资源简介

3.电化学中的多室、多池装置
多室电化学装置
知｜识｜强｜化
1.电化学装置中的交换膜
（1）常见离子交换膜
（2）新型交换膜——双极膜
①示意图
②双极膜：是一种新型离子交换膜，其膜主体可分为阴离子选择层、阳离子选择层和中间界面层，水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中，水电离产生H＋ 和OH－ ，可在电场的作用下快速迁移到两侧溶液中，为膜两侧的半反应提供各自理想的pH 条件。
2.含“膜”多室电化学装置分析
以四室电渗析法制备H3PO2（次磷酸）为例（选自全国卷），其工作原理如图所示：
分析如下：
真｜题｜研｜析
1.（2024·吉林高考12题）“绿色零碳”氢能前景广阔。为解决传统电解水制“绿氢”阳极电势高、反应速率缓慢的问题，科技工作者设计耦合HCHO高效制H2的方法，装置如图所示。部分反应机理为＋H2。下列说法错误的是（　　）
A.相同电量下H2理论产量是传统电解水的1.5倍
B.阴极反应：2H2O＋2e－2OH－＋H2↑
C.电解时OH－通过阴离子交换膜向b极方向移动
D.阳极反应：2HCHO－2e－＋4OH－2HCOO－＋2H2O＋H2↑
解析：A　b极上HCHO在碱性溶液中被氧化为HCOO－，则b极为阳极，阳极反应为2HCHO－2e－＋4OH－2HCOO－＋2H2O＋H2↑，阴极反应为2H2O＋2e－2OH－＋H2↑。传统电解水过程中每转移4 mol e－，可制得2 mol H2，耦合HCHO高效制H2过程中每转移4 mol e－，阴、阳极均可产生2 mol氢气，则相同电量下H2理论产量是传统电解水的2倍，A错误；阴极的电极反应为2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，B正确；综合图像中的离子交换膜为阴离子交换膜及电解池中阴离子向阳极移动知，OH－通过阴离子交换膜向b极方向移动，C正确；由上述分析可知，D正确。
2.（2023·河北高考13题）我国科学家发明了一种以和MnO2为电极材料的新型电池，其内部结构如图所示，其中①区、②区、③区电解质溶液的酸碱性不同。放电时，电极材料转化为下列说法错误的是（　　）
A.充电时，b电极上发生还原反应
B.充电时，外电源的正极连接b电极
C.放电时，①区溶液中的向②区迁移
D.放电时，a电极的电极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－Mn2＋＋2H2O
解析：B　放电时，电极材料转化为电极反应为是原电池的负极，阳离子增多，需要通过阳离子交换膜进入②区；二氧化锰得到电子变成锰离子，是原电池的正极，电极反应：MnO2＋4H＋＋2e－Mn2＋＋2H2O，阳离子减少，多余的阴离子需要通过阴离子交换膜进入②区。充电时，b电极上得到电子，发生还原反应，A正确；充电时，外电源的正极连接a电极，电极失去电子，电极反应为Mn2＋＋2H2O－2e－MnO2＋4H＋，B错误；放电时，①区溶液中多余的向②区迁移，C正确；放电时，a电极的电极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－Mn2＋＋2H2O，D正确。
3.（2023·全国甲卷12题）用可再生能源电还原CO2时，采用高浓度的K＋抑制酸性电解液中的析氢反应可提高多碳产物（乙烯、乙醇等）的生成率，装置如下图所示。下列说法正确的是（　　）
A.析氢反应发生在IrOx-Ti电极上
B.Cl－从Cu电极迁移到IrOx-Ti电极
C.阴极发生的反应有2CO2＋12H＋＋12e－C2H4＋4H2O
D.每转移1 mol电子，阳极生成11.2 L气体（标准状况）
解析：C　IrOx-Ti电极接电源正极，为阳极，发生失电子的氧化反应，故电极反应式为2H2O－4e－4H＋＋O2↑，A错误；质子交换膜只允许H＋通过，故H＋从IrOx-Ti电极向Cu电极迁移，B错误；Cu电极接电源负极，为阴极，发生得电子的还原反应，根据图中物质转化关系知CO2可发生反应：2CO2＋12H＋＋12e－C2H4＋4H2O，C正确；由A可知每转移1 mol电子，阳极生成 0.25 mol即5.6 L（标准状况）O2，D错误。
能｜力｜进｜阶
1.（2024·广东大湾区普通高中二模）利用双极膜电解含有的溶液，使转化成含碳燃料，实现了CO2还原流动。电解池如图所示，双极膜中水电离的H＋和OH－在电场作用下可以向两极迁移。下列说法不正确的是（　　）
A.银网电极与电源负极相连
B.双极膜b侧应该用质子交换膜
C.阴极电极反应为＋2e－＋3H＋CO↑＋2H2O
D.双极膜中有0.1 mol H2O电离，则阳极附近理论上产生0.05 mol O2
解析：D　根据示意图，右侧生成CO，发生还原反应，为阴极区，即Ag网为阴极，与电源的负极相连，阴极的反应式为＋2e－＋3H＋CO↑＋2H2O；Ni网为阳极，电极反应式为4OH－－4e－O2↑＋2H2O，双极膜中H＋向右侧移动，即b为质子膜，OH－向左侧移动，a为阴离子膜。银网电极为阴极，与电源负极相连，A正确；双极膜中H＋向右侧移动，即b为质子膜，B正确；阴极的电极反应式为＋2e－＋3H＋CO↑＋2H2O，C正确；根据阳极反应式4OH－－4e－O2↑＋2H2O，产生0.05 mol O2会消耗0.2 mol OH－，双极膜中有0.2 mol H2O电离，D错误。
2.（2024·合肥八中教育集团铭传高级中学段考）如图所示装置，通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成，Fe2O3逐渐溶解，下列判断正确的是（　　）
A.b是电源的负极
B.当通过质子交换膜的H＋为0.12 mol时，Ⅱ室内溶液质量增加超过3.32 g
C.电解一段时间后，Ⅰ室溶液的pH降低
D.电解一段时间后，欲使CuCl2溶液恢复到原来浓度，需补充一定量的金属铜和氯气
解析：B　由石墨电极Ⅱ产生氧气可知，电极Ⅱ为阳极，电极 Ⅰ 为阴极，则b是电源的正极，A错误；随着电解的进行，当通过质子交换膜的H＋为0.12 mol时，Ⅱ室得到了来自Ⅰ室的0.12 mol Cl－及Ⅲ室的0.12 mol H＋，并且根据Fe2O3＋6H＋2Fe3＋＋3H2O，0.02 mol Fe2O3完全溶解，质量增加为0.12 mol×36.5 g·mol－1＋0.02 mol×160 g·mol－1＝7.58 g，超过3.32 g，B正确；电解一段时间后，Ⅰ室中Cu2＋浓度降低，水解平衡Cu2＋＋2H2OCu（OH）2＋2H＋向左移动，溶液的pH升高，C错误；电解一段时间后，欲使CuCl2溶液恢复到原来浓度，需补充CuCl2固体，D错误。
3.（2024·辽宁重点高中协作校二模）电解硫酸钠溶液制取某正极材料的前驱体（OH）2，其工作原理如图所示：
下列说法正确的是（　　）
A.a是直流电源的负极，石墨电极发生还原反应
B.当产生0.1 mol的（OH）2时，纯钛电极上产生标准状况下2.24 L气体
C.交换膜A是阳离子交换膜，交换膜B是阴离子交换膜
D.通电一段时间，Ⅰ室pH不变
解析：B　由图可知，前驱体在Ⅲ室产生，即金属阳离子进入Ⅲ室，与该极产生的OH－生成前驱体，纯钛电极反应为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，作为电解池的阴极，接电源负极（b），故a为正极，石墨电极为阳极，阳极反应式为2H2O－4e－4H＋＋O2↑，发生氧化反应，Ⅱ室中的阴离子通过交换膜A移向阳极，故交换膜A为阴离子交换膜。a是直流电源的正极，石墨电极为阳极，发生氧化反应，A错误；产生0.1 mol的（OH）2时，需要0.2 mol OH－，纯钛电极反应为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，产生0.1 mol H2，标准状况下的体积为0.1 mol×22.4 L·mol－1＝2.24 L，B正确；交换膜A是阴离子交换膜，交换膜B是阳离子交换膜，C错误；石墨电极为阳极，阳极反应式为2H2O－4e－4H＋＋O2↑，则通电一段时间，Ⅰ室pH减小，D错误。
多池电化学装置与电化学计算
知｜识｜强｜化
1.多池电化学装置分析
（1）有外接电源的多池装置
有外接电源的各电池均为电解池，若电池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同，则该电池为电镀池。如：
则甲为电镀池，乙、丙均为电解池。
（2）无外接电源的多池装置
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
真｜题｜研｜析
1.（2023·北京高考5题）回收利用工业废气中的CO2和SO2，实验原理示意图如下。
下列说法不正确的是（　　）
A.废气中SO2排放到大气中会形成酸雨
B.装置a中溶液显碱性的原因是的水解程度大于的电离程度
C.装置a中溶液的作用是吸收废气中的CO2和SO2
D.装置b中的总反应为＋CO2＋H2OHCOOH＋
解析：C　SO2是酸性氧化物，废气中SO2排放到空气中会形成硫酸型酸雨，A正确；装置a中溶液的溶质为NaHCO3，溶液显碱性，说明HC的水解程度大于其电离程度，B正确；装置a中NaHCO3溶液的作用是吸收SO2气体，CO2与NaHCO3溶液不反应，不能吸收CO2，C错误；由电解池阴极和阳极反应式可知，装置b中总反应为S＋CO2＋H2OHCOOH＋S，D正确。
2.（2022·山东高考15题改编）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。下列说法错误的是（　　）
A.装置工作时，甲室溶液pH逐渐减小
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
解析：C　电池工作时，甲室中细菌上乙酸盐的阴离子被氧化为CO2，同时生成H＋，电极反应式为CH3COO－－8e－＋2H2O2CO2↑＋7H＋，H＋通过阳膜进入阴极室，甲室的电极反应式为Co2＋＋2e－Co，因此，甲室溶液pH逐渐减小，A正确；对于乙室，正极上LiCoO2被还原为Co2＋，同时得到Li＋，其中的O2－与溶液中的H＋结合生成H2O，电极反应式为2LiCoO2＋2e－＋8H＋2Li＋＋2Co2＋＋4H2O，负极发生的反应为CH3COO－－8e－＋2H2O2CO2↑＋7H＋，负极产生的H＋通过阳膜进入正极室，但是乙室的H＋浓度仍然是减小的，因此电池工作一段时间后应该补充盐酸，B正确；电解质溶液为酸性，不可能大量存在OH－，乙室电极反应式为LiCoO2＋e－＋4H＋Li＋＋Co2＋＋2H2O，C错误；若甲室Co2＋减少200 mg，则转移电子为n（e－）＝×2≈0.006 8 mol ；若乙室Co2＋增加300 mg，则转移电子为n（e－）＝×1≈0.005 1 mol，由于转移电子的物质的量不等，说明此时已进行过溶液转移，即将乙室部分溶液转移至甲室，D正确。
3.（2022·河北高考12题改编）科学家研制了一种能在较低电压下获得氧气和氢气的电化学装置，工作原理示意图如图。
下列说法正确的是（　　）
A.电极b为阳极
B.隔膜为阳离子交换膜
C.生成气体M与N的物质的量之比为2∶1
D.反应器Ⅰ中反应的离子方程式为4[Fe（CN）6]3－＋4OH－4[Fe（CN）6]4－＋O2↑＋2H2O
解析：D　由图可知，电极a为阳极，碱性条件下[Fe（CN）6]4－在阳极发生氧化反应生成[Fe（CN）6]3－，在催化剂作用下，[Fe（CN）6]3－与OH－反应生成[Fe（CN）6]4－、O2和H2O，电极b为阴极，在水分子作用下DHPS在阴极发生还原反应生成DHPS-2H和OH－，在催化剂作用下，DHPS-2H与水反应生成DHPS和H2，OH－通过阴离子交换膜由阴极室向阳极室移动，则M为O2、N为H2。电极b为电解池的阴极，A错误；OH－通过阴离子交换膜由阴极室向阳极室移动，则隔膜为阴离子交换膜，B错误；M为O2、N为H2，由得失电子数目守恒可知，O2和H2的物质的量之比为1∶2，C错误；反应器Ⅰ中发生的反应为催化剂作用下，[Fe（CN）6]3－与OH－反应生成[Fe（CN）6]4－、O2和H2O，离子方程式为4[Fe（CN）6]3－＋4OH－4[Fe（CN）6]4－＋O2↑＋2H2O，D正确。
能｜力｜进｜阶
1.（2024·T8联盟五模拟）装置甲是某可充电电池的示意图，该电池放电的化学方程式为2K2S2＋KI3K2S4＋3KI。图中的离子交换膜只允许K＋通过，C、D、F均为石墨电极，E为铜电极。工作一段时间后，断开K，此时C、D两电极产生的气体体积相同（标准状况），E电极质量减少1.28 g。下列说法正确的是（　　）
A.装置甲中A电极为电池的正极
B.C电极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O4OH－
C.装置乙中D电极产生的气体是H2，体积为224 mL（标准状况）
D.装置丙中的总反应为2Cl－＋2H2O2OH－＋Cl2↑＋H2↑
解析：C　断开K，C、D两电极产生的气体体积相同，E电极质量减少1.28 g，则E电极是阳极，F电极是阴极，装置乙溶液中Cu2＋全部析出Cu、H＋得到电子生成H2，C电极是阳极，D电极是阴极，因此装置甲中A电极为电池的负极，B电极是正极，A错误；C电极是阳极，溶液中水放电，电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，B错误；装置乙中D电极是阴极，导线中转移的电子的物质的量是×2 mol＝0.04 mol，则C电极生成O2的物质的量是＝0.01 mol，标准状况下的体积是224 mL，由于C、D两电极产生的气体体积相同，所以产生H2的体积标准状况下是224 mL，C正确；装置丙中阳极是铜放电，阴极是H＋放电，得不到Cl2，总反应为Cu＋2H2OCu（OH）2＋H2↑，D错误。
2.（2024·T8联盟六模拟）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.b电极的电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋
B.电池放电过程中，Cu（1）电极为该电池的正极
C.电池从开始工作到停止放电，理论上可制得标准状况下44.8 L气体
D.若开始前两铜电极的质量相同，当电路中转移0.2 mol电子时，两铜电极的质量相差12.8 g
解析：C　浓差电池中，左侧溶液中Cu2＋浓度大，离子的氧化性强，所以Cu（1）电极为正极，电极上发生还原反应，电极反应：Cu2＋＋2e－Cu，Cu（2）电极为负极，电极反应：Cu－2e－Cu2＋；则电解槽中a电极为阴极，b电极为阳极，阳极上水放电生成O2和H＋，电极反应：2H2O－4e－O2↑＋4H＋，阴极上水放电生成H2，电极反应：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，则Na＋通过离子交换膜c进入左室，c为阳离子交换膜，S通过离子交换膜d进入右室，d为阴离子交换膜。b电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，A正确；浓差电池中，Cu（1）电极为正极，B正确；电池从开始工作到停止放电，溶液中Cu2＋浓度变为1.5 mol·L－1，根据Cu2＋～Cu～2e－知，Cu（1）电极上析出n（Cu）＝（2.5－1.5）mol·L－1×2 L＝2 mol，电路中转移了4 mol电子，则a极产生了2 mol H2，b极产生了1 mol O2，共3 mol气体，则理论上可制得标准状况下3 mol×22.4 L·mol－1＝67.2 L气体，C错误；当电路中转移0.2 mol电子时，Cu（1）电极上析出的n（Cu）＝0.1 mol，对应的m（Cu）＝0.1 mol×64 g·mol－1＝6.4 g，Cu（2）电极上溶解的n（Cu）＝0.1 mol，m（Cu）＝6.4 g，则两铜电极的质量相差12.8 g，D正确。
3.（2024·广州五校联考）利用CH4燃料电池电解制备Ca（H2PO4）2并得到副产物NaOH、H2、Cl2，装置如图所示。下列说法不正确的是（　　）
A.a极反应：CH4－8e－＋4CO2＋2H2O
B.A、C膜均为阳离子交换膜，B膜为阴离子交换膜
C.a极上通入标准状况下2.24 L甲烷，阳极室Ca2＋减少0.2 mol
D.阳极室有氯气产生，阴极室中有氢气产生且NaOH浓度增大
解析：C　由图可知，左侧装置为甲烷燃料电池，通入甲烷的a极为负极，甲烷发生氧化反应，电极反应式为CH4－8e－＋4O2－CO2＋2H2O，通入O2的b极为正极，O2在正极发生还原反应，电极反应式为2O2＋8e－4O2－；右侧装置为电解池，与b极相连的石墨电极为阳极，Cl－放电生成Cl2，溶液中Ca2＋通过阳离子交换膜进入产品室，与a极相连的石墨电极为阴极，水分子在阴极放电生成H2和OH－，原料室中Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室，H2P通过阴离子交换膜进入产品室，所以在阴极室得到浓度较大的NaOH溶液，在产品室得到Ca（H2PO4）2溶液。a极为负极，电极反应式为CH4－8e－＋4O2－CO2＋2H2O，A正确；电解时，溶液中Ca2＋通过阳离子交换膜进入产品室，Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室，H2P通过阴离子交换膜进入产品室，则A、C膜均为阳离子交换膜，B膜为阴离子交换膜，B正确；由得失电子数目守恒可知，阳极室消耗Cl－为×8＝0.8 mol，由电荷守恒可知，进入产品室的Ca2＋为0.8 mol×＝0.4 mol，则阳极室减少钙离子的物质的量为0.4 mol，C错误；与b极相连的石墨电极为阳极，Cl－在阳极放电生成Cl2，与a极相连的石墨电极为阴极，水分子放电生成H2和OH－，原料室中钠离子通过阳离子交换膜进入阴极室，所以在阴极室得到浓度较大的NaOH溶液，D正确。
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