2025届高三化学二轮复习 第39讲多池、多室的电化学装置 讲义（含解析）

第39讲多池、多室的电化学装置
1.了解串联装置的连接特点，了解离子交换膜的特点及作用。
2．掌握多池、多室问题分析的一般方法。
3．能熟练用电子守恒、关系式法等进行有关电化学计算。
考点一多池串联的两大模型及原理分析
1.常见多池串联装置图
模型一外接电源与电解池的串联(如图)
A、B为两个串联电解池，相同时间内，各电极得失电子数相等。
模型二原电池与电解池的串联(如图)
甲、乙两图中，A均为原电池，B均为电解池。
2．二次电池的充电
(1)可充电电池原理示意图
充电时，原电池负极与外接电源负极相连，原电池正极与外接电源正极相连，记作“正接正，负接负”。
(2)可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。充电、放电不是可逆反应。
(3)放电时的负极反应和充电时的阴极反应相反，放电时的正极反应和充电时的阳极反应相反。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。
3．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)
该关系式具有总览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。
感悟：
【教考衔接】
典例[2022·山东卷，13]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()
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200mg，乙室Co2＋增加300mg，则此时已进行过溶液转移
【解题关键】右侧装置为原电池，带细菌电极为负极，LiCoO2电极为正极；左侧装置为电解池，带细菌电极为阳极，CoCl2电极为阴极；两个电池为串联连接。
听课笔记
【对点演练】
1．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
2．铅酸蓄电池是典型的可充电电池，正、负极是惰性材料，电池总反应式为Pb＋PbO2＋2H2SO4放电，充电2PbSO4＋2H2O，回答下列问题(不考虑氢、氧的氧化还原)：
(1)放电时，正极的电极反应式是_。电解液中H2SO4的浓度将变_；当外电路通过1mol电子时，理论上负极板的质量增加_g。
(2)在完全放电耗尽PbO2和Pb时，若按如图连接，电解一段时间后，则在A电极上生成_，B电极上生成_，此时铅酸蓄电池的正、负极的极性将_(填“不变”或“对换”)。
3．在如图所示的装置中，若通直流电5min时，铜电极的质量增加2.16g。试回答下列问题。
(1)电源中X为直流电源的_极。
(2)pH变化：A_(填“增大”“减小”或“不变”，下同)，B_，C_。
(3)通电5min时，B中共收集224mL(标准状况下)气体，溶液体积为200mL，则通电前CuSO4溶液的物质的量浓度为_(设电解前后溶液体积无变化)。
(4)常温下，若A中KCl足量且溶液的体积也是200mL，电解后，溶液的pH为_(设电解前后溶液体积无变化)。
考点二多室电化学装置
为实现特定功能需求，在电化学装置中增加离子交换膜，将原电池或电解池分隔成两个或多个相对独立的室。
1．离子交换膜的分类和应用
2．分析某室质量变化的关键
分析某室质量的变化，既要考虑该区(或该电极)的化学反应，又要考虑通过“交换膜”的离子带来的质量变化。
【教考衔接】
典例1[2022·湖南卷，8]海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂—海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是()
A．海水起电解质溶液作用
B．N极仅发生的电极反应：
2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C．玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能
D．该锂—海水电池属于一次电池
【解题思路】锂—海水电池的总反应为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH。M极上Li失去电子发生氧化反应，则M电极为负极，电极反应为Li－e－===Li＋；N极为正极，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
听课笔记
【师说·延伸】①本题关键是正确解读玻璃陶瓷的作用，从而确定正极反应物是O2；②将锂—海水电池的总反应定为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑是典型的错误。
典例2微生物脱盐池是在微生物燃料电池的基础上发展而来的新兴生物电化学系统，示意图如图所示。下列说法错误的是()
A．该装置能实现从海水中得到淡水，同时去除有机物，而且还可提供电能
B．电极b为正极
C.负极反应为CH3COO－＋7OH－－8e－===2CO2↑＋5H2O
D．Y为阳离子交换膜
【解题思路】燃料电池通入O2的电极为正极，因此b为正极；CH3COO－反应的电极为负极，即a为负极。
听课笔记
【对点演练】
考向一单膜电解池
1．已知：电流效率＝电路中通过的电子数与消耗负极失去电子总数之比。现有两个电池Ⅰ、Ⅱ，装置如图所示。
下列说法正确的是()
A．Ⅰ和Ⅱ的电池反应不相同
B．能量转化形式不同
C．Ⅰ的电流效率低于Ⅱ的电流效率
D．5min后，Ⅰ、Ⅱ中都只含1种溶质
2．[2024·九省联考吉林卷，14]某生物质电池原理如下图所示，充、放电时分别得到高附加值的醇和羧酸。下列说法正确的是()
A．放电时，正极电极反应为：
＋H2O－2e－===＋2H＋
B．放电时，Co0.2Ni0.8(OH)2转化为Co0.2Ni0.8OOH
C．充电时，K＋通过交换膜从左室向右室迁移
D．充电时，阴极电极反应为：＋2H2O＋2e－===＋2OH－
考向二多膜电解池
3．H3PO2也可用电渗析法制备，“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：
(1)写出阳极的电极反应式_。
(2)分析产品室可得到H3PO2的原因_。
(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有_杂质，该杂质产生的原因是_。
考向三双极膜电解池
4．为适应不同发电形式产生的波动性，我国科学家设计了一种电化学装置，其原理如图所示。当闭合K1和K3、打开K2时，装置处于蓄电状态；当打开K1和K3、闭合K2时，装置处于放电状态。放电时，双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－并分别向两侧迁移。下列说法错误的是()
A．蓄电时，碳锰电极的电极反应式为Mn2＋＋2H2O－2e－＝MnO2＋4H＋
B．蓄电时，右侧电解池发生的总反应为2ZnO通电2Zn＋O2↑
C．放电时，每消耗1molMnO2，理论上有4molH＋由双极膜向碳锰电极迁移
D．理论上，该电化学装置运行过程中需要补充H2SO4和KOH
5．利用微生物电化学处理有机废水，同时可淡化海水并获得酸碱。现以NaCl溶液模拟海水、采用惰性电极，用如下图所示的装置处理有机废水(以含有机酸CH3COOH溶液为例)，在直流电场作用下，双极膜间的水解离成H＋和OH－。下列说法正确的是()
A．膜a为阴离子交换膜，膜b为阳离子交换膜
B．产品室生成的物质为盐酸
C．当阴极产生22.4L气体时，理论上可除去模拟海水中117gNaCl
D．阳极反应式为：CH3COOH＋2H2O＋8e－===2CO2↑＋8H＋
第39讲多池、多室的电化学装置
考点一
突破·关键能力
教考衔接
典例解析：假设乙酸盐为CH3COONa。甲室阳极反应为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，阴极反应为Co2＋＋2e－===Co，电池反应为CH3COO－＋4Co2＋＋2H2O===2CO2↑＋4Co＋7H＋，溶液pH逐渐减小，a错误；乙室负极反应为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，正极反应为LiCoO2＋e－＋4H＋===Li＋＋Co2＋＋2H2O，电池反应为CH3COO－＋8LiCoO2＋25H＋===2CO2↑＋8Li＋＋8Co2＋＋14H2O，b正确、c错误；若甲室Co2＋减少200mg，转移电子n（e－）＝×2＝0.0068mol，乙室Co2＋增加300mg，转移电子n（e－）＝×1＝0.0051mol，说明此时已进行过溶液转移，d正确。
答案：bd
对点演练
1．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；3.2gN2H4的物质的量为0.1mol，转移电子的物质的量为0.4mol，产生0.2molCu，质量为12.8g，D错误。
答案：C
2．解析：（1）根据总反应式可知放电时，正极PbO2得到电子，电极反应式是PbO2＋4H＋＋＋2e－===PbSO4＋2H2O，负极电极反应式是Pb＋－2e－===PbSO4；由反应式知放电时消耗H2SO4，则H2SO4浓度变小；当外电路通过1mol电子时，理论上负极板的质量增加0.5mol×96g·mol－1＝48g。（2）若按题图连接，B为阳极，失去电子发生氧化反应，A为阴极，得到电子发生还原反应，B电极上发生的反应为PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋，A电极发生的反应为PbSO4＋2e－===Pb＋，所以A电极上生成Pb，B电极上生成PbO2，此时铅酸蓄电池的正、负极的极性将对换。
答案：（1）PbO2＋4H＋＋＋2e－===PbSO4＋2H2O小48（2）PbPbO2对换
3．解析：（1）三个装置是串联的电解池。电解AgNO3溶液时，Ag＋在阴极发生还原反应生成Ag，所以质量增加的铜电极是阴极，由此推知X是电源负极。（2）电解KCl溶液生成KOH，溶液pH增大；电解CuSO4、K2SO4溶液生成H2SO4，溶液pH减小；电解AgNO3溶液，银为阳极，不断溶解，Ag＋在阴极不断析出，AgNO3溶液浓度基本不变，pH不变。（3）通电5min时，C中析出0.02molAg，电路中通过0.02mol电子；B中共收集0.01mol气体，若该气体全为氧气，则电路中需通过0.04mol电子，电子转移不守恒，因此，B中电解分为两个阶段，先电解CuSO4溶液，生成O2，后电解水，生成O2和H2，B中收集到的气体是O2和H2的混合物。设电解CuSO4溶液时生成O2的物质的量为xmol，电解H2O时生成O2的物质的量为ymol，则4x＋4y＝0.02（电子转移守恒），x＋3y＝0.01（气体体积之和），解得x＝y＝0.0025，所以n（CuSO4）＝2×0.0025mol＝0.005mol，c（CuSO4）＝＝0.025mol·L－1。（4）常温下，通电5min时，A中放出0.01molH2，溶液中生成0.02molKOH，c（OH－）＝＝0.1mol·L－1，pH＝13。
答案：（1）负（2）增大减小不变（3）0.025mol·L－1（4）13
考点二
突破·关键能力
教考衔接
典例1解析：海水中含有大量的电解质，故A项正确；Li是活泼金属，作负极，则N极是正极，正极上海水中溶解的O2、CO2等均能放电，B项错误；由于Li易与水反应，故玻璃陶瓷应具有良好的防水功能，同时为形成闭合的回路，也应具有传导离子的功能，C项正确；该电池属于一次电池，D项正确。
答案：B
典例2解析：该装置为原电池，a极有机物发生氧化反应生成二氧化碳，海水中的Na＋和Cl－通过离子交换膜分别移向正极和负极，能实现从海水中得到淡水，同时去除有机物，而且还可提供电能，A正确；根据分析，电极b通入氧气，得电子，为正极，B正确；由图可知，负极为有机弱酸性废水CH3COO－的电极，失电子发生氧化反应，溶液为酸性，电极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，C错误；原电池中阳离子移向正极、阴离子移向负极，从而达到脱盐目的，所以Y为阳离子交换膜、X为阴离子交换膜，D正确。
答案：C
对点演练
1．解析：Ⅰ、Ⅱ装置中电极材料相同，电解质溶液部分相同，电池反应，负极反应和正极反应式相同，A项错误；Ⅰ和Ⅱ装置的能量转化形式都是化学能转化成电能，B项错误；Ⅰ装置中铜与氯化铁直接接触，会在铜极表面发生反应，导致部分能量损失（或部分电子没有通过电路），导致电流效率降低。而Ⅱ装置采用阴离子交换膜，铜与氯化铜接触，不会发生副反应，放电过程中交换膜左侧负极的电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，阳离子增多；右侧正极的电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，负电荷过剩。Cl－从交换膜右侧向左侧迁移，电流效率高于Ⅰ装置，C正确；放电一段时间后，Ⅰ装置中生成氯化铜和氯化亚铁，Ⅱ装置中交换膜左侧生成氯化铜，右侧生成了氯化亚铁，可能含氯化铁，D项错误。
答案：C
2．答案：D
3．解析：（2）中应该从闭合回路的角度，阴、阳离子的流向分析；（3）注意阳极反应生成O2，O2具有氧化性，H3PO2和H2均具有还原性，二者会被O2氧化生成。
答案：（1）2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
（2）阳极室的H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H2穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2
（3）H2或H3PO2被氧化
4．解析：蓄电时，左侧为电解池，碳锰电极为电解池的阳极，电极反应式为：Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋，A正确；右侧装置也是电解池，电解池发生的总反应为：2ZnO2Zn＋O2↑，B正确；放电时，装置组合成原电池，碳锰电极为原电池的正极，电极反应为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O，每有1molMnO2消耗，理论上有4molH＋由双极膜向碳锰电极迁移，C正确；该电化学装置运行过程中，、K＋均没有参与反应，只需要补充H2O，不需要补充H2SO4和KOH，D错误。
答案：D
5．解析：由图知，阳极上CH3COOH失去电子生成CO2，阴极上氢离子得电子生成氢气，该电解池是利用微生物电化学处理有机废水，同时可淡化海水并获得酸碱，则氢离子通过双极膜进入产品室，氯离子通过膜b进入产品室，则膜b为阴离子交换膜，产品室生成的物质为盐酸；膜a为阳离子交换膜，钠离子从此进入阴极，得到产品氢氧化钠。由分析可知，膜a为阳离子交换膜，膜b为阴离子交换膜，A项错误；氢离子通过双极膜进入产品室，氯离子通过膜b进入产品室，产品室生成的物质为盐酸，B项正确；阴极产生22.4L气体未说明状态，无法通过气体摩尔体积计算，C项错误；阳极上CH3COOH失去电子生成CO2，阳极反应式为：CH3COOH＋8OH－－8e－===2CO2↑＋6H2O，D项错误。
答案：B