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第2課時(shí)　電化學(xué)計(jì)算模型　多池、多室裝置
[核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)]　1.掌握電子守恒規(guī)律在電化學(xué)中的應(yīng)用。2.掌握多池連接裝置的形式及分析思路。3.了解離子交換膜的類型及其作用。
一、電化學(xué)計(jì)算模型
1．電化學(xué)常涉及的計(jì)算問題
原電池和電解池的計(jì)算常涉及兩極產(chǎn)物定量計(jì)算，電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)的計(jì)算、溶液pH的計(jì)算、電解前后電極或電極區(qū)質(zhì)量的差值計(jì)算等。
2．電化學(xué)計(jì)算模型
1．500 mL KCl和Cu(NO3)2的混合溶液中c(Cu2＋)＝0.2 mol·L－1，用石墨作電極電解此溶液，通電一段時(shí)間后，兩電極均收集到5.6 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)氣體，假設(shè)電解后溶液的體積仍為500 mL，下列說法正確的是(　　)
A．原混合溶液中c(Cl－)＝0.3 mol·L－1
B．上述電解過程中共轉(zhuǎn)移0.5 mol電子
C．電解得到的無色氣體與有色氣體的體積比為3∶7
D．陽極收集到的氣體為Cl2和O2
答案　D
解析　陽極Cl－先放電，然后是H2O電離出的OH－放電，即2Cl－－2e－===Cl2↑，2H2O－4e－===O2↑＋4H＋；陰極Cu2＋先放電，然后H＋放電，即Cu2＋＋2e－===Cu,2H＋＋2e－===H2↑。結(jié)合兩極均收集到5.6 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)氣體，則陰極收集到0.25 mol H2，原混合溶液中n(Cu2＋)＝0.2 mol·L－1×0.5 L＝0.1 mol，Cu2＋放電共轉(zhuǎn)移0.2 mol電子，生成H2時(shí)轉(zhuǎn)移0.5 mol電子，故陰極共轉(zhuǎn)移0.7 mol電子。設(shè)陽極生成Cl2、O2分別為x mol和y mol，則x＋y＝0.25,2x＋4y＝0.7，解得x＝0.15，y＝0.1。根據(jù)Cl原子守恒，原混合溶液中含0.3 mol Cl－，c(Cl－)＝＝0.6 mol·L－1，A錯(cuò)誤；電解時(shí)得到的無色氣體為H2和O2，物質(zhì)的量為0.25 mol＋0.1 mol＝0.35 mol，有色氣體為Cl2，物質(zhì)的量為0.15 mol，則無色氣體與有色氣體的體積比為0.35 mol∶0.15 mol＝7∶3，C錯(cuò)誤、D正確。
2．把兩支惰性電極插入500 mL硝酸銀溶液中，通電電解。當(dāng)電解質(zhì)溶液中c(H＋)從10－6 mol·L－1變?yōu)?0－3 mol·L－1時(shí)(設(shè)電解時(shí)陰極沒有氫氣析出，且電解質(zhì)溶液在電解前后體積變化可以忽略)，電極上應(yīng)析出銀的質(zhì)量是(　　)
A．27 mg B．54 mg
C．108 mg D．216 mg
答案　B
解析　解法1　根據(jù)得失電子守恒計(jì)算
由得失電子守恒知，e－～H＋～Ag，所以n(Ag)＝n(H＋)。AgNO3溶液電解后產(chǎn)生酸，n(Ag)＝n(H＋)≈10－3 mol·L－1×0.5 L＝5×10－4 mol，m(Ag)＝n(Ag)×M＝5×10－4 mol×108 g·mol－1＝0.054 g＝54 mg。
解法2　根據(jù)電極反應(yīng)式計(jì)算
4Ag＋＋2H2O4Ag＋O2↑＋4H＋
432 g　　　4 mol
m　　　5×10－4 mol
m＝＝0.054 g，即54 mg。
3．(2023·重慶南開中學(xué)高二期中)光電池在光照條件下可產(chǎn)生電流，如圖裝置可以實(shí)現(xiàn)光能源的充分利用，雙極膜可將水解離為H＋和OH－，并實(shí)現(xiàn)其定向通過。下列說法不正確的是(　　)
A．該裝置可利用光能實(shí)現(xiàn)水的分解
B．光照過程中陰極區(qū)溶液的pH變小
C．再生池中的反應(yīng)為2V2＋＋2H＋2V3＋＋H2↑
D．電路中每有2 mol電子通過，陽極區(qū)溶液質(zhì)量增加2 g
答案　D
解析　由圖上電子的移動(dòng)方向可知右側(cè)是電解池的陽極，反應(yīng)式為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，陰極反應(yīng)式為V3＋＋e－===V2＋，雙極膜可將水解離為H＋和OH－，由圖可知，H＋進(jìn)入陰極，OH－進(jìn)入陽極，放電后的溶液進(jìn)入再生池中在催化劑條件下發(fā)生反應(yīng)放出氫氣，反應(yīng)方程式為2V2＋＋2H＋2V3＋＋H2↑，電路中每有2 mol電子通過，會(huì)有2 mol氫氧根離子進(jìn)入陽極，生成0.5 mol氧氣，陽極區(qū)溶液質(zhì)量增加18 g，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
二、多池裝置
1．一池兩用
用如圖所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：
(1)若開始時(shí)K與N連接，則構(gòu)成原電池，鐵棒上發(fā)生的電極反應(yīng)式為 Fe－2e－===Fe2＋ ；石墨電極產(chǎn)生的現(xiàn)象為有無色氣泡生成_。
(2)若開始時(shí)K與M連接，則構(gòu)成電解池，鐵棒上發(fā)生的電極反應(yīng)式為 2H＋＋2e－===H2↑；石墨電極產(chǎn)生的現(xiàn)象為_有淡黃綠色氣泡生成，一段時(shí)間后，溶液的pH增大。
(3)若用鋁條和鎂條分別代替圖中的石墨和鐵棒電極，電解質(zhì)溶液為氫氧化鈉溶液，請(qǐng)寫出原電池負(fù)極的電極反應(yīng)式：Al＋4OH－－3e－===[Al(OH)4]－。
2．多池串聯(lián)
如圖所示裝置：
回答下列問題：
(1)甲池是______，乙池是將________能轉(zhuǎn)化為______能的裝置。
提示　原電池　電　化學(xué)
(2)寫出甲、乙、丙池中各電極的電極名稱和電極反應(yīng)式。
提示　A極：負(fù)極，CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O
B極：正極，O2＋4e－＋2H2O===4OH－
Cu極：陽極，Cu－2e－===Cu2＋
Ag極：陰極，Cu2＋＋2e－=== Cu
Pt(Ⅰ)極：陽極，2Cl－－2e－=== Cl2↑
Pt(Ⅱ)極：陰極，Mg2＋＋2H2O＋2e－=== H2↑＋Mg(OH)2↓
3．多池裝置的解題模型
1．用如圖裝置進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)(a、b、c、d均為鉑電極)，供選擇的有4組電解液，要滿足下列要求：①工作一段時(shí)間后A燒杯的pH上升，B燒杯的pH下降；②b、c兩極上反應(yīng)的離子的物質(zhì)的量相等，應(yīng)選擇的電解質(zhì)溶液是(　　)
A．A燒杯NaOH溶液；B燒杯CuSO4溶液
B．A燒杯AgNO3溶液；B燒杯CuCl2溶液
C．A燒杯Na2SO4溶液；B燒杯AgNO3溶液
D．A燒杯NaCl溶液；B燒杯AgNO3溶液
答案　D
解析　鉑電極是惰性電極，工作一段時(shí)間后，A燒杯的pH上升，電解Na2SO4溶液的實(shí)質(zhì)是電解水，pH不變；電解AgNO3溶液時(shí)，生成Ag、O2和HNO3，pH下降，故B、C錯(cuò)誤；b是陽極，c是陰極，b、c兩極上反應(yīng)的離子的物質(zhì)的量相等，若B燒杯是CuSO4溶液，c電極上消耗1 mol Cu2＋時(shí)轉(zhuǎn)移2 mol電子，則b電極上消耗2 mol OH－，不符合要求，A錯(cuò)誤；若A燒杯是NaCl溶液，B燒杯是AgNO3溶液，b電極上有1 mol Cl－被氧化時(shí)轉(zhuǎn)移1 mol電子，同時(shí)c電極上有1 mol Ag＋被還原，且工作一段時(shí)間后，A燒杯的pH上升，B燒杯的pH下降，D正確。
2．某興趣小組設(shè)計(jì)如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置，兩個(gè)相同的玻璃管中盛滿NaCl稀溶液(滴有酚酞)，閉合S1一段時(shí)間后，兩極均有氣泡產(chǎn)生，Cu電極一側(cè)液面比C電極一側(cè)的低；斷開S1，閉合S2，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。下列敘述正確的是(　　)
A．閉合S1時(shí)，Cu電極產(chǎn)生氣泡的原因?yàn)?Cl－－2e－===Cl2↑
B．閉合S1時(shí)，若銅電極接直流電源的正極，兩極均有氣泡產(chǎn)生
C．?dāng)嚅_S1、閉合S2時(shí)，C電極作負(fù)極
D．?dāng)嚅_S1、閉合S2時(shí)，Cu電極上發(fā)生反應(yīng)：H2－2e－＋2OH－===2H2O
答案　D
解析　閉合S1時(shí)，銅為陰極，產(chǎn)生氣泡的原因?yàn)?H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，A錯(cuò)誤；閉合S1時(shí)，若銅電極接直流電源的正極，Cu作陽極被氧化生成Cu2＋，陽極無氣泡產(chǎn)生，B錯(cuò)誤；斷開S1、閉合S2時(shí)，Cu電極一側(cè)的H2發(fā)生氧化反應(yīng)，Cu電極作負(fù)極，C電極作正極，C錯(cuò)誤；電解時(shí)陰極產(chǎn)物為H2和NaOH，形成原電池時(shí)，H2在堿性條件下發(fā)生氧化反應(yīng)，其電極反應(yīng)式為H2－2e－＋2OH－===2H2O，D正確。
3．如圖所示，若電解5 min時(shí)，測得銅電極的質(zhì)量增加2.16 g。試回答下列問題：
(1)電源中X極是__________(填“正”或“負(fù)”)極。
(2)通電5 min時(shí)，B中共收集到224 mL(標(biāo)準(zhǔn)狀況)氣體，溶液體積為200 mL(電解前后溶液的體積變化忽略不計(jì))，則通電前c(CuSO4)＝______________。
(3)若A中KCl溶液的體積也是200 mL，電解后溶液中仍有Cl－，則電解后溶液的pH＝________(Kw＝1.0×10－14)。
答案　(1)負(fù)　(2)0.025 mol·L－1　(3)13
解析　(1)銅電極增重，說明銀在銅電極析出，則銅電極為陰極，X為負(fù)極。(2)C中銅電極增重2.16 g，即析出0.02 mol Ag，線路中通過0.02 mol電子；由4e－～O2可知，B中陽極產(chǎn)生的O2只有0.005 mol，即112 mL；但B中共收集到224 mL氣體，說明還有112 mL是H2，即全部Cu2＋在陰極放電后，H＋接著放電產(chǎn)生了112 mL H2，則通過0.01 mol電子時(shí)，Cu2＋已被電解完；由2e－～Cu2＋，可知n(Cu2＋)＝0.005 mol，則c(CuSO4)＝＝0.025 mol·L－1。(3)由得失電子守恒知，A中生成0.02 mol OH－，則c(OH－)＝＝0.1 mol·L－1，pH＝13。
三、多室裝置——離子交換膜的作用
1．常見的離子交換膜
離子交換膜是一種含離子基團(tuán)的、對(duì)溶液中的離子具有選擇透過功能的膜，通常由特殊高分子材料制成。
離子交換膜分為
(1)陽離子交換膜：只允許陽離子通過，不允許陰離子通過。
(2)陰離子交換膜：只允許陰離子通過，不允許陽離子通過。
(3)質(zhì)子交換膜：只允許H＋通過，不允許其他陽離子或陰離子通過。
(4)雙極隔膜：是一種新型離子交換膜，其膜主體可分為陰離子交換層、陽離子交換層和中間界面層，水解離催化劑被夾在中間的離子交換聚合物中，水電離的產(chǎn)物H＋和OH－可在電場力的作用下快速遷移到兩側(cè)溶液中，為膜兩側(cè)的半反應(yīng)提供各自理想的pH條件。
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)能選擇性地允許離子通過，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。
3．典例剖析
例1　某原電池裝置如圖所示，電池總反應(yīng)為2Ag＋Cl2===2AgCl，當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移a mol電子時(shí)，交換膜左側(cè)溶液中約減少____________ mol離子。交換膜右側(cè)溶液中c(HCl)______(填“>”“＜”或“＝”)1 mol·L－1(忽略溶液體積變化)。
答案　2a　>
解析　負(fù)極電極反應(yīng)式為Ag－e－＋Cl－===AgCl，原電池工作時(shí)，電路中轉(zhuǎn)移a mol電子，則負(fù)極消耗a mol Cl－，形成閉合回路移向正極的n(H＋)為a mol，所以負(fù)極區(qū)即交換膜左側(cè)溶液中約減少2a mol離子；正極區(qū)電極反應(yīng)為Cl2＋2e－===2Cl－，生成n(HCl)＝a mol，所以交換膜右側(cè)溶液c(HCl)增大，即交換膜右側(cè)溶液c(HCl)>1 mol·L－1。
例2　(2021·廣東，16)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1 mol Co，Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少16 g
C．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＋
答案　D
解析　分析可知，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(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。
例3　H3PO2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(yīng)式：______________________________________________。
(2)分析產(chǎn)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(chǎn)品室之間的陽膜，從而合并了陽極室與產(chǎn)品室。其缺點(diǎn)是產(chǎn)品中混有________雜質(zhì)，該雜質(zhì)產(chǎn)生的原因是
________________________________________________________________________。
答案　(1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
(2)陽極室的H＋穿過陽膜擴(kuò)散至產(chǎn)品室，原料室的H2PO穿過陰膜擴(kuò)散至產(chǎn)品室，二者反應(yīng)生成H3PO2
(3)PO　H2PO(或H3PO2)被氧化
1．(2023·山東師大附中期中)科研人員發(fā)明了一種Al PbO2電池，通過X和Y兩種離子交換膜將電解質(zhì)溶液隔開，形成M、R、N三個(gè)電解質(zhì)溶液區(qū)域，電解質(zhì)分別為KOH、K2SO4、H2SO4，結(jié)構(gòu)示意圖如圖(已知a＞b)。該電池放電時(shí)，下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．R區(qū)K2SO4濃度逐漸增大
B．K＋通過X膜由M區(qū)移向R區(qū)
C．N區(qū)電極反應(yīng)為PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O
D．每消耗1.8 g Al，N區(qū)電解質(zhì)溶液減少19.2 g
答案　D
解析　結(jié)合圖示可知Al為負(fù)極，M區(qū)電解質(zhì)為KOH，電極反應(yīng)為Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－，PbO2作正極，電極反應(yīng)為PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O。M區(qū)OH－被消耗，K＋通過X膜由M區(qū)移向R區(qū)，根據(jù)正極反應(yīng)可知，消耗H＋的物質(zhì)的量為SO的4倍，SO通過Y膜由N區(qū)移向R區(qū)，故R區(qū)K2SO4濃度增大，A、B正確；結(jié)合負(fù)極反應(yīng)可知每消耗1.8 g Al轉(zhuǎn)移×3＝0.2 mol電子，此時(shí)正極區(qū)減少0.2 mol H2SO4，同時(shí)生成0.2 mol H2O，即N區(qū)電解質(zhì)溶液減少質(zhì)量為0.2 mol×98 g·mol－1－0.2 mol×18 g·mol－1＝16 g，D錯(cuò)誤。
2．(2023·蘇州高二月考)如圖裝置是一種微生物脫鹽電池的裝置，它可以通過處理有機(jī)廢水(以含CH3COO－的溶液為例)獲得電能，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)海水淡化。已知a、b電極為惰性電極，X、Y均為離子交換膜，下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．X、Y依次為陰離子、陽離子交換膜
B．a(chǎn)極反應(yīng)為CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2＋7H＋，產(chǎn)生的H＋向b極移動(dòng)
C．b極為正極
D．當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時(shí)，在b極室可以生成40 g NaOH
答案　B
解析　根據(jù)圖示可知，在a極上CH3COO－失去電子被氧化，生成CO2和H＋，碳元素化合價(jià)升高，所以a極為該原電池的負(fù)極，則b極為正極。為了實(shí)現(xiàn)海水的淡化，海水中的氯離子需要移向負(fù)極，即a極，則隔膜X為陰離子交換膜，鈉離子需要移向正極，即b極，則隔膜Y為陽離子交換膜，A、C正確；a極為負(fù)極，電極反應(yīng)式為CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2＋7H＋，由于隔膜X是陰離子交換膜，所以阻礙生成的H＋向正極移動(dòng)，B錯(cuò)誤；當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時(shí)，會(huì)有1 mol Na＋進(jìn)入b極室形成1 mol NaOH，其質(zhì)量是40 g，D正確。
3．科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如下，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。
下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)
B．放電時(shí)，1 mol CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子為2 mol
C．充電時(shí)，電池總反應(yīng)為2Zn(OH)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D．充電時(shí)，陽極溶液中OH－濃度升高
答案　D
解析　由裝置示意圖可知，放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)，A項(xiàng)正確；放電時(shí)CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，C元素化合價(jià)降低2，則1 mol CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH時(shí)，轉(zhuǎn)移電子為2 mol，B項(xiàng)正確；充電時(shí)陽極上發(fā)生反應(yīng)2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，OH－濃度降低，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
(選擇題1～8題，每小題6分，9～12題，每小題8分，共80分)
題組一　電解池與原電池的綜合應(yīng)用
1.如圖，將鐵棒和石墨棒插入盛有飽和NaCl溶液的U形管中，下列分析錯(cuò)誤的是(　　)
A．閉合K1構(gòu)成原電池，閉合K2構(gòu)成電解池
B．閉合K1，鐵棒上發(fā)生的反應(yīng)為Fe－2e－===Fe2＋
C．閉合K2，鐵棒不會(huì)被消耗
D．閉合K1，石墨棒周圍溶液pH逐漸減小
答案　D
解析　閉合K1構(gòu)成原電池，鐵棒是負(fù)極，鐵失去電子，鐵棒上發(fā)生的反應(yīng)為Fe－2e－===Fe2＋，閉合K2構(gòu)成電解池，鐵棒與電源的負(fù)極相連，作陰極不會(huì)被消耗，A、B、C正確；閉合K1構(gòu)成原電池，石墨棒是正極，電極反應(yīng)為O2＋4e－＋2H2O===4OH－，石墨棒周圍溶液pH逐漸升高，D錯(cuò)誤。
2．(2024·黑龍江、吉林1月適應(yīng)性測試)如圖，b為H＋/H2標(biāo)準(zhǔn)氫電極，可發(fā)生還原反應(yīng)(2H＋＋2e－===H2↑)或氧化反應(yīng)(H2－2e－===2H＋)，a、c分別為AgCl/Ag、AgI/Ag電極。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1與2相連a電極質(zhì)量減小，2與3相連c電極質(zhì)量增大。下列說法正確的是(　　)
A．1與2相連，鹽橋1中陽離子向b電極移動(dòng)
B．2與3相連，電池反應(yīng)為2Ag＋2I－＋2H＋===2AgI＋H2↑
C．1與3相連，a電極減小的質(zhì)量等于c電極增大的質(zhì)量
D．1與2、2與3相連，b電極均為e－流出極
答案　B
解析　1與2相連，左側(cè)兩池構(gòu)成原電池，a電極質(zhì)量減小，AgCl轉(zhuǎn)化為Ag，說明a為正極，b為負(fù)極，鹽橋1中陽離子向a電極移動(dòng)，A錯(cuò)誤；2與3相連，右側(cè)兩池構(gòu)成原電池，c電極質(zhì)量增大，Ag轉(zhuǎn)化為AgI，說明c為負(fù)極，b為正極，生成氫氣，電池反應(yīng)為2Ag＋2I－＋2H＋===2AgI＋H2↑，B正確；1與3相連，由于AgI更難溶，AgCl轉(zhuǎn)化為AgI，a極為正極，AgCl轉(zhuǎn)化為Ag，a極質(zhì)量減小，c極為負(fù)極，Ag轉(zhuǎn)化為AgI，c極質(zhì)量增加，a電極減小的質(zhì)量小于c電極增大的質(zhì)量，C錯(cuò)誤；1與2相連，b為負(fù)極，b電極為e－流出極，2與3相連，c為負(fù)極，c電極為e－流出極，D錯(cuò)誤。
題組二　離子交換膜電化學(xué)裝置的分析
3．催化還原二氧化碳是解決溫室效應(yīng)及能源問題的重要手段之一，中國科學(xué)家設(shè)計(jì)出如圖裝置實(shí)現(xiàn)CO2的轉(zhuǎn)化，電池總反應(yīng)為CO2＋NaClCO＋NaClO。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．該裝置工作時(shí)，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜由陽極室移向陰極室
B．催化電極Ⅰ上發(fā)生的電極反應(yīng)為CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O
C．太陽能電池的正極為A極
D．該裝置不僅還原CO2，還產(chǎn)生了次氯酸鹽
答案　C
解析　根據(jù)圖中的物質(zhì)變化可知，催化電極Ⅰ為陰極，催化電極Ⅱ?yàn)殛枠O，A極為負(fù)極，B極為正極。在電解池中，陽離子向陰極移動(dòng)，則質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜由陽極室移向陰極室，A項(xiàng)正確；陰極的電極反應(yīng)為CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，B項(xiàng)正確；由電池總反應(yīng)可知，D項(xiàng)正確。
4．(2023·成都高二檢測)“容和一號(hào)”鐵鉻液流電池的總反應(yīng)為Fe3＋＋Cr2＋Fe2＋＋Cr3＋。閉合K1，斷開K2時(shí)，工作原理如圖所示，其中a電極上涂有固態(tài)氫化鉍(BiHx)。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．充電時(shí)，a電極連接電源的負(fù)極
B．放電時(shí)，正極反應(yīng)式為Fe3＋＋e－===Fe2＋
C．放電時(shí)，H＋從a極區(qū)移向b極區(qū)
D．充電時(shí)，BiHx只起導(dǎo)電的作用
答案　D
解析　充電時(shí)為電解池，根據(jù)總反應(yīng)：Fe3＋＋Cr2＋Fe2＋＋Cr3＋可知，Cr3＋發(fā)生得電子的還原反應(yīng)生成Cr2＋，a電極為陰極，應(yīng)連接電源的負(fù)極，A正確；放電時(shí)，b電極為正極，F(xiàn)e3＋發(fā)生得電子的還原反應(yīng)生成Fe2＋，電極反應(yīng)為Fe3＋＋e－===Fe2＋，B正確；電池放電時(shí)，a電極為負(fù)極，b電極為正極，則H＋從a極區(qū)移向b極區(qū)，C正確；充電時(shí)，BiHx起導(dǎo)電和轉(zhuǎn)移電子的作用，D錯(cuò)誤。
題組三　串聯(lián)電化學(xué)裝置的分析
5．用堿性氫氧燃料電池為電源進(jìn)行電解的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A．燃料電池工作時(shí)負(fù)極反應(yīng)為H2===2H＋＋2e－
B．若要實(shí)現(xiàn)鐵上鍍銅，則a極是鐵，b極是銅
C．若要實(shí)現(xiàn)電解精煉銅，則a極發(fā)生氧化反應(yīng)，b極上有銅析出
D．a(chǎn)、b兩極均是石墨時(shí)，在相同條件下，當(dāng)電池中消耗22.4 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)H2時(shí)，a極析出64 g銅
答案　C
解析　堿性氫氧燃料電池工作時(shí)負(fù)極通入H2，電極反應(yīng)式為H2－2e－＋2OH－===2H2O，A錯(cuò)誤；若要實(shí)現(xiàn)鐵上鍍銅，則a極(陽極)是銅，b極(陰極)是鐵，B錯(cuò)誤；若要實(shí)現(xiàn)電解精煉銅，則a極連接粗銅，發(fā)生氧化反應(yīng)，b極為陰極，Cu2＋得電子，b極上有銅析出，C正確；a、b兩極均是石墨時(shí)，在相同條件下，當(dāng)電池中消耗22.4 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)H2時(shí)，外電路轉(zhuǎn)移2 mol e－，b極為陰極，析出64 g銅，a極為陽極，不能析出銅，D錯(cuò)誤。
6．如圖為相互串聯(lián)的三個(gè)裝置，下列說法正確的是(　　)
A．甲池中A極的電極反應(yīng)式為CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
B．若利用乙池在鐵片上鍍銀，則C是鐵片
C．向丙池中滴加酚酞，石墨附近溶液先變紅
D．若甲池消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下1.4 L CH4，則丙池中陽極上產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量為0.15 mol
答案　D
解析　結(jié)合圖示裝置可知甲池為燃料電池，乙池和丙池均為電解池。甲池中CH4在堿性條件下失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O，A錯(cuò)誤；若利用乙池在鐵片上鍍銀，鐵片作陰極，即D是鐵片，B錯(cuò)誤；丙池中Fe電極與電源負(fù)極相連，為陰極，石墨電極為陽極，在石墨電極生成Cl2，在Fe電極生成H2和NaOH，則向丙池中滴加酚酞，鐵電極附近溶液先變紅，C錯(cuò)誤；若甲池消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下1.4 L CH4，反應(yīng)中失去電子的物質(zhì)的量為×8＝0.5 mol，串聯(lián)電路中轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量相等，則丙池陽極也失去0.5 mol電子，丙池中陽極開始時(shí)的電極反應(yīng)為2Cl－－2e－===Cl2↑，溶液中含n(Cl－)＝0.1 mol，產(chǎn)生0.05 mol Cl2，然后水電離出的OH－放電，電極反應(yīng)為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，可知轉(zhuǎn)移0.4 mol 電子時(shí)生成0.1 mol O2，即陽極上共生成氣體為(0.05＋0.1) mol＝0.15 mol，D正確。
題組四　電化學(xué)計(jì)算的基本方法
7．LiPON薄膜鋰離子電池是目前研究最廣泛的全固態(tài)薄膜鋰離子電池。其工作示意圖如圖，LiPON薄膜只允許Li＋通過，電池總反應(yīng)為LixSi＋Li1－xCoO2Si＋LiCoO2。下列有關(guān)說法正確的是(　　)
A．LiPON薄膜在充、放電過程中質(zhì)量發(fā)生變化
B．導(dǎo)電介質(zhì)c可為Li2SO4水溶液
C．放電時(shí)b極為正極，電極反應(yīng)為Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2
D．充電時(shí)，當(dāng)外電路通過0.2 mol 電子時(shí)，非晶硅薄膜上質(zhì)量減少1.4 g
答案　C
解析　由電池總反應(yīng)為LixSi＋Li1－xCoO2Si＋LiCoO2可知，充電時(shí)a極為陰極，電極反應(yīng)式為xLi＋＋xe－＋Si===LixSi，b極為陽極，電極反應(yīng)式為LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋；放電時(shí)a極為負(fù)極，電極反應(yīng)式為LixSi－xe－===Si＋xLi＋，b極為正極，電極反應(yīng)式為Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2。LiPON薄膜在充、放電過程中并未參與電極反應(yīng)，故其質(zhì)量不發(fā)生變化，A錯(cuò)誤；由于2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，故導(dǎo)電介質(zhì)c不能為Li2SO4水溶液，B錯(cuò)誤；充電時(shí)，Li＋得電子生成Li嵌入非晶硅薄膜材料中，當(dāng)外電路通過0.2 mol 電子時(shí)，非晶硅薄膜上質(zhì)量增加0.2 mol×7 g·mol－1＝1.4 g，D錯(cuò)誤。
8.用如圖所示裝置電解硫酸銅和氯化鈉的混合溶液，當(dāng)線路中有1.2 mol 電子通過時(shí)，甲電極增重并有4.48 L(已折算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積，下同)氣體生成，乙電極上生成氣體7.84 L，則原溶液中硫酸銅與氯化鈉的物質(zhì)的量之比為(　　)
A．2∶1 B．4∶1
C．2∶3 D．4∶3
答案　A
解析　該電解池陰極的電極反應(yīng)式為①Cu2＋＋2e－===Cu、②2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，陽極的電極反應(yīng)式為③2Cl－－2e－===Cl2↑、④2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，甲電極增重，并有4.48 L氣體生成，則甲電極為陰極，乙電極為陽極，甲電極上生成的氫氣為0.2 mol，乙電極上生成氣體7.84 L(氯氣和氧氣，共0.35 mol)，反應(yīng)共轉(zhuǎn)移1.2 mol電子，陰極上反應(yīng)②共得到0.4 mol電子，則反應(yīng)①共得到電子1.2 mol－0.4 mol＝0.8 mol，可計(jì)算出原溶液中Cu2＋的物質(zhì)的量為0.4 mol；設(shè)陽極產(chǎn)生氯氣的物質(zhì)的量為x，產(chǎn)生氧氣的物質(zhì)的量為y，則x＋y＝0.35 mol,2x＋4y＝1.2 mol，聯(lián)立兩個(gè)方程，解得x＝0.1 mol，y＝0.25 mol，所以溶液中Cl－為0.2 mol，則原溶液中硫酸銅與氯化鈉的物質(zhì)的量之比為0.4∶0.2＝2∶1，A正確。
9．(2023·武漢高二質(zhì)檢)用陰離子交換膜控制電解液中OH－的濃度制備納米Cu2O，反應(yīng)為2Cu＋H2OCu2O＋H2↑，裝置如圖，下列說法正確的是(　　)
A．電解時(shí)OH－通過交換膜向Ti極移動(dòng)
B．陽極反應(yīng)式為2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O
C．陰極OH－放電，有O2生成
D．Ti電極和Cu電極上生成物的物質(zhì)的量之比為2∶1
答案　B
解析　Cu極與外加電源的正極相連，Cu極為陽極，Ti極與外加電源的負(fù)極相連，Ti極為陰極。電解時(shí)陰離子向陽極移動(dòng)，則OH－通過陰離子交換膜向Cu極移動(dòng)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；Cu極為陽極，電極反應(yīng)式為2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O，B項(xiàng)正確；Ti極為陰極，電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，陰極有H2生成，C項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)電極反應(yīng)式和得失電子守恒可知，Ti極生成的H2和Cu極生成的Cu2O的物質(zhì)的量之比為1∶1，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
10．雙極膜(BP)是陰、陽復(fù)合膜，在直流電的作用下，陰、陽膜復(fù)合層間的H2O解離成H＋和OH－，作為H＋和OH－離子源。利用雙極膜電滲析法電解食鹽水可獲得淡水、NaOH和HCl，其工作原理如圖所示，M、N為離子交換膜。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．Y電極與電源正極相連，發(fā)生的反應(yīng)為4OH－－4e－===O2↑＋2H2O
B．M為陰離子交換膜，N為陽離子交換膜
C．“雙極膜電滲析法”可用于用鹽(MX)溶液制備相應(yīng)的酸(HX)和堿(MOH)
D．若去掉雙極膜(BP)，電路中每轉(zhuǎn)移1 mol電子，兩極共得到1 mol氣體
答案　B
解析　由工作原理圖可知，溶液中OH－向右移動(dòng)，則Y電極為陽極，NaCl濃溶液經(jīng)過電解變?yōu)榈虼穗娊膺^程中鹽室中氯離子向Y電極移動(dòng)，N為陰離子交換膜；X電極為陰極，鹽室中的Na＋向X電極移動(dòng)，M為陽離子交換膜。Y電極為陽極，與電源正極相連，發(fā)生的反應(yīng)為4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，A正確，B錯(cuò)誤；“雙極膜電滲析法”利用陰、陽離子的定向移動(dòng)，可用于用鹽(MX)溶液制備相應(yīng)的酸(HX)和堿(MOH)，C正確；若去掉雙極膜(BP)，電路中每轉(zhuǎn)移1 mol電子，陽極可產(chǎn)生0.5 mol氯氣，陰極產(chǎn)生0.5 mol的氫氣，共得到1 mol氣體，D正確。
11．已知H2O2是一種弱酸，在強(qiáng)堿溶液中主要以HO形式存在。現(xiàn)以Al-H2O2電池電解尿素[CO(NH2)2]的堿性溶液制備H2，下列說法不正確的是(　　)
A．電解過程中，電子的流向?yàn)閍→d→c→b
B．電池的正極反應(yīng)為HO＋2e－＋H2O===3OH－
C．電解時(shí)，消耗5.4 g Al，則產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下2.24 L N2
D．c電極是陽極，且反應(yīng)后該電極區(qū)溶液pH減小
答案　A
解析　根據(jù)題給裝置可知，左側(cè)為原電池，右側(cè)為電解池，d電極上產(chǎn)生H2，根據(jù)電解原理，d電極為陰極，則c電極為陽極，a電極為負(fù)極，b電極為正極，電解質(zhì)溶液中沒有電子通過，電子流向?yàn)閍→d，c→b，A錯(cuò)誤；b電極為正極，電極反應(yīng)式為HO＋2e－＋H2O===3OH－，B正確；根據(jù)得失電子守恒，有×3＝×2×3，解得V(N2)＝2.24 L，C正確；c電極為陽極，電極反應(yīng)式為CO(NH2)2＋8OH－－6e－===CO＋N2↑＋6H2O，消耗OH－，反應(yīng)后該電極區(qū)溶液pH減小，D正確。
12．如圖中，甲、乙是兩個(gè)完全相同的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，利用它們對(duì)煤漿進(jìn)行脫硫處理。下列敘述錯(cuò)誤的是(　　)
A．光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置中a為負(fù)極
B．石墨1上消耗1 mol Mn2＋，甲、乙中各轉(zhuǎn)移0.5 mol電子
C．脫硫反應(yīng)原理為15Mn3＋＋FeS2＋8H2O===15Mn2＋＋Fe3＋＋2SO＋16H＋
D．處理60 g FeS2，石墨2上消耗7.5 mol H＋
答案　B
解析　甲、乙兩個(gè)串聯(lián)的光伏發(fā)電裝置可直接等價(jià)于直流電源，由裝置圖可知，石墨1上發(fā)生氧化反應(yīng)，即陽極反應(yīng)：Mn2＋－e－===Mn3＋，其連接外接電源的正極，石墨2上發(fā)生還原反應(yīng)，即陰極反應(yīng)：2H＋＋2e－===H2↑，其連接外接電源的負(fù)極，結(jié)合脫硫裝置圖可知，脫硫反應(yīng)原理為15Mn3＋＋FeS2＋8H2O===15Mn2＋＋Fe3＋＋2SO＋16H＋。石墨1上消耗1 mol Mn2＋，電極反應(yīng)：Mn2＋－e－===Mn3＋，甲、乙兩個(gè)發(fā)電裝置是串聯(lián)模式，故甲中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)應(yīng)等于乙中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，即甲、乙各轉(zhuǎn)移1 mol 電子，B錯(cuò)誤；n(FeS2)＝＝0.5 mol，再根據(jù)脫硫反應(yīng)方程式可得，裝置中轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.5 mol×(1＋7×2)＝7.5 mol，所以石墨2上發(fā)生還原反應(yīng)：2H＋＋2e－===H2↑，需消耗7.5 mol H＋，D正確。
13．(20分)鈉硫電池作為一種新型儲(chǔ)能電池，其應(yīng)用逐漸得到重視和發(fā)展。鈉硫電池以熔融金屬鈉、熔融硫和多硫化鈉(Na2Sx)分別作為兩個(gè)電極的反應(yīng)物，固體Al2O3陶瓷(可傳導(dǎo)Na＋)為電解質(zhì)，其反應(yīng)原理如圖甲所示：
(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，請(qǐng)你判斷該電池工作的適宜溫度應(yīng)控制在__________(填字母)。
A．100 ℃以下 B．100～300 ℃
C．300～350 ℃ D．350～2 050 ℃
物質(zhì) Na S Al2O3
熔點(diǎn)/℃ 97.8 115 2 050
沸點(diǎn)/℃ 892 444.6 2 980
(2)放電時(shí)，電極A為________極，電極B發(fā)生__________(填“氧化”或“還原”)反應(yīng)。
(3)充電時(shí)，總反應(yīng)為Na2Sx 2Na＋xS，則陽極的電極反應(yīng)式：_______________。
(4)若把鈉硫電池作為電源，電解槽內(nèi)裝有KI及淀粉的混合溶液，如圖乙所示，槽內(nèi)中間用陰離子交換膜隔開。通電一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)左側(cè)溶液變藍(lán)色，一段時(shí)間后，藍(lán)色逐漸變淺。試分析左側(cè)溶液藍(lán)色逐漸變淺的可能原因是_____________________________________
__________________________________________________________________________。
答案　(1)C　(2)負(fù)　還原　(3)S－2e－===xS　(4)右側(cè)溶液中生成的OH－通過陰離子交換膜進(jìn)入左側(cè)溶液，并與左側(cè)溶液中的I2反應(yīng)
解析　(1)原電池工作時(shí)，控制的溫度應(yīng)滿足Na、S為熔融狀態(tài)，則溫度應(yīng)高于115 ℃而低于444.6 ℃，只有C項(xiàng)符合題意。(2)放電時(shí)，Na在電極A發(fā)生氧化反應(yīng)，故電極A為原電池的負(fù)極，電極B是正極，發(fā)生還原反應(yīng)。
(4)左側(cè)溶液變藍(lán)色，說明生成I2，左側(cè)電極為陽極，電極反應(yīng)式為2I－－2e－===I2，右側(cè)電極為陰極，電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，右側(cè)I－、OH－通過陰離子交換膜向左側(cè)移動(dòng)，發(fā)生反應(yīng)：3I2＋6OH－===IO＋5I－＋3H2O，故一段時(shí)間后，藍(lán)色逐漸變淺。第2課時(shí)　電化學(xué)計(jì)算模型　多池、多室裝置
[核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)]　1.掌握電子守恒規(guī)律在電化學(xué)中的應(yīng)用。2.掌握多池連接裝置的形式及分析思路。3.了解離子交換膜的類型及其作用。
一、電化學(xué)計(jì)算模型
1．電化學(xué)常涉及的計(jì)算問題
原電池和電解池的計(jì)算常涉及兩極產(chǎn)物定量計(jì)算，電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)的計(jì)算、溶液pH的計(jì)算、電解前后電極或電極區(qū)質(zhì)量的差值計(jì)算等。
2．電化學(xué)計(jì)算模型
1．500 mL KCl和Cu(NO3)2的混合溶液中c(Cu2＋)＝0.2 mol·L－1，用石墨作電極電解此溶液，通電一段時(shí)間后，兩電極均收集到5.6 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)氣體，假設(shè)電解后溶液的體積仍為500 mL，下列說法正確的是(　　)
A．原混合溶液中c(Cl－)＝0.3 mol·L－1
B．上述電解過程中共轉(zhuǎn)移0.5 mol電子
C．電解得到的無色氣體與有色氣體的體積比為3∶7
D．陽極收集到的氣體為Cl2和O2
2．把兩支惰性電極插入500 mL硝酸銀溶液中，通電電解。當(dāng)電解質(zhì)溶液中c(H＋)從10－6 mol·L－1變?yōu)?0－3 mol·L－1時(shí)(設(shè)電解時(shí)陰極沒有氫氣析出，且電解質(zhì)溶液在電解前后體積變化可以忽略)，電極上應(yīng)析出銀的質(zhì)量是(　　)
A．27 mg B．54 mg
C．108 mg D．216 mg
3．(2023·重慶南開中學(xué)高二期中)光電池在光照條件下可產(chǎn)生電流，如圖裝置可以實(shí)現(xiàn)光能源的充分利用，雙極膜可將水解離為H＋和OH－，并實(shí)現(xiàn)其定向通過。下列說法不正確的是(　　)
A．該裝置可利用光能實(shí)現(xiàn)水的分解
B．光照過程中陰極區(qū)溶液的pH變小
C．再生池中的反應(yīng)為2V2＋＋2H＋催化劑,2V3＋＋H2↑
D．電路中每有2 mol電子通過，陽極區(qū)溶液質(zhì)量增加2 g
二、多池裝置
1．一池兩用
用如圖所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：
(1)若開始時(shí)K與N連接，則構(gòu)成________，鐵棒上發(fā)生的電極反應(yīng)式為________________________________________________________________________；石墨電極產(chǎn)生的現(xiàn)象為____________________________________________________。
(2)若開始時(shí)K與M連接，則構(gòu)成________，鐵棒上發(fā)生的電極反應(yīng)式為_________________；石墨電極產(chǎn)生的現(xiàn)象為_________________，一段時(shí)間后，溶液的pH________。
(3)若用鋁條和鎂條分別代替圖中的石墨和鐵棒電極，電解質(zhì)溶液為氫氧化鈉溶液，請(qǐng)寫出原電池負(fù)極的電極反應(yīng)式：_________________________________________________________。
2．多池串聯(lián)
如圖所示裝置：
回答下列問題：
(1)甲池是______，乙池是將________能轉(zhuǎn)化為______能的裝置。
(2)寫出甲、乙、丙池中各電極的電極名稱和電極反應(yīng)式。
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
3．多池裝置的解題模型
1．用如圖裝置進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)(a、b、c、d均為鉑電極)，供選擇的有4組電解液，要滿足下列要求：①工作一段時(shí)間后A燒杯的pH上升，B燒杯的pH下降；②b、c兩極上反應(yīng)的離子的物質(zhì)的量相等，應(yīng)選擇的電解質(zhì)溶液是(　　)
A．A燒杯NaOH溶液；B燒杯CuSO4溶液
B．A燒杯AgNO3溶液；B燒杯CuCl2溶液
C．A燒杯Na2SO4溶液；B燒杯AgNO3溶液
D．A燒杯NaCl溶液；B燒杯AgNO3溶液
2．某興趣小組設(shè)計(jì)如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置，兩個(gè)相同的玻璃管中盛滿NaCl稀溶液(滴有酚酞)，閉合S1一段時(shí)間后，兩極均有氣泡產(chǎn)生，Cu電極一側(cè)液面比C電極一側(cè)的低；斷開S1，閉合S2，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。下列敘述正確的是(　　)
A．閉合S1時(shí)，Cu電極產(chǎn)生氣泡的原因?yàn)?Cl－－2e－===Cl2↑
B．閉合S1時(shí)，若銅電極接直流電源的正極，兩極均有氣泡產(chǎn)生
C．?dāng)嚅_S1、閉合S2時(shí)，C電極作負(fù)極
D．?dāng)嚅_S1、閉合S2時(shí)，Cu電極上發(fā)生反應(yīng)：H2－2e－＋2OH－===2H2O
3．如圖所示，若電解5 min時(shí)，測得銅電極的質(zhì)量增加2.16 g。試回答下列問題：
(1)電源中X極是__________(填“正”或“負(fù)”)極。
(2)通電5 min時(shí)，B中共收集到224 mL(標(biāo)準(zhǔn)狀況)氣體，溶液體積為200 mL(電解前后溶液的體積變化忽略不計(jì))，則通電前c(CuSO4)＝______________。
(3)若A中KCl溶液的體積也是200 mL，電解后溶液中仍有Cl－，則電解后溶液的pH＝________(Kw＝1.0×10－14)。
三、多室裝置——離子交換膜的作用
1．常見的離子交換膜
離子交換膜是一種含離子基團(tuán)的、對(duì)溶液中的離子具有選擇透過功能的膜，通常由特殊高分子材料制成。
離子交換膜分為
(1)陽離子交換膜：只允許陽離子通過，不允許陰離子通過。
(2)陰離子交換膜：只允許陰離子通過，不允許陽離子通過。
(3)質(zhì)子交換膜：只允許H＋通過，不允許其他陽離子或陰離子通過。
(4)雙極隔膜：是一種新型離子交換膜，其膜主體可分為陰離子交換層、陽離子交換層和中間界面層，水解離催化劑被夾在中間的離子交換聚合物中，水電離的產(chǎn)物H＋和OH－可在電場力的作用下快速遷移到兩側(cè)溶液中，為膜兩側(cè)的半反應(yīng)提供各自理想的pH條件。
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)能選擇性地允許離子通過，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。
3．典例剖析
例1　某原電池裝置如圖所示，電池總反應(yīng)為2Ag＋Cl2===2AgCl，當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移a mol電子時(shí)，交換膜左側(cè)溶液中約減少________ mol離子。交換膜右側(cè)溶液中c(HCl)____(填“>”“＜”或“＝”)1 mol·L－1(忽略溶液體積變化)。
例2　(2021·廣東，16)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1 mol Co，Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少16 g
C．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＋
例3　H3PO2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(yīng)式：__________________________________________________。
(2)分析產(chǎn)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(chǎn)品室之間的陽膜，從而合并了陽極室與產(chǎn)品室。其缺點(diǎn)是產(chǎn)品中混有________雜質(zhì)，該雜質(zhì)產(chǎn)生的原因是_____________________________________。
1．(2023·山東師大附中期中)科研人員發(fā)明了一種Al PbO2電池，通過X和Y兩種離子交換膜將電解質(zhì)溶液隔開，形成M、R、N三個(gè)電解質(zhì)溶液區(qū)域，電解質(zhì)分別為KOH、K2SO4、H2SO4，結(jié)構(gòu)示意圖如圖(已知a＞b)。該電池放電時(shí)，下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．R區(qū)K2SO4濃度逐漸增大
B．K＋通過X膜由M區(qū)移向R區(qū)
C．N區(qū)電極反應(yīng)為PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O
D．每消耗1.8 g Al，N區(qū)電解質(zhì)溶液減少19.2 g
2．(2023·蘇州高二月考)如圖裝置是一種微生物脫鹽電池的裝置，它可以通過處理有機(jī)廢水(以含CH3COO－的溶液為例)獲得電能，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)海水淡化。已知a、b電極為惰性電極，X、Y均為離子交換膜，下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．X、Y依次為陰離子、陽離子交換膜
B．a(chǎn)極反應(yīng)為CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2＋7H＋，產(chǎn)生的H＋向b極移動(dòng)
C．b極為正極
D．當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時(shí)，在b極室可以生成40 g NaOH
3．科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如下，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。
下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)
B．放電時(shí)，1 mol CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子為2 mol
C．充電時(shí)，電池總反應(yīng)為2Zn(OH)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D．充電時(shí)，陽極溶液中OH－濃度升高(共84張PPT)
第四章　第一、二節(jié)提升課
第2課時(shí)　電化學(xué)計(jì)算模型　
　　　　 多池、多室裝置
1.掌握電子守恒規(guī)律在電化學(xué)中的應(yīng)用。
2.掌握多池連接裝置的形式及分析思路。
3.了解離子交換膜的類型及其作用。
核心素養(yǎng)
發(fā)展目標(biāo)
一、電化學(xué)計(jì)算模型
二、多池裝置
三、多室裝置——離子交換膜的作用
課時(shí)對(duì)點(diǎn)練
內(nèi)容索引
電化學(xué)計(jì)算模型
一
1.電化學(xué)常涉及的計(jì)算問題
原電池和電解池的計(jì)算常涉及兩極產(chǎn)物定量計(jì)算，電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)的計(jì)算、溶液pH的計(jì)算、電解前后電極或電極區(qū)質(zhì)量的差值計(jì)算等。
2.電化學(xué)計(jì)算模型
1.500 mL KCl和Cu(NO3)2的混合溶液中c(Cu2＋)＝0.2 mol·L－1，用石墨作電極電解此溶液，通電一段時(shí)間后，兩電極均收集到5.6 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)氣體，假設(shè)電解后溶液的體積仍為500 mL，下列說法正確的是
A.原混合溶液中c(Cl－)＝0.3 mol·L－1
B.上述電解過程中共轉(zhuǎn)移0.5 mol電子
C.電解得到的無色氣體與有色氣體的體積比為3∶7
D.陽極收集到的氣體為Cl2和O2
應(yīng)用體驗(yàn)
√
陽極Cl－先放電，然后是H2O電離出的OH－放電，即2Cl－－2e－===
Cl2↑，2H2O－4e－===O2↑＋4H＋；陰極Cu2＋先放電，然后H＋放電，即Cu2＋＋2e－===Cu,2H＋＋2e－===H2↑。結(jié)合兩極均收集到5.6 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)氣體，則陰極收集到0.25 mol H2，原混合溶液中n(Cu2＋)＝0.2 mol·L－1×0.5 L＝0.1 mol，Cu2＋放電共轉(zhuǎn)移0.2 mol電子，生成H2時(shí)轉(zhuǎn)移0.5 mol電子，故陰極共轉(zhuǎn)移0.7 mol電子。設(shè)陽極生成Cl2、O2分別為x mol和y mol，則x＋y＝0.25,2x＋4y＝0.7，解得x＝0.15，y＝0.1。根據(jù)Cl原子守恒，原混合溶液中含0.3 mol Cl－，c(Cl－)＝
＝0.6 mol·L－1，A錯(cuò)誤；
電解時(shí)得到的無色氣體為H2和O2，物質(zhì)的量為0.25 mol＋0.1 mol＝0.35 mol，有色氣體為Cl2，物質(zhì)的量為0.15 mol，則無色氣體與有色氣體的體積比為0.35 mol∶0.15 mol＝7∶3，C錯(cuò)誤、D正確。
2.把兩支惰性電極插入500 mL硝酸銀溶液中，通電電解。當(dāng)電解質(zhì)溶液中c(H＋)從10－6 mol·L－1變?yōu)?0－3 mol·L－1時(shí)(設(shè)電解時(shí)陰極沒有氫氣析出，且電解質(zhì)溶液在電解前后體積變化可以忽略)，電極上應(yīng)析出銀的質(zhì)量是
A.27 mg B.54 mg
C.108 mg D.216 mg
應(yīng)用體驗(yàn)
√
解法1　根據(jù)得失電子守恒計(jì)算
由得失電子守恒知，e－～H＋～Ag，所以n(Ag)＝n(H＋)。AgNO3溶液電解后產(chǎn)生酸，n(Ag)＝n(H＋)≈10－3 mol·L－1×0.5 L＝5×10－4 mol，m(Ag)＝n(Ag)×M＝5×10－4 mol×108 g·mol－1＝0.054 g＝54 mg。
解法2　根據(jù)電極反應(yīng)式計(jì)算
4Ag＋＋2H2O 4Ag＋O2↑＋4H＋
432 g　　　4 mol
m　　　5×10－4 mol
3.(2023·重慶南開中學(xué)高二期中)光電池在光照條件下可產(chǎn)生電流，如圖裝置可以實(shí)現(xiàn)光能源的充分利用，雙極膜可將水解離為H＋和OH－，并實(shí)現(xiàn)其定向通過。下列說法不正確的是
A.該裝置可利用光能實(shí)現(xiàn)水的分解
B.光照過程中陰極區(qū)溶液的pH變小
C.再生池中的反應(yīng)為2V2＋＋2H＋
2V3＋＋H2↑
D.電路中每有2 mol電子通過，陽極區(qū)溶液質(zhì)量增加2 g
應(yīng)用體驗(yàn)
√
由圖上電子的移動(dòng)方向可知右側(cè)是電解池的陽極，反應(yīng)式為4OH－－4e－===2H2O
＋O2↑，陰極反應(yīng)式為V3＋＋e－===V2＋，雙極膜可將水解離為H＋和OH－，由圖可知，H＋進(jìn)入陰極，OH－進(jìn)入陽極，放電
后的溶液進(jìn)入再生池中在催化劑條件下發(fā)生反應(yīng)放出氫氣，反應(yīng)方程式為2V2＋＋2H＋ 2V3＋＋H2↑，電路中每有2 mol電子通過，會(huì)有2 mol氫氧根離子進(jìn)入陽極，生成0.5 mol氧氣，陽極區(qū)溶液質(zhì)量增加18 g，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
返回
多池裝置
二
1.一池兩用
用如圖所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：
(1)若開始時(shí)K與N連接，則構(gòu)成_______，鐵
棒上發(fā)生的電極反應(yīng)式為________________；
石墨電極產(chǎn)生的現(xiàn)象為________________。
(2)若開始時(shí)K與M連接，則構(gòu)成_______，鐵
棒上發(fā)生的電極反應(yīng)式為_________________；石墨電極產(chǎn)生的現(xiàn)象為____________________，一段時(shí)間后，溶液的pH_____。
原電池
有無色氣泡生成
電解池
有淡黃綠色氣泡生成
增大
Fe－2e－===Fe2＋
2H＋＋2e－===H2↑
(3)若用鋁條和鎂條分別代替圖中的石墨和鐵棒電極，電解質(zhì)溶液為氫氧化鈉溶液，請(qǐng)寫出原電池負(fù)極的電極反應(yīng)式：____________
__________________。
Al＋4OH－－
3e－===[Al(OH)4]－
2.多池串聯(lián)
如圖所示裝置：
回答下列問題：
(1)甲池是_______，乙池是將
___能轉(zhuǎn)化為_____能的裝置。
原電池
電
化學(xué)
(2)寫出甲、乙、丙池中各電極的電極名稱和電極反應(yīng)式。
B極：正極，O2＋4e－＋2H2O===4OH－
Cu極：陽極，Cu－2e－===Cu2＋
Ag極：陰極，Cu2＋＋2e－=== Cu
Pt(Ⅰ)極：陽極，2Cl－－2e－=== Cl2↑
Pt(Ⅱ)極：陰極，Mg2＋＋2H2O＋2e－=== H2↑＋Mg(OH)2↓
3.多池裝置的解題模型
1.用如圖裝置進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)(a、b、c、d均為鉑電極)，供選擇的有4組電解液，要滿足下列要求：①工作一段時(shí)間后A燒杯的pH上升，B燒杯的pH下降；②b、c兩極上反應(yīng)的離子的物質(zhì)的量相等，應(yīng)選擇的電解質(zhì)溶液是
A.A燒杯NaOH溶液；B燒杯CuSO4溶液
B.A燒杯AgNO3溶液；B燒杯CuCl2溶液
C.A燒杯Na2SO4溶液；B燒杯AgNO3溶液
D.A燒杯NaCl溶液；B燒杯AgNO3溶液
應(yīng)用體驗(yàn)
√
鉑電極是惰性電極，工作一段時(shí)間后，A燒杯的pH上升，電解Na2SO4溶液的實(shí)質(zhì)是電解水，pH不變；電解AgNO3溶液時(shí)，生成Ag、O2和HNO3，pH下降，故B、C錯(cuò)誤；
b是陽極，c是陰極，b、c兩極上反應(yīng)的離子的物質(zhì)的量相等，若B燒杯是CuSO4溶液，c電極上消耗1 mol Cu2＋時(shí)轉(zhuǎn)移2 mol電子，則b電極上消耗2 mol OH－，不符合要求，A錯(cuò)誤；
若A燒杯是NaCl溶液，B燒杯是AgNO3溶液，b電極上有1 mol Cl－被氧化時(shí)轉(zhuǎn)移1 mol電子，同時(shí)c電極上有1 mol Ag＋被還原，且工作一段時(shí)間后，A燒杯的pH上升，B燒杯的pH下降，D正確。
2.某興趣小組設(shè)計(jì)如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置，兩個(gè)相同的玻璃管中盛滿NaCl稀溶液(滴有酚酞)，閉合S1一段時(shí)間后，兩極均有氣泡產(chǎn)生，Cu電極一側(cè)液面比C電極一側(cè)的低；斷開S1，閉合S2，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。下列敘述正確的是
A.閉合S1時(shí)，Cu電極產(chǎn)生氣泡的原因?yàn)?Cl－－2e－===Cl2↑
B.閉合S1時(shí)，若銅電極接直流電源的正極，兩極均有氣泡
產(chǎn)生
C.斷開S1、閉合S2時(shí)，C電極作負(fù)極
D.斷開S1、閉合S2時(shí)，Cu電極上發(fā)生反應(yīng)：H2－2e－＋2OH－===2H2O
應(yīng)用體驗(yàn)
√
閉合S1時(shí)，銅為陰極，產(chǎn)生氣泡的原因?yàn)?H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，A錯(cuò)誤；
閉合S1時(shí)，若銅電極接直流電源的正極，Cu作陽極被氧化生成Cu2＋，陽極無氣泡產(chǎn)生，B錯(cuò)誤；
斷開S1、閉合S2時(shí)，Cu電極一側(cè)的H2發(fā)生氧化反應(yīng)，
Cu電極作負(fù)極，C電極作正極，C錯(cuò)誤；
電解時(shí)陰極產(chǎn)物為H2和NaOH，形成原電池時(shí)，H2在堿性條件下發(fā)生氧化反應(yīng)，其電極反應(yīng)式為H2－2e－＋2OH－===2H2O，D正確。
3.如圖所示，若電解5 min時(shí)，測得銅電極的質(zhì)量增加2.16 g。試回答下列問題：
(1)電源中X極是___(填“正”或“負(fù)”)極。
應(yīng)用體驗(yàn)
負(fù)
銅電極增重，說明銀在銅電極析出，則銅電極為陰極，X為負(fù)極。
(2)通電5 min時(shí)，B中共收集到224 mL(標(biāo)準(zhǔn)狀況)氣體，溶液體積為200 mL(電解前后溶液的體積變化忽略不計(jì))，則通電前c(CuSO4)＝_____________。
應(yīng)用體驗(yàn)
0.025 mol·L－1
C中銅電極增重2.16 g，即析出0.02 mol Ag，線路中通過0.02 mol電子；由4e－
～O2可知，B中陽極產(chǎn)生的O2只有0.005 mol，即112 mL；但B中共收集
到224 mL氣體，說明還有112 mL是H2，即全部Cu2＋在陰極放電后，H＋接著放電產(chǎn)生了112 mL H2，則通過0.01 mol電子時(shí)，Cu2＋已被電解完；由2e－～Cu2＋，可知n(Cu2＋)＝0.005 mol，則c(CuSO4)＝ ＝
0.025 mol·L－1。
(3)若A中KCl溶液的體積也是200 mL，電解后溶液中仍有Cl－，則電解后溶液的pH＝_____(Kw＝1.0×10－14)。
應(yīng)用體驗(yàn)
13
由得失電子守恒知，A中生成0.02 mol OH－，則c(OH－)＝ ＝0.1 mol·L－1，pH＝13。
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多室裝置——離子交換膜的作用
三
1.常見的離子交換膜
離子交換膜是一種含離子基團(tuán)的、對(duì)溶液中的離子具有選擇透過功能的膜，通常由特殊高分子材料制成。
離子交換膜分為
(1)陽離子交換膜：只允許陽離子通過，不允許陰離子通過。
(2)陰離子交換膜：只允許陰離子通過，不允許陽離子通過。
(3)質(zhì)子交換膜：只允許H＋通過，不允許其他陽離子或陰離子通過。
(4)雙極隔膜：是一種新型離子交換膜，其膜主體可分為陰離子交換層、陽離子交換層和中間界面層，水解離催化劑被夾在中間的離子交換聚合物中，水電離的產(chǎn)物H＋和OH－可在電場力的作用下快速遷移到兩側(cè)溶液中，為膜兩側(cè)的半反應(yīng)提供各自理想的pH條件。
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)能選擇性地允許離子通過，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。
3.典例剖析
例1
某原電池裝置如圖所示，電池總反應(yīng)為2Ag＋Cl2===2AgCl，當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移a mol電子時(shí)，交換膜左側(cè)溶液中約減少____ mol離子。交換膜右側(cè)溶液中c(HCl)____(填“>”“＜”或“＝”)1 mol·L－1(忽略溶液體積變化)。
2a
>
負(fù)極電極反應(yīng)式為Ag－e－＋Cl－===AgCl，原電池工作時(shí)，電路中轉(zhuǎn)移a mol電子，則負(fù)極消耗a mol Cl－，形成閉合回路移向正極的n(H＋)為a mol，所以負(fù)極區(qū)即交換膜左側(cè)溶液中約減少2a mol離子；正
極區(qū)電極反應(yīng)為Cl2＋2e－===2Cl－，生成n(HCl)＝a mol，所以交換膜右側(cè)溶液c(HCl)增大，即交換膜右側(cè)溶液c(HCl)>1 mol·L－1。
(2021·廣東，16)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1 mol Co，Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上
減少16 g
C.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＋＋2H2O 2Co＋O2↑＋4H＋
√
例2
分析可知，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(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。
H3PO2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(yīng)式：___________
______________。
(2)分析產(chǎn)品室可得到H3PO2的原因：____
____________________________________________________________
_________________________。
例3
2H2O－4e－
===O2↑＋4H＋
陽極
室的H＋穿過陽膜擴(kuò)散至產(chǎn)品室，原料室的 穿過陰膜擴(kuò)散至產(chǎn)品室，二者反應(yīng)生成H3PO2
(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(chǎn)品室之間的陽膜，從而合并了陽極室與產(chǎn)品室。其缺點(diǎn)是產(chǎn)品中混有_____雜質(zhì)，該雜質(zhì)產(chǎn)生的原因是______________________。
1
2
3
1.(2023·山東師大附中期中)科研人員發(fā)明了一種Al-PbO2電池，通過X和Y兩種離子交換膜將電解質(zhì)溶液隔開，形成M、R、N三個(gè)電解質(zhì)溶液區(qū)域，電解質(zhì)分別為KOH、K2SO4、H2SO4，結(jié)構(gòu)示意圖如圖(已知a＞b)。該電池放電時(shí)，下列說法錯(cuò)誤的是
A.R區(qū)K2SO4濃度逐漸增大
B.K＋通過X膜由M區(qū)移向R區(qū)
C.N區(qū)電極反應(yīng)為PbO2＋2e－＋4H＋＋
===PbSO4＋2H2O
D.每消耗1.8 g Al，N區(qū)電解質(zhì)溶液減少19.2 g
√
跟蹤訓(xùn)練
跟蹤訓(xùn)練
結(jié)合圖示可知Al為負(fù)極，M區(qū)電解質(zhì)為KOH，電極反應(yīng)為Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－，PbO2作正極，電極反應(yīng)為PbO2＋2e－＋4H＋＋ ===PbSO4＋
2H2O。M區(qū)OH－被消耗，K＋通過X膜由M區(qū)移向R區(qū)，根據(jù)正極反應(yīng)可知，消耗H＋的物質(zhì)的量為 通過Y膜由N區(qū)移向R區(qū)，故R區(qū)K2SO4濃度增大，A、B正確；
1
2
3
跟蹤訓(xùn)練
1
2
3
2.(2023·蘇州高二月考)如圖裝置是一種微生物脫鹽電池的裝置，它可以通過處理有機(jī)廢水(以含CH3COO－的溶液為例)獲得電能，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)海水淡化。已知a、b電極為惰性電極，X、Y均為離子交換膜，下列說法錯(cuò)誤的是
A.X、Y依次為陰離子、陽離子交換膜
B.a極反應(yīng)為CH3COO－＋2H2O－8e－
===2CO2＋7H＋，產(chǎn)生的H＋向b極移動(dòng)
C.b極為正極
D.當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時(shí)，在b極室可以生成40 g NaOH
√
跟蹤訓(xùn)練
1
2
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跟蹤訓(xùn)練
根據(jù)圖示可知，在a極上CH3COO－失去電子被氧化，生成CO2和H＋，碳元素化合價(jià)升高，所以a極為該原電池的負(fù)極，則b極為正極。為了實(shí)現(xiàn)海水的淡化，海水中的氯離子需要移向負(fù)極，
即a極，則隔膜X為陰離子交換膜，鈉離子需要移向正極，即b極，則隔膜Y為陽離子交換膜，A、C正確；
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跟蹤訓(xùn)練
a極為負(fù)極，電極反應(yīng)式為CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2＋7H＋，由于隔膜X是陰離子交換膜，所以阻礙生成的H＋向正極移動(dòng)，B錯(cuò)誤；
當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時(shí)，會(huì)有1 mol
Na＋進(jìn)入b極室形成1 mol NaOH，其質(zhì)量是40 g，D正確。
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3.科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn-CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如下，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。
下列說法錯(cuò)誤的是
A.放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為Zn－2e－＋4OH－===
B.放電時(shí)，1 mol CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移
的電子為2 mol
C.充電時(shí)，電池總反應(yīng)為 ===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D.充電時(shí)，陽極溶液中OH－濃度升高
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由裝置示意圖可知，放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為Zn－2e－＋4OH－=== ，A項(xiàng)正確；
放電時(shí)CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，C元素化
合價(jià)降低2，則1 mol CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH時(shí)，轉(zhuǎn)移電子為2 mol，B項(xiàng)正確；
充電時(shí)陽極上發(fā)生反應(yīng)2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，OH－濃度降低，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
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課時(shí)對(duì)點(diǎn)練
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題組一　電解池與原電池的綜合應(yīng)用
1.如圖，將鐵棒和石墨棒插入盛有飽和NaCl溶液的U形管中，下列分析錯(cuò)誤的是
A.閉合K1構(gòu)成原電池，閉合K2構(gòu)成電解池
B.閉合K1，鐵棒上發(fā)生的反應(yīng)為Fe－2e－===Fe2＋
C.閉合K2，鐵棒不會(huì)被消耗
D.閉合K1，石墨棒周圍溶液pH逐漸減小
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對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練
閉合K1構(gòu)成原電池，鐵棒是負(fù)極，鐵失去電子，鐵棒上發(fā)生的反應(yīng)為Fe－2e－===Fe2＋，閉合K2構(gòu)成電解池，鐵棒與電源的負(fù)極相連，作陰極不會(huì)被消耗，A、B、C正確；
閉合K1構(gòu)成原電池，石墨棒是正極，電極反應(yīng)為O2＋4e－＋2H2O===
4OH－，石墨棒周圍溶液pH逐漸升高，D錯(cuò)誤。
2.(2024·黑龍江、吉林1月適應(yīng)性測試)如圖，b為H＋/H2標(biāo)準(zhǔn)氫電極，可發(fā)生還原反應(yīng)(2H＋＋2e－===H2↑)或氧化反應(yīng)(H2－2e－===2H＋)，a、c分別為AgCl/Ag、AgI/Ag電極。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1與2相連a電極質(zhì)量減小，2與3相連c電極質(zhì)量增大。下列說法正確的是
A.1與2相連，鹽橋1中陽離子向b電極移動(dòng)
B.2與3相連，電池反應(yīng)為2Ag＋2I－＋2H＋
===2AgI＋H2↑
C.1與3相連，a電極減小的質(zhì)量等于c電極增大的質(zhì)量
D.1與2、2與3相連，b電極均為e－流出極
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1與2相連，左側(cè)兩池構(gòu)成原電池，a電極質(zhì)量減小，AgCl轉(zhuǎn)化為Ag，說明a為正極，b為負(fù)極，鹽橋1中陽離子向a電極移動(dòng)，A錯(cuò)誤；
2與3相連，右側(cè)兩池構(gòu)成原電池，c電極質(zhì)量增大，Ag轉(zhuǎn)化為AgI，說明c為負(fù)極，b為正極，生成氫氣，電池反應(yīng)為2Ag＋2I－＋2H＋===2AgI＋H2↑，B正確；
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1與3相連，由于AgI更難溶，AgCl轉(zhuǎn)化為AgI，a極為正極，AgCl轉(zhuǎn)化為Ag，a極質(zhì)量減小，c極為負(fù)極，Ag轉(zhuǎn)化為AgI，c極質(zhì)量增加，a電極減小的質(zhì)量小于c電極增
大的質(zhì)量，C錯(cuò)誤；
1與2相連，b為負(fù)極，b電極為e－流出極，2與3相連，c為負(fù)極，c電極為e－流出極，D錯(cuò)誤。
題組二　離子交換膜電化學(xué)裝置的分析
3.催化還原二氧化碳是解決溫室效應(yīng)及能源問題的重要手段之一，中國科學(xué)家設(shè)計(jì)出如圖裝置實(shí)現(xiàn)CO2的轉(zhuǎn)化，電池總反應(yīng)為CO2＋NaCl
CO＋NaClO。下列說法錯(cuò)誤的是
A.該裝置工作時(shí)，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜由陽
極室移向陰極室
B.催化電極Ⅰ上發(fā)生的電極反應(yīng)為CO2＋2e－
＋2H＋===CO＋H2O
C.太陽能電池的正極為A極
D.該裝置不僅還原CO2，還產(chǎn)生了次氯酸鹽
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根據(jù)圖中的物質(zhì)變化可知，催化電極Ⅰ為陰極，催化電極Ⅱ?yàn)殛枠O，A極為負(fù)極，B極為正極。在電解池中，陽離子向陰極移動(dòng)，則質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜由陽極室移向
陰極室，A項(xiàng)正確；
陰極的電極反應(yīng)為CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，B項(xiàng)正確；
由電池總反應(yīng)可知，D項(xiàng)正確。
4.(2023·成都高二檢測)“容和一號(hào)”鐵鉻液流電池的總反應(yīng)為Fe3＋＋Cr2＋
Fe2＋＋Cr3＋。閉合K1，斷開K2時(shí)，工作原理如圖所示，其中a電極上涂有固態(tài)氫化鉍(BiHx)。下列說法錯(cuò)誤的是
A.充電時(shí)，a電極連接電源的負(fù)極
B.放電時(shí)，正極反應(yīng)式為Fe3＋＋e－===Fe2＋
C.放電時(shí)，H＋從a極區(qū)移向b極區(qū)
D.充電時(shí)，BiHx只起導(dǎo)電的作用
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充電時(shí)為電解池，根據(jù)總反應(yīng)：Fe3＋＋Cr2＋
Fe2＋＋Cr3＋可知，Cr3＋發(fā)生得電子的還原反應(yīng)生成Cr2＋，a電極為陰極，應(yīng)連接電源的負(fù)極，A正確；
放電時(shí)，b電極為正極，F(xiàn)e3＋發(fā)生得電子的
還原反應(yīng)生成Fe2＋，電極反應(yīng)為Fe3＋＋e－===Fe2＋，B正確；
電池放電時(shí)，a電極為負(fù)極，b電極為正極，則H＋從a極區(qū)移向b極區(qū)，C正確；
充電時(shí)，BiHx起導(dǎo)電和轉(zhuǎn)移電子的作用，D錯(cuò)誤。
題組三　串聯(lián)電化學(xué)裝置的分析
5.用堿性氫氧燃料電池為電源進(jìn)行電解的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖所示。下列說法正確的是
A.燃料電池工作時(shí)負(fù)極反應(yīng)為H2===
2H＋＋2e－
B.若要實(shí)現(xiàn)鐵上鍍銅，則a極是鐵，b極是銅
C.若要實(shí)現(xiàn)電解精煉銅，則a極發(fā)生氧化反應(yīng)，b極上有銅析出
D.a、b兩極均是石墨時(shí)，在相同條件下，當(dāng)電池中消耗22.4 L(標(biāo)準(zhǔn)狀
況)H2時(shí)，a極析出64 g銅
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堿性氫氧燃料電池工作時(shí)負(fù)極通入H2，電極反應(yīng)式為H2－2e－＋2OH－===2H2O，A錯(cuò)誤；
若要實(shí)現(xiàn)鐵上鍍銅，則a極(陽極)是銅，b極(陰極)是鐵，B錯(cuò)誤；
若要實(shí)現(xiàn)電解精煉銅，則a極連接粗銅，發(fā)生氧化反應(yīng)，b極為陰極，Cu2＋得電子，b極上有銅析出，C正確；
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a、b兩極均是石墨時(shí)，在相同條件下，當(dāng)電池中消耗22.4 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)H2時(shí)，外電路轉(zhuǎn)移2 mol e－，b極為陰極，析出64 g銅，a極為陽極，不能析出銅，D錯(cuò)誤。
6.如圖為相互串聯(lián)的三個(gè)裝置，下列說法正確的是
A.甲池中A極的電極反應(yīng)式為CH4－
8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
B.若利用乙池在鐵片上鍍銀，則C是
鐵片
C.向丙池中滴加酚酞，石墨附近溶液先變紅
D.若甲池消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下1.4 L CH4，則丙池中陽極上產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的
量為0.15 mol
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結(jié)合圖示裝置可知甲池為燃料電池，乙池和丙池均為電解池。甲池中CH4在堿性條件下失電子發(fā)生
氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為CH4＋10OH－－8e－=== ＋7H2O，A錯(cuò)誤；
若利用乙池在鐵片上鍍銀，鐵片作陰極，即D是鐵片，B錯(cuò)誤；
丙池中Fe電極與電源負(fù)極相連，為陰極，石墨電極為陽極，在石墨電極生成Cl2，在Fe電極生成H2和NaOH，則向丙池中滴加酚酞，鐵電極附近溶液先變紅，C錯(cuò)誤；
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若甲池消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下1.4 L CH4，反應(yīng)中失去電子的物質(zhì)的量為
×8＝0.5 mol，串聯(lián)
電路中轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量相等，則丙池陽極也失去0.5 mol電子，丙池中陽極開始時(shí)的電極反應(yīng)為2Cl－－2e－===Cl2↑，溶液中含n(Cl－)＝0.1 mol，產(chǎn)生0.05 mol Cl2，然后水電離出的OH－放電，電極反應(yīng)為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，可知轉(zhuǎn)移0.4 mol 電子時(shí)生成0.1 mol O2，即陽極上共生成氣體為(0.05＋0.1) mol＝0.15 mol，D正確。
題組四　電化學(xué)計(jì)算的基本方法
7.LiPON薄膜鋰離子電池是目前研究最廣泛的全固態(tài)薄膜鋰離子電池。其工作示意圖如圖，LiPON薄膜只允許Li＋通過，電池總反應(yīng)為LixSi＋Li1－xCoO2 Si＋LiCoO2。下列有關(guān)說法正確的是
A.LiPON薄膜在充、放電過程中質(zhì)量發(fā)生變化
B.導(dǎo)電介質(zhì)c可為Li2SO4水溶液
C.放電時(shí)b極為正極，電極反應(yīng)為Li1－xCoO2＋
xe－＋xLi＋===LiCoO2
D.充電時(shí)，當(dāng)外電路通過0.2 mol 電子時(shí)，非晶硅薄膜上質(zhì)量減少1.4 g
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由電池總反應(yīng)為LixSi＋Li1－xCoO2
Si＋LiCoO2可知，充電時(shí)a極為陰極，電極反應(yīng)式為xLi＋＋xe－＋Si===LixSi，b極為陽極，電極反應(yīng)式為LiCoO2－xe－===
Li1－xCoO2＋xLi＋；放電時(shí)a極為負(fù)極，電
極反應(yīng)式為LixSi－xe－===Si＋xLi＋，b極為正極，電極反應(yīng)式為Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2。LiPON薄膜在充、放電過程中并未參與電極反應(yīng)，故其質(zhì)量不發(fā)生變化，A錯(cuò)誤；
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由于2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，故導(dǎo)電介質(zhì)c不能為Li2SO4水溶液，B錯(cuò)誤；
充電時(shí)，Li＋得電子生成Li嵌入非晶硅薄膜材料中，當(dāng)外電路通過0.2 mol 電子時(shí)，非晶硅薄膜上質(zhì)量增加0.2 mol×7 g·mol－1＝1.4 g，D錯(cuò)誤。
8.用如圖所示裝置電解硫酸銅和氯化鈉的混合溶液，當(dāng)線路中有1.2 mol 電子通過時(shí)，甲電極增重并有4.48 L(已折算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積，下同)氣體生成，乙電極上生成氣體7.84 L，則原溶液中硫酸銅與氯化鈉的物質(zhì)的量之比為
A.2∶1 B.4∶1
C.2∶3 D.4∶3
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該電解池陰極的電極反應(yīng)式為①Cu2＋＋2e－===Cu、②2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，陽極的電極反應(yīng)式為③2Cl－－2e－===Cl2↑、④2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，甲電極增重，并有4.48 L氣體生成，則甲電
對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練
極為陰極，乙電極為陽極，甲電極上生成的氫氣為0.2 mol，乙電極上生成氣體7.84 L(氯氣和氧氣，共0.35 mol)，反應(yīng)共轉(zhuǎn)移1.2 mol電子，陰極上反應(yīng)②共得到0.4 mol電子，則反應(yīng)①共得到電子1.2 mol－0.4 mol＝0.8 mol，可計(jì)算出原溶液中Cu2＋的物質(zhì)的量為0.4 mol；
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設(shè)陽極產(chǎn)生氯氣的物質(zhì)的量為x，產(chǎn)生氧氣的物質(zhì)的量為y，則x＋y＝0.35 mol,2x＋4y＝1.2 mol，聯(lián)立兩個(gè)方程，解得x＝0.1 mol，y＝0.25 mol，所以溶液中Cl－為0.2 mol，則原溶液中硫酸銅與氯化鈉的物質(zhì)的量之比為0.4∶0.2＝2∶1，A正確。
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9.(2023·武漢高二質(zhì)檢)用陰離子交換膜控制電解液中OH－的濃度制備納米Cu2O，反應(yīng)為2Cu＋H2O Cu2O＋H2↑，裝置如圖，下列說法正確的是
A.電解時(shí)OH－通過交換膜向Ti極移動(dòng)
B.陽極反應(yīng)式為2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O
C.陰極OH－放電，有O2生成
D.Ti電極和Cu電極上生成物的物質(zhì)的量之比為2∶1
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Cu極與外加電源的正極相連，Cu極為陽極，Ti極與外加電源的負(fù)極相連，Ti極為陰極。電解時(shí)陰離子向陽極移動(dòng)，則OH－通過陰離子交換膜向Cu極移動(dòng)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；
Cu極為陽極，電極反應(yīng)式為2Cu－2e－＋2OH－
===Cu2O＋H2O，B項(xiàng)正確；
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Ti極為陰極，電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，陰極有H2生成，C項(xiàng)錯(cuò)誤；
根據(jù)電極反應(yīng)式和得失電子守恒可知，Ti極生成的H2和Cu極生成的Cu2O的物質(zhì)的量之比為1∶1，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
綜合強(qiáng)化
10.雙極膜(BP)是陰、陽復(fù)合膜，在直流電的作用下，陰、陽膜復(fù)合層間的H2O解離成H＋和OH－，作為H＋和OH－離子源。利用雙極膜電滲析法電解食鹽水可獲得淡水、NaOH和HCl，其工作原理如圖所示，M、N為離子交換膜。下列說法錯(cuò)誤的是
A.Y電極與電源正極相連，發(fā)生的反應(yīng)為
4OH－－4e－===O2↑＋2H2O
B.M為陰離子交換膜，N為陽離子交換膜
C.“雙極膜電滲析法”可用于用鹽(MX)溶液制備相應(yīng)的酸(HX)和堿(MOH)
D.若去掉雙極膜(BP)，電路中每轉(zhuǎn)移1 mol電子，兩極共得到1 mol氣體
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由工作原理圖可知，溶液中OH－向右移動(dòng)，則Y電極為陽極，NaCl濃溶液經(jīng)過電解變?yōu)榈虼穗娊膺^程中鹽室中氯離子向Y電極移動(dòng)，N為陰離子交
綜合強(qiáng)化
換膜；X電極為陰極，鹽室中的Na＋向X電極移動(dòng)，M為陽離子交換膜。Y電極為陽極，與電源正極相連，發(fā)生的反應(yīng)為4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，A正確，B錯(cuò)誤；
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“雙極膜電滲析法”利用陰、陽離子的定向移動(dòng)，可用于用鹽(MX)溶液制備相應(yīng)的酸(HX)和堿(MOH)，C正確；
綜合強(qiáng)化
若去掉雙極膜(BP)，電路中每轉(zhuǎn)移1 mol電子，陽極可產(chǎn)生0.5 mol氯氣，陰極產(chǎn)生0.5 mol的氫氣，共得到1 mol氣體，D正確。
11.已知H2O2是一種弱酸，在強(qiáng)堿溶液中主要以 形式存在。現(xiàn)以Al-H2O2電池電解尿素[CO(NH2)2]的堿性溶液制備H2，下列說法不正確的是
A.電解過程中，電子的流向?yàn)閍→
d→c→b
B.電池的正極反應(yīng)為 ＋2e－＋
H2O===3OH－
C.電解時(shí)，消耗5.4 g Al，則產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下2.24 L N2
D.c電極是陽極，且反應(yīng)后該電極區(qū)溶液pH減小
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綜合強(qiáng)化
根據(jù)題給裝置可知，左側(cè)為原電池，右側(cè)為電解池，d電極上產(chǎn)生H2，根據(jù)電解原理，d電極為
陰極，則c電極為陽極，a電極為負(fù)極，b電極為正極，電解質(zhì)溶液中沒有電子通過，電子流向?yàn)閍→d，c→b，A錯(cuò)誤；
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綜合強(qiáng)化
12.如圖中，甲、乙是兩個(gè)完全相同的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，利用它們對(duì)煤漿進(jìn)行脫硫處理。下列敘述錯(cuò)誤的是
A.光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置中a為負(fù)極
B.石墨1上消耗1 mol Mn2＋，甲、乙中各轉(zhuǎn)
移0.5 mol電子
C.脫硫反應(yīng)原理為15Mn3＋＋FeS2＋8H2O
===15Mn2＋＋Fe3＋＋ ＋16H＋
D.處理60 g FeS2，石墨2上消耗7.5 mol H＋
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綜合強(qiáng)化
甲、乙兩個(gè)串聯(lián)的光伏發(fā)電裝置可直接等價(jià)于直流電源，由裝置圖可知，石墨1上發(fā)生氧化反應(yīng)，即陽極反應(yīng)：Mn2＋－e－===Mn3＋，其連接外接電源的正極，石墨2上發(fā)生還原反應(yīng)，即陰極反應(yīng)：
2H＋＋2e－===H2↑，其連接外接電源的
負(fù)極，結(jié)合脫硫裝置圖可知，脫硫反應(yīng)原理為15Mn3＋＋FeS2＋8H2O===15Mn2＋＋Fe3＋＋ ＋16H＋。
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石墨1上消耗1 mol Mn2＋，電極反應(yīng)：Mn2＋－e－===Mn3＋，甲、乙兩個(gè)發(fā)電裝置是串聯(lián)模式，故甲中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)應(yīng)等于乙中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，即甲、乙各轉(zhuǎn)移1 mol 電子，B錯(cuò)誤；
n(FeS2)＝ ＝0.5 mol，再根據(jù)脫硫反應(yīng)方程式可得，裝置中轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.5 mol×(1＋7×2)＝7.5 mol，所以石墨2上發(fā)生還原反應(yīng)：2H＋＋2e－===H2↑，需消耗7.5 mol H＋，D正確。
13.(20分)鈉硫電池作為一種新型儲(chǔ)能電池，其應(yīng)用逐漸得到重視和發(fā)展。鈉硫電池以熔融金屬鈉、熔融硫和多硫化鈉(Na2Sx)分別作為兩個(gè)電極的反應(yīng)物，固體Al2O3陶瓷(可傳導(dǎo)Na＋)為電解質(zhì)，其反應(yīng)原理如圖甲所示：
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(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，請(qǐng)你判斷該電池工作的適宜溫度應(yīng)控制在___(填字母)。
A.100 ℃以下 B.100～300 ℃
C.300～350 ℃ D.350～2 050 ℃
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物質(zhì) Na S Al2O3
熔點(diǎn)/℃ 97.8 115 2 050
沸點(diǎn)/℃ 892 444.6 2 980
C
原電池工作時(shí)，控制的溫度應(yīng)滿足Na、S為熔融狀態(tài)，則溫度應(yīng)高于115 ℃而低于444.6 ℃，只有C項(xiàng)符合題意。
(2)放電時(shí)，電極A為____極，電極B發(fā)生_______(填“氧化”或“還原”)反應(yīng)。
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綜合強(qiáng)化
負(fù)
還原
放電時(shí)，Na在電極A發(fā)生氧化反應(yīng)，故電極A為原電池的負(fù)極，電極B是正極，發(fā)生還原反應(yīng)。
(3)充電時(shí)，總反應(yīng)為Na2Sx 2Na＋xS，則陽極的電極反應(yīng)式：_______________。
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綜合強(qiáng)化
(4)若把鈉硫電池作為電源，電解槽內(nèi)裝有KI及淀粉的混合溶液，如圖乙所示，槽內(nèi)中間用陰離子交換膜隔開。通電一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)左側(cè)溶液變藍(lán)色，一段時(shí)間后，藍(lán)色逐漸變淺。試分析左側(cè)溶液藍(lán)色逐漸變淺的可能原因是___________________________________
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綜合強(qiáng)化
右側(cè)溶液中生成的OH－通過陰離子交換膜進(jìn)入左側(cè)溶液，并與左側(cè)溶液中的I2反應(yīng)
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綜合強(qiáng)化
左側(cè)溶液變藍(lán)色，說明生成I2，左側(cè)電極為陽極，電極反應(yīng)式為2I－－2e－===I2，右側(cè)電極為陰極，電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，右側(cè)I－、OH－通過陰離子交換膜向左側(cè)移動(dòng)，發(fā)生反應(yīng)：3I2＋6OH－=== ＋5I－＋3H2O，故一段時(shí)間后，藍(lán)色逐漸變淺。
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