碳片　⑥充電專用電板
A．鋰 空氣電池配置了充電專用電極，可防止充電時空氣極(納米碳片)發生腐蝕
B．該電池放電時正極反應式為O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C．當有2.24 L O2(標準狀況)在納米碳片上參加反應，金屬鋰電極會損失2.8 g
D．若用鉛蓄電池給鋰 空氣電池充電，Pb電極應與充電專用電極相接
Ⅲ.利用電化學方法可以將CO2有效地轉化為HCOO－(其中C元素的化合價為＋2價)，裝置如圖戊所示。
(5)若以堿性氫氧燃料電池為直流電源，則燃料電池中b極電極反應式為 。
(6)裝置工作時，陰極除有HCOO－生成外，還可能生成副產物降低電解效率。
已知：電解效率＝。
①副產物可能是 (寫出一種即可)。
②標準狀況下，當陽極生成氧氣體積為224 mL時，測得整個陰極區內的c(HCOO－)＝0.015 mol·L－1，電解效率為 (忽略電解前后溶液的體積變化)。
解析：　(4)圖丙為放電裝置，化學能轉化為電能，負極Li失電子變為Li＋，電極反應為：Li－e－===Li＋， 正極O2得電子生成OH－，電極反應為：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，圖丁為充電裝置，電能轉化為化學能，右邊為陽極，OH－放電生成O2，電極反應為：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，左邊為陰極，電極反應為Li＋＋e－===Li。A.充電時陽極OH－放電產生O2，若沒有充電專用陽極，則O2在納米碳片上產生，容易與碳反應，固體電解質膜的存在，可防止鋰電極接觸到水，與水反應，也可防止氧氣與鋰電極接觸，更安全， A正確；B.該電池為堿性環境，故正極反應式為：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，B錯誤；C.根據關系O2～4e－可知轉移電子＝4n(O2)＝4×＝0.4 mol，結合負極反應Li－e－===Li＋，可知參與反應的Li的物質的量＝轉移電子的物質的量＝0.4 mol，即鋰電極損失Li的質量＝0.4 mol×7 g·mol－1＝2.8 g，C正確；D.由題圖示知，充電專用電極為陽極，充電時應連接電源的正極，而Pb電極為鉛蓄電池的負極，D錯誤。(6)①右側Pt電極即陰極上的副產物會降低電解效率，陰極上CO2被還原，其還原產物還可能為CO或其他低價態的C元素，會降低效率，或者溶液中水電離出的氫離子被還原生成氫氣也會降低電解效率；②陽極水電離出氫氧根放電生成氧氣，電極反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，標準狀況下224 mL氧氣的物質的量為＝0.01 mol，轉移0.04 mol電子，1個CO2轉化為HCOO－轉移2個電子，所以電解效率為×100%＝75%。
答案：　(1)Cu2＋＋2e－===Cu　 減小　(2)鐵(或Fe)　(3)2Cl－＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2OH－　(4)AC　(5)H2－2e－＋2OH－===2H2O
(6)①CO或H2　②0.75(或75%)
學生用書?第154頁

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