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微专题15　多室、多池的电化学装置
一、离子交换膜电化学装置
1.离子交换膜的分类和作用
2.离子交换膜电化学装置的解题思维路径
考向一　“隔膜”在新型电池中的应用
1.(2024·山东青岛模拟)我国科学家开发出了一种ZnNO电池系统,该电池具有同时合成氨和对外供电的功能,其工作原理如图所示,下列说法错误的是(　　)
[A] 电极电势:Zn/ZnO电极[B] Zn/ZnO电极的电极反应式为Zn-2e-+2OH-ZnO+H2O
[C] 电池工作一段时间后,正极区溶液的pH减小
[D] 电子流向:Zn/ZnO电极→负载→MoS2电极
2.(2024·广东珠海联考)某燃料电池主要构成要素如图所示,下列说法正确的是(　　)
[A] 电池可用于乙醛的制备
[B] b电极为正极
[C] 电池工作时,a电极附近pH降低
[D] a电极的电极反应式为O2+4e--4H+2H2O
考向二　“隔膜”在电解池中的应用
3.(2024·河南安阳三模,改编)科学家设计了一种CO2HMF协同转化装置,如图所示。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。下列叙述正确的是(　　)
[A] 催化电极A的电势高于催化电极B
[B] 阳极的电极反应为-6e-+8OH-+6H2O
[C] 每生成1 mol甲酸,双极膜处有1 mol的水解离
[D] 电路中转移相同电子时,理论上消耗的CO2和HMF物质的量之比为1∶3
4.(2025·内蒙古高考适应性考试)随着锂离子电池在众多领域的广泛应用,其废旧电池的回收工作愈发显得意义重大。现行的回收工艺通常采用酸浸碱浸的方法,从锂离子电池正极材料LiCoO2(含少量金属Cu)中提取Li和Co,得到的Co(OH)2和Li2CO3在空气中煅烧,可实现LiCoO2的再生。与此同时,为达成绿色回收Li和Co的目标,科研人员正在研究一种新型电解回收工艺。电解回收工艺的原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
[A] 太阳能电池板经光照产生的电子流向a极
[B] LiCoO2浸出:4LiCoO2+12H+4Li++4Co2++6H2O+O2↑
[C] b电极反应:2H2O+2e-H2↑+2OH-
[D] 电解前除去LiCoO2中的杂质,可提高Co(OH)2 纯度
5.(2024·黑龙江模拟)电解Na2SO4溶液制取某电池正极材料的前驱体NCM(OH)2,其工作原理如图所示,已知交换膜A为阴离子交换膜,下列说法正确的是(　　)
[A] 工作过程中,钛电极会不断溶解
[B] 通电一段时间,Ⅰ室pH减小
[C] 撤去交换膜B,纯钛电极端前驱体的产率不会受到影响
[D] 当产生0.1 mol的NCM(OH)2时,纯钛电极上至少产生标准状况下4.48 L气体
考向三　“膜”两侧溶液质量变化的计算
6.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1 L 2 mol·L-1 H2SO4溶液。当电池中有1 mol电子发生转移时,左右两侧溶液的质量之差为　　　g(假设反应物耗尽,忽略气体的溶解)。
计算原电池或电解池中“膜”两侧溶液质量变化时,要注意气体的排出或吸收、沉淀的析出或溶解,尤其不能忽略离子的转移对溶液质量的影响。
二、多池串联的两大模型及原理分析
1.常见串联装置图
(1)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。
(2)原电池与电解池的串联(如图)。
图甲中,　　为原电池,　　为电解池;
图乙中,　　为原电池,　　为电解池。
2.“串联”类装置的解题流程
考向一　考查外接电源与电解池的串联
1.(2023·湖北卷,10)我国科学家设计如图所示的电解池,实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变,电解生成氢气的速率为
x mol·h-1。下列说法错误的是(　　)
[A] b电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-
[B] 离子交换膜为阴离子交换膜
[C] 电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜
[D] 海水为电解池补水的速率为2x mol·h-1
考向二　考查原电池与电解池的串联
2.(2024·河北秦皇岛联考)如图所示,甲池的总反应式为N2H4+O2N2+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] 甲池中负极电极反应式为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3.2 g N2H4时,乙池中理论上最多产生6.4 g固体
3.(2024·山东济南模拟)利用如图装置模拟工业上电渗析法实现海水淡化。下列说法错误的是(　　)
[A] 乙室的Ag电极电势高于甲室的Ag电极
[B] C1电极的反应为2Cl--2e-Cl2↑
[C] 膜1为阳离子交换膜、膜2为阴离子交换膜
[D] 当乙室Ag电极的质量增加21.6 g时,理论上NaCl溶液的质量减少11.7 g
考向三　与物理知识的结合
4.(2024·江苏南京模拟)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)。
已知:电流效率η=×100%。
(1)导线中电子移动方向为　　　　(用A、D 表示)。
(2)生成目标产物的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)该储氢装置的电流效率η=　　　　(计算结果保留小数点后1位)。
微专题15　多室、多池的电化学装置
一、离子交换膜电化学装置
[针对训练]
1.C　由题意可知,该装置为原电池,MoS2电极上NO转化为NH3,得电子,发生还原反应,为正极,则Zn/ZnO电极为负极,正极电势高于负极电势,A正确;由题图分析可知,Zn/ZnO电极的电极反应式为Zn-2e-+2OH-ZnO+H2O,B正确;正极区消耗的H+源于双极膜解离出的H+,且产生的NH3会部分溶解,所以正极区溶液的pH不会减小,C错误;电子流向为负极→负载→正极,D正确。
2.A　该燃料电池中,乙烯和水发生氧化反应,所以通入乙烯和水的电极是负极,氧气得电子发生还原反应,所以通入氧气的电极是正极,由图可知,负极上乙烯失电子和水反应生成乙醛和氢离子,氢离子移向正极,正极上氧气得电子和氢离子反应生成水,X为水。电池工作时,氢离子移向正极,a电极的电极反应式为O2+4e-+4H+2H2O,a电极附近pH升高,故B、C、D不符合题意。
3.B　由图可知,二氧化碳得电子发生还原反应转化为甲酸,则催化电极A为阴极,催化电极B为阳极,阳极电势高于阴极,故催化电极A的电势低于催化电极B,A错误;在碱性条件下,阳极上失去电子发生氧化反应,电极反应为-6e-+8OH-+6H2O,B正确;二氧化碳得电子发生还原反应转化为甲酸的电极反应为CO2+2e-+2H+HCOOH,则每生成 1 mol甲酸,转移2 mol电子,双极膜处有2 mol的水解离,C错误;根据电极反应可知,电路中转移相同电子时,理论上消耗的CO2和HMF物质的量之比为 3∶1,D错误。
4.A　由太阳能电池电解回收工艺的原理可知,a极上水失去电子变为氧气,所以a极为阳极,电极反应为2H2O-4e-O2↑+4H+,b极为阴极,电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-。根据分析可知,b极为阴极,太阳能电池板经光照产生的电子流向b极,故A错误;根据分析可知,LiCoO2浸出生成钴离子,钴元素化合价降低,氧元素化合价升高,所以离子方程式为4LiCoO2+12H+4Li++4Co2++6H2O+O2↑,故B正确;根据分析可知,b极为阴极,电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,故C正确;根据分析可知,电解前除去LiCoO2中的杂质,防止铜离子生成Cu(OH)2,可提高 Co(OH)2 纯度,故D正确。
5.B　由图可知,前驱体在Ⅲ室生成,则Ⅱ室的金属阳离子进入Ⅲ室,交换膜B为阳离子交换膜,则右侧纯钛电极为阴极,电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,OH-与金属阳离子结合得到前驱体,钛电极不会溶解,故A错误;左侧石墨电极为阳极,电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,交换膜A为阴离子交换膜,S进入Ⅰ室,H+浓度不断增大,Ⅰ室pH减小,故B正确;撤去交换膜B,相当于纯钛电极直接放入Ⅱ室,会导致接受电子的物质不是水而是金属离子,导致金属单质的生成,附着在前驱体上导致产率降低,故C错误;每生成0.1 mol的 NCM(OH)2,钛电极上要生成0.2 mol OH-,由电极反应式2H2O+2e-H2↑+2OH-可知,会生成0.1 mol H2,在标准状况下的体积为2.24 L,故D错误。
6.【答案】 12
【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。通入甲醇的一极为负极,电极反应式为
CH3OH-6e-+H2OCO2↑+6H+　Δm
6 mol 44 g-32 g=12 g
1 mol 2 g
通入氧气的一极为正极,电极反应式为
O2+4e-+4H+2H2O　Δm
4 mol 32 g
1 mol 8 g
当有1 mol电子发生转移时,左侧还有1 mol H+通过质子交换膜进入右侧,故Δm左(减少)=3 g,Δm右(增加)=9 g,左右两侧溶液的质量之差为Δm右(增加)+Δm左(减少)=9 g+3 g=
12 g。
二、多池串联的两大模型及原理分析
1.(2)A　B　A　B
[针对训练]
1.D　由图可知,该装置为电解水制取氢气的装置,a电极与电源正极相连,为电解池的阳极,b电极与电源负极相连,为电解池的阴极,阴极的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,阳极的电极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O,电池总反应为2H2O2H2↑+O2↑。b电极为阴极,发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,故A正确;该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变,阳极的电极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O,为保持OH-浓度不变,则阴极产生的OH-要通过离子交换膜进入阳极室,即离子交换膜应为阴离子交换膜,故B正确;电解时电解槽中不断有水被消耗,海水中的动能高的水为气态时
可穿过PTFE膜,为电解池补水,故C正确;由电解池总反应可知,每生成1 mol H2要消耗
1 mol H2O,生成H2的速率为 x mol·h-1,则补水的速率也应是x mol·h-1,故D错误。
2.C　该装置图中,甲池为燃料电池,其中左侧电极为负极,右侧电极为正极,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,电极反应式中不出现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;3.2 g N2H4的物质的量为0.1 mol,转移电子的物质的量为0.4 mol,产生0.2 mol Cu,质量为12.8 g,D错误。
3.C　该装置左侧为浓差原电池,右侧为电解池,甲室的Ag电极发生反应Ag-e-Ag+,该电极为负极,乙室的Ag电极发生反应Ag++e-Ag,该电极为正极,故C1电极为阳极,C2电极为阴极,NaCl溶液中阳离子Na+移向阴极室,膜2为阳离子交换膜,阴离子Cl-移向阳极室,膜1为阴离子交换膜,从而实现海水淡化。乙室的Ag电极为正极,故电势高于甲室的Ag电极,A正确;C1电极为阳极,电极反应为2Cl--2e-Cl2↑,B正确;NaCl溶液中阳离子Na+移向阴极室,膜2为阳离子交换膜,阴离子Cl-移向阳极室,膜1为阴离子交换膜,C错误;乙室的Ag电极发生反应Ag++e-Ag,质量增加21.6 g,为生成Ag的质量,其物质的量为=0.2 mol,转移0.2 mol电子,理论上NaCl溶液中移向阳极室的Cl-的物质的量为0.2 mol,移向阴极室的Na+的物质的量为 0.2 mol,故质量减少 0.2 mol×35.5 g/mol+
0.2 mol×23 g/mol=11.7 g,D正确。
4.【答案】 (1)A→D
(2)C6H6+6H++6e-C6H12
(3)64.3%
【解析】 (1)该装置为电解池,电极D上苯发生还原反应生成环己烷,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),阴极区出来的混合气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(g)的物质的量为x mol,阴极生成的H2的物质的量为 y mol,阴极生成的环己烷(g)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y mol H2得到2y mol电子,阳极(电极E)的电极反应式为 2H2O-4e-O2↑+4H+,生成2.8 mol O2失去电子的物质的量为4×2.8 mol=11.2 mol,根据得失电子守恒有6×(2.4-x) mol+2y mol=11.2 mol,阴极出来的混合气中苯(g)的物质的量分数为=0.1,联立两式解得x=1.2,y=2,则该储氢装置的电流效率η=×
100%≈64.3%。
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多室、多池的电化学装置
微专题15
一、离子交换膜电化学装置
1.离子交换膜的分类和作用
2.离子交换膜电化学装置的解题思维路径
针对训练
考向一　“隔膜”在新型电池中的应用
1.(2024·山东青岛模拟)我国科学家开发出了一种Zn-NO电池系统,该电池具有同时合成氨和对外供电的功能,其工作原理如图所示,下列说法错误的是(　　)
[A] 电极电势:Zn/ZnO电极[B] Zn/ZnO电极的电极反应式为Zn-2e-+2OH- ZnO+H2O
[C] 电池工作一段时间后,正极区溶液的pH减小
[D] 电子流向:Zn/ZnO电极→负载→MoS2电极
C
2.(2024·广东珠海联考)某燃料电池主要构成要素如图所示,下列说法正确的是(　　)
[A] 电池可用于乙醛的制备
[B] b电极为正极
[C] 电池工作时,a电极附近pH降低
[D] a电极的电极反应式为O2+4e--4H+ 2H2O
A
考向二　“隔膜”在电解池中的应用
3.(2024·河南安阳三模,改编)科学家设计了一种CO2-HMF协同转化装置,如图所示。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。
下列叙述正确的是(　　)
B
4.(2025·内蒙古高考适应性考试)随着锂离子电池在众多领域的广泛应用,其废旧电池的回收工作愈发显得意义重大。现行的回收工艺通常采用酸浸碱浸的方法,从锂离子电池正极材料LiCoO2(含少量金属Cu)中提取Li和Co,得到的Co(OH)2和Li2CO3在空气中煅烧,可实现LiCoO2的再生。与此同时,为达成绿色回收Li和Co的目标,科研人员正在研究一种新型电解回收工艺。电解回收工艺的原理如图所示。
下列说法错误的是(　　)
A
B
考向三　“膜”两侧溶液质量变化的计算
6.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1 L 2 mol·L-1 H2SO4溶液。当电池中有1 mol电子发生转移时,左右两侧溶液的质量之差为　　　g(假设反应物耗尽,忽略气体的溶解)。
12
名师点拨
计算原电池或电解池中“膜”两侧溶液质量变化时,要注意气体的排出或吸收、沉淀的析出或溶解,尤其不能忽略离子的转移对溶液质量的影响。
二、多池串联的两大模型及原理分析
1.常见串联装置图
(1)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。
(2)原电池与电解池的串联(如图)。
图甲中, 为原电池, 为电解池;
图乙中, 为原电池, 为电解池。
A
B
A
B
2.“串联”类装置的解题流程
针对训练
考向一　考查外接电源与电解池的串联
1.(2023·湖北卷,10)我国科学家设计如图所示的电解池,实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变,电解生成氢气的速率为x mol·h-1。下列说法错误的是(　　)
[A] b电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-
[B] 离子交换膜为阴离子交换膜
[C] 电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜
[D] 海水为电解池补水的速率为2x mol·h-1
D
C
考向二　考查原电池与电解池的串联
3.(2024·山东济南模拟)利用如图装置模拟工业上电渗析法实现海水淡化。下列说法错误的是(　　)
[A] 乙室的Ag电极电势高于甲室的Ag电极
[B] C1电极的反应为2Cl--2e- Cl2↑
[C] 膜1为阳离子交换膜、膜2为阴离子交换膜
[D] 当乙室Ag电极的质量增加21.6 g时,理论上NaCl溶液的质量减少11.7 g
C
考向三　与物理知识的结合
4.(2024·江苏南京模拟)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　　　　(用A、D 表示)。
A→D
【解析】 (1)该装置为电解池,电极D上苯发生还原反应生成环己烷,则电极D是阴极,故导线中电子移动方向为A→D。
(2)生成目标产物的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　。
(3)该储氢装置的电流效率η=　　　　(计算结果保留小数点后1位)。
64.3%

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