資源簡(jiǎn)介

第39講　多池、多室的電化學(xué)裝置
1.了解串聯(lián)裝置的連接特點(diǎn)，了解離子交換膜的特點(diǎn)及作用。
2．掌握多池、多室問題分析的一般方法。
3．能熟練用電子守恒、關(guān)系式法等進(jìn)行有關(guān)電化學(xué)計(jì)算。
考點(diǎn)一　多池串聯(lián)的兩大模型及原理分析
1.常見多池串聯(lián)裝置圖
模型一　外接電源與電解池的串聯(lián)(如圖)
A、B為兩個(gè)串聯(lián)電解池，相同時(shí)間內(nèi)，各電極得失電子數(shù)相等。
模型二　原電池與電解池的串聯(lián)(如圖)
甲、乙兩圖中，A均為原電池，B均為電解池。
2．二次電池的充電
(1)可充電電池原理示意圖
充電時(shí)，原電池負(fù)極與外接電源負(fù)極相連，原電池正極與外接電源正極相連，記作“正接正，負(fù)接負(fù)”。
(2)可充電電池有充電和放電兩個(gè)過程，放電時(shí)是原電池反應(yīng)，充電時(shí)是電解池反應(yīng)。充電、放電不是可逆反應(yīng)。
(3)放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)和充電時(shí)的陰極反應(yīng)相反，放電時(shí)的正極反應(yīng)和充電時(shí)的陽極反應(yīng)相反。將負(fù)(正)極反應(yīng)式變換方向并將電子移項(xiàng)即可得出陰(陽)極反應(yīng)式。
3．電化學(xué)計(jì)算的三種方法
如以電路中通過4 mol e－為橋梁可構(gòu)建以下關(guān)系式：
(式中M為金屬，n為其離子的化合價(jià)數(shù)值)
該關(guān)系式具有總覽電化學(xué)計(jì)算的作用和價(jià)值，熟記電極反應(yīng)式，靈活運(yùn)用關(guān)系式便能快速解答常見的電化學(xué)計(jì)算問題。
感悟：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【教考銜接】
典例[2022·山東卷，13]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。下列說法正確的是(　　)
a．裝置工作時(shí)，甲室溶液pH逐漸增大
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
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(shí)已進(jìn)行過溶液轉(zhuǎn)移
【解題關(guān)鍵】　右側(cè)裝置為原電池，帶細(xì)菌電極為負(fù)極，LiCoO2電極為正極；左側(cè)裝置為電解池，帶細(xì)菌電極為陽極，CoCl2電極為陰極；兩個(gè)電池為串聯(lián)連接。
聽課筆記　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【對(duì)點(diǎn)演練】
1．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3.2 g N2H4時(shí)，乙池中理論上最多產(chǎn)生6.4 g固體
2．鉛酸蓄電池是典型的可充電電池，正、負(fù)極是惰性材料，電池總反應(yīng)式為Pb＋PbO2＋2H2SO4放電,充電2PbSO4＋2H2O，回答下列問題(不考慮氫、氧的氧化還原)：
(1)放電時(shí)，正極的電極反應(yīng)式是____________________________________________。電解液中H2SO4的濃度將變________；當(dāng)外電路通過1 mol電子時(shí)，理論上負(fù)極板的質(zhì)量增加________ g。
(2)在完全放電耗盡PbO2和Pb時(shí)，若按如圖連接，電解一段時(shí)間后，則在A電極上生成________，B電極上生成________，此時(shí)鉛酸蓄電池的正、負(fù)極的極性將________(填“不變”或“對(duì)換”)。
3．在如圖所示的裝置中，若通直流電5 min時(shí)，銅電極的質(zhì)量增加2.16 g。試回答下列問題。
(1)電源中X為直流電源的________極。
(2)pH變化：A________(填“增大”“減小”或“不變”，下同)，B________，C________。
(3)通電5 min時(shí)，B中共收集224 mL(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)氣體，溶液體積為200 mL，則通電前CuSO4溶液的物質(zhì)的量濃度為____________(設(shè)電解前后溶液體積無變化)。
(4)常溫下，若A中KCl足量且溶液的體積也是200 mL，電解后，溶液的pH為________(設(shè)電解前后溶液體積無變化)。
考點(diǎn)二　多室電化學(xué)裝置
為實(shí)現(xiàn)特定功能需求，在電化學(xué)裝置中增加離子交換膜，將原電池或電解池分隔成兩個(gè)或多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的室。
1．離子交換膜的分類和應(yīng)用
2．分析某室質(zhì)量變化的關(guān)鍵
分析某室質(zhì)量的變化，既要考慮該區(qū)(或該電極)的化學(xué)反應(yīng)，又要考慮通過“交換膜”的離子帶來的質(zhì)量變化。
【教考銜接】
典例1 [2022·湖南卷，8]海水電池在海洋能源領(lǐng)域備受關(guān)注，一種鋰—海水電池構(gòu)造示意圖如下。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．海水起電解質(zhì)溶液作用
B．N極僅發(fā)生的電極反應(yīng)：
2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C．玻璃陶瓷具有傳導(dǎo)離子和防水的功能
D．該鋰—海水電池屬于一次電池
【解題思路】　鋰—海水電池的總反應(yīng)為4Li＋O2＋2H2O===4LiOH。 M極上Li失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則M電極為負(fù)極，電極反應(yīng)為L(zhǎng)i－e－===Li＋；N極為正極，電極反應(yīng)為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
聽課筆記　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【師說·延伸】　①本題關(guān)鍵是正確解讀玻璃陶瓷的作用，從而確定正極反應(yīng)物是O2；②將鋰—海水電池的總反應(yīng)定為2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑是典型的錯(cuò)誤。
典例2 微生物脫鹽池是在微生物燃料電池的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新興生物電化學(xué)系統(tǒng)，示意圖如圖所示。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．該裝置能實(shí)現(xiàn)從海水中得到淡水，同時(shí)去除有機(jī)物，而且還可提供電能
B．電極b為正極
C.負(fù)極反應(yīng)為CH3COO－＋7OH－－8e－===2CO2↑＋5H2O
D．Y為陽離子交換膜
【解題思路】　燃料電池通入O2的電極為正極，因此b為正極；CH3COO－反應(yīng)的電極為負(fù)極，即a為負(fù)極。
聽課筆記　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【對(duì)點(diǎn)演練】
考向一　單膜電解池
1．已知：電流效率＝電路中通過的電子數(shù)與消耗負(fù)極失去電子總數(shù)之比。現(xiàn)有兩個(gè)電池Ⅰ、Ⅱ，裝置如圖所示。
下列說法正確的是(　　)
A．Ⅰ和Ⅱ的電池反應(yīng)不相同
B．能量轉(zhuǎn)化形式不同
C．Ⅰ的電流效率低于Ⅱ的電流效率
D．5 min后，Ⅰ、Ⅱ中都只含1種溶質(zhì)
2．[2024·九省聯(lián)考吉林卷，14]某生物質(zhì)電池原理如下圖所示，充、放電時(shí)分別得到高附加值的醇和羧酸。下列說法正確的是(　　)
A．放電時(shí)，正極電極反應(yīng)為：
＋H2O－2e－===＋2H＋
B．放電時(shí)，Co0.2Ni0.8(OH)2轉(zhuǎn)化為Co0.2Ni0.8OOH
C．充電時(shí)，K＋通過交換膜從左室向右室遷移
D．充電時(shí)，陰極電極反應(yīng)為：＋2H2O＋2e－===＋2OH－
考向二　多膜電解池
3．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(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________________________________。
考向三　雙極膜電解池
4．為適應(yīng)不同發(fā)電形式產(chǎn)生的波動(dòng)性，我國科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種電化學(xué)裝置，其原理如圖所示。當(dāng)閉合K1和K3、打開K2時(shí)，裝置處于蓄電狀態(tài)；當(dāng)打開K1和K3、閉合K2時(shí)，裝置處于放電狀態(tài)。放電時(shí)，雙極膜中間層中的H2O解離為H＋和OH－并分別向兩側(cè)遷移。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．蓄電時(shí)，碳錳電極的電極反應(yīng)式為Mn2＋＋2H2O－2e－＝MnO2＋4H＋
B．蓄電時(shí)，右側(cè)電解池發(fā)生的總反應(yīng)為2ZnO通電2Zn＋O2↑
C．放電時(shí)，每消耗1 mol MnO2，理論上有4 mol H＋由雙極膜向碳錳電極遷移
D．理論上，該電化學(xué)裝置運(yùn)行過程中需要補(bǔ)充H2SO4和KOH
5．利用微生物電化學(xué)處理有機(jī)廢水，同時(shí)可淡化海水并獲得酸堿。現(xiàn)以NaCl溶液模擬海水、采用惰性電極，用如下圖所示的裝置處理有機(jī)廢水(以含有機(jī)酸CH3COOH溶液為例)，在直流電場(chǎng)作用下，雙極膜間的水解離成H＋和OH－。下列說法正確的是(　　)
A．膜a為陰離子交換膜，膜b為陽離子交換膜
B．產(chǎn)品室生成的物質(zhì)為鹽酸
C．當(dāng)陰極產(chǎn)生22.4 L氣體時(shí)，理論上可除去模擬海水中117 g NaCl
D．陽極反應(yīng)式為：CH3COOH＋2H2O＋8e－===2CO2↑＋8H＋
第39講　多池、多室的電化學(xué)裝置
考點(diǎn)一
突破·關(guān)鍵能力
教考銜接
典例　解析：假設(shè)乙酸鹽為CH3COONa。甲室陽極反應(yīng)為CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，陰極反應(yīng)為Co2＋＋2e－===Co，電池反應(yīng)為CH3COO－＋4Co2＋＋2H2O===2CO2↑＋4Co＋7H＋，溶液pH逐漸減小，a錯(cuò)誤；乙室負(fù)極反應(yīng)為CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，正極反應(yīng)為L(zhǎng)iCoO2＋e－＋4H＋===Li＋＋Co2＋＋2H2O，電池反應(yīng)為CH3COO－＋8LiCoO2＋25H＋===2CO2↑＋8Li＋＋8Co2＋＋14H2O，b正確、c錯(cuò)誤；若甲室Co2＋減少200 mg，轉(zhuǎn)移電子n（e－）＝×2＝0.006 8 mol ，乙室Co2＋增加300 mg，轉(zhuǎn)移電子n（e－）＝×1＝0.005 1 mol，說明此時(shí)已進(jìn)行過溶液轉(zhuǎn)移，d正確。
答案：bd
對(duì)點(diǎn)演練
1．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，石墨電極為陽極，Ag電極為陰極，陰極上Cu2＋得電子生成銅，無氣體生成，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。
答案：C
2．解析：（1）根據(jù)總反應(yīng)式可知放電時(shí)，正極PbO2得到電子，電極反應(yīng)式是PbO2＋4H＋＋＋2e－===PbSO4＋2H2O，負(fù)極電極反應(yīng)式是Pb＋－2e－===PbSO4；由反應(yīng)式知放電時(shí)消耗H2SO4，則H2SO4濃度變小；當(dāng)外電路通過1 mol電子時(shí)，理論上負(fù)極板的質(zhì)量增加0.5 mol×96 g·mol－1＝48 g。（2）若按題圖連接，B為陽極，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，A為陰極，得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，B電極上發(fā)生的反應(yīng)為PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋，A電極發(fā)生的反應(yīng)為PbSO4＋2e－===Pb＋，所以A電極上生成Pb，B電極上生成PbO2，此時(shí)鉛酸蓄電池的正、負(fù)極的極性將對(duì)換。
答案：（1）PbO2＋4H＋＋＋2e－===PbSO4＋2H2O　小　48　（2）Pb　PbO2　對(duì)換
3．解析：（1）三個(gè)裝置是串聯(lián)的電解池。電解AgNO3溶液時(shí)，Ag＋在陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成Ag，所以質(zhì)量增加的銅電極是陰極，由此推知X是電源負(fù)極。（2）電解KCl溶液生成KOH，溶液pH增大；電解CuSO4、K2SO4溶液生成H2SO4，溶液pH減小；電解AgNO3溶液，銀為陽極，不斷溶解，Ag＋在陰極不斷析出，AgNO3溶液濃度基本不變，pH不變。（3）通電5 min時(shí)，C中析出0.02 mol Ag，電路中通過0.02 mol電子；B中共收集0.01 mol氣體，若該氣體全為氧氣，則電路中需通過0.04 mol電子，電子轉(zhuǎn)移不守恒，因此，B中電解分為兩個(gè)階段，先電解CuSO4溶液，生成O2，后電解水，生成O2和H2，B中收集到的氣體是O2和H2的混合物。設(shè)電解CuSO4溶液時(shí)生成O2的物質(zhì)的量為x mol，電解H2O時(shí)生成O2的物質(zhì)的量為y mol，則4x＋4y＝0.02（電子轉(zhuǎn)移守恒），x＋3y＝0.01（氣體體積之和），解得x＝y(tǒng)＝0.002 5，所以n（CuSO4）＝2×0.002 5 mol＝0.005 mol，c（CuSO4）＝＝0.025 mol·L－1。（4）常溫下，通電5 min時(shí)，A中放出0.01 mol H2，溶液中生成0.02 mol KOH，c（OH－）＝＝0.1 mol·L－1，pH＝13。
答案：（1）負(fù)　（2）增大　減小　不變　（3）0.025 mol·L－1　（4）13
考點(diǎn)二
突破·關(guān)鍵能力
教考銜接
典例1　解析：海水中含有大量的電解質(zhì)，故A項(xiàng)正確；Li是活潑金屬，作負(fù)極，則N極是正極，正極上海水中溶解的O2、CO2等均能放電，B項(xiàng)錯(cuò)誤；由于Li易與水反應(yīng)，故玻璃陶瓷應(yīng)具有良好的防水功能，同時(shí)為形成閉合的回路，也應(yīng)具有傳導(dǎo)離子的功能，C項(xiàng)正確；該電池屬于一次電池，D項(xiàng)正確。
答案：B
典例2　解析：該裝置為原電池，a極有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳，海水中的Na＋和Cl－通過離子交換膜分別移向正極和負(fù)極，能實(shí)現(xiàn)從海水中得到淡水，同時(shí)去除有機(jī)物，而且還可提供電能，A正確；根據(jù)分析，電極b通入氧氣，得電子，為正極，B正確；由圖可知，負(fù)極為有機(jī)弱酸性廢水CH3COO－的電極，失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，溶液為酸性，電極反應(yīng)為CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，C錯(cuò)誤；原電池中陽離子移向正極、陰離子移向負(fù)極，從而達(dá)到脫鹽目的，所以Y為陽離子交換膜、X為陰離子交換膜，D正確。
答案：C
對(duì)點(diǎn)演練
1．解析：Ⅰ、Ⅱ裝置中電極材料相同，電解質(zhì)溶液部分相同，電池反應(yīng)，負(fù)極反應(yīng)和正極反應(yīng)式相同，A項(xiàng)錯(cuò)誤；Ⅰ和Ⅱ裝置的能量轉(zhuǎn)化形式都是化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，B項(xiàng)錯(cuò)誤；Ⅰ裝置中銅與氯化鐵直接接觸，會(huì)在銅極表面發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致部分能量損失（或部分電子沒有通過電路），導(dǎo)致電流效率降低。而Ⅱ裝置采用陰離子交換膜，銅與氯化銅接觸，不會(huì)發(fā)生副反應(yīng)，放電過程中交換膜左側(cè)負(fù)極的電極反應(yīng)式為Cu－2e－===Cu2＋，陽離子增多；右側(cè)正極的電極反應(yīng)式為2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，負(fù)電荷過剩。Cl－從交換膜右側(cè)向左側(cè)遷移，電流效率高于Ⅰ裝置，C正確；放電一段時(shí)間后，Ⅰ裝置中生成氯化銅和氯化亞鐵，Ⅱ裝置中交換膜左側(cè)生成氯化銅，右側(cè)生成了氯化亞鐵，可能含氯化鐵，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
答案：C
2．答案：D
3．解析：（2）中應(yīng)該從閉合回路的角度，陰、陽離子的流向分析；（3）注意陽極反應(yīng)生成O2，O2具有氧化性，H3PO2和H2均具有還原性，二者會(huì)被O2氧化生成。
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H2穿過陰膜擴(kuò)散至產(chǎn)品室，二者反應(yīng)生成H3PO2
（3）　H2或H3PO2被氧化
4．解析：蓄電時(shí)，左側(cè)為電解池，碳錳電極為電解池的陽極，電極反應(yīng)式為：Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋，A正確；右側(cè)裝置也是電解池，電解池發(fā)生的總反應(yīng)為：2ZnO2Zn＋O2↑，B正確；放電時(shí)，裝置組合成原電池，碳錳電極為原電池的正極，電極反應(yīng)為MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O，每有 1 mol MnO2消耗，理論上有4 mol H＋由雙極膜向碳錳電極遷移，C正確；該電化學(xué)裝置運(yùn)行過程中，、K＋均沒有參與反應(yīng)，只需要補(bǔ)充H2O，不需要補(bǔ)充H2SO4和KOH，D錯(cuò)誤。
答案：D
5．解析：由圖知，陽極上CH3COOH失去電子生成CO2，陰極上氫離子得電子生成氫氣，該電解池是利用微生物電化學(xué)處理有機(jī)廢水，同時(shí)可淡化海水并獲得酸堿，則氫離子通過雙極膜進(jìn)入產(chǎn)品室，氯離子通過膜b進(jìn)入產(chǎn)品室，則膜b為陰離子交換膜，產(chǎn)品室生成的物質(zhì)為鹽酸；膜a為陽離子交換膜，鈉離子從此進(jìn)入陰極，得到產(chǎn)品氫氧化鈉。由分析可知，膜a為陽離子交換膜，膜b為陰離子交換膜，A項(xiàng)錯(cuò)誤；氫離子通過雙極膜進(jìn)入產(chǎn)品室，氯離子通過膜b進(jìn)入產(chǎn)品室，產(chǎn)品室生成的物質(zhì)為鹽酸，B項(xiàng)正確；陰極產(chǎn)生22.4 L氣體未說明狀態(tài)，無法通過氣體摩爾體積計(jì)算，C項(xiàng)錯(cuò)誤；陽極上CH3COOH失去電子生成CO2，陽極反應(yīng)式為：CH3COOH＋8OH－－8e－===2CO2↑＋6H2O，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
答案：B(共41張PPT)
第39講　多池、多室的電化學(xué)裝置
1. 了解串聯(lián)裝置的連接特點(diǎn)，了解離子交換膜的特點(diǎn)及作用。
2．掌握多池、多室問題分析的一般方法。
3．能熟練用電子守恒、關(guān)系式法等進(jìn)行有關(guān)電化學(xué)計(jì)算。
考點(diǎn)一
考點(diǎn)二
考點(diǎn)一
考點(diǎn)一　多池串聯(lián)的兩大模型及原理分析
1.常見多池串聯(lián)裝置圖
模型一　外接電源與電解池的串聯(lián)(如圖)
A、B為兩個(gè)串聯(lián)電解池，相同時(shí)間內(nèi)，各電極得失電子數(shù)相等。
模型二　原電池與電解池的串聯(lián)(如圖)
甲、乙兩圖中，A均為原電池，B均為電解池。
2．二次電池的充電
(1)可充電電池原理示意圖
充電時(shí)，原電池負(fù)極與外接電源負(fù)極相連，原電池正極與外接電源正極相連，記作“正接正，負(fù)接負(fù)”。
(2)可充電電池有充電和放電兩個(gè)過程，放電時(shí)是原電池反應(yīng)，充電時(shí)是電解池反應(yīng)。充電、放電不是可逆反應(yīng)。
(3)放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)和充電時(shí)的陰極反應(yīng)相反，放電時(shí)的正極反應(yīng)和充電時(shí)的陽極反應(yīng)相反。將負(fù)(正)極反應(yīng)式變換方向并將電子移項(xiàng)即可得出陰(陽)極反應(yīng)式。
3．電化學(xué)計(jì)算的三種方法
如以電路中通過4 mol e－為橋梁可構(gòu)建以下關(guān)系式：
(式中M為金屬，n為其離子的化合價(jià)數(shù)值)
該關(guān)系式具有總覽電化學(xué)計(jì)算的作用和價(jià)值，熟記電極反應(yīng)式，靈活運(yùn)用關(guān)系式便能快速解答常見的電化學(xué)計(jì)算問題。
【教考銜接】
典例[2022·山東卷，13]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。下列說法正確的是(　　)
a．裝置工作時(shí)，甲室溶液pH逐漸增大
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
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(shí)已進(jìn)行過溶液轉(zhuǎn)移
答案：bd
解析：假設(shè)乙酸鹽為CH3COONa。甲室陽極反應(yīng)為CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，陰極反應(yīng)為Co2＋＋2e－===Co，電池反應(yīng)為CH3COO－＋4Co2＋＋2H2O===2CO2↑＋4Co＋7H＋，溶液pH逐漸減小，a錯(cuò)誤；乙室負(fù)極反應(yīng)為CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，正極反應(yīng)為L(zhǎng)iCoO2＋e－＋4H＋===Li＋＋Co2＋＋2H2O，電池反應(yīng)為CH3COO－＋8LiCoO2＋25H＋===2CO2↑＋8Li＋＋8Co2＋＋14H2O，b正確、c錯(cuò)誤；若甲室Co2＋減少200 mg，轉(zhuǎn)移電子n（e－）＝×2＝0.006 8 mol ，乙室Co2＋增加300 mg，轉(zhuǎn)移電子n（e－）＝×1＝0.005 1 mol，說明此時(shí)已進(jìn)行過溶液轉(zhuǎn)移，d正確。
【對(duì)點(diǎn)演練】
1．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3.2 g N2H4時(shí)，乙池中理論上最多產(chǎn)生6.4 g固體
答案：C
2．鉛酸蓄電池是典型的可充電電池，正、負(fù)極是惰性材料，電池總反應(yīng)式為Pb＋PbO2＋2H2SO4放電,充電2PbSO4＋2H2O，回答下列問題(不考慮氫、氧的氧化還原)：
(1)放電時(shí)，正極的電極反應(yīng)式是__________________________________。電解液中H2SO4的濃度將變________；當(dāng)外電路通過1 mol電子時(shí)，理論上負(fù)極板的質(zhì)量增加________ g。
PbO2＋4H＋＋＋2e－===PbSO4＋2H2O
小
48
解析：（1）根據(jù)總反應(yīng)式可知放電時(shí)，正極PbO2得到電子，電極反應(yīng)式是PbO2＋4H＋＋＋2e－===PbSO4＋2H2O，負(fù)極電極反應(yīng)式是Pb＋－2e－===PbSO4；由反應(yīng)式知放電時(shí)消耗H2SO4，則H2SO4濃度變小；當(dāng)外電路通過1 mol電子時(shí)，理論上負(fù)極板的質(zhì)量增加0.5 mol×96 g·mol－1＝48 g。
(2)在完全放電耗盡PbO2和Pb時(shí)，若按如圖連接，電解一段時(shí)間后，則在A電極上生成________，B電極上生成________，此時(shí)鉛酸蓄電池的正、負(fù)極的極性將________(填“不變”或“對(duì)換”)。
Pb
PbO2
對(duì)換
解析：（2）若按題圖連接，B為陽極，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，A為陰極，得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，B電極上發(fā)生的反應(yīng)為PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋，A電極發(fā)生的反應(yīng)為PbSO4＋2e－===Pb＋，所以A電極上生成Pb，B電極上生成PbO2，此時(shí)鉛酸蓄電池的正、負(fù)極的極性將對(duì)換。
3．在如圖所示的裝置中，若通直流電5 min時(shí)，銅電極的質(zhì)量增加2.16 g。試回答下列問題。
(1)電源中X為直流電源的________極。
(2)pH變化：A________(填“增大”“減小”或“不變”，下同)，B________，C________。
(3)通電5 min時(shí)，B中共收集224 mL(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)氣體，溶液體積為200 mL，則通電前CuSO4溶液的物質(zhì)的量濃度為____________(設(shè)電解前后溶液體積無變化)。
(4)常溫下，若A中KCl足量且溶液的體積也是200 mL，電解后，溶液的pH為________(設(shè)電解前后溶液體積無變化)。
負(fù)
增大
減小
不變
0.025 mol·L－1
13
解析：（1）三個(gè)裝置是串聯(lián)的電解池。電解AgNO3溶液時(shí)，Ag＋在陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成Ag，所以質(zhì)量增加的銅電極是陰極，由此推知X是電源負(fù)極。（2）電解KCl溶液生成KOH，溶液pH增大；電解CuSO4、K2SO4溶液生成H2SO4，溶液pH減小；電解AgNO3溶液，銀為陽極，不斷溶解，Ag＋在陰極不斷析出，AgNO3溶液濃度基本不變，pH不變。（3）通電5 min時(shí)，C中析出0.02 mol Ag，電路中通過0.02 mol電子；B中共收集0.01 mol氣體，若該氣體全為氧氣，則電路中需通過0.04 mol電子，電子轉(zhuǎn)移不守恒，因此，B中電解分為兩個(gè)階段，先電解CuSO4溶液，生成O2，后電解水，生成O2和H2，B中收集到的氣體是O2和H2的混合物。設(shè)電解CuSO4溶液時(shí)生成O2的物質(zhì)的量為x mol，電解H2O時(shí)生成O2的物質(zhì)的量為y mol，則4x＋4y＝0.02（電子轉(zhuǎn)移守恒），x＋3y＝0.01（氣體體積之和），解得x＝y(tǒng)＝0.002 5，所以n（CuSO4）＝2×0.002 5 mol＝0.005 mol，c（CuSO4）＝＝0.025 mol·L－1。（4）常溫下，通電5 min時(shí)，A中放出0.01 mol H2，溶液中生成0.02 mol KOH，c（OH－）＝＝0.1 mol·L－1，pH＝13。
考點(diǎn)二
考點(diǎn)二　多室電化學(xué)裝置
為實(shí)現(xiàn)特定功能需求，在電化學(xué)裝置中增加離子交換膜，將原電池或電解池分隔成兩個(gè)或多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的室。
1．離子交換膜的分類和應(yīng)用
2．分析某室質(zhì)量變化的關(guān)鍵
分析某室質(zhì)量的變化，既要考慮該區(qū)(或該電極)的化學(xué)反應(yīng)，又要考慮通過“交換膜”的離子帶來的質(zhì)量變化。
【教考銜接】
典例1 [2022·湖南卷，8]海水電池在海洋能源領(lǐng)域備受關(guān)注，一種鋰—海水電池構(gòu)造示意圖如下。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．海水起電解質(zhì)溶液作用
B．N極僅發(fā)生的電極反應(yīng)：
2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C．玻璃陶瓷具有傳導(dǎo)離子和防水的功能
D．該鋰—海水電池屬于一次電池
答案：B
解析：海水中含有大量的電解質(zhì)，故A項(xiàng)正確；Li是活潑金屬，作負(fù)極，則N極是正極，正極上海水中溶解的O2、CO2等均能放電，B項(xiàng)錯(cuò)誤；由于Li易與水反應(yīng)，故玻璃陶瓷應(yīng)具有良好的防水功能，同時(shí)為形成閉合的回路，也應(yīng)具有傳導(dǎo)離子的功能，C項(xiàng)正確；該電池屬于一次電池，D項(xiàng)正確。
【解題思路】　鋰—海水電池的總反應(yīng)為4Li＋O2＋2H2O===4LiOH。 M極上Li失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則M電極為負(fù)極，電極反應(yīng)為L(zhǎng)i－e－===Li＋；N極為正極，電極反應(yīng)為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【師說·延伸】　①本題關(guān)鍵是正確解讀玻璃陶瓷的作用，從而確定正極反應(yīng)物是O2；②將鋰—海水電池的總反應(yīng)定為2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑是典型的錯(cuò)誤。
典例2 微生物脫鹽池是在微生物燃料電池的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新興生物電化學(xué)系統(tǒng)，示意圖如圖所示。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．該裝置能實(shí)現(xiàn)從海水中得到淡水，同時(shí)去除有機(jī)物，而且還可提供電能
B．電極b為正極
C.負(fù)極反應(yīng)為CH3COO－＋7OH－－8e－===2CO2↑＋5H2O
D．Y為陽離子交換膜
答案：C
解析：該裝置為原電池，a極有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳，海水中的Na＋和Cl－通過離子交換膜分別移向正極和負(fù)極，能實(shí)現(xiàn)從海水中得到淡水，同時(shí)去除有機(jī)物，而且還可提供電能，A正確；根據(jù)分析，電極b通入氧氣，得電子，為正極，B正確；由圖可知，負(fù)極為有機(jī)弱酸性廢水CH3COO－的電極，失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，溶液為酸性，電極反應(yīng)為CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，C錯(cuò)誤；原電池中陽離子移向正極、陰離子移向負(fù)極，從而達(dá)到脫鹽目的，所以Y為陽離子交換膜、X為陰離子交換膜，D正確。
【解題思路】　
燃料電池通入O2的電極為正極，因此b為正極；CH3COO－反應(yīng)的電極為負(fù)極，即a為負(fù)極。
【對(duì)點(diǎn)演練】
考向一　單膜電解池
1．已知：電流效率＝電路中通過的電子數(shù)與消耗負(fù)極失去電子總數(shù)之比。現(xiàn)有兩個(gè)電池Ⅰ、Ⅱ，裝置如圖所示。
下列說法正確的是(　　)
A．Ⅰ和Ⅱ的電池反應(yīng)不相同
B．能量轉(zhuǎn)化形式不同
C．Ⅰ的電流效率低于Ⅱ的電流效率
D．5 min后，Ⅰ、Ⅱ中都只含1種溶質(zhì)
答案：C
解析：Ⅰ、Ⅱ裝置中電極材料相同，電解質(zhì)溶液部分相同，電池反應(yīng)，負(fù)極反應(yīng)和正極反應(yīng)式相同，A項(xiàng)錯(cuò)誤；Ⅰ和Ⅱ裝置的能量轉(zhuǎn)化形式都是化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，B項(xiàng)錯(cuò)誤；Ⅰ裝置中銅與氯化鐵直接接觸，會(huì)在銅極表面發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致部分能量損失（或部分電子沒有通過電路），導(dǎo)致電流效率降低。而Ⅱ裝置采用陰離子交換膜，銅與氯化銅接觸，不會(huì)發(fā)生副反應(yīng)，放電過程中交換膜左側(cè)負(fù)極的電極反應(yīng)式為Cu－2e－===Cu2＋，陽離子增多；右側(cè)正極的電極反應(yīng)式為2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，負(fù)電荷過剩。Cl－從交換膜右側(cè)向左側(cè)遷移，電流效率高于Ⅰ裝置，C正確；放電一段時(shí)間后，Ⅰ裝置中生成氯化銅和氯化亞鐵，Ⅱ裝置中交換膜左側(cè)生成氯化銅，右側(cè)生成了氯化亞鐵，可能含氯化鐵，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
2．[2024·九省聯(lián)考吉林卷，14]某生物質(zhì)電池原理如下圖所示，充、放電時(shí)分別得到高附加值的醇和羧酸。下列說法正確的是(　　)
答案：D
考向二　多膜電解池
3．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(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___________________。
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H2穿過陰膜擴(kuò)散至產(chǎn)品室，二者反應(yīng)生成H3PO2
H2或H3PO2被氧化
解析：（2）中應(yīng)該從閉合回路的角度，陰、陽離子的流向分析；（3）注意陽極反應(yīng)生成O2，O2具有氧化性，H3PO2和H2均具有還原性，二者會(huì)被O2氧化生成。
考向三　雙極膜電解池
4．為適應(yīng)不同發(fā)電形式產(chǎn)生的波動(dòng)性，我國科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種電化學(xué)裝置，其原理如圖所示。當(dāng)閉合K1和K3、打開K2時(shí)，裝置處于蓄電狀態(tài)；當(dāng)打開K1和K3、閉合K2時(shí)，裝置處于放電狀態(tài)。放電時(shí)，雙極膜中間層中的H2O解離為H＋和OH－并分別向兩側(cè)遷移。
下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．蓄電時(shí)，碳錳電極的電極反應(yīng)式為Mn2＋＋2H2O－2e－＝MnO2＋4H＋
B．蓄電時(shí)，右側(cè)電解池發(fā)生的總反應(yīng)為2ZnO通電2Zn＋O2↑
C．放電時(shí)，每消耗1 mol MnO2，理論上有4 mol H＋由雙極膜向碳錳電極遷移
D．理論上，該電化學(xué)裝置運(yùn)行過程中需要補(bǔ)充H2SO4和KOH
答案：D
解析：蓄電時(shí)，左側(cè)為電解池，碳錳電極為電解池的陽極，電極反應(yīng)式為：Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋，A正確；右側(cè)裝置也是電解池，電解池發(fā)生的總反應(yīng)為：2ZnO2Zn＋O2↑，B正確；放電時(shí)，裝置組合成原電池，碳錳電極為原電池的正極，電極反應(yīng)為MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O，每有 1 mol MnO2消耗，理論上有4 mol H＋由雙極膜向碳錳電極遷移，C正確；該電化學(xué)裝置運(yùn)行過程中，、K＋均沒有參與反應(yīng)，只需要補(bǔ)充H2O，不需要補(bǔ)充H2SO4和KOH，D錯(cuò)誤。
5．利用微生物電化學(xué)處理有機(jī)廢水，同時(shí)可淡化海水并獲得酸堿。現(xiàn)以NaCl溶液模擬海水、采用惰性電極，用如下圖所示的裝置處理有機(jī)廢水(以含有機(jī)酸CH3COOH溶液為例)，在直流電場(chǎng)作用下，雙極膜間的水解離成H＋和OH－。
下列說法正確的是(　　)
A．膜a為陰離子交換膜，膜b為陽離子交換膜
B．產(chǎn)品室生成的物質(zhì)為鹽酸
C．當(dāng)陰極產(chǎn)生22.4 L氣體時(shí)，理論上可除去模擬海水中117 g NaCl
D．陽極反應(yīng)式為：CH3COOH＋2H2O＋8e－===2CO2↑＋8H＋
答案：B
解析：由圖知，陽極上CH3COOH失去電子生成CO2，陰極上氫離子得電子生成氫氣，該電解池是利用微生物電化學(xué)處理有機(jī)廢水，同時(shí)可淡化海水并獲得酸堿，則氫離子通過雙極膜進(jìn)入產(chǎn)品室，氯離子通過膜b進(jìn)入產(chǎn)品室，則膜b為陰離子交換膜，產(chǎn)品室生成的物質(zhì)為鹽酸；膜a為陽離子交換膜，鈉離子從此進(jìn)入陰極，得到產(chǎn)品氫氧化鈉。由分析可知，膜a為陽離子交換膜，膜b為陰離子交換膜，A項(xiàng)錯(cuò)誤；氫離子通過雙極膜進(jìn)入產(chǎn)品室，氯離子通過膜b進(jìn)入產(chǎn)品室，產(chǎn)品室生成的物質(zhì)為鹽酸，B項(xiàng)正確；陰極產(chǎn)生22.4 L氣體未說明狀態(tài)，無法通過氣體摩爾體積計(jì)算，C項(xiàng)錯(cuò)誤；陽極上CH3COOH失去電子生成CO2，陽極反應(yīng)式為：CH3COOH＋8OH－－8e－===2CO2↑＋6H2O，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

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