第35讲　多池串联与“隔膜”电化学装置(能力课)（共52张PPT）-2024届高考化学一轮复习

(共52张PPT)
第35讲　多池串联与“隔膜”电化学装置(能力课)
第四部分　化学反应原理
第六章　化学反应与能量
　　　　　1.了解多电池串联装置的工作原理与分析。　2.了解含隔膜的电化学装置的原理及应用。
考点一　多池串联的电化学装置分析
核心知能突破
关键能力训练
01
　　　　　　有外接电源的电解池串联
　　　　　　 原电池电源与电解池串联
　　　　　　有外接电源的电解池串联
1．(2022·南京模拟)如图所示的装置，C、D、F、X、Y都是惰性电极，E为铁棒。将电源接通后，向乙中滴入酚酞溶液，在F极附近显红色。则以下说法不正确的是(　　)
A．电源B极是负极
B．欲用丙装置给铜镀银，H应该是Cu，电镀液是AgNO3溶液
C．甲、乙装置的C、D、E、F电极均有单质生成，其物质的量之比为1∶2∶2∶2
D．装置丁中Y极附近红褐色变深，说明氢氧化铁胶粒带正电荷
C　[电解滴入酚酞的饱和氯化钠溶液时，阴极上氢离子放电，导致阴极附近显碱性，所以阴极附近溶液显红色，在F极附近显红色，所以F极是阴极，则B极是负极，A正确；电镀时，镀层金属作阳极，镀件作阴极，电解质溶液中金属阳离子和阳极材料是相同元素，所以欲用丙装置给铜镀银，H应该是Cu，电镀液是AgNO3溶液，B正确；电解硫酸铜溶液时，E为阳极且Fe作电极，故发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋，无单质生成，C错误；电解池工作时，溶液中阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，装置丁中，X极是阳极，Y极是阴极，Y极附近红褐色变深，说明氢氧化铁胶粒向阴极移动，由此证明氢氧化铁胶粒带正电荷，D正确。]
　　　　　　原电池与电解池的串联分析
2．(2022·日照模拟)相同金属在其不同浓度盐溶液中可形成浓差电池。如图所示装置是利用浓差电池电解Na2SO4溶液(a、b电极均为石墨电极)，可以制得O2、H2、H2SO4和NaOH。下列说法错误的是(　　)
A．a为电解池的阴极
B．电池放电过程中，Cu(2)电极上的电极反应为Cu－2e－===Cu2＋
C．当电路中转移2 mol电子时，1 mol SO 通过离子交换膜向右移动
D．电池从开始工作到停止放电，电解池理论上可制得120 g NaOH
D　[电池放电过程中，Cu(2)的电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，Cu(1)的电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，反应前原电池左边硫酸铜物质的量为5 mol，右边硫酸铜物质的量为1 mol，电池停止放电时，左右两侧硫酸铜物质的量均为3 mol，因此右侧有2 mol 铜离子生成，转移4 mol 电子，根据阴极反应式可知，转移2 mol电子时得到2 mol NaOH即80 g，因此电池从开始工作到停止放电，电解池理论上可制得160 g NaOH，D错误。]
3．用C3H8、O2和熔融Na2CO3组成的燃料电池作电源，电解饱和的K2S溶液和2 mol·L－1 AgNO3溶液制备某些单质，盐桥中充有饱和的KNO3溶液。下列说法错误的是(　　)
C　[熔融盐电池是燃料电池的一种，左边装置中石墨1电极上进气a生成“x＋y”，y再到石墨2处参与反应，则石墨1电极上进的气体为C3H8，发生氧化反应生成CO2和H2O，石墨1为负极，石墨2为正极，石墨3为阳极，石墨4为阴极。盐桥作为电解池的内部结构，NO应移向阳极，即石墨3电极处，C错误。]
考点二　含隔膜的电化学装置分析
02
核心知能突破
关键能力训练
1．隔膜的分类
隔膜(又叫离子交换膜)由特殊高分子材料制成。离子交换膜分四类：
(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
(4)双极膜，又称双极性膜，是特种离子交换膜，它是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－分别通过阴、阳膜，作为H＋和OH－的离子源。
2．隔膜的作用
(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，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3．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。
　双极膜在电渗析中应用广泛，它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。如图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。下列说法正确的是(　　)
A．出口2的产物为HBr溶液
B．出口5的产物为稀硫酸
C．Br－可从盐室最终进入阳极液中
D．当阳极产生1 mol气体时，通过阴离子交换膜的Br－为4 mol
[思路点拨]　
　
原理图分析如下：
[答案]　D
含离子交换膜电化学装置题的解题步骤
[说明]　原电池中阴(阳)离子通过阴(阳)离子交换膜移向负(正)极，电解池中阴(阳)离子通过阴(阳)离子交换膜移向阳(阴)极。
　　　　　　单膜电化学装置
1．(2022·日照模拟)一种利用烃(CxHy)来消除氮氧化物污染的工作原理如图所示，装置中电极均为惰性电极，两侧电解质溶液为同浓度的盐酸。下列说法错误的是(　　)
A．通入NO2的电极为正极，发生还原反应
B．若使用的烃为C2H6，该电极反应为C2H6＋4H2O－14e－===2CO2＋14H＋
C．装置中转移0.4 mol电子时，有0.4NA个H＋通过质子交换膜
D．装置工作一段时间后，两侧电极室中溶液的pH不变
D　[根据电极的物质转化得：左电极为正极，反应式为2NO2＋8e－＋8H＋===N2↑＋4H2O，右电极为负极，若使用的烃为C2H6，电极反应为C2H6＋4H2O－14e－===2CO2＋14H＋。左侧生成水，c(HCl)变小，pH变大，D错误。]
2．(2022·邯郸模拟)微生物电化学产甲烷法是将电化学法和生物还原法有机结合，装置如图所示[其中电源为(CH3)2NNH2－KOH－O2清洁燃料电池]。下列说法正确的是(　　)
A．氢离子可通过离子交换膜自右室移向左室
B．温度越高，产甲烷效率越高
C．电源放电过程中会产生N2
D．a电极反应为CH3COO－－6e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋
C　[根据a电极上CH3COO－转化为CO2，C元素化合价升高，发生氧化反应，知a电极为阳极，则b电极为阴极，氢离子通过离子交换膜由阳极室(左室)进入阴极室(右室)，A项错误；该装置中有产电菌、产甲烷菌参与，温度过高，微生物的蛋白质变性，产甲烷效率降低，B项错误；根据电源为(CH3)2NNH2－KOH－O2清洁燃料电池，知其放电过程中产生N2，C项正确；a电极反应为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，D项错误。]
　　　　　　多膜电化学装置
3．(2022·大连模拟)一种三室微生物燃料电池污水净化系统的原理如图所示，图中含酚废水中的有机物可用C6H5OH表示。
下列说法不正确的是(　　)
A．右室电极为该电池的正极
B．右室电极附近溶液的pH增大
C．左侧离子交换膜为阳离子交换膜
D．左室电极反应式可表示为C6H5OH＋11H2O－28e－===6CO2↑＋28H＋
C　[根据图示可知左电极为负极，反应式为C6H5OH＋11H2O－28e－===6CO2↑＋28H＋，右电极为正极，反应式为2NO ＋10e－＋6H2O===N2↑＋12OH－。左侧溶液中H＋增多，Cl－通过交换膜移向左侧，左侧离子交换膜为阴离子交换膜，C错误。]
4．我国光伏发电并网装机容量突破3亿千瓦。已知四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH]常用作电子工业清洗剂，以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]为原料，采用电渗析法合成[(CH3)4NOH]，工作原理如图。下列说法正确的是(　　)
A．光伏并网发电装置中N型半导体为正极
B．c为阳离子交换膜，d、e均为阴离子交换膜
C．保持电流恒定，升高温度可加快合成四甲基氢氧化铵的速率
D．制备182 g四甲基氢氧化铵，两极共产生33.6 L气体(标准状况)
D　[根据第三个池中浓度变化得出，钠离子从第四池通过e膜，氯离子从第二池通过d膜，电解池中阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，则a为阴极，电极反应式为2(CH3)4N＋＋2H2O＋2e－===2(CH3)4NOH＋H2↑，b为阳极，电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，a与N型半导体相连，b与P型半导体相连，所以N型半导体为负极，P型半导体为正极。由分析可知，N型半导体为负极，A错误；Na＋离子通过e膜，Cl－通过d膜，(CH3)4N＋通过c膜，所以c、e膜为阳离子交换膜，d膜为阴离子交换膜，B错误；温度过高，四甲基氯化铵会分解，四甲基氯化铵浓度降低，不能加快合成四甲基氢氧化铵的速率，C错误。]
5．(2022·沈阳模拟)利用双极膜电解制备磷酸和氢氧化钠的原理如图所示。已知双极膜是一种复合膜，在直流电作用下，中间界面内水解离为H＋和OH－，并实现其定向通过。下列说法正确的是(　　)
A．若用铅酸蓄电池为电源，则X极与Pb电极相连
B．双极膜中a为H＋，b为OH－
C．当电路中通过4 mol电子时，电极Y上产生2 mol气体
D．M膜为阴离子交换膜，N膜为阳离子交换膜
CD　[由图可知，与直流电源正极相连的电极X为电解池的阳极，Y为阴极，电解池工作时阴离子向阳极迁移，阳离子向阴极迁移，则双极膜中水解离出的离子a为氢氧根离子、b为氢离子，M膜为阴离子交换膜、N膜为阳离子交换膜，原料室中磷酸二氢根离子通过M膜进入产品室1，与双极膜产生的氢离子反应生成磷酸，N膜为阳离子交换膜，原料室中钠离子通过N膜进入产品室2得到氢氧化钠。电极X为电解池的阳极，若用铅酸蓄电池为电源，X极与二氧化铅电极相连，A错误，B错误，D正确；由上述分析可知，Y为阴极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，由电极反应式可知电路中通过4 mol 电子时，电极Y上产生氢气的物质的量为4 mol× ＝2 mol，C正确。]
真题感悟·明确考向
03
真题 感悟
情境 探究
1．(2022·山东等级考，T13)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(　　)
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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＋＋4OH－
D．若甲室Co2＋减少200 mg，乙室Co2＋增加300 mg，则此时已进行过溶液转移
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BD　[电池工作时， 甲室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－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，H＋移向甲室，c(H＋)变大，pH减小，A错误；乙室电极反应式为8LiCoO2＋32H＋＋8e－===8Li＋＋8Co2＋＋16H2O，右侧装置中细菌电极(负极)的电极反应式为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，每转移8个e－，乙室消耗32个H＋，而负极反应仅产生7个H＋，因此电池工作一段时间后，乙室应补充盐酸，B正确；电解质溶液为酸性，不可能大量存在OH－，
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2．(2021·广东选择性考试，T16)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(　　)
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A．工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大
B．生成1 mol Co，Ⅰ室溶液质量理论上减少16 g
C．移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变
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D　[石墨电极为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，H＋通过阳离子交换膜由Ⅰ室进入Ⅱ室，右侧Co电极为阴极，电极反应式为Co2＋＋2e－===Co，Cl－通过阴离子交换膜由Ⅲ室进入Ⅱ室，与H＋结合生成盐酸。由上述分析知，Ⅰ室中H2O放电使硫酸浓度增大，Ⅱ室中生成盐酸，故Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均减小，A错误；生成1 mol Co时，转移2 mol电子，Ⅰ室有0.5 mol (即16 g)O2逸出，有2 mol(即2 g)H＋通过阳离子交换膜进入Ⅱ室，则Ⅰ室溶液质量理论上减少18 g，B错误；移除两交换膜后，石墨电极上的电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，C错误；根据上述分析可知，电解时生成了O2、Co、H＋，则电解总反应为2Co2＋＋2H2O 2Co＋O2↑＋4H＋，D正确。]
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3．(2021·全国甲卷，T13)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是(　　)
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D　[由题图可知，在铅电极乙二酸变成乙醛酸是去氧的过程，发生还原反应，则铅电极是电解装置的阴极，石墨电极是电解装置的阳极发生氧化反应，反应为2Br－－2e－===Br2。由上述分析可知，Br－起到还原剂的作用，A错误；阳极上的反应式为2Br－－2e－===Br2，B错误；制得2 mol乙醛酸，实际上是左、右两侧各制得1 mol乙醛酸，共转移2 mol电子，故理论上外电路中迁移的电子数为2 mol，C错误；电解装置中，阳离子移向阴极(即铅电极)，D正确。]
　氢碘酸也可以用“电解法”制备，装置如图所示。其中双极膜(BPM)是阴、阳复合膜，在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－；A、B为离子交换膜。
(1)B膜最佳应选择________交换膜(填具体离子符号)。
(2)阳极的电极反应式是_______________________________________。
(3)少量的I－因浓度差通过BPM膜，若撤去A膜，其缺点是_____________________________________________________________________________________________________________________。
[答案]　(1)Na＋　(2)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
(3)I－会在阳极放电，沉积在阳极表面，损伤阳极板
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