第六章　第8讲　多池连接及电化学的相关计算-2025年高中化学高考备考

第六章化学反应与能量变化第8讲多池连接及电化学的相关计算课标要求核心考点五年考情核心素养对接能分析、解释原电池和电解池的工作原理多池连接及电化学的相关计算2022山东，T13；2021北京，T15；2020全国Ⅲ，T12证据推理与模型认知：能分析、识别复杂的电解装置并进行推理命题分析预测1.多池串联主要考查电极类型判断、电极反应式的书写等；原电池和电解池的相关计算主要包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、根据电荷量求产物的量、根据产物的量求电荷量等。2.预计2025年高考仍会考查电池中利用得失电子守恒计算两极产物的量，另外，电池的电流效率的计算也可能是热点；电化学跨学科命题更能考查考生的综合能力，是高考命题的重要趋势考点多池连接及电化学的相关计算1.原电池、电解池连接根据两池电极材料活动性或两池电极上的反应物的还原性强弱判断负极（还原性强的为负极）；或根据两池电极上的反应物的氧化性强弱判断正极（氧化性强的为正极）。装置工作原理利用膜技术原理和电化学原理制备少量硫酸和绿色硝化剂N2O5，装置如图所示：左池为[1]原电池，a极的电极反应为[2]SO2－2e－＋2H2OSO42－＋4H＋、b极的电极反应为[3]O2＋4e－＋4H＋右池为[4]电解池，c极的电极反应为[5]N2O4－2e－＋2HNO32N2O5＋2H＋、d极的电极反应为[6]2H＋＋2e－H2左池总反应为[7]2SO2＋2H2O＋O22SO42－＋4H＋；右池总反应为[8]N2O4＋2HNO3电解2N2O左池和右池中的隔膜分别为[9]阳（填“阴”或“阳”，后同）离子交换膜、[10]阳离子交换膜2.多个电解池串连装置工作原理甲池中阳极反应式：[11]Ag－e－Ag＋，阴极反应式：[12]Ag＋＋e－Ag乙池中阳极反应式：[13]2Cl－－2e－Cl2↑，阴极反应式：[14]2H2O＋2e－H2↑＋2OH－丙池中阳极反应式：[15]2H2O－4e－O2↑＋4H＋，阴极反应式：[16]Cu2＋＋2e－当电路中通过0.1mol电子时，乙池中溶液质量减少[17]3.65g，丙池中溶液质量减少[18]4.0g注意判断多个电解池串联的每个池的阴、阳极时，应找根源上直流电源的正、负极，不要受旁边串联的电解池的影响。还要注意阳极的电极材料是否为活性电极。3.电化学中有关得失电子守恒的计算在原电池或电解池电路中转移的电子的物质的量与各电极上转移的电子的物质的量相等。穿过膜的离子所带电荷数也与转移的电子数目相等。装置工作原理新型的高比能量锌－碘溴液流电池放电时，负极反应式：[19]Zn－2e－Zn2＋正极反应式：[20]I2Br－＋2e－2I－＋Br－充电时，b电极增加0.65gZn时，a电极有[21]0.02molI－被氧化成I2Br－注意计算溶液质量变化时除了看电极反应外，还要注意穿过膜的离子引起的溶液质量的变化。如果电极上有副反应，计算转移电子总数时要把发生副反应转移的电子数计算在内。4.电流效率η的计算η＝生成目标产物消耗的电子数转移的电子总数×100装置工作原理燃料电池负极反应式：[22]CH4－8e－＋10OH－CO32－＋7H电解池阴极反应式：[23]Zn2＋＋2e－Zn燃料电池中负极消耗2.24L（标准状况）CH4，且能量完全转化为电能，电解池中回收制得19.5gZn，则该装置的电流效率η＝[24]75％5.能量密度E的计算E＝电池输出电能燃料质量，1kW·h＝3.6×106J，电能公式W＝UQ1.原电池与电解池串联装置如图所示。（1）甲池中负极反应式为H2－2e－2H＋（2）向乙池U形管中滴入酚酞溶液，现象是U形管右侧溶液变红。乙池左侧NaOH溶液中发生反应的离子方程式为Cl2＋2OH－Cl－＋ClO－＋H2O2.电化学降解硝酸盐中NO3（1）电源正极为A（填“A”或“B”），阴极反应式为2NO3－＋6H2O＋10e－N2↑＋12OH（2）若电解过程中转移2mol电子，则阳极室的质量减少18g。3.工业上电解精炼银时，电解液的pH为1.5～2，电流强度为5～10A，若电解液pH太小，电解精炼过程中在阴极除了Ag＋放电，还会发生2H＋＋2e－H2↑（写电极反应式），若用10A的电流电解60min后，得到32.4gAg，则该电解池的电解效率为80.4％。（保留小数点后一位；通过一定电量时阴极上实际沉积的金属质量与通过相同电量时理论上应沉积的金属质量之比叫电解效率；法拉第常数为96500C·mol－14.二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池（5.93kW·h·kg－1）。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为CH3OCH3＋3H2O－12e－2CO2↑＋12H＋，1mol二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生12mol电子的电量；该电池的理论输出电压为1.20V，能量密度E＝1.20V×1000g46g·mol－1×12×96500C·mol－命题点1原电池与电解池串联1.[2022山东]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。下列说法正确的是（B）A.装置工作时，甲室溶液pH逐渐增大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＋＋4OHD.若甲室Co2＋减少200mg，乙室Co2＋增加300mg，则此时已进行过溶液转移解析根据右侧装置为原电池，乙酸盐降解为二氧化碳，发生氧化反应，LiCoO2转化为Co2＋，发生还原反应，知右侧装置左电极为负极，右电极为正极；左侧装置为电解池，左电极为阳极，乙酸盐转化为CO2气体，右电极为阴极，Co2＋转化为Co单质。装置工作时，甲室为阴极室，阳极发生反应CH3COO－－8e－＋2H2O2CO2↑＋7H＋，结合阴极反应及电解液呈电中性知，阳极生成的H＋通过阳膜进入阴极室，故甲室溶液pH减小，A项错误；乙室为正极室，正极反应为LiCoO2＋e－＋4H＋Li＋＋Co2＋＋2H2O，消耗H＋生成H2O，电解质溶液酸性减弱，故工作一段时间后需要补充盐酸，B项正确，C项错误；根据甲室中电极反应Co2＋＋2e－Co和乙室中电极反应可知，甲室中减少的Co2＋的质量为乙室中增加的Co2＋的质量的一半，则甲室Co2＋减少200mg，乙室Co2＋需增加400mg，而此时乙室Co2＋增加了300mg命题点2根据得失电子守恒计算2.某甲醇燃料电池的工作原理如图所示，质子交换膜（只有质子能够通过）左右两侧的溶液均为1L2mol·L－1H2SO4溶液。当电池中有1mol电子发生转移时，左右两侧溶液的质量之差为12g（假设反应物耗尽，忽略气体的溶解）。解析根据电极反应式，结合得失电子守恒和差量法进行计算。该燃料电池中通入甲醇的一极为负极，电极反应式为CH3OH－6e－＋H2OCO2↑＋6H＋Δ6mol44g－32g＝12g1mol2g通入氧气的一极为正极，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋2H2OΔ4mol32g1mol8g电路中转移1mol电子时，左侧还有1molH＋通过质子交换膜进入右侧，即左侧减少1gH＋，右侧增加1gH＋，故Δm左＝3g，Δm右＝9g，两侧溶液的质量之差为Δm右＋Δm左＝9g＋3g＝12g。命题点3电流效率（η）的计算3.[重庆高考]一定条件下，如图所示装置可实现有机物的电化学储氢（忽略其他有机物）。（1）导线中电子移动方向为A→D。（用A、D表示）（2）生成目标产物的电极反应式为C6H6＋6H＋＋6e－C6H12（3）该储氢装置的电流效率η＝64.3％。（η＝生成目标产物消耗的电子数转移的电子总数×100％，计算结果保留小数点后1解析（1）由装置图可知，电解池左边电极D上发生的反应是“苯加氢还原”，则电极D是阴极，故导线中电子移动方向为A→D。（2）该电解池的目的是储氢，故目标产物为环己烷，则生成环己烷的电极反应式为C6H6＋6H＋＋6e－C6H12。（3）阳极生成的H＋经过高分子电解质膜移动至阴极，一部分H＋与苯反应生成环己烷，还有一部分H＋得电子生成H2（2H＋＋2e－H2↑，阴极的副反应），左边（阴极区）出来的混合气体为未参与反应的其他气体、未反应的苯（g）、生成的环己烷（g）和H2。设未反应的苯蒸气的物质的量为xmol，生成的H2的物质的量为ymol，阴极生成的气态环己烷的物质的量为（2.4－x）mol，得到电子的物质的量为6×（2.4－x）mol，阴极生成ymolH2得到2ymol电子，阳极（电极E）的电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，生成2.8molO2失去电子的物质的量为4×2.8mol＝11.2mol，根据得失电子守恒有6×（2.4－x）mol＋2ymol＝11.2mol；阴极出来的混合气体中苯蒸气的物质的量分数为xmol10mol＋ymol＝0.1；联立解得x＝1.2，电流效率为1.[2022辽宁]如图，c管为上端封口的量气管，为测定乙酸溶液浓度，量取10.00mL待测样品加入b容器中，接通电源，进行实验。下列说法正确的是（A）A.左侧电极反应：2H2O－4e－O2↑＋4HB.实验结束时，b中溶液红色恰好褪去C.若c中收集气体11.20mL，则样品中乙酸浓度为0.1mol·L－1D.把盐桥换为U形铜导线，不影响测定结果解析根据题意结合图示知，通过测量b容器中溶液变红色时c管内收集的气体的体积，结合各电极上转移的电子数相等可计算乙酸溶液的浓度，则右侧Pt电极为阴极，CH3COOH放电，电极反应式为2CH3COOH＋2e－H2↑＋2CH3COO－，左侧Pt电极为阳极，H2O放电，电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，A项正确；实验结束时，b中CH3COOH被完全消耗生成CH3COO－，CH3COO－水解使溶液显碱性，故溶液为红色，B项错误；未指明气体所处的状况，不能根据体积计算其物质的量，C项错误；盐桥起传递离子使溶液呈电中性的作用，铜导线不能传递离子，2.[2022河北改编]科学家研制了一种能在较低电压下获得氧气和氢气的电化学装置。工作原理示意图如图。下列说法正确的是（D）A.电极b为阳极B.隔膜为阳离子交换膜C.生成气体M与N的物质的量之比为2∶1D.反应器Ⅰ中反应的离子方程式为4[Fe（CN）6]3－＋4OH－催化剂4[Fe（CN）6]4－＋O2↑＋解析由电极a上[Fe（CN）6]4－→[Fe（CN）6]3－，发生失去电子的氧化反应可知，电极a为阳极、电极b为阴极，A项错误；由图示知，阴极反应为DHPS＋2H2O＋2e－DHPS－2H＋2OH－，阳极反应为[Fe（CN）6]4－－e－[Fe（CN）6]3－，为维持溶液的电中性，阴极室的OH－应通过阴离子交换膜进入阳极室，B项错误；根据题意，结合氧化还原反应规律可知，反应器Ⅰ中反应为4[Fe（CN）6]3－＋4OH－催化剂4[Fe（CN）6]4－＋O2↑＋2H2O，反应器Ⅱ中反应为DHPS－2H催化剂DHPS＋H2↑，则M是O21.[2023青岛调研]设计如图装置处理含甲醇的废水并进行粗铜的精炼。下列说法正确的是（D）A.甲电极增加的质量等于乙电极减少的质量B.装置工作一段时间后，原电池装置中溶液的pH不变C.理论上每产生标准状况下1.12LCO2，甲电极增重6.4gD.原电池正极反应式为FeO42－＋3e－＋8H＋Fe3＋解析由题意可知，该装置中左池为原电池，右池为电解池。甲电极为阴极，发生反应Cu2＋＋2e－Cu，乙电极为阳极，先是锌、铁等杂质放电，后是铜放电，因此甲电极增加的质量不等于乙电极减少的质量，A项错误；原电池装置中总反应为2FeO42－＋CH3OH＋4H＋2Fe（OH）3↓＋CO2↑＋H2O，c（H＋）减小，溶液的pH增大，B项错误；根据CH3OH→CO2失6e－，知理论上每产生标准状况下1.12LCO2，转移的电子为1.12L22.2.[浓差电池][2024河北衡水二中考试]利用浓差电池电解Na2SO4溶液（a、b电极均为石墨电极），可制得O2、H2、H2SO4和NaOH，反应原理如图所示。下列说法正确的是（B）A.b电极的电极反应为2H2O＋2e－H2↑＋2OHB.c、d分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜C.浓差电池放电过程中，Cu（1）电极上的电极反应为Cu－2e－Cu2D.当阴极产生2.24L气体时，电路中转移0.2mol电子解析根据题图电子移动方向可知，b电极为电解池的阳极，H2O电离出的OH－失去电子发生氧化反应生成O2，电极反应为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，A错误；a电极、b电极分别为阴极、阳极，Na＋通过离子交换膜c进入阴极室，SO42－通过离子交换膜d进入阳极室，则c、d分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜，B正确；Cu（1）为原电池的正极，电极反应为Cu2＋＋2e－Cu，Cu（2）为原电池的负极，电极反应为Cu－2e－Cu23.[电流效率][2024河南安阳调研]如图为一定条件下采用多孔惰性电极的储氢电池充电装置（忽略其他有机物）。已知储氢装置的电流效率η＝生成目标产物消耗的电子数转移的电子总数×100％，下列说法错误的是（BA.若η＝75％，则参加反应的苯为0.8molB.过程中通过C—H键的断裂实现氢的储存C.采用多孔电极增大了接触面积，可降低电池能量损失D.生成目标产物的电极反应式为C6H6＋6e－＋6H＋C6H解析装置右侧反应中C6H6得电子被还原为C6H12，所以装置右侧为阴极，左侧为阳极，阳极的电极反应为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，生成的O2的物质的量n（O2）＝1.6mol，反应转移电子的物质的量n（e－）＝1.6mol×4＝6.4mol，若储氢装置的电流效率为75％，则生成目标产物环己烷消耗的电子数为6.4mol×75％＝4.8mol，生成C6H12的电极反应为C6H6＋6e－＋6H＋C6H12，则反应消耗的苯为0.8mol，A、D正确；苯转化为环己烷的反应是加成反应，反应过程中断裂了苯分子中的大π键，B错误；采用多孔电极增大了物质的接触面积，可提高电解效率，降低电池能量损失，4.[2024浙江名校联考]以某锂离子电池、丙烯腈电合成己二腈[NC（CH2）4CN]的装置如图所示（电极均为石墨）。该锂离子电池的总反应是LixCy＋Li1－xFePO4放电充电Cy＋LiFePO4。下列说法不正确的是（BA.B为正极，电极反应式为Li1－xFePO4＋xe－＋xLi＋LiFePOB.阴极区的电极反应为2CH2CHCN＋2e－＋2H＋NC（CH2）4CN，一段时间后，阴极室溶液的C.石墨电极C产生O2，稀硫酸的作用为增强溶液导电性D.当电路中通过1mole－时，阳极室溶液质量减少9g（不考虑氧气溶解）解析根据装置图及该锂离子电池的总反应知，放电时Li＋向B极移动，则B为正极，电极反应为Li1－xFePO4＋xe－＋xLi＋LiFePO4，A项正确；A极为负极，则D极为阴极，电极反应为2CH2CHCN＋2e－＋2H＋NC（CH2）4CN，阳极区H＋透过质子交换膜进入阴极区，因此阴极室溶液的pH不变，B项错误；C极为阳极，电极反应为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，稀硫酸的作用为增强溶液导电性，C项正确；根据阳极反应2H2O－4e－O2↑＋4H＋知，当电路中通过1mole－时，阳极室析出0.25molO2，同时有1molH＋进入阴极室，相当于减少0.5molH2O5.[2024山东滕州测试]（1）NH3的燃烧反应可设计成燃料电池，工作原理如图甲所示。电极a为负极（填“正极”或“负极”）；电极b上的电极反应为O2＋4e－＋2H2O4OH－。当共消耗1.568L（标准状况）气体时，通过负载的电子的物质的量为0.12mol图甲（2）一种肼（N2H4）燃料电池的工作原理如图乙所示。图乙①a极的电极反应式为N2H4－4e－N2↑＋4H＋；电池中Fe2＋→Fe3＋的离子方程式为4Fe2＋＋O2＋4H＋4Fe3＋＋2H2O②若利用该电池给铅酸蓄电池充电，当消耗3.2gN2H4时，PbO2电极质量减少（填“增加”或“减少”）12.8g。解析（1）NH3失电子生成N2，则电极a为负极；电极b为正极，电极反应为O2＋4e－＋2H2O4OH－。共消耗气体的物质的量为1.568L22.4L/mol＝0.07mol，结合关系式：4NH3～3O2～12e－，则参加反应的NH3的物质的量为0.04mol，通过负载的电子的物质的量为0.04mol4×12＝0.12mol。（2）①a极，N2H4（l）失电子生成N2，则电极反应式为N2H4－4e－N2↑＋4H＋；电池中Fe2＋→Fe3＋的离子方程式为4Fe2＋＋O2＋4H＋4Fe3＋＋2H2O。②n（N2H4）＝3.2g32g/mol＝0.1mol，转移电子的物质的量为0.1mol×4＝0.4mol，给铅酸蓄电池充电，PbO2电极反应为PbSO4＋2H2O6.[结合法拉第常数计算][2023辽宁沈阳二中模拟]室温氟穿梭可充电电池装置如图所示，负极为Ce/CeF3电极，正极为CuF2/Cu电极，氟氢离子液体{含H＋和[（FH）nF]－，n＝2或3}作电解质，已知放电时正极的电极反应式为CuF2＋2e－＋4[（FH）3F]－Cu＋6[（FH）2F]－，法拉第常数F＝96500C/mol。下列说法正确的是（DA.充电时，[（FH）nF]－移向Ce/CeF3电极B.用铅酸蓄电池为该电池充电时，每生成1molCeF3，Pb极增重9.6gC.CuF2/Cu电极每减少3.8g，该电池输出的电荷量为4825CD.放电时，负极发生的电极反应为Ce＋9[（FH）2F]－－3e－CeF3＋6[（FH）3F]解析放电时负极的电极反应较复杂，但正极反应式已给出，电池总反应很容易书写，则选用“加减法”：放电时，负极为Ce/CeF3电极，正极为CuF2/Cu电极，则充电时，阴极为Ce/CeF3电极，阳极为CuF2/Cu电极。充电时，阴离子向阳极移动，则[（FH）nF]－移向CuF2/Cu电极，A错误。放电时，Ce/CeF3电极生成CeF3，则充电时Ce/CeF3电极应消耗CeF3，B错误。放电时，CuF2/Cu电极的电极反应式为CuF2＋4[（FH）3F]－＋2e－Cu＋6[（FH）2F]－，该电极每减少3.8g，转移电子3.8g38g/mol×2＝7.[2024山东枣庄八中考试改编]利用CH4燃料电池电解制备Ca（H2PO4）2并得到副产物NaOH、H2、Cl2，装置如图所示。下列说法错误的是（D）A.a极的电极反应式为CH4＋4O2－－8e－CO2＋2H2B.A膜和C膜均为阳离子交换膜C.X室为阳极室D.b极上消耗2.24LO2，Y室中Na＋增加0.4mol解析甲烷燃料电池中通入甲烷的一极为负极，通入氧气的一极为正极。由以上分析可知，A项正确；根据各室进出口溶液的浓度变化可知，X室中Ca2＋通过A膜进入产品室，原料室中H2PO4－通过B膜进入产品室、Na＋通过C膜进入Y室，故B膜是阴离子交换膜，A膜和C膜均为阳离子交换膜，B项正确；X室为阳极室，C项正确；没有指明是否为标准状况，不能计算氧气的物质的量，8.[能量密度][全国Ⅰ高考]二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池（5.93kW·h·kg－1）。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为CH3OCH3－12e－＋3H2O2CO2↑＋12H＋，一个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生12个电子的电荷量；该电池的理论输出电压为1.20V，能量密度E＝1.20V×1000g46g·mol－1×12×96500C·mol－11kg÷（解析电解质为酸性时，二甲醚在燃料电池的负极上发生氧化反应，生成CO2和H＋，CH3OCH3中碳元素的化合价可看作－2，CO2中碳元素的化合价为＋4，所以1molCH3OCH3失去12mol电子，负极反应为CH3