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第19讲　电化学综合应用
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学习目标
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1.掌握多池连接的分析应用。
2.了解离子交换膜的分类及特点。
3.理解离子交换膜在装置中的作用。
4.熟悉电化学综合计算中的常用方法。
考点一　多池串联的两大模型及原理分析
1．常见串联装置图
模型一　外接电源与电解池的串联(如图)
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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)
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显然两图中，A均为原电池，B均为电解池。
2．“串联”类装置的解题流程
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题组练习
1．(2020·长春质检)下图装置中a、b、c、d均为Pt电极。电解过程中，电极b和d上没有气体逸出，但质量均增大，且增重b>d。符合上述实验结果的盐溶液是(　　)
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选项
X
Y
A
MgSO4
CuSO4
B
AgNO3
Pb(NO3)2
C
FeSO4
Al2(SO4)3
D
CuSO4
AgNO3
答案　B
解析　A项，当X为MgSO4时，b极上生成H2，电极质量不增加，错误；C项，X为FeSO4，Y为Al2(SO4)3，b、d极上均产生气体，错误；D项，b极上析出Cu，d极上析出Ag，其中d极增加的质量大于b极增加的质量，错误。
2．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(　　)
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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＋2NH===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
答案　D
3．某兴趣小组的同学用如图所示装置研究有关电化学的问题。当闭合该装置的电键时，观察到电流表的指针发生了偏转。
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请回答下列问题：
(1)甲池为________(填“原电池”“电解池”或“电镀池”)，通入CH3OH电极的电极反应式为________________________________________________________________________。
(2)乙池中A(石墨)电极的名称为________(填“正极”“负极”“阴极”或“阳极”)，总反应式为________________________________________________________________________。
(3)当乙池中B极质量增加5.40g时，甲池中理论上消耗O2的体积为________mL(标准状况下)，丙池中________极析出________g铜。
(4)若丙池中电极不变，将其溶液换成NaCl溶液，电键闭合一段时间后，甲中溶液的pH将________(填“增大”“减小”或“不变”)；丙中溶液的pH将________(填“增大”“减小”或“不变”)。
答案　(1)原电池　CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O
(2)阳极　4AgNO3＋2H2O4Ag＋O2↑＋4HNO3
(3)280　D　1.60　(4)减小　增大
解析　(1)甲池为原电池，通入CH3OH的电极为负极，电极反应式为CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O。
(2)乙池中电解AgNO3溶液，其中C作阳极，Ag作阴极，总反应式为4AgNO3＋2H2O4Ag＋O2↑＋4HNO3。
(3)根据各电极上转移的电子数相同，得n(Ag)＝4n(O2)＝2n(Cu)，故V(O2)＝××22.4L＝0.28L＝280mL，m(Cu)＝××64g＝1.60g。(4)若丙中电极不变，将其溶液换成NaCl溶液，根据丙中总反应2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，则溶液pH增大，而甲中总反应为2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O，溶液pH减小。
小结
多池串联的装置中，先根据电极反应物和电解质溶液判断哪个是原电池，其余装置一般为电解池；与原电池正极相连的电极为电解池阳极，与原电池负极相连的电极为电解池阴极，据此判断各池中发生的反应。
考点二　多室隔膜在电化学中的应用
常见的离子交换膜
1．含义和作用
(1)含义：离子交换膜又叫隔膜，由高分子特殊材料制成。
(2)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能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
2．分类和应用
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练习
1．用下面的装置制取NaOH、H2和Cl2，此装置有何缺陷？
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答案　缺陷1：Cl2和H2混合而引起爆炸；
缺陷2：Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量。
2．用下图装置电解饱和食盐水，其中阳离子交换膜的作用有哪些？
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答案　(1)平衡电荷，形成闭合回路；
(2)防止Cl2和H2混合而引起爆炸；
(3)避免Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量；
(4)避免Cl－进入阴极区导致制得的NaOH不纯。
题组练习
题组一　“隔膜”在新型电池中的应用
1．(2020·黔东南州模拟)二甲醚(CH3OCH3)燃料电池的工作原理如图，下列有关叙述正确的是(　　)
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A．该装置能实现化学能100%转化为电能
B．电子移动方向：a极→b极→质子交换膜→a极
C．a电极的电极反应式为：CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋
D．当b电极消耗22.4LO2时，质子交换膜有4molH＋通过
答案　C
解析　A项，化学能转化为热能和电能，不可能100%转化为电能，错误；B项，电子不能经过电解质溶液，所以电子由a极b极，错误；C项，a为负极，发生氧化反应，电极反应式为CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋，正确；D项，气体所处状况不知，无法由体积求物质的量，所以通过H＋的物质的量无法求出，错误。
2．(2020·青岛高三模拟)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(　　)
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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4NA
答案　C
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65
g，转移2
mol电子，所以C区增加2
mol
K＋、2
mol
Cl－，离子总数为4NA，D正确。
题组二　“双室”电解池的应用
3．(2020·合肥第一次教学质量检测)利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。可用电解LiCl溶液制备LiOH，装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
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A．电极B连接电源正极
B．A极区电解液为LiCl溶液
C．阳极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D．每生成1molH2，有1molLi＋通过该离子交换膜
答案　B
解析　由题意知，电解LiCl溶液制备LiOH，由于电极B生成氢气，A与B用阳离子交换膜隔开，所以B为阴极，B极区为LiOH溶液，A极区为LiCl溶液，A项错误，B项正确；阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，C项错误；每生成1
mol
H2，有2
mol
Li＋通过该离子交换膜，D项错误。
4．(2020·四川宜宾诊断)连二亚硫酸钠(Na2S2O4)俗称保险粉，是一种强还原剂。工业常用惰性电极电解亚硫酸氢钠的方法制备连二亚硫酸钠，原理及装置如图所示，下列说法正确的是(　　)
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A．b电极应该接电源的负极
B．a电极的电极反应式2HSO＋2H＋＋2e－===S2O＋2H2O
C．装置中所用离子交换膜为阴离子交换膜
D．电路中每转移1mol电子，消耗SO2的体积为11.2L
答案　B
解析　NaHSO3在a电极被还原生成Na2S2O4，则a电极是阴极，b电极是阳极，故b电极接电源的正极，A错误；a电极发生还原反应，HSO被还原生成S2O，电极反应式为2HSO＋2H＋＋2e－===S2O＋2H2O，B正确；b电极是阳极，电极反应式为SO2＋2H2O－2e－===4H＋＋SO，阳极生成H＋，阴极消耗H＋，为维持溶液呈电中性，H＋透过离子交换膜向阴极迁移，则该离子交换膜是阳离子交换膜，C错误；电路中每转移1
mol电子，阳极消耗0.5
mol
SO2，在标准状况下的体积为11.2
L，题目未指明SO2是否处于标准状况下，D错误。
题组三　“多室”电解池的应用
5．(2020·长春质检)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(　　)
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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
答案　B
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，氢离子吸引阴离子透过B膜到左侧形成酸，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，淡水从Ⅱ口排出，D正确。
6．(2020·河南天一大联考阶段检测)普通电解精炼铜的方法所制备的铜中仍含杂质，利用下面的双膜(阴离子交换膜和过滤膜)电解装置可制备高纯度的Cu。下列有关叙述正确的是(　　)
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A．电极a为粗铜，电极b为纯铜
B．甲膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区
C．乙膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区
D．当电路中通过1mol电子时，可生成32g纯铜
答案　D
解析　由题意结合电解原理可知，电极a是阴极，为纯铜，电极b是阳极，为粗铜，A项错误；甲膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区，B项错误；乙膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区，C项错误；当电路中通过1
mol电子时，可生成0.5
mol纯铜，其质量为32
g，D项正确。
7．四室式电渗析法制备盐酸和NaOH的装置如图所示。a、b、c为阴、阳离子交换膜。已知：阴离子交换膜只允许阴离子透过，阳离子交换膜只允许阳离子透过。下列叙述正确的是(　　)
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A．b、c分别依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜
B．通电后Ⅲ室中的Cl－透过c迁移至阳极区
C．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高
D．电池总反应为4NaCl＋6H2O4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑
答案　D
解析　由图中信息可知，左边电极与负极相连为阴极，右边电极为阳极，所以通电后，阴离子向右定向移动，阳离子向左定向移动，阳极上H2O放电生成O2和H＋，阴极上H2O放电生成H2和OH－；H＋透过c，Cl－透过b，二者在b、c之间的Ⅲ室形成盐酸，盐酸浓度变大，所以b、c分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜；Na＋透过a，NaOH的浓度变大，所以a是阳离子交换膜，故A、B两项均错误；电解一段时间后，Ⅰ中的溶液的c(OH－)升高，pH升高，Ⅱ中为NaCl溶液，pH不变，Ⅲ中有HCl生成，故c(H＋)增大，pH减小，Ⅳ中H＋移向Ⅲ，H2O放电生成O2，使水的量减小，c(H＋)增大，pH减小，C错误。
小结
(1)含离子交换膜电化学装置题的解题步骤
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(2)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。
考点三　电化学原理的相关计算
电化学综合计算的三种常用方法
(1)根据总反应式计算
先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列出比例式计算。
(2)根据电子守恒计算
①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数相等。
②用于混合溶液中电解的分阶段计算。
(3)根据关系式计算
根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁，构建计算所需的关系式。
如以通过4mole－为桥梁可构建如下关系式：
4e－～～
　　　阳极产物　　　　　　阴极产物
(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。
题组练习
1．500mLKNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO)＝0.6mol·L－1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到2.24
L气体(标准状况下)，假定电解后溶液体积仍为500
mL，下列说法正确的是(　　)
A．原混合溶液中c(K＋)为0.2mol·L－1
B．上述电解过程中共转移0.2mol电子
C．电解得到的Cu的物质的量为0.05mol
D．电解后溶液中c(H＋)为0.2mol·L－1
答案　A
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(NO)，c(K＋)＋c(H＋)＝c(NO)，不难算出：电解前c(K＋)＝0.2mol·L－1，电解后c(H＋)＝0.4mol·L－1。
2．(2020·山东师大附中模拟)某化学课外活动小组拟用铅蓄电池进行电絮凝净水的实验探究，设计的实验装置如图所示，下列叙述正确的是(　　)
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A．X极的电极反应式：Pb－2e－＋SO===PbSO4
B．铅蓄电池工作时，每转移2mol电子，消耗98gH2SO4
C．电解池的反应仅有2Al＋6H2O2Al(OH)3↓＋3H2↑
D．每消耗103.5gPb，理论上电解池阴极上有11.2LH2生成
答案　A
解析　由图可知，电解池中，Al电极上发生氧化反应生成Al3＋和O2，H2O在Fe电极上被还原生成H2，则Al电极是阳极，Fe电极是阴极，Y极是正极，X极是负极，则X极的电极反应式为Pb－2e－＋SO===PbSO4，A正确；铅蓄电池工作时，电池总反应式为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，则转移2
mol电子时消耗2
mol
H2SO4，其质量为196
g，B错误；由图可知，Al电极上除生成Al3＋外，还生成O2，Fe电极上生成H2和OH－，故电解池中还发生反应：2H2O2H2↑＋O2↑，C错误；消耗103.5
g(即0.5
mol)Pb时，电路中转移1
mol电子，则阴极上逸出0.5
mol
H2，题目未指明气体所处状况，H2的体积不确定，D错误。
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。
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(1)电源中X电极为直流电源的________极。
(2)pH变化：A________，B________，C________。(填“增大”“减小”或“不变”)
(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)。
答案　(1)负　(2)增大　减小　不变(3)0.025mol·L－1　(4)13
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变为Ag，所以质量增加的铜电极是阴极，则银电极是阳极，Y是正极，X是负极。
(2)电解KCl溶液生成KOH，溶液pH增大；电解CuSO4溶液生成H2SO4，溶液pH减小；电解AgNO3溶液，银为阳极，不断溶解，Ag＋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x，电解H2O时生成O2的物质的量为y，则4x＋4y＝0.02mol(电子转移守恒)，x＋3y＝0.01mol(气体体积之和)，解得x＝y＝0.0025mol，所以n(CuSO4)＝2×0.0025mol＝0.005mol，c(CuSO4)＝＝0.025mol·L－1。(4)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。
小结
(1)同一原电池的正、负极的电极反应得、失电子数相等。
(2)同一电解池的阴、阳极电极反应中得、失电子数相等。
(3)串联电路中的各个电极反应得、失电子数相等。
上述三种情况下，在写电极反应式时，得、失电子数要相等，在计算电解产物的量时，应按得、失电子数相等计算。
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精品试卷·第
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