第22讲多池多室的电化学装置分析（精讲课件）-高考二轮精准复习45讲

高中化学二轮精准复习45讲多池多室的电化学装置分析第22讲2023类型一.有外接电源电池类型的判断方法有外接电源的各电池均为电解池，若电池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同，则该电池为电镀池。如图：则甲为电镀池，乙、丙均为电解池。知识梳理考点一多池串联的模型及原理分析类型二原电池为电源的电解池串联原电池一般是两种不同的金属电极或一个金属电极一个碳棒电极；而电解池则一般两个都是惰性电极，如两个铂电极或两个碳棒电极。原电池中的电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应，电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。1．根据电极材料和电解液判断2.根据电极反应现象判断在某些装置中根据电极反应或反应现象可判断电极，并由此判断电池类型。如图所示：若C极溶解，D极上析出Cu，B极附近溶液变红，A极上放出黄绿色气体，则可知乙是原电池，D是正极，C是负极；甲是电解池，A是阳极，B是阴极。B、D极发生还原反应，A、C极发生氧化反应。非常直观明显的装置，如燃料电池、铅蓄电池等在电路中，则其他装置为电解池。3．根据“盐桥”判断【典题示例】[典例1]可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢,工作示意图如图。通过控制开关连接K1或K2,可交替得到H2和O2。①制H2时,连接__________,

产生H2的电极反应式是__________。

②改变开关连接方式,可得O2。③结合①和②中电极3的电极反应,说明电极3的作用:__________。

K1

2H2O+2e-====H2↑+2OH-制H2时,电极3发生反应:Ni(OH)2+OH--e-=NiOOH+H2O。制O2时,上述电极反应逆向进行,使电极3得以循环使用【审题流程】解答本类试题的流程如下:【解析】①电解碱性电解液时,H2O电离出的H+在阴极得到电子产生H2,根据题图可知电极1与电池负极连接,为阴极,所以制H2时,连接K1,产生H2的电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-。③制备O2时碱性电解液中的OH-失去电子生成O2,连接K2,O2在电极2上产生。连接K1时,电极3为电解池的阳极,Ni(OH)2失去电子生成NiOOH,电极反应式为Ni(OH)2-e-+OH-====NiOOH+H2O,连接K2时,电极3为电解池的阴极,电极反应式为NiOOH+e-+H2O====Ni(OH)2+OH-,使电极3得以循环使用。如图，A、B、C、D均为石墨电极，E、F分别为短周期相邻两种活泼金属元素的单质，且E能与NaOH溶液反应。接通电路，反应一段时间。[典例2]独立完成下列题目，并说出判断池型及电极的依据。(1)乙池是_____池。乙池中：电极E是_____极，电子______，电流______，发生______反应，元素价态_____，移向E的离子为_______。(2)甲池是_____池。甲池中：电极B是_____极，电子_____，电流_____，发生_____反应，元素价态_____，移向B的离子为______。C极电极反应式为：______________。烧杯中溶液会变蓝的是________(填“a”或“b”)。反思：串联电池的解题流程？01判池型有外接电源？无外接电源？02判电极原电池找正负极；电解池找阴阳极。03工作原理电子、电流、离子移向；得失电子，反应类型。04电极反应式正误判断PH变化，现象描述，计算。[思维建模]串联电路的解题流程[精练1]如图所示装置可间接氧化工业废水中含氮离子(NH)。下列说法不正确的是(

)甲乙A．乙是电能转变为化学能的装置B．含氮离子氧化时的离子方程式为3Cl2＋2NH4＋===N2＋6Cl－＋8H＋C．若生成H2和N2的物质的量之比为3∶1，则处理后废水的pH减小D．电池工作时，甲池中的Na＋移向Mg电极解析：

根据题意可知甲为原电池，Mg为负极，石墨为正极，乙为电解池，右电极为阴极，左电极为阳极。D项，原电池工作时，Na＋移向正极即石墨电极，错误。D

PbO2X

Al－3e－===Al3＋、2H2O－4e－===O2↑＋4H＋0.4

4．“多池组合”装置中的数据处理原电池和电解池综合装置的有关计算的根本依据就是电子转移守恒，分析时要注意串联电路中各支路电流相等。A[思路点拨]

n(气体)＝0.1mol阳极：4OH－－4e－===

O2↑＋2H2O0.4mol0.1mol阴极：Cu2＋＋2e－

===

Cu

0.1mol0.4mol－0.2mol＝0.2mol2H＋＋2e－

===

H2↑

0.2mol0.1mol解析:石墨作电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液，阳极反应式为4OH－－4e－=2H2O＋O2↑，阴极先后发生两个反应：Cu2＋＋2e－=Cu,2H＋＋2e－===H2↑。从收集到O2为2.24L可推知上述电解过程中共转移0.4mol电子，而在生成2.24LH2的过程中转移0.2mol电子，所以Cu2＋共得到0.4mol－0.2mol＝0.2mol电子，电解前Cu2＋的物质的量和电解得到的Cu的物质的量都为0.1mol。电解前后分别有以下守恒关系：c(K＋)＋2c(Cu2＋)＝c(NO3

-)，c(K＋)＋c(H＋)＝c(NO3

-)，不难算出：电解前c(K＋)＝0.2mol·L－1，电解后c(H＋)＝0.4mol·L－1。电化学计算的三种方法如以电路中通过4mole－为桥梁可构建以下关系式：(式中M为金属，n为其离子的化合价数值)该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值，熟记电极反应式，灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。注意:(1)电化学计算中，常利用Q＝I·t和Q＝n(e－)·NA×1.6×10－9C来计算电路中通过的电量。(2)串联电池中，各电极上转移电子的物质的量是相等的，这是串联电池计算的根本依据。考点二离子交换膜在电化学装置中的应用知识梳理1.离子交换膜的种类阳离子交换膜只允许阳离子透过，不允许阴离子或某些分子透过阴离子交换膜只允许阴离子透过，不允许阳离子或某些分子透过质子交换膜只允许H＋透过，不允许其他阳离子和阴离子透过双极膜由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜特点是在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－并分别通过阴膜和阳膜，作为H＋和OH－的离子源2.考情趋势(1)“膜”数量的变化:由“单膜”→“双膜”→“多膜”。(2)“膜”种类的变化:由“阴、阳离子交换膜”→“质子交换膜”→“高聚物隔膜”→“双极隔膜”等。(3)“膜”作用变化:由“离子交换”→“物质制备”→“分离提纯”等。含膜电池装置分析[真题示例1](2020山东卷)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置,利用微生物处理有机废水获得电能,同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水,采用惰性电极,用下图装置处理有机废水(以含CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是(

)A.负极反应为CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+B.隔膜1为阳离子交换膜,隔膜2为阴离子交换膜C.当电路中转移1mol电子时,模拟海水理论上除盐58.5gD.电池工作一段时间后,正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1B【解题思路】第一步,根据图示判断电化学装置的类型。该装置为原电池装置。第二步,根据粒子变化判断正、负极。CH3COO-转化为CO2,C元素的化合价升高,CH3COO-失电子被氧化,因此a极为负极,b极为正极。第三步,根据电极反应原理确定各电极上发生的反应。依据电荷守恒可得负极反应为CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+;正极反应为2H++2e-

==H2↑。第四步逐项分析判断。[真题示例2](2020全国Ⅰ)科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如下,电极为金属锌和选择性催化材料。放电时,温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等,为解决环境和能源问题提供了一种新途径。下列说法错误的是(

)D第四步,逐项分析判断。

【解题思路】第一步,根据图示判断电化学装置的类型。该装置为二次电池,既可充电又可放电。第二步,根据粒子变化,判断正、负极和阴、阳极。放电时Zn失电子生成[Zn(OH)4]2-,Zn作负极;充电时,在阳极上水失电子生成氧气,阴极上[Zn(OH)4]2-得电子生成Zn。第三步,根据电极反应原理确定各电极上发生的反应。负极电极反应为Zn-2e-+4OH-===[Zn(OH)4]2-;正极电极反应为CO2+2H++2e-===HCOOH,同时说明电解质溶液1为碱性溶液,电解质溶液2为酸性溶液。归纳总结

(1)含离子交换膜电化学装置题的解题步骤在原电池中应用离子交换膜，起到替代盐桥的作用，一方面能起到平衡电荷、导电的作用，另一方面能防止电解质溶液中的离子与电极直接反应，提高电流效率；在电解池中使用选择性离子交换膜的主要目的是限制某些离子(或分子)的定向移动，避免电解质溶液中的离子或分子与电极产物反应，提高产品纯度或防止造成危险等。(2)离子交换膜类型的判断方法 ①首先写出阴、阳两极上的电极反应。 ②依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余。 ③根据电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向。 ④根据离子移动的方向，确定离子交换膜的类型。(3)防范失分点①看清图示,是否说明了离子交换膜的类型,是否标注了电源的正、负极,是否标注了电子流向、电荷流向等,明确阴、阳离子的移动方向。②根据原电池和电解池中阴、阳离子的移动方向,结合题目中给出的制备、电解物质等信息,找出物质生成或消耗的电极区域,确定移动的阴、阳离子,从而推知离子交换膜的类型。3.离子迁移方向的判断(1)离子从“生成区”移向“消耗区”以电解CO2制HCOOH为例，其原理如图所示。右侧：通入CO2，生成HCOOH，发生还原反应，多孔锡作阴极，电极反应为CO2＋H＋＋2e－===HCOO－，消耗从左侧迁移过来的H＋。左侧“Pt片”作阳极，水电离产生的OH－放电，电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成H＋。离子移动方向：H＋通过阳离子交换膜从左侧移向右侧。

有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法离子通过隔膜的定量关系(1)通过隔膜的离子带的电荷数等于电路中电子转移数。(2)离子迁移：依据电荷守恒，通过隔膜的离子数不一定相等。[精练1]2019年3月，我国科学家研发出一种新型的锌碘单液流电池，其原理图所示。下列说法不正确的是(

)A．放电时，B电极反应式：I2＋2e－==2I－B．放电时，电解质储罐中离子总浓度增大C．M为阳离子交换膜，N为阴离子交换膜D．充电时，A极增重65g时，C区增加的离子数为4NAC解析：放电时，B电极为正极，I2得到电子生成I－，电极反应式为I2＋2e－===2I－，A项正确；放电时，左侧即负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，所以电解质储罐中的离子总浓度增大，B项正确；离子交换膜的作用是防止I2、Zn接触发生反应，负极区生成Zn2＋，正极区生成I－，所以Cl－通过M膜进入负极区，K＋通过N膜进入正极区，所以M为阴离子交换膜，N为阳离子交换膜，C项错误；充电时，A极的电极反应式为Zn2＋＋2e－===Zn，A极增重65g，转移2mol电子，所以C区增加2molK＋、2molCl－，离子总数为4NA，D正确。

B

[精练3]某科研小组研究采用BMED膜堆(示意图如下)，模拟以精制浓海水为原料直接制备酸碱。BMED膜堆包括阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜(A、D)。已知：在直流电源的作用下，双极膜内中间界面层发生水的解离，生成H＋和OH－。下列说法错误的是 (

)A．电极a连接电源的正极B．B为阳离子交换膜C．电解质溶液采用Na2SO4溶液可避免有害气体的产生D．Ⅱ口排出的是淡水【解析】根据题干信息确定该装置为电解池，阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，所以电极a为阳极，连接电源的正极，A正确；水在双极膜A解离后，氢离子与透过B膜的阴离子到左侧形成酸，B为阴离子交换膜，B错误；电解质溶液采用Na2SO4溶液，电解时生成氢气和氧气，可避免有害气体的产生，C正确；海水中的阴、阳离子透过两侧交换膜向两侧移动