适用于新高考新教材备战2025届高考化学一轮总复习第6章化学反应与能量第33讲多池(或多室)电化学装置及分析课件

第33讲多池(或多室)电化学装置及分析【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必备知识•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-

══H2↑2.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)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-关键能力•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b>d。符合上述实验结果的盐溶液是(

)选项XYAMgSO4CuSO4BAgNO3Pb(NO3)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++2H2O,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

=1.5<2,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-+2H2O═C2H4+2OH-D.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-+2H2O═C2H4+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原子的质量,消耗1

mol

CO2转移6

mol电子,b电极上增重3

mol

O原子的质量,即48

g,D正确。考点二离子交换膜电解池必备知识•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

关键能力•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8

mol电子消耗44

g

CO2,同时生成16

g

CH4,质量差为28

g,则转移0.4

mol电子,两者质量差为1.4

g,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,Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B.生成1molCo,Ⅰ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Ⅰ室向Ⅱ室移动,使Ⅱ室中氢离子浓度增大,溶液pH减小,故A错误;阴极生成1

mol钴,阳极有1

mol水放电,则Ⅰ室溶液质量减少18

g,故B错误;若移除离子交换膜,氯离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++O2↑C.a离子交换膜为阳离子交换膜D.当外电路中转移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-═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1

mol

e-,则有0.5

mol

HCOOH转化为CO2,C正确;充电时,a极为阴极,电极反应式为Zn2++2e-═Zn,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180gH2OB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-+2OH-═IO-+H2O,C正确;由得失电子数目守恒可知,每制备1

mol三碘甲烷,需要消耗5

mol次碘酸根离子,外电路转移10

mol电子,则理论上双极膜内解离180

g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4∶5D.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+O2═N2+2H2O,下列关于该装置工作时的说法正确的是(

)A.该装置工作时,Ag电极上有气体生成B.甲池中负极反应式为N2H4-4e-═N2+4H+C.甲池和乙池中溶液的pH均减小D.当甲池中消耗3.2gN2H4时,乙池中理论上最多产生6.4g固体C解析

该装置图中,甲池为燃料电池,其中左边电极为负极,右边电极为正极,乙池为电解池,石墨电极为阳极,Ag电极为阴极,阴极上Cu2+得电子生成铜,无气体生成,A错误;甲池溶液呈碱性,电极反应式不出现H+,B错误;根据甲池的总反应式可知有水生成,电解液被稀释,故碱性减弱,pH减小,乙池的总反应式为2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4,电解液酸性增强,pH减小,C正确;3.2

g

N2H4的物质的量为0.1

mol,转移电子的物质的量为0.4

mol,产生0.2

mol

Cu,质量为12.8

g,D错误。进阶2练热点·提素能3.(2023·广东省实验中学三模)如下所示电解装置中,通电后Fe2O3逐渐溶解,装置温度升高,下列判断错误的是(

)CA.a是电源的负极B.通电一段时间后,石墨电极Ⅱ附近可能收集到一种能使澄清石灰水变浑浊的气体C.随着电解的进行,CuCl2溶液浓度变大D.当0.01molFe2O3完全溶解时,至少产生气体336mL(折合成标准状况下)4.(2023·山西忻州一模)镍离子(Ni2+)和钴离子(Co2+)性质相似,工业上可通过电化学装置将废水中的Co2+和Ni2+分离,装置如图。已知Co2+和乙酰丙酮不反应,下列说法错误的是(

)A.膜a为阴离子交换膜,膜b为阳离子交换膜B.通电过程中Ⅳ室内硫酸浓度逐渐增大C.Ⅲ室中Ni2+参与的反应为Ni2++2CH3COCH2COCH3+2OH-═Ni(CH3COCHCOCH3)2+2H2OD.通电过程中N极每产生11.2L(标准状况下)气体,双极膜内减少18gH2OB解析

根据电解池中离子移动方向,左侧石墨M为阳极,右侧石墨N为阴极,Ⅱ室为原料室,膜b为阳离子交换膜,Co2+、Ni2+进入Ⅲ室,Co2+和乙酰丙酮不反应,Ni2+和乙酰丙酮反应。膜a为阴离子交换膜,膜b为阳离子交换膜,A正确;石墨N为阴极,2H++2e-═H2↑,Ⅳ室内消耗的H+与转移来的H+相等,故硫酸浓度不变,B错误;由题中信息可知,Ⅲ室中Ni2+参与的反应为Ni2++2CH3COCH2COCH3+2OH-═Ni(CH3COCHCOCH3)2+2H2O,C正确;通电过程中N极每产生11.2

L(标准状况下)气体,即0.5

mol

H2,透过双极膜H+

1

mol,双极膜内减少18

g

H2O,D正确。进阶3研真题·明考向5.(2023·湖北卷)我国科学家设计如图所示的电解池,实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变,电解生成氢气的速率为xmol·h-1。下列说法错误的是(

)A.b电极反应式为2H2O+2e-═H2↑+2OH-B.离子交换膜为阴离子交换膜C.电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜D.海水为电解池补水的速率为2xmol·h-1D解析

该装置工作时,b电极连接电源负极为阴极,电极上放出H2:2H2O+2e-═H2↑+2OH-,A正确;阳极无Cl2生成且KOH溶液浓度不变,阳极发生的电极反应为4OH--4e-═O2↑+2H2O,为保持OH-浓度不变,则阴极产生的OH-要通过离子交换膜进入阳极室,则离子交换膜为阴离子交换膜,B正确;电解的本质是电解水,而KOH浓度不变,PTFE膜不透液态水,则通过PTFE膜的水应为动能高的水分子(透汽),C正确