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专题二　多室、多池电化学装置及电化学计算
热点一　多室、多池电化学装置及膜的作用
1.(2025·河南卷)一种液流电解池在工作时可以实现海水淡化,并以LiCl形式回收含锂废弃物中的锂元素,其工作原理如图所示。
下列说法正确的是(　　)
A.Ⅱ为阳离子交换膜
B.电极a附近溶液的pH减小
C.电极b上发生的电极反应式为[Fe(CN)6]4-+e-===[Fe(CN)6]3-
D.若海水用NaCl溶液模拟,则每脱除58.5 g NaCl,理论上可回收1 mol LiCl
答案　D
解析　电极a为阴极,发生反应:O2+4e-+2H2O===4OH-,电极b为阳极,发生反应:Li4[Fe(CN)6]-e-===Li3[Fe(CN)6]+Li+。为实现海水的淡化,海水中Na+应通过离子交换膜Ⅰ进入最左侧,为以LiCl形式回收锂元素,海水中Cl-应通过离子交换膜Ⅱ向右侧迁移,Li+应通过离子交换膜Ⅲ向左侧迁移,故离子交换膜Ⅱ为阴离子交换膜,A错误;由阴极反应知,电极a附近溶液的pH增大,B错误;由上述分析知,C错误;每脱除58.5 g(1 mol)NaCl,溶液中有1 mol Na+、1 mol Cl-和1 mol Li+迁移,所以可回收1 mol LiCl,D正确。
2.(2024·江西卷)我国学者发明了一种新型多功能甲醛-硝酸盐电池,可同时处理废水中的甲醛和硝酸根离子(如图)。下列说法正确的是(　　)
A.CuAg电极反应为2HCHO+2H2O-4e-===2HCOO-+H2↑+2OH-
B.CuRu电极反应为N+6H2O+8e-===NH3↑+9OH-
C.放电过程中,OH-通过质子交换膜从左室传递到右室
D.处理废水过程中溶液pH不变,无需补加KOH
答案　B
解析　CuAg电极上HCHO转化为HCOO-和H2,电极反应为2HCHO+4OH--2e-===2HCOO-+H2↑+2H2O,A项错误;CuRu电极上N转化为NH3,电极反应为N+6H2O+8e-===NH3↑+9OH-,B项正确;OH-不能通过质子交换膜,C项错误;总反应为8HCHO+N+7OH-===8HCOO-+NH3↑+4H2↑+2H2O,消耗OH-,因此需要补充KOH,D项错误。
高考热点:这类试题均以“文字叙述+离子交换膜+电化学装置图”的方式呈现,考查的并不是离子交换膜的具体结构,而是以离子交换膜在化学电源、电解制备物质或电渗析等方面的实际应用为载体,考查电极反应式的书写、电极附近溶液变化、电子转移或电流方向的判断等电化学基础知识以及基本的化学思想与方法。
1.多池串联组合装置的分析
解题时,对于多池串联的装置,可先根据电极反应物和电解质溶液判断出原电池,进而判断出电解池;与原电池正极相连的为电解池阳极,与原电池负极相连的为电解池阴极。
2.离子交换膜的应用
(1)离子交换膜的作用
①能将两极区隔开,防止两极区内物质因接触发生化学反应。
②能选择性通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
(2)离子交换膜的类型及特点
交换膜 类型 允许通过的离子及方向 通性
阳膜 阳离子原电池的正极(电解池的阴极) 无论是原电池还是电解池中,阳离子均移向得电子一极,阴离子均移向失电子一极
阴膜 阴离子原电池的负极(电解池的阳极)
双极膜 中间层中的H2O解离出H+、OH-,H+移向原电池的正极(电解池的阴极),OH-移向原电池的负极(电解池的阳极)
特定的 交换膜 只允许特定的离子或分子通过,如质子交换膜只允许H+通过,氯离子交换膜只允许Cl-通过
(3)离子交换膜的判断
第一步:判断离子交换膜的用途是制取物质,还是避免电极产物之间发生反应。
第二步:明确电极反应及产物,写出阴、阳极上的电极反应式。
第三步:依据电极反应式判断该电极附近主要是哪种离子,考虑交换膜的用途,结合溶液呈电中性的原则,判断离子移动的方向,确定离子交换膜的种类。
1.(2025·云南卷)一种用双极膜电渗析法卤水除硼的装置如图所示,双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。除硼原理:[B(OH)4]-+H+===B(OH)3+H2O。下列说法错误的是(　　)
A.Pt电极反应:4OH--4e-===O2↑+2H2O
B.外加电场可促进双极膜中水的电离
C.Ⅲ室中,X膜、Y膜分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜
D.Ⅳ室每生成1 mol NaOH,同时Ⅱ室最多生成1 mol B(OH)3
答案　C
解析　由图中氢离子和氢氧根离子的流向,可推出左侧Pt电极为阳极,右侧石墨电极为阴极,阳极发生的反应为4OH--4e-===O2↑+2H2O,阴极发生的反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,Ⅲ室中氯化钠浓度降低了,说明钠离子往阴极方向移动,氯离子往阳极方向移动,据此解答。A.由分析可知,Pt电极为阳极,阳极发生的反应为4OH--4e-===O2↑+2H2O,A正确;B.水可微弱的电离出氢离子和氢氧根离子,在外加电场作用下,使氢离子和氢氧根离子往两侧移动,降低了浓度,可促进双极膜中水的电离,B正确;C.由分析可知,Ⅲ室中氯化钠浓度降低了,说明钠离子往阴极方向移动,氯离子往阳极方向移动,即钠离子往右侧移动,通过Y膜,则Y膜为阳离子交换膜,氯离子往左侧移动,通过X膜,则X膜为阴离子交换膜,C错误;D.Ⅳ室每生成1 mol NaOH,则转移1 mol电子,有1 mol氢离子移到Ⅱ室中,生成1 mol B(OH)3,D正确。
2.(2025·八省联考陕西卷)为了从海水中提取锂,某团队设计了图示的电解池。保持电源正负极不变,每运行一段时间后,将电极1与4取下互换,电极2与3取下互换,实现锂的富集。下列说法正确的是(　　)
A.电路中电子的流向随着电极互换而改变
B.电极2上发生的反应为Ag-e-===Ag+
C.理论上,电极1与电极4的质量之和保持不变
D.理论上,电路通过1 mol电子时,有0.5 mol Li+富集在右侧电解液中
答案　C
解析　为从海水中提取锂,电极1的电极反应式为FePO4+e-+Li+===LiFePO4,则电极1为阴极,则电极2为阳极,电极3为阴极,电极4为阳极,在电极4上发生氧化反应:LiFePO4-e-===Li++FePO4,实现了锂的提取。A.保持电源正负极不变,则电子流向不变,故A错误;B.由分析可知,电极2为阳极,海水中有Cl-,则电极2的电极反应式为Ag-e-+Cl-===AgCl,故B错误;C.由分析可知,通过相同电量,电极1上附着的Li+的量和电极4上失去的Li+的量相等,所以理论上,电极1与电极4的质量之和保持不变,故C正确;D.根据电子守恒,电路中各处的电量相等,所以理论上,电路通过1 mol电子时,有1 mol Li+富集在右侧电解液中,故D错误。
3.相同金属在其不同浓度盐溶液中可形成浓差电池,放电时两个电极区的浓度差会逐渐减小,当两个电极区硫酸铜溶液的浓度完全相等时放电停止。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。
下列说法不正确的是(　　)
A.a电极的电极反应为4H2O+4e-===2H2↑+4OH-
B.电池从开始工作到停止放电,电解池理论上可制得80 g NaOH
C.电池放电过程中,Cu(1)电极上的电极反应为Cu2++2e-===Cu
D.c、d离子交换膜依次为阳离子交换膜和阴离子交换膜
答案　B
解析　电解槽中a电极为阴极,水发生得电子的还原反应生成氢气,电极反应为4H2O+4e-===2H2↑+4OH,故A正确;电池从开始工作到停止放电,两侧溶液中Cu2+浓度相等,设两电极发生改变的Cu2+的物质的量为a,由两侧浓度相等可得2.5 mol·L-1×2 L-a=0.5 mol·L-1×2 L+a,解得a=2,根据电子守恒有Cu~2e-~2NaOH,电解池理论上生成NaOH的物质的量n(NaOH)=4 mol,则n(NaOH)=4 mol×40 g·mol-1=160 g,故B错误;浓差电池中,Cu(1)电极为正极,正极上Cu2+得电子生成Cu,电极反应为Cu2++2e-===Cu,故C正确;a电极为阴极,阴极反应为4H2O+4e-===2H2↑+4OH,b电极为阳极,阳极反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+,则a极附近生成NaOH,b极附近生成H2SO4,所以钠离子通过离子交换膜c生成NaOH,则c为阳离子交换膜,硫酸根通过离子交换膜d生成H2SO4,则d为阴离子交换膜,故D正确。
4.电渗析法淡化海水装置示意图如图,电解槽中阴离子交换膜和阳离子交换膜相间排列,将电解槽分隔成多个独立的间隔室,海水充满在各个间隔室中。通电后,一个间隔室的海水被淡化,而其相邻间隔室的海水被浓缩,从而实现了淡水和浓缩海水分离。下列说法正确的是(　　)
A.离子交换膜b为阳离子交换膜
B.各间隔室的排出液中,①③⑤⑦为淡水
C.通电时,电极1附近溶液的pH比电极2附近溶液的pH变化明显
D.淡化过程中,得到的浓缩海水没有任何使用价值
答案　B
解析　A项,由图分析可知,电极1为电解池的阳极,氯离子放电生成氯气,电极反应为2Cl--2e-===Cl2↑,电极2为阴极,溶液中氢离子得到电子生成氢气,电极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,离子交换膜a是阳离子交换膜,离子交换膜b是阴离子交换膜,错误;B项,结合阴、阳离子的移向可知,各间隔室的排出液中,①③⑤⑦为淡水,正确;C项,通电时,阳极电极反应式:2Cl--2e-===Cl2↑,阴极电极反应式:2H2O+2e-===H2↑+2OH-,电极2附近溶液的pH比电极1附近溶液的pH变化明显,错误;D项,淡化过程中,得到的浓缩海水可以提取氯化钠、镁、溴等,有使用价值,错误。
热点二　电极反应式的书写与电化学计算
1.(2024·上海卷)(1)根据如图装置,写出电极a的电极反应式:　　　　　　　　　　　　。
(2)关于上述电化学反应过程,描述正确的是　　　　　　　　　　　　。
A.该装置实现电能转化为化学能
B.电极b是负极
C.电子从电极a经过负载到电极b再经过水体回到电极a
D.每1 mol (CH2O)n参与反应时,转移4 mol电子
答案　(1)2N+10e-+12H+===N2↑+6H2O　(2)B
解析　(1)由图可知,电极a上硝酸根离子得电子转化为氮气,结合装置中含有质子交换膜可确定产物还有水,电极反应式为2N+10e-+12H+===N2↑+6H2O。(2)该装置为原电池,将化学能转化为电能,A错误;电极a上硝酸根离子得电子转化为氮气,发生还原反应,为正极,则电极b为负极,B正确;原电池中电子从负极流出,经过负载流向正极,电子不通过电解质溶液,故C错误;(CH2O)n中C为0价,CO2中C为+4价,因此每1 mol(CH2O)n参与反应,转移4n mol电子,D错误。
2.(2024·北京卷)HNO3是一种重要的工业原料。可采用不同的氮源制备HNO3。研究表明可以用电解法以N2为氮源直接制备HNO3,其原理示意图如下。
(1)电极a表面生成N的电极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)研究发现:N2转化可能的途径为N2NON。电极a表面还发生ⅲ.H2O→O2。ⅲ的存在,有利于途径ⅱ,原因是　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)N2-10e-+6H2O===2N+12H+
(2)O2将NO氧化成NO2,NO2更易转化成N
解析　(1)电极a上N2转化为N,氮元素化合价升高,发生失电子的氧化反应,结合电解制备的是HNO3知,电极a的电极反应式为N2-10e-+6H2O===2N+12H+。(2)反应ⅲ生成的O2能将NO氧化成NO2,NO2更易转化成N,故ⅲ的存在有利于途径ⅱ。
3.(2024·浙江6月选考)氢能的高效利用途径之一是在燃料电池中产生电能。某研究小组的自制熔融碳酸盐燃料电池工作原理如图所示,正极上的电极反应式是　　　　　　　　　　　　。
该电池以3.2 A恒定电流工作14分钟,消耗H2体积为0.49 L,故可测得该电池将化学能转化为电能的转化率为　　　　。[已知:该条件下H2的摩尔体积为24.5 L·mol-1;电荷量q(C)=电流I(A)×时间(s);NA=6.0×1023 mol-1;e=1.60×10-19 C。]
答案　O2+4e-+2CO2===2C　70%
解析　根据题干信息,该燃料电池中H2为负极,O2为正极,熔融碳酸盐为电解质溶液,故正极的电极反应式为O2+4e-+2CO2===2C。该条件下,0.49 L H2的物质的量为n(H2)==0.02 mol。工作时,H2失去电子:H2-2e-===2H+,所带电荷量为2×0.02 mol×6.0×1023 mol-1×1.60×10-19 C=3 840 C,工作电荷量为3.2×14×60=2 688 C,则该电池将化学能转化为电能的转化率为×100%=70%。
高考热点:在主观题化学反应原理综合题中,电化学也是高考的热点内容。主要是:
(1)原电池、电解池正负极判断和电极方程式书写。
(2)电化学有关不同类型的计算。
1.四步分析书写电极反应式
2.已知总反应式,书写电极反应式
(1)书写三步骤
步骤一:根据电池总反应式,标出电子转移的方向和数目(ne-)。
步骤二:找出正(阴)、负(阳)极,失电子的电极为负(阳)极;确定溶液的酸碱性。
步骤三:写电极反应式。
负(阳)极反应:还原剂-ne-===氧化产物
正(阴)极反应:氧化剂+ne-===还原产物
(2)书写技巧
若某电极反应式较难写出时,可先写出较易的电极反应式,然后根据得失电子守恒,用总反应式减去较易写出的电极反应式,即可得出较难写出的电极反应式。
3.守恒法在电化学计算中的应用
(1)电子守恒和电荷守恒列关系式
①电子守恒:两极得失电子数相等。
②电荷守恒:1个电子对应1个正电荷(或负电荷)。
③常用关系式:O2~4e-~4Ag~2Cu~2H2~2Cl2~4OH-~4H+~Mn+
(2)几个注意问题
①气体体积相关计算时,必须注明标准状况。
②计算含交换膜电化学装置中某一区域质量变化,注意离子的迁移。
1.盐酸羟胺(NH3OHCl)是一种常见的还原剂和显像剂,其化学性质类似NH4Cl。工业上采用如图所示装置进行制备。不考虑溶液体积的变化。
回答下列问题:
(1)正极反应式为　　　　　　　　　　　　。
(2)负极反应式为　　　　　　　　　　　　。
(3)理论上,当有标准状况下3.36 L H2参与反应时,左室溶液质量增加　　　　 g。
答案　(1)NO+3e-+4H+===NH3OH+
(2)H2-2e-===2H+　(3)3.3
解析　(1)含铁的催化电极为正极,电极反应式为NO+3e-+4H+===NH3OH+;(2)Pt电极为负极,电极反应式为H2-2e-===2H+。(3)结合电极反应:H2-2e-===2H+,消耗标况3.36 L H2共转移0.3 mol电子,则必有0.3 mol H+由右室流向左室,同时由NO变成盐酸羟胺(NH3OHCl),结合NO+3e-+4H+===NH3OH+可知,参加反应的NO为0.1 mol,故左室增加的为0.1 mol NO和0.3 mol H+,其质量总和为3.3 g。
2.“碳呼吸电池”是一种新型化学电源,其工作原理如图。正极的电极反应式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　;
当得到1 mol Al2(C2O4)3时,电路中转移的电子的物质的量为　　　　mol。
答案　2CO2+2e-===C2　6
解析　原电池中正极发生还原反应,根据图示,CO2得电子发生还原反应生成C2,通入CO2的电极为正极,正极的电极反应式为2CO2+2e-===C2;负极Al失电子生成Al3+,当得到1 mol Al2(C2O4)3时,电路中转移的电子的物质的量为6 mol。
3.早在20世纪已有科学家设计通过CH3OH/CO电化学氧化合成碳酸二甲酯(DMC),阳极发生的反应分3步进行:
第一步:2Br--2e-===Br2
第二步:CO+Br2===COBr2
则第三步反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
Br-在总反应中的作用是　　　　　　　　　　　　。
答案　COBr2+2CH3OH===CO(OCH3)2+2HBr　作催化剂
解析　第三步为COBr2和甲醇的反应,生成碳酸二甲酯和溴化氢。溴离子参与反应,但最终没有被消耗,在总反应中的作用是作催化剂。
4.(2025·江西南昌模拟)天津大学研究团队以KOH溶液为电解质溶液,CoP和Ni2P纳米片为催化电极材料,电催化合成偶氮化合物(RCN,R代表烃基)的装置如图所示:
Ni2P极作　　　　极,电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
CoP极作　　　　极,电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
答案　阳　RCH2NH2-4e-+4OH-===RCN+4H2O　阴　2C6H5NO2+4H2O+8e-===(C6H5N)2+8OH-
解析　RCH2NH2→RCN,发生去氢的氧化反应,则Ni2P极为阳极,电极反应式为RCH2NH2-4e-+4OH-===RCN+4H2O。C6H5NO2→(C6H5N)2,发生去氧的还原反应,则CoP极作阴极,电极反应式为2C6H5NO2+4H2O+8e-===(C6H5N)2+8OH-。
5.(2025·黑龙江牡丹江阶段练)碱性硼化钒(VB2)—空气电池如下图所示。
其中在VB2电极发生的反应为VB2+16OH--11e-===V+2B(OH+4H2O,负载通过0.04 mol电子时,有　　　　 L(标准状况)O2参与反应。正极区溶液pH　　　　(填“升高”或“降低”,下同),负极区溶液的pH　　　　,电池的总反应式为　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
答案　0.224　升高　降低　4VB2+11O2+20OH-+6H2O===8B(OH
专题突破练(十四)　多室、多池电化学装置及电化学计算
1.(2024·黑吉辽卷)“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↑
答案　A
解析　根据题目可知:电解过程b电极HCHO转变为HCOO-,失去电子,故b为阳极,阳极反应式:2HCHO-2e-+4OH-===2HCOO-+2H2O+H2↑;阴极反应式: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;由上述分析可知,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-通过交换膜向b极区移动,C正确;由上述分析可知,D正确。
2.(2023·河北卷)我国科学家发明了一种以和MnO2为电极材料的新型电池,其内部结构如下图所示,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S向②区迁移
D.放电时,a电极的电极反应式为MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2O
答案　B
解析　放电时,电极材料转化为,电极反应-2ne-===+2nK+,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,故③区为碱性溶液是电极,①区为酸性溶液是二氧化锰电极。A.充电时,b电极上得到电子,发生还原反应,正确;B.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+,错误;C.放电时,①区溶液中多余的S向②区迁移,正确;D.放电时,a电极的电极反应式为MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2O,正确。
3.(2023·全国甲卷)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)
答案　C
解析　由图可知,该装置为电解池,与直流电源正极相连的IrOx-Ti电极为电解池的阳极,水在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子,电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,铜电极为阴极,酸性条件下二氧化碳在阴极得到电子发生还原反应生成乙烯、乙醇等,电极反应式为2CO2+12H++12e-===C2H4+4H2O、2CO2+12H++12e-===C2H5OH+3H2O,电解池工作时,氢离子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室。A.析氢反应为还原反应,应在阴极发生,即在铜电极上发生,故A错误;B.离子交换膜为质子交换膜,只允许氢离子通过,Cl-不能通过,故B错误;C.由分析可知,铜电极为阴极,酸性条件下二氧化碳在阴极得到电子发生还原反应生成乙烯、乙醇等,电极反应式有2CO2+12H++12e-===C2H4+4H2O,故C正确;D.水在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子,电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,每转移1 mol电子,生成0.25 mol O2,在标况下体积为5.6 L,故D错误。
4.(2023·北京卷)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HC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S
答案　C
解析　A.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,故A正确;B.装置a中溶液的溶质为NaHCO3,溶液显碱性,说明HC的水解程度大于电离程度,故B正确;C.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,故C错误;D.装置b中总反应为S,故D正确。
5.(2025·河南开封阶段练)钠离子电池具有资源丰富、成本低、安全性好、转换效率高等特点,有望成为锂离子电池之后的新型首选电池,如图是一种钠离子电池工作示意图:
下列说法中错误的是(　　)
A.放电时,Na+通过交换膜向N极移动
B.充电时,光照可促进电子的转移
C.充电时,TiO2光电极上发生的电极反应为3I-+2e-===
D.放电时,若负极室有1 mol阴离子发生反应,则电路中转移1.5 mol电子
答案　C
解析　放电时,为原电池,电极M上发生反应4S2--6e-===,所以电极M为原电池的负极,电极N上发生反应+2e-===3I-,所以电极N为原电池的正极。充电时为电解池,据此分析。A.放电时,为原电池,Na+是阳离子,向正极N移动,正确;B.充电时,光照可促进I-在TiO2光电极上转移电子,正确;C.充电时,由图可知在TiO2光电极上发生的电极反应为3I--2e-===,错误;D.放电时,负极发生的反应为4S2--6e-===,所以当负极室有1 mol阴离子发生反应时,电路中转移1.5 mol电子,正确。
6.(2025·长春三模)SO2的脱除与H2O2的制备反应自发协同转化装置如图所示(在电场作用下,双极膜中间层的H2O解离为OH-和H+并向两极迁移;忽略溶液体积的变化,b极区域O2浓度保持不变)。
下列说法正确的是(　　)
A.电子从b电极经导线流向a电极
B.电路中转移1 mol电子,理论上正极区域溶液增重17 g
C.两极参与反应的SO2与O2的物质的量之比为2∶1
D.双极膜中H2O的解离可不断提供OH-和H+,故无需补加NaOH
答案　B
解析　由图可知,b极氧气发生还原反应生成过氧化氢,为正极,则a极为负极,原电池中电子由负极流向正极,故电子从a电极经导线流向b电极,A错误;O2在正极区域得到电子生成H2O2,电极反应式为2H++O2+2e-===H2O2,电路中转移1 mol电子时,生成0.5 mol H2O2,理论上正极区域溶液增重17 g,B正确;负极区域总反应为SO2+4OH--2e-===S+2H2O,正极电极反应式为2H++O2+2e-===H2O2,两极参与反应的SO2与O2的物质的量之比为1∶1,C错误;由负极区域反应式知1 mol SO2需消耗4 mol OH-,其中2 mol OH-由双极膜进入左侧,故需要补加NaOH,D错误。
7.基于催化剂s-SnLi的CO2电催化制备甲酸盐同时释放电能的装置如图所示,该电池充电时,阳极的电极反应式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　,
若电池工作t min,Zn电极的质量变化为m g,则理论上消耗CO2的物质的量为　　　　　　。
答案　4OH--4e-===2H2O+O2↑　 mol
解析　由题中图像可知,电池充电时,阳极上氢氧根离子发生氧化反应,失去电子生成氧气,电极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑;电池工作时,负极反应:Zn-2e-===Zn2+,正极反应:CO2+2e-+H2O===HCOO-+OH-,由转移电子守恒可知,n(CO2)=n(Zn)= mol。
8.经测定污水里NaNO2含量为4.6%,科研人员研究发现可用如图所示的装置处理污水中的NaNO2,原理是利用Fe2+把N还原成N2。
(1)阳极附近溶液中发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(2)在实验室恰好完全处理3.0 kg该NaNO2污水,则理论上阴极区与阳极区溶液质量变化的差为　　　　 g。
答案　(1)6Fe2++2N+8H+===6Fe3++N2↑+4H2O　(2)128
9.合成氨也可以通过电化学过程实现,其装置如图所示。
(1)导线中电子流动方向为　　　　　　　　　　　　。
(2)生成NH3的电极反应式为　　　　　　　　　　　　。
(3)若惰性电极2的电流效率η为75%,则惰性电极2处N2与NH3的物质的量之比为　　　　　(η=×100%)。
答案　(1)惰性电极2到电源正极、电源负极到惰性电极1　(2)3H2-6e-+2N3-===2NH3
(3)1∶6
10.(2022·重庆卷)反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)在工业上有重要应用。该反应可采用电化学方法实现,反应装置如图所示。
(1)固体电解质采用　　　　(填“氧离子导体”或“质子导体”)。
(2)阴极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　。
(3)同温同压下,相同时间内,若进口Ⅰ处n(CO)∶n(H2O)=a∶b,出口Ⅰ处气体体积为进口Ⅰ处的y倍,则CO的转化率为　　　　(用a,b,y表示)。
答案　(1)质子导体　(2)2H++2e-===H2↑
(3)×100%
解析　(1)电解时,一氧化碳和水均从阳极口进入,阳极一氧化碳转化为二氧化碳,则氢气要在阴极产生,故阳极产生二氧化碳的同时产生氢离子,氢离子通过固体电解质进入阴极附近得电子产生氢气,故固体电解质应采用质子导体;(2)电解时,阴极发生还原反应,电极反应式为2H++2e-===H2↑;
(3)根据三段式:
同温同压下,气体体积比等于物质的量比,出口Ⅰ处气体的物质的量为(a+b)y mol,进口Ⅰ处的气体的物质的量为(a+b) mol,则a-x+b-x+x=(a+b)y,x=(a+b)(1-y),CO的转化率为×100%。
11.新能源的利用对实现“碳中和”也有重要意义。搭载钠离子电池的新能源汽车,动力充足、冬天也无需频繁充电。第二代钠离子电池是以硬碳(Cy)为基底材料的嵌钠硬碳(NaxCy)和锰基高锰普鲁士白Na2Mn[Mn(CN)6]为电极的一种新型二次电池,在充放电过程中,Na+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。其工作原理如图所示。
若用该钠离子电池给铅酸蓄电池充电,普鲁士白电极连接　　　　　　(填“Pb”或“PbO2”)极,钠离子电池负极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
答案　PbO2　NaxCy-xe-===Cy+xNa+
解析　普鲁士白为正极,给铅酸蓄电池充电时,连接铅酸蓄电池的PbO2电极,负极为嵌钠硬碳,电极反应式为NaxCy-xe-===Cy+xNa+。
12.电芬顿工艺被认为是一种很有应用前景的高级氧化技术,可用于降解去除废水中的持久性有机污染物[如(苯酚)],其工作原理如图所示(·OH表示自由基,有强氧化性)。
(1)阴极发生的反应为　　　　　　　　　　　　。
(2)若处理1 mol苯酚,则理论上电路中通过电子的物质的量为　　　　　　。
答案　(1)Fe3++e-===Fe2+、O2+2H++2e-===H2O2　(2)84 mol
解析　(2)由反应C6H6O+28·OH===6CO2+17H2O、H++Fe2++H2O2===H2O+·OH+Fe3+、O2+2H++2e-===H2O2和Fe3++e-===Fe2+可知,消耗1 mol苯酚,电路中转移(28+28×2) mol=84 mol电子。专题二　多室、多池电化学装置及电化学计算
热点一　多室、多池电化学装置及膜的作用
1.(2025·河南卷)一种液流电解池在工作时可以实现海水淡化,并以LiCl形式回收含锂废弃物中的锂元素,其工作原理如图所示。
下列说法正确的是(　　)
A.Ⅱ为阳离子交换膜
B.电极a附近溶液的pH减小
C.电极b上发生的电极反应式为[Fe(CN)6]4-+e-===[Fe(CN)6]3-
D.若海水用NaCl溶液模拟,则每脱除58.5 g NaCl,理论上可回收1 mol LiCl
2.(2024·江西卷)我国学者发明了一种新型多功能甲醛-硝酸盐电池,可同时处理废水中的甲醛和硝酸根离子(如图)。下列说法正确的是(　　)
A.CuAg电极反应为2HCHO+2H2O-4e-===2HCOO-+H2↑+2OH-
B.CuRu电极反应为N+6H2O+8e-===NH3↑+9OH-
C.放电过程中,OH-通过质子交换膜从左室传递到右室
D.处理废水过程中溶液pH不变,无需补加KOH
高考热点:这类试题均以“文字叙述+离子交换膜+电化学装置图”的方式呈现,考查的并不是离子交换膜的具体结构,而是以离子交换膜在化学电源、电解制备物质或电渗析等方面的实际应用为载体,考查电极反应式的书写、电极附近溶液变化、电子转移或电流方向的判断等电化学基础知识以及基本的化学思想与方法。
1.多池串联组合装置的分析
解题时,对于多池串联的装置,可先根据电极反应物和电解质溶液判断出原电池,进而判断出电解池;与原电池正极相连的为电解池阳极,与原电池负极相连的为电解池阴极。
2.离子交换膜的应用
(1)离子交换膜的作用
①能将两极区隔开,防止两极区内物质因接触发生化学反应。
②能选择性通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
(2)离子交换膜的类型及特点
交换膜 类型 允许通过的离子及方向 通性
阳膜 阳离子原电池的正极(电解池的阴极) 无论是原电池还是电解池中,阳离子均移向得电子一极,阴离子均移向失电子一极
阴膜 阴离子原电池的负极(电解池的阳极)
双极膜 中间层中的H2O解离出H+、OH-,H+移向原电池的正极(电解池的阴极),OH-移向原电池的负极(电解池的阳极)
特定的 交换膜 只允许特定的离子或分子通过,如质子交换膜只允许H+通过,氯离子交换膜只允许Cl-通过
(3)离子交换膜的判断
第一步:判断离子交换膜的用途是制取物质,还是避免电极产物之间发生反应。
第二步:明确电极反应及产物,写出阴、阳极上的电极反应式。
第三步:依据电极反应式判断该电极附近主要是哪种离子,考虑交换膜的用途,结合溶液呈电中性的原则,判断离子移动的方向,确定离子交换膜的种类。
1.(2025·云南卷)一种用双极膜电渗析法卤水除硼的装置如图所示,双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。除硼原理:[B(OH)4]-+H+===B(OH)3+H2O。下列说法错误的是(　　)
A.Pt电极反应:4OH--4e-===O2↑+2H2O
B.外加电场可促进双极膜中水的电离
C.Ⅲ室中,X膜、Y膜分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜
D.Ⅳ室每生成1 mol NaOH,同时Ⅱ室最多生成1 mol B(OH)3
2.(2025·八省联考陕西卷)为了从海水中提取锂,某团队设计了图示的电解池。保持电源正负极不变,每运行一段时间后,将电极1与4取下互换,电极2与3取下互换,实现锂的富集。下列说法正确的是(　　)
A.电路中电子的流向随着电极互换而改变
B.电极2上发生的反应为Ag-e-===Ag+
C.理论上,电极1与电极4的质量之和保持不变
D.理论上,电路通过1 mol电子时,有0.5 mol Li+富集在右侧电解液中
3.相同金属在其不同浓度盐溶液中可形成浓差电池,放电时两个电极区的浓度差会逐渐减小,当两个电极区硫酸铜溶液的浓度完全相等时放电停止。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。
下列说法不正确的是(　　)
A.a电极的电极反应为4H2O+4e-===2H2↑+4OH-
B.电池从开始工作到停止放电,电解池理论上可制得80 g NaOH
C.电池放电过程中,Cu(1)电极上的电极反应为Cu2++2e-===Cu
D.c、d离子交换膜依次为阳离子交换膜和阴离子交换膜
4.电渗析法淡化海水装置示意图如图,电解槽中阴离子交换膜和阳离子交换膜相间排列,将电解槽分隔成多个独立的间隔室,海水充满在各个间隔室中。通电后,一个间隔室的海水被淡化,而其相邻间隔室的海水被浓缩,从而实现了淡水和浓缩海水分离。下列说法正确的是(　　)
A.离子交换膜b为阳离子交换膜
B.各间隔室的排出液中,①③⑤⑦为淡水
C.通电时,电极1附近溶液的pH比电极2附近溶液的pH变化明显
D.淡化过程中,得到的浓缩海水没有任何使用价值
热点二　电极反应式的书写与电化学计算
1.(2024·上海卷)(1)根据如图装置,写出电极a的电极反应式:　　　　　　　　　　　　。
(2)关于上述电化学反应过程,描述正确的是　　　　　　　　　　　　。
A.该装置实现电能转化为化学能
B.电极b是负极
C.电子从电极a经过负载到电极b再经过水体回到电极a
D.每1 mol (CH2O)n参与反应时,转移4 mol电子
2.(2024·北京卷)HNO3是一种重要的工业原料。可采用不同的氮源制备HNO3。研究表明可以用电解法以N2为氮源直接制备HNO3,其原理示意图如下。
(1)电极a表面生成N的电极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)研究发现:N2转化可能的途径为N2NON。电极a表面还发生ⅲ.H2O→O2。ⅲ的存在,有利于途径ⅱ,原因是　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
3.(2024·浙江6月选考)氢能的高效利用途径之一是在燃料电池中产生电能。某研究小组的自制熔融碳酸盐燃料电池工作原理如图所示,正极上的电极反应式是　　　　　　　　　　　　。
该电池以3.2 A恒定电流工作14分钟,消耗H2体积为0.49 L,故可测得该电池将化学能转化为电能的转化率为　　　　。[已知:该条件下H2的摩尔体积为24.5 L·mol-1;电荷量q(C)=电流I(A)×时间(s);NA=6.0×1023 mol-1;e=1.60×10-19 C。]
高考热点:在主观题化学反应原理综合题中,电化学也是高考的热点内容。主要是:
(1)原电池、电解池正负极判断和电极方程式书写。
(2)电化学有关不同类型的计算。
1.四步分析书写电极反应式
2.已知总反应式,书写电极反应式
(1)书写三步骤
步骤一:根据电池总反应式,标出电子转移的方向和数目(ne-)。
步骤二:找出正(阴)、负(阳)极,失电子的电极为负(阳)极;确定溶液的酸碱性。
步骤三:写电极反应式。
负(阳)极反应:还原剂-ne-===氧化产物
正(阴)极反应:氧化剂+ne-===还原产物
(2)书写技巧
若某电极反应式较难写出时,可先写出较易的电极反应式,然后根据得失电子守恒,用总反应式减去较易写出的电极反应式,即可得出较难写出的电极反应式。
3.守恒法在电化学计算中的应用
(1)电子守恒和电荷守恒列关系式
①电子守恒:两极得失电子数相等。
②电荷守恒:1个电子对应1个正电荷(或负电荷)。
③常用关系式:O2~4e-~4Ag~2Cu~2H2~2Cl2~4OH-~4H+~Mn+
(2)几个注意问题
①气体体积相关计算时,必须注明标准状况。
②计算含交换膜电化学装置中某一区域质量变化,注意离子的迁移。
1.盐酸羟胺(NH3OHCl)是一种常见的还原剂和显像剂,其化学性质类似NH4Cl。工业上采用如图所示装置进行制备。不考虑溶液体积的变化。
回答下列问题:
(1)正极反应式为　　　　　　　　　　　　。
(2)负极反应式为　　　　　　　　　　　　。
(3)理论上,当有标准状况下3.36 L H2参与反应时,左室溶液质量增加　　　　 g。
2.“碳呼吸电池”是一种新型化学电源,其工作原理如图。正极的电极反应式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　;
当得到1 mol Al2(C2O4)3时,电路中转移的电子的物质的量为　　　　mol。
3.早在20世纪已有科学家设计通过CH3OH/CO电化学氧化合成碳酸二甲酯(DMC),阳极发生的反应分3步进行:
第一步:2Br--2e-===Br2
第二步:CO+Br2===COBr2
则第三步反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
Br-在总反应中的作用是　　　　　　　　　　　　。
4.(2025·江西南昌模拟)天津大学研究团队以KOH溶液为电解质溶液,CoP和Ni2P纳米片为催化电极材料,电催化合成偶氮化合物(RCN,R代表烃基)的装置如图所示:
Ni2P极作　　　　极,电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
CoP极作　　　　极,电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
5.(2025·黑龙江牡丹江阶段练)碱性硼化钒(VB2)—空气电池如下图所示。
其中在VB2电极发生的反应为VB2+16OH--11e-===V+2B(OH+4H2O,负载通过0.04 mol电子时,有　　　　 L(标准状况)O2参与反应。正极区溶液pH　　　　(填“升高”或“降低”,下同),负极区溶液的pH　　　　,电池的总反应式为　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
专题突破练(十四)　多室、多池电化学装置及电化学计算
1.(2024·黑吉辽卷)“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↑
2.(2023·河北卷)我国科学家发明了一种以和MnO2为电极材料的新型电池,其内部结构如下图所示,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S向②区迁移
D.放电时,a电极的电极反应式为MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2O
3.(2023·全国甲卷)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)
4.(2023·北京卷)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HC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S
5.(2025·河南开封阶段练)钠离子电池具有资源丰富、成本低、安全性好、转换效率高等特点,有望成为锂离子电池之后的新型首选电池,如图是一种钠离子电池工作示意图:
下列说法中错误的是(　　)
A.放电时,Na+通过交换膜向N极移动
B.充电时,光照可促进电子的转移
C.充电时,TiO2光电极上发生的电极反应为3I-+2e-===
D.放电时,若负极室有1 mol阴离子发生反应,则电路中转移1.5 mol电子
6.(2025·长春三模)SO2的脱除与H2O2的制备反应自发协同转化装置如图所示(在电场作用下,双极膜中间层的H2O解离为OH-和H+并向两极迁移;忽略溶液体积的变化,b极区域O2浓度保持不变)。
下列说法正确的是(　　)
A.电子从b电极经导线流向a电极
B.电路中转移1 mol电子,理论上正极区域溶液增重17 g
C.两极参与反应的SO2与O2的物质的量之比为2∶1
D.双极膜中H2O的解离可不断提供OH-和H+,故无需补加NaOH
7.基于催化剂s-SnLi的CO2电催化制备甲酸盐同时释放电能的装置如图所示,该电池充电时,阳极的电极反应式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　,
若电池工作t min,Zn电极的质量变化为m g,则理论上消耗CO2的物质的量为　　　　　　。
8.经测定污水里NaNO2含量为4.6%,科研人员研究发现可用如图所示的装置处理污水中的NaNO2,原理是利用Fe2+把N还原成N2。
(1)阳极附近溶液中发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(2)在实验室恰好完全处理3.0 kg该NaNO2污水,则理论上阴极区与阳极区溶液质量变化的差为　　　　 g。
9.合成氨也可以通过电化学过程实现,其装置如图所示。
(1)导线中电子流动方向为　　　　　　　　　　　　。
(2)生成NH3的电极反应式为　　　　　　　　　　　　。
(3)若惰性电极2的电流效率η为75%,则惰性电极2处N2与NH3的物质的量之比为　　　　　(η=×100%)。
10.(2022·重庆卷)反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)在工业上有重要应用。该反应可采用电化学方法实现,反应装置如图所示。
(1)固体电解质采用　　　　(填“氧离子导体”或“质子导体”)。
(2)阴极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　。
(3)同温同压下,相同时间内,若进口Ⅰ处n(CO)∶n(H2O)=a∶b,出口Ⅰ处气体体积为进口Ⅰ处的y倍,则CO的转化率为　　　　(用a,b,y表示)。
11.新能源的利用对实现“碳中和”也有重要意义。搭载钠离子电池的新能源汽车,动力充足、冬天也无需频繁充电。第二代钠离子电池是以硬碳(Cy)为基底材料的嵌钠硬碳(NaxCy)和锰基高锰普鲁士白Na2Mn[Mn(CN)6]为电极的一种新型二次电池,在充放电过程中,Na+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。其工作原理如图所示。
若用该钠离子电池给铅酸蓄电池充电,普鲁士白电极连接　　　　　　(填“Pb”或“PbO2”)极,钠离子电池负极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
12.电芬顿工艺被认为是一种很有应用前景的高级氧化技术,可用于降解去除废水中的持久性有机污染物[如(苯酚)],其工作原理如图所示(·OH表示自由基,有强氧化性)。
(1)阴极发生的反应为　　　　　　　　　　　　。
(2)若处理1 mol苯酚,则理论上电路中通过电子的物质的量为　　　　　　。

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