第1章 题型整合练 突破电化学“多池”串联装置

题型整合练　突破电化学“多池”串联装置
题型一　外接电源的“多池”串联装置分析
1.利用太阳光分解水制氢是解决能源危机的理想方法之一。某学习小组设计了如图所示循环系统实现了光解水制氢。下列说法错误的是 (　　)
A.整个系统运行的能量最终都来自太阳能
B.若电解池A中生成4.48 L H2,则电解池B中生成0.4 mol Fe2+
C.电解池A中阳极反应式为2I--2e- I2
D.反应体系中I-和Fe3+可实现循环使用,仅需补充水
2.NA代表阿伏加德罗常数的值。下图电路中,电极6增重0.64 g时,下列叙述不正确的是 (　　)
A.电极2上析出的气体在标准状况下的体积为224 mL
B.电极3上产生的气体产物中含有的共用电子对数目为0.02NA
C.忽略离子的扩散,盐桥中进入AgNO3溶液中N的数目为0.02NA
D.为使装Na2SO4溶液的电解池恢复到电解前状态,需加入H2O的质量为0.18 g
3.利用如图装置可持续生产两种消毒剂,其中甲池生产H2O2。a、d均为包裹催化剂的惰性电极,b、c为共用的Ni(OH)2、NiOOH电极,通过电极反应在甲、乙池间转运某些离子。调节电源的电流,使b、c电极的净组成不变。下列说法错误的是 (　　)
A.乙池生产的消毒剂是NaClO
B.生产过程中OH-从甲池转运至乙池
C.b电极反应式:Ni(OH)2+OH--e- NiOOH+H2O
D.理论上甲、乙池生成的消毒剂的物质的量之比为2∶1
题型二　原电池与电解池串联装置分析
4.浓差电池指利用两极电解质溶液中浓度不同引起的电势差放电。实验室利用浓差电池实现电解丙烯腈(CH2CHCN)合成己二腈[NC(CH2)4CN],装置如图所示(实验前,隔膜两侧溶液均为200 mL,铜电极质量均为100 g)。
下列说法正确的是 (　　)
A.Cu(1)为负极,其电极反应为Cu-2e- Cu2+
B.隔膜为阴离子交换膜,C(2)为阴极
C.上述装置理论上可制备0.6 mol己二腈
D.当电解停止时,Cu(1)与Cu(2)质量相差51.2 g
5.一种将燃料电池与电解池组合制备KMnO4的装置如图所示(电极甲、乙、丙、丁均为惰性电极)。该装置工作时,下列说法不正确的是 (　　)
A.甲为正极,丙为阴极
B.丁极的电极反应为Mn
C.KOH溶液的溶质质量分数:c%>a%>b%
D.标准状况下,甲电极上每消耗22.4 L气体时,理论上有4 mol K+移入阴极区
6.如图所示,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对应的单质,且E能与NaOH溶液反应。按图示接通电路,反应一段时间。
回答下列问题:
(1)甲池是　　(填“原电池”或“电解池”)装置,电极A的名称是　　　。
(2)C极为　　　　(填“阴极”或“阳极”),电极反应式为　　　　　　。
(3)烧杯中溶液会变蓝的是　　(填“a”或“b”)。
(4)F极的名称是　　　　　　,电极反应式为　　　　　　　　　。
(5)甲池中总反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　。
7.某研究性学习小组用下图所示的装置进行实验,探究原电池、电解池和电解精炼钴的工作原理。一段时间后装置甲的两极均有气体产生,且X极处溶液逐渐变成紫红色;停止实验观察到铁电极明显变细,电解液仍然澄清。查阅资料:高铁酸根(Fe)在溶液中呈紫红色。
回答下列问题:
(1)上述装置中,发生氧化反应的电极有　　　　(填字母)。
A.X(Fe)　　B.Y(C)　　C.Co　　D.Cu
(2)丙池中的S　　　　(填“从左向右”“从右向左”或“不”)移动。
(3)反应过程中,X极处发生的电极反应为4OH--4e- O2↑+2H2O和　　　　　　　　　　　　　。
(4)一段时间后,若X极质量减小1.12 g,Y电极收集到2.24 L气体,则在X极收集到的气体为　　　　 mL(均已折算为标准状况时气体体积)。
(5)乙池是电解制备金属钴的装置图,电解一段时间后理论上Ⅰ室中n(H+)　　　(填“变大”“变小”或“不变”),该电解池总反应的化学方程式是　　　　　　　　　　　。
(6)若撤掉装置乙中的阳离子交换膜,石墨电极上产生的气体除O2外,还可能有　　　　　　。
答案与分层梯度式解析
1.B 2.B 3.D 4.D 5.C
1.B　整个系统运行的过程中,太阳能转化为电能,电能转化为化学能,能量最终来自太阳能,A正确;未给出气体所处的状况,无法计算,B错误;由题图可知,电解池A中左侧电极连接电源的负极,作阴极,电极反应式为2H++2e- H2↑,另一极为阳极,阳极反应式为2I--2e- I2,C正确;电解池B中,阴极反应式为Fe3++e- Fe2+,电解时I-和Fe3+分别反应生成I2和Fe2+,二者在光催化反应池中又转化为I-和Fe3+,反应体系中I-和Fe3+能循环使用,整个过程实质为电解水生成H2和O2,仅需补充水,D正确。
2.B　图解导引:
电极6增重,则表明电极6为阴极,b为负极,a为正极,从而得出电极1、3、5为阳极,电极2、4、6为阴极。电极6增重0.64 g,电极反应为Cu2++2e- Cu,转移电子的物质的量为×2=0.02 mol。电极2为阴极,发生的电极反应为2H2O+2e- 2OH-+H2↑,转移电子0.02 mol,则析出H2的物质的量为0.01 mol,在标准状况下的体积为224 mL,A正确;电极3为阳极,电极反应为2H2O-4e- O2↑+4H+,产生的气体产物为O2,物质的量为0.005 mol,含有的共用电子对数目为0.01NA,B错误;电极5为阳极,电极反应为Ag-e- Ag+,线路中通过电子0.02 mol时,生成Ag+0.02 mol,忽略离子的扩散,盐桥中进入AgNO3溶液中的N数目为0.02NA,C正确;电解Na2SO4溶液的实质是电解水,由关系式H2O~2e-可知,转移电子0.02 mol时,电解水的物质的量为0.01 mol,为使装Na2SO4溶液的电解池恢复到电解前状态,需加入H2O的质量为0.18 g,D正确。
3.D　乙池中d电极连接电源的正极,d电极为阳极,d电极上Cl-放电生成Cl2,生成的Cl2再和c电极上产生的OH-反应生成ClO-,得到NaClO,A正确。a电极为阴极,b电极为阳极,OH-先迁移到b电极,参与电极反应:Ni(OH)2+OH--e- NiOOH+H2O;c电极为阴极,电极反应为NiOOH+H2O+e- Ni(OH)2+OH-,生成的OH-再迁移到乙池中,B、C正确。甲池中生成消毒剂的反应为O2+2e-+2H2O H2O2+2OH-,乙池中生成消毒剂的反应为2Cl--2e- Cl2↑、Cl2+2OH- Cl-+ClO-,故转移2 mol电子时,理论上生成1 mol H2O2和1 mol NaClO,其物质的量之比为1∶1,D错误。
4.D　浓差电池中,Cu(2)为负极,电极反应式为Cu-2e- Cu2+,Cu(1)为正极,电极反应式为Cu2++2e- Cu,A错误;左侧装置为浓差电池,主要因为c(Cu2+)不同形成电势差,隔膜是阴离子交换膜,C(2)与Cu(1)(正极)相连,C(2)为阳极,B错误;浓差电池中当CuSO4溶液浓度一致时,电池放电完全,此时隔膜两侧c(CuSO4)=3 mol·L-1,电路中转移电子的物质的量是2 mol·L-1×0.2 L×2=0.8 mol,由电极反应2CH2CHCN+2H++2e- NC(CH2)4CN可知,可制备0.4 mol己二腈,C错误;电解停止时Cu(1)电极上析出0.4 mol Cu,Cu(2)电极上溶解0.4 mol Cu,故Cu(1)与Cu(2)质量相差0.8 mol×64 g·mol-1=51.2 g,D正确。
5.C　图解导引:
分析装置的特点,可知左侧装置是燃料电池,右侧装置是电解池;通入O2的电极甲是原电池的正极,与甲相连的丁电极是电解池的阳极,再结合题干知丁电极上的电极反应为Mn-e- Mn;丙是电解池的阴极,溶液中水电离出的H+在阴极被还原为H2,所以气体X是H2,A、B正确;丙电极的电极反应为2H2O+2e- 2OH-+H2↑,甲电极的电极反应为O2+2H2O+4e- 4OH-,乙电极的电极反应为H2-2e-+2OH- 2H2O,根据溶液中离子的移动方向可知,c%>b%>a%,C错误;标准状况下,甲电极上每消耗22.4 L(即1 mol)O2时,转移4 mol电子,所以理论上有4 mol K+移入阴极区,D正确。
方法点津
无外接电源电池类型的判断方法
(1)直接判断
非常直观明显的装置,如燃料电池、铅蓄电池和能自发进行氧化还原反应的装置在电路中为原电池,则其他装置为电解池。
(2)根据电极反应或反应现象判断:在某些装置中根据电极反应或反应现象可判断电极类型,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,则可知右池是原电池,D是正极,C是负极;左池是电解池,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。
6.答案　(1)电解池　阳极
(2)阳极　2Cl--2e- Cl2↑
(3)a
(4)正极　2H2O+2e- H2↑+2OH-
(5)2Cu2++2H2O 2Cu+O2↑+4H+
解析　E、F分别为短周期相邻两种活泼金属元素对应的单质,且E能与NaOH溶液反应,则E为Al,F为Mg。
(1)Al、Mg为电极,NaOH溶液作电解液组成的原电池中,Al失去电子被氧化生成[Al(OH)4]-,则E(Al)电极为负极,F(Mg)电极为正极;根据电极的连接方式可知,电极A为阳极。
(2)D极连接Al电极(负极),作阴极,故电极C为阳极,Cl-在阳极上发生氧化反应生成Cl2,电极反应式为2Cl--2e- Cl2↑。
(3)电极C上Cl-发生氧化反应生成Cl2,Cl2通过导管进入淀粉-KI溶液,发生反应:2KI+Cl2 2KCl+I2,反应生成的I2遇淀粉溶液变蓝,故a烧杯中溶液会变蓝。
(4)F电极为原电池的正极,发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-。
(5)甲池中A、B电极材料均为石墨,是惰性电极,电解CuSO4溶液时,阴极上Cu2+放电生成Cu,阳极上水电离出的OH-放电生成O2,故电池总反应为2Cu2++2H2O 2Cu+O2↑+4H+。
7.答案　(1)A　(2)从右向左　(3)Fe-6e-+8OH- Fe+4H2O　(4)448　(5)不变　2CoCl2+2H2O 2Co+O2↑+4HCl　(6)Cl2
解析　快速浏览装置图,判断出装置是原电池还是电解池。
丙装置是原电池,Zn作负极,Cu作正极,甲装置是电解池,乙装置是电解精炼钴的装置,则甲池中X极作阳极,Y极作阴极,乙池中石墨作阳极,Co作阴极。
(1)原电池中负极、电解池中阳极发生氧化反应,则题述装置中,发生氧化反应的电极有丙池中的Zn电极、甲池中的X电极、乙池中的石墨电极,符合题意的为A。
(2)丙池中的S(阴离子)向Zn电极(负极)方向移动,即从右向左移动。
(4)Y极产生的气体为H2,n(H2)==0.1 mol,X极质量减小1.12 g,则消耗的n(Fe)==0.02 mol。根据得失电子守恒,X极上Fe放电转移的电子数+OH-放电转移的电子数=Y极上水电离出的H+放电转移的电子数,即4n(O2)+6n(Fe)=2n(H2),4n(O2)+6×0.02 mol=2×0.1 mol,n(O2)=0.02 mol,即标准状况下V(O2)=0.02 mol×22.4 L/mol=0.448 L=448 mL。
(5)乙池中石墨作阳极,电极反应式为2H2O-4e- 4H++O2↑,H+通过阳离子交换膜由Ⅰ室进入Ⅱ室,电解一段时间后理论上Ⅰ室中n(H+)不变;该电解池的阳极反应式为2H2O-4e- 4H++O2↑,阴极反应式为Co2++2e- Co,则总反应的离子方程式为2Co2++2H2O 2Co+O2↑+4H+,化学方程式为2CoCl2+2H2O 2Co+O2↑+4HCl。
(6)若撤掉装置乙中的阳离子交换膜,石墨电极上还会发生电极反应2Cl--2e- Cl2↑,所以石墨电极上产生的气体除O2外,还可能有Cl2。
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