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第38讲　多池、多室的电化学装置
1.了解离子交换膜的类型及作用。2.了解多池连接装置的特点及分析方法。3.建立解答复杂电化学装置的思维路径。
考点一　离子交换膜在电化学中的应用
1.离子交换膜及其分类
离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液中的离子具有选择透过功能的膜,通常由特殊高分子材料制成,其大致可分为如下四类:
(1)阳离子交换膜,只允许阳离子通过,不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜,只允许阴离子通过,不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜,只允许H+通过,不允许其他阳离子或阴离子通过。
(4)双极隔膜,是一种新型离子交换膜,其膜主体可分为阴离子交换层、阳离子交换层和中间界面层,水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中,水电离产物H+和OH-可在电场力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.离子交换膜的作用
(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,提高产品的纯度或避免不安全因素。
(2)能选择性地允许离子通过,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
(3)通过离子交换膜的选择性,进行物质的分离、提纯和除杂。
3.“膜”电化学装置的分析方法
(1)根据膜的性质和离子在溶液中的迁移方向,画出离子透过膜的方向。
(2)寻找迁出室溶液中浓度较大的迁移离子。
(3)分析离子在迁入室的浓度增大和在迁出室的浓度减小,以及带来的实质变化。
1.(2025·浙江绍兴模拟)工业上以氨基丙醇(H2NCH2CH2CH2OH)和乙二酸为原料电解,制备氨基丙酸和乙醛酸(HOOC—CHO)。装置如图所示,两极室之间以能透过H+的阳离子交换膜隔开,电解过程中温度保持不变。下列说法不正确的是(　B　)
A.Pb电极为阴极,H+通过离子交换膜从左室迁移至右室
B.反应过程中两室pH均变小
C.若将两电极材料互换,会使两种产品产量下降
D.PbO2电极上的电极反应:
H2NCH2CH2CH2OH+H2O-4e-===H2NCH2CH2COOH+4H+
解析:左室为氨基丙醇电解生成氨基丙酸,电极反应式为H2NCH2CH2CH2OH-4e-+H2O===H2NCH2CH2COOH+4H+,反应失电子,为阳极;右室为乙二酸电解产生乙醛酸,电极反应式为HOOCCOOH+2e-+2H+===HOOC—CHO+H2O,反应得电子,为阴极,据此解答。Pb电极表面乙二酸得电子,为阴极,左室产生H+、右室消耗H+,H+通过离子交换膜从左室迁移至右室,故A正确;左室产生H+,pH变小,右室消耗H+,pH增加,故B错误;据分析可知,PbO2电极(左室)上的电极反应式为H2NCH2CH2CH2OH+H2O-4e-===H2NCH2CH2COOH+4H+,故D正确。
2.(2025·安徽合肥二模)生物电化学系统可降解废水中的苯酚盐,同时回收N,工作一段时间后脱盐室中溶液中的溶质浓度降低,装置如图所示,其中a、b均为惰性电极,M、N为离子交换膜,Q为气体。下列说法正确的是(　B　)
A.b电极为负极
B.气体Q中含有NH3
C.工作一段时间后,a电极区溶液质量减小
D.a电极反应:-27e-+11H2O===6CO2↑+26H+
解析:由图可知,a电极上苯酚盐被氧化生成二氧化碳,则a电极为负极,b电极为正极,据此解答。由分析可知,b电极为正极,A错误;b电极是正极,铵根离子向正极移动,正极反应式为O2+4e-+4N===4NH3+2H2O,则右侧气体Q中含有NH3,B正确;转移1 mol电子时,有1 mol Cl-(35.5 g)迁移到a电极区,苯酚盐中碳元素化合价为-,则转移1 mol电子时生成的二氧化碳少于35.5 g,则工作一段时间后,a电极区溶液质量增大,C错误;苯酚盐中碳元素化合价为-,a电极上苯酚盐被氧化生成二氧化碳,a电极反应式为-28e-+11H2O===6CO2↑+27H+,D错误。
3.(2025·江苏南京模拟)用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装的电解池可实现大电流催化电解氯化铵废水,同时制得盐酸和氨水。工作时,H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH-,有利于电解反应顺利进行,装置如图所示(M、N均为惰性电极)。下列说法正确的是(　C　)
A.a膜是阳离子交换膜,b膜是阴离子交换膜
B.Ⅰ室生成氨水,Ⅱ室生成盐酸
C.每生成0.1 mol HCl,双极膜处共有0.2 mol H2O解离
D.与平面结构相比,“卯榫”结构双极膜表面积大,更有利于电子通过
解析:处理氯化铵废水,同时制得盐酸和氨水,阳离子向阴极移动、阴离子向阳极移动,氯离子透过a膜进入Ⅰ室,铵根离子透过b膜进入Ⅱ室,可知在Ⅰ、Ⅱ两室分别得到盐酸和氨水。由分析可知,a膜是阴离子交换膜、b膜是阳离子交换膜,故A错误;由分析可知,在Ⅰ、Ⅱ两室分别得到盐酸和氨水,故B错误;生成0.1 mol HCl,Ⅰ室处双极膜有0.1 mol H2O解离、Ⅱ室处双极膜有0.1 mol H2O解离,所以双极膜处共有0.2 mol H2O解离,故C正确;与平面结构的双极膜相比,“卯榫”结构增大双极膜面积,可提高产品生成速率,电子不能通过双极膜,故D错误。
考点二　多池电化学装置
1.多池串联装置模型
(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)
甲、乙两图中,A均为原电池,B均为电解池。
2.电子转移计算
电路中,流过某截面的电子数=电极上得失电子的数目=电解质溶液中离子传输的电荷数。由得失电子守恒建立各量间的关系。
(1)根据电子守恒法计算:串联电路电极上得失电子数目相等。
(2)根据电解方程式或电极反应式计算。
(3)根据关系式计算,由得失电子守恒关系建立各量间的关系,如串联电池各电极产物的关系:O2~2Cl2~2Br2~4H+~4e-~2H2~2Cu~4Ag~4OH-
涉及气体体积计算,使用22.4 L·mol-1时务必先看清条件(标准状况),再进行计算。
1.如下装置,X、Y、Q、W都是惰性电极,将电源接通后,W极附近颜色逐渐加深。下列说法不正确的是(　C　)
A.电源的M极为正极
B.甲装置中溶液的pH减小
C.甲装置的两个电极上都有单质生成且物质的量之比为1︰1
D.欲用乙装置给铜镀银,U极应该是Ag,电镀液选择AgNO3溶液
解析:W极附近颜色逐渐加深,说明通电时氢氧化铁胶粒移向该电极,该极为阴极,即W极连接电源的负极,M极为正极,N极为负极,A正确;通电时,甲装置中X极为阳极,电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,Y极为阴极,电极反应式为Cu2++2e-===Cu,总反应为2CuSO4+2H2O2Cu+2H2SO4+O2↑,甲装置中溶液的pH减小,B正确;由得失电子守恒可知,n(O2)︰n(Cu)=1︰2,C错误;电镀时镀层金属为阳极,即U极是Ag,电镀液为AgNO3溶液,D正确。
2.一种清洁、低成本的双联装置工作原理如图所示,浓缩海水形成的离子浓度差会驱动离子从高浓度区域向低浓度区域迁移,进而产生离子电流。下列说法错误的是(　D　)
A.装置Ⅰ中Li+移向X电极
B.装置Ⅱ中电极W为阳极
C.装置Ⅱ中电极Z反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.装置Ⅱ中电极W产生标准状况下22.4 L气体时,装置Ⅰ中可制得42.5 g LiCl
解析:结合题干信息,装置Ⅰ为原电池,装置Ⅱ为电解池,装置Ⅰ中,Li+移向X电极,故X为正极,Y为负极;Z为阴极,W为阳极,W电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑,Z电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-。根据分析可知,装置Ⅰ中Li+移向X电极,故A正确;根据分析可知,电极W为阳极,故B正确;根据分析可知,Z电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,故C正确;装置Ⅱ中的W电极生成氯气1 mol,转移电子的物质的量为2 mol,结合得失电子守恒,故装置Ⅰ中X电极生成2 mol LiCl,则装置Ⅰ中可制得85 g LiCl,故D错误。
3.(2025·广东梅州一模)某实验小组利用如图所示装置制备Fe(OH)2。已知甲装置的工作原理为2Na2S2+NaBr3===Na2S4+3NaBr,电极a、b采用石墨或Fe。下列说法不正确的是(　B　)
A.乙装置中电极a应为Fe,电极b为石墨
B.乙装置中可用CuCl2溶液代替NaCl溶液
C.电极b发生的反应:2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.理论上每生成9.0 g Fe(OH)2,甲装置中将有0.2 mol Na+向惰性电极Ⅱ移动
解析:由题给信息可知,乙装置中的电极材料为石墨或Fe,电解质溶液为NaCl溶液,反应不能自发进行,则乙装置为电解池,甲装置为原电池,由甲装置工作原理知,惰性电极Ⅰ为原电池负极,惰性电极Ⅱ为原电池正极,则电极a为阳极,电极b为阴极,乙装置目的是制备Fe(OH)2,需要Fe2+,电极a应为Fe作阳极失电子生成Fe2+,电极b为阴极,可采用石墨,A项正确;若用CuCl2溶液代替NaCl溶液,在阴极Cu2+得电子生成Cu,无法生成OH-,就不能生成Fe(OH)2,B项错误;电极b为阴极,溶液中的H2O得电子发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,C项正确;9.0 g Fe(OH)2的物质的量为0.1 mol,根据Fe-2e-===Fe2+,Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓,生成0.1 mol Fe(OH)2,电路中转移0.2 mol电子,甲装置中阳离子向正极(惰性电极Ⅱ)移动,根据电荷守恒,有0.2 mol Na+向惰性电极Ⅱ移动,D项正确。
1.(2024·重庆卷)我国科研工作者研发了一种新型复合电极材料,可将CO2电催化转化为甲酸,如图是电解装置示意图。下列说法正确的是(　D　)
A.电解时电极N上产生OH-
B.电解时电极M上发生氧化反应
C.阴、阳离子交换膜均有两种离子通过
D.总反应为2CO2+2H2O2HCOOH+O2
解析:复合电极M上二氧化碳得到电子发生还原反应转化成甲酸根离子:CO2+2e-+H2O===HCOO-+OH-,甲酸根离子和氢氧根离子通过阴离子交换膜进入中间室,氢氧根离子和氢离子生成水、甲酸根离子和氢离子生成甲酸,则M是阴极,那么N是阳极,阳极水失去电子发生氧化反应生成氧气:2H2O-4e-===4H++O2↑,氢离子通过阳离子交换膜进入中间室,据此解答。酸性条件下,电解时电极N上水失去电子发生氧化反应生成氧气:2H2O-4e-===4H++O2↑,A错误;由分析可知,复合电极M上二氧化碳得到电子发生还原反应,B错误;由分析可知,阳离子交换膜有1种离子通过,C错误;由分析可知,总反应为二氧化碳和水生成甲酸和氧气,D正确。
2.(2025·甘肃卷)我国科研工作者设计了一种Mg-海水电池驱动海水(pH=8.2)电解系统(如图)。以新型MoNi/NiMoO4为催化剂(生长在泡沫镍电极上),在电池和电解池中同时产生氢气。下列关于该系统的说法错误的是(　D　)
A.将催化剂生长在泡沫镍电极上可提高催化效率
B.在外电路中,电子从电极1流向电极4
C.电极3的反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑
D.理论上,每通过2 mol电子,可产生1 mol H2
解析:由题图可知,左侧为原电池,右侧为电解池,电极1为负极,发生氧化反应,电极反应式为Mg-2e-+2OH-===Mg(OH)2,电极2为正极,发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,右侧为电解池,电极3为阳极,产生氧气,电极4为阴极,产生氢气。催化剂生长在泡沫镍电极上可增大催化剂与反应物的接触面积,提高催化效率,A正确;根据分析,电极1是负极,电极4为阴极,电子从电极1流向电极4,B正确;由分析可知,电极3为阳极,发生氧化反应,生成氧气,电极3的反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑,C正确;根据分析可知,电极2和电极4均产生氢气,理论上,每通过2 mol电子,可产生2 mol H2,D错误。
3.(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(　D　)
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
解析:由题图可知,电极a为阴极,电极反应为O2+4e-+2H2O===4OH-,电极b为阳极,电极反应为Li4[Fe(CN)6]-e-===Li3[Fe(CN)6]+Li+,在离子交换膜Ⅰ、Ⅱ间加入海水,钠离子透过离子交换膜Ⅰ进入阴极区得到氢氧化钠,氯离子透过离子交换膜Ⅱ进入离子交换膜Ⅱ、Ⅲ之间,锂离子透过离子交换膜Ⅲ进入离子交换膜Ⅱ、Ⅲ之间,在此处得到LiCl,则离子交换膜Ⅰ为阳离子交换膜,Ⅱ为阴离子交换膜,Ⅲ为阳离子交换膜,据此解答。由分析可知,A错误;电极a上发生的反应为O2+4e-+2H2O===4OH-,其附近溶液的pH变大,B错误;由分析可知,电极b上发生的反应为Li4[Fe(CN)6]-e-===Li3[Fe(CN)6]+Li+,C错误;每脱除58.5 g NaCl,转移1 mol电子,有1 mol Li+和1 mol Cl-分别透过离子交换膜Ⅲ、Ⅱ,可得到1 mol LiCl,D正确。
4.(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(　C　)
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
解析:由题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2H++2e-===H2↑,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。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;水可微弱地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,可促进双极膜中水的电离,B正确;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;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,最多生成1 mol B(OH)3,D正确。
课时作业38(总分:60分)
1.(3分)(2025·湖南长沙三模)工业生产产生的氨逸散到空气中会造成污染,科学家采用石墨烯作电极材料设计了一种新型绿色处理尾气中NH3的方案,主要包括电化学过程和化学过程,如图所示。下列说法正确的是(　B　)
A.M极接直流电源的负极,发生氧化反应
B.N极的电极反应式为2NH3-6e-===N2+6H+
C.当电解质溶液中传导0.3 mol e-时,有0.3 mol H+穿过质子交换膜
D.若用铅酸蓄电池作电源,当电源负极增重4.8 g时,M极消耗1.12 L(折合成标准状况)O2
解析:Fe3+在M极得到电子被还原为Fe2+,则M极为电解池的阴极,接直流电源的负极,发生还原反应,A项错误;N极为阳极,电极反应式为2NH3-6e-===N2+6H+,B项正确;电子可从导线传导,电解质溶液不能传导电子,C项错误;若用铅酸蓄电池作电源,电源负极的电极反应式为Pb-2e-+S===PbSO4,负极增重4.8 g时,参与反应的S为0.05 mol,电路中转移电子0.1 mol,结合M极的电极反应式Fe3++e-===Fe2+知,M极产生的Fe2+为0.1 mol,再根据4Fe2++O2+4H+===4Fe3++2H2O知,反应消耗的O2为0.025 mol,其标准状况下的体积为0.025 mol×22.4 L/mol=0.56 L,D项错误。
2.(3分)利用多膜装置通过电解法可以制备KNO3,同时获得一定的副产品,其电解装置如图所示。下列说法正确的是(　D　)
A.Y膜为阳离子交换膜
B.阴极室溶液中OH-浓度逐渐降低
C.理论上每生成1 mol Cl2,阴极室溶液质量增加46 g
D.理论上每生成标准状况下22.4 L Cl2,阳极室内溶液质量减小149 g
解析:阳极室:2Cl--2e-===Cl2↑;阴极室:2H2O+2e-===2OH-+H2↑,电解法可以制备KNO3,根据图示,阳极室中的钾离子进入硝酸钾稀溶液,NaNO3溶液中硝酸根离子进入硝酸钾稀溶液、钠离子进入阴极室生成氢氧化钠。NaNO3中N通过Y膜向左移,Y膜为阴离子交换膜,故A错误;阴极室发生反应2H2O+2e-===2OH-+H2↑,OH-浓度逐渐增大,故B错误;生成1 mol Cl2时,转移2 mol电子,阴极室内生成1 mol H2,但补充了2 mol Na+,因此阴极室溶液质量增加44 g,故C错误;生成1 mol Cl2(标准状况下体积为22.4 L),即转移2 mol电子,同时有2 mol K+移向硝酸钾稀溶液,则阳极室内减少2 mol KCl,即溶液质量减小149 g,故D正确。
3.(3分)(2025·广东珠海一模)我国科学家研究的自驱动高效制取H2的电化学装置示意图如图。下列说法不正确的是(　D　)
A.装置a为原电池,电极Ⅰ为正极
B.装置b的总反应方程式为N2H4N2↑+2H2↑
C.装置a消耗1 mol O2时,整个装置消耗2 mol N2H4
D.装置b生成2 mol H2时,理论上装置a正极区溶液质量减小4 g
解析:装置a中N2H4和O2可发生自发的氧化还原反应,则装置a为原电池,其中N2H4被氧化生成N2,电极Ⅱ为负极,则电极Ⅰ为正极,装置b左侧电极和电极Ⅱ相连,为阴极,H2O被还原生成H2,装置b右侧电极为阳极,N2H4被氧化生成N2,据此解答。由分析可知,装置a为原电池,电极Ⅰ为正极,A正确;装置b为电解池,N2H4参与反应,有H2和N2生成,总反应方程式为N2H4N2↑+2H2↑,B正确;装置a消耗1 mol O2时,转移4 mol电子,装置a、b中N2H4均被氧化生成N2,根据得失电子守恒,装置a、b各消耗1 mol N2H4,则整个装置消耗2 mol N2H4,C正确;装置b生成2 mol H2时,转移4 mol电子,装置a正极区电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-,装置a负极区电极反应式为N2H4-4e-+4OH-===N2↑+4H2O,转移4 mol电子时,装置a正极区有1 mol O2参与反应,同时有4 mol OH-迁移至负极,则理论上装置a正极区溶液质量减小:4 mol×17 g/mol-1 mol×32 g/mol=36 g,D错误。
4.(3分)(2025·河南郑州二模)为从海水中提取锂,某团队设计了如图所示的电解池。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(Ag电极或AgCl电极)取下互换,可实现锂的富集。
下列说法正确的是(　D　)
A.a为电源的正极,电极电势a高于b
B.装置中电极2应选择Ag电极,电极反应式为Ag-e-===Ag+
C.互换电极前后,与电源a极相连的电极所发生的电极反应不同
D.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
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,电极材料为Ag,电极反应式为Ag-e-+Cl-===AgCl;电极3为阴极,电极材料为AgCl,电极反应式为AgCl+e-===Ag+Cl-,电极4为阳极,在电极4上发生氧化反应:LiFePO4-e-===FePO4+Li+。电极1为阴极,因此a为电源的负极,b为电源的正极,电极电势b高于a,故A错误;由分析可知,电极2为阳极,应选择Ag电极,海水中有Cl-,则电极2的电极反应式为Ag-e-+Cl-===AgCl,故B错误;电极4放电一段时间后转化成为FePO4,所以互换电极后电极4发生的反应与互换前电极1发生的反应相同,故C错误;根据得失电子守恒,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正确。
5.(3分)(2025·广东深圳二模)双极膜是一种复合膜,在直流电作用下,能把中间界面内的H2O解离为H+和OH-,并使离子定向通过。以铅酸蓄电池为电源(放电时总反应为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O),利用双极膜电解获得NaOH与H3PO4的原理如图所示。下列说法正确的是(　C　)
A.N膜为阳离子交换膜
B.电解过程中,产品室1的pH逐渐减小
C.产品室2中反应为H2P+H+===H3PO4
D.双极膜共解离4 mol H2O时,理论上铅酸蓄电池中生成4 mol PbSO4
解析:由题图可知,电解池工作时阳离子向阴极迁移,由于H+向电极a移动,即电极a为阴极,那么电极b为阳极,M膜为阳离子交换膜,原料室中钠离子通过M膜进入产品室1得到氢氧化钠,N膜为阴离子交换膜,原料室中磷酸二氢根离子通过N膜进入产品室2,与双极膜产生的氢离子反应生成磷酸。由分析可知,N膜为阴离子交换膜,A错误;由分析可知,产品室1生成氢氧化钠,pH逐渐增大,B错误;原料室中磷酸二氢根离子通过N膜进入产品室2,与双极膜产生的氢离子反应生成磷酸,反应为H2P+H+===H3PO4,C正确;双极膜共解离4 mol H2O,即电极a、b处各解离2 mol H2O,电极a的电极反应式为2H++2e-===H2↑,解离2 mol H2O得到2 mol H+,转移电子的物质的量为2 mol,结合反应Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,理论上铅酸蓄电池中生成2 mol PbSO4,D错误。
6.(3分)(2025·湖北武汉二模)羟基自由基(·OH)具有极强的氧化能力,它能有效地氧化降解废水中的有机污染物。在直流电源作用下,利用双极膜电解池产生羟基自由基(·OH)处理含苯酚废水和含甲醛废水,原理如图所示。已知:双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-。下列说法错误的是(　D　)
A.M极电极反应式:O2+2e-+2H+===2·OH
B.电极电势:N>M
C.每处理6.0 g甲醛,理论上有0.8 mol H+透过膜b
D.通电一段时间后,理论上苯酚和甲醛转化生成CO2物质的量之比为7︰6
解析:由题图可知,M电极通入O2,发生反应生成自由基(·OH),电极反应式为O2+2e-+2H+===2·OH,M极作阴极,N极为阳极,以此解答。由分析可知,A正确;由分析可知,M极作阴极,N极为阳极,故电极电势:N>M,B正确;6.0 g甲醛的物质的量为0.2 mol,0.2 mol甲醛完全氧化为CO2转移电子0.8 mol,则有0.8 mol H+透过膜b,C正确;根据氧化还原反应规律,1 mol甲醛生成CO2转移4 mol e-,1 mol苯酚生成CO2转移28 mol e-,理论上苯酚和甲醛转化生成CO2的物质的量之比为6︰7,D错误。
7.(3分)(2025·四川成都二诊)使用如图所示的单池双膜三液装置电解NH4NO3可制得氨水及硝酸。下列说法错误的是(　B　)
A.左池中加入稀硝酸是为了增强溶液的导电能力
B.M的电极反应为N-2===+10H+
C.离子交换膜Ⅰ为阴离子交换膜
D.每当产生22.4 L(标准状况)气体A,溶液中有4 mol N通过离子交换膜Ⅱ
解析:由题图知,M为阳极,水被氧化得到氧气和氢离子,硝酸根离子向左移动,左侧可制得硝酸,N为阴极,水放电产生氢气和氢氧根离子,铵根离子向右移动,二者反应得到浓氨水。HNO3是电解质,在水溶液中能导电,左池中加入稀硝酸可增强溶液的导电能力,A项正确;由题图可知,M电极为阳极,电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,B项错误;由题图可知,M电极为阳极,产生H+,溶液中的N向阳极移动,得到浓硝酸,则离子交换膜Ⅰ为阴离子交换膜,C项正确;M电极的电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,每当产生22.4 L(标准状况)气体A即生成1 mol O2,产生4 mol H+,则有4 mol N向阳极移动,4 mol N向阴极移动,D项正确。
8.(3分)(2025·安徽安庆模拟)设计如图装置回收金属钴。已知电极材料均为石墨材质。右侧装置为原电池,可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,保持细菌所在环境pH稳定,降解乙酸盐生成CO2。下列说法正确的是(　D　)
A.装置工作时,甲室溶液pH逐渐增大
B.装置工作时,乙室中阳离子通过阳膜向另一边迁移
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,则此时已进行溶液转移
解析:由题意可知,右侧装置为原电池,则左侧装置为电解池,原电池中含细菌的石墨电极为负极,水分子作用下乙酸根离子在负极失去电子发生氧化反应生成二氧化碳和氢离子,电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O===2CO2↑+7H+,含钴酸锂的石墨电极为正极,酸性条件下钴酸锂在正极得到电子发生还原反应生成锂离子、钴离子和水,电极反应式为LiCoO2+e-+4H+===Li++Co2++2H2O,电池的总反应为CH3COO-+8LiCoO2+25H+===2CO2↑+8Li++8Co2++14H2O;电解池中,与原电池正极相连的含细菌的石墨电极为阳极,水分子作用下乙酸根离子在阳极失去电子发生氧化反应生成二氧化碳和氢离子,电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O===2CO2↑+7H+,右侧石墨电极为阴极,钴离子在阴极得到电子发生还原反应生成钴,电极反应式为Co2++2e-===Co,电解的总反应为CH3COO-+4Co2++2H2O===2CO2↑+7H++4Co,据此解答。电池工作时,含细菌的石墨电极上乙酸盐的阴离子失去电子被氧化为CO2气体,同时生成H+,电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O===2CO2↑+7H+,H+通过阳膜进入甲室,因此,甲室溶液pH逐渐减小,A错误;右侧装置是原电池,乙室中LiCoO2(s)得到电子生成Co2+,LiCoO2(s)电极为正极,故装置工作时,乙室中阳离子不通过阳膜向另一边迁移,B错误;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,则转移电子物质的量为n(e-)=×2≈0.006 8 mol;若乙室Co2+增加300 mg,则转移电子的物质的量为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。
9.(3分)(2025·山东潍坊一模)利用H2O2在碱性条件下实现废水中Cr(Ⅲ)的回收,铬的去除率大于99.5%,其装置如图所示。下列说法错误的是(　D　)
A.膜a为阴离子交换膜,膜b为阳离子交换膜
B.废水室中反应的离子方程式为2Cr(OH)3+3H2O2+4OH-===2Cr+8H2O
C.反应一段时间后,阴极区溶液的pH不变
D.通电过程中石墨N极每产生33.6 L(标准状况)气体,则双极膜内减小27 g H2O
解析:根据溶液中的离子移动方向,OH-移向阳极,左侧石墨M为阳极,右侧石墨N为阴极,Na+通过膜b进入产品室,膜b为阳离子交换膜,膜a要阻止其他阳离子进入缓冲室,为阴离子交换膜,Cr通过膜c进入产品室,膜c是阴离子交换膜。由分析可知,A正确;依据图中物质,废水室中Cr(Ⅲ)在碱性条件下被H2O2氧化生成Cr,反应的离子方程式为2Cr(OH)3+3H2O2+4OH-===2Cr+8H2O,B正确;由分析可知,右侧石墨N为阴极,阴极的电极反应为2H++2e-===H2↑,阴极区消耗的H+的物质的量与双极膜中进入此区的H+的物质的量相等,所以反应一段时间后,阴极区溶液的pH不变,C正确;通电过程中石墨N极每产生33.6 L(标准状况)气体,即1.5 mol H2,则双极膜内有3 mol H+进入阴极室,同时有3 mol OH-进入废水室,故双极膜内减少3 mol H2O,即减小54 g H2O,D错误。
10.(3分)(2025·山东威海二模)我国科学家在光电催化-化学耦合烟气脱硫并实现CO2的资源化利用与电能储存的研究中取得重大突破,其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　D　)
A.电极a的电极反应式:CO2+2e-+H2O===CO+2OH-
B.装置A食盐水中NaCl质量分数:x%C.离子交换膜N为阴离子交换膜
D.每吸收1 mol SO2,理论上装置B的总质量增加62 g
解析:装置B中,d极反应式为Fe2+-e-===Fe3+,作原电池的负极;c极反应式为2H++2e-===H2↑,作原电池的正极,则装置B为原电池。装置A为电解池,a极与电源的负极相连,作电解池的阴极,在该电极,CO2得电子与H2O反应生成CO和HC,电极反应式为3CO2+2e-+H2O===CO+2HC;b极与电源正极相连,为电解池的阳极,食盐水中的Cl-失电子生成Cl2,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑。装置A中,左侧HC透过离子交换膜M进入中间盛有NaHCO3溶液室,右侧Na+透过离子交换膜N进入中间盛有NaHCO3溶液室,使NaHCO3溶液由稀变浓,食盐水由浓变稀;离子交换膜M为阴离子交换膜,离子交换膜N为阳离子交换膜。由分析可知,A不正确;由分析可知,食盐水由浓变稀,所以NaCl质量分数:x%>y%,B不正确;由分析可知,C不正确;在装置B内,SO2-2e-+2H2O===S+4H+,c极的电极反应式为2H++2e-===H2↑,每吸收1 mol SO2,同时生成1 mol H2,则理论上装置B的总质量增加1 mol×64 g/mol-1 mol×2 g/mol=62 g,D正确。
11.(15分)某研究性学习小组用如图所示的装置进行实验,探究原电池、电解池和电解制备钴的工作原理。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。请根据实验现象及所查资料,回答下列问题:
查阅资料:高铁酸根离子(Fe)在溶液中呈紫红色。
(1)上述装置中,发生还原反应的电极有BC(填字母)。
A.X(Fe) B.Y(C)
C.Co D.Zn
(2)丙池中的S从右向左(填“从左向右”“从右向左”或“不”)移动。
(3)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Cl2。
(4)乙池是电解制备金属钴的装置图,相比电解前,电解完成后理论上Ⅰ室中n(H+)不变(填“变大”“变小”或“不变”),该电解池总反应的化学方程式是2CoCl2+2H2O2Co+O2↑+4HCl。
(5)反应过程中,X极处发生的电极反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑和Fe-6e-+8OH-===Fe+4H2O。
(6)一段时间后,若X极质量减小1.12 g,Y极收集到2.24 L气体,则在X极收集到的气体体积为448 mL(均已折算为标准状况时的气体体积)。
12.(15分)NO-空气质子交换膜燃料电池实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合。某化学兴趣小组用如图装置模拟工业处理废气和废水的过程。已知电极材料均为惰性电极。回答下列问题:
(1)甲池在放电过程中的负极反应式为NO+2H2O-3e-===N+4H+。
(2)乙池中通入废气SO2的电极为阳极,电池总反应的离子方程式为5SO2+2NO+8H2O2N+8H+。
(3)b为阴(填“阳”或“阴”)离子交换膜。当浓缩室得到4 L浓度为0.6 mol·L-1的盐酸时,M室中的溶液的质量变化为减小18 g(溶液体积变化忽略不计)。
(4)若在标准状况下,甲池有5.6 L O2参加反应,则乙池中处理废气(SO2和NO)的总体积为15.68 L。
解析:(1)甲池在放电过程中,负极上一氧化氮失去电子发生氧化反应生成硝酸根离子,反应为NO+2H2O-3e-===N+4H+。(2)乙池中通入废气SO2的电极连接电源的正极,为阳极;阳极二氧化硫发生氧化反应生成硫酸根离子,阴极一氧化氮发生还原反应生成铵根离子,电池总反应的离子方程式为5SO2+2NO+8H2O2N+8H+。(3)丙中阳极上水放电发生氧化反应生成氧气和氢离子,氢离子从M室通过交换膜a进入浓缩室;N室中氯离子通过交换膜b进入浓缩室,最终得到较浓的盐酸,故b为阴离子交换膜。当浓缩室得到4 L浓度为0.6 mol·L-1盐酸时,迁移过来的氢离子为4 L×(0.6 mol·L-1-0.1 mol·L-1)=2 mol;2H2O-4e-===4H++O2↑,则反应1 mol水,M室中溶液的质量变化为减小1 mol×18 g·mol-1=18 g。(4)乙池中SO2转化为硫酸根离子、NO转化为铵根离子;若标准状况下,甲池有5.6 L O2(为0.25 mol)参加反应,根据得失电子守恒可知,O2~4e-~2SO2~NO,则乙池中处理废气(SO2和NO)共0.7 mol,总体积为15.68 L。(共63张PPT)
第七章　化学反应与能量转化
第38讲　多池、多室的电化学装置
目
录
考点二　多池电化学装置
课时作业
考点一　离子交换膜在电化学中的应用
真题演练 感悟高考
复习目标
1.了解离子交换膜的类型及作用。2.了解多池连接装置的特点及分析方法。3.建立解答复杂电化学装置的思维路径。
一
考点一 离子交换膜
在电化学中的应用
1.离子交换膜及其分类
离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液中的离子具有选择透过功能的膜,通常由特殊高分子材料制成,其大致可分为如下四类:
(1)阳离子交换膜,只允许阳离子通过,不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜,只允许阴离子通过,不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜,只允许H+通过,不允许其他阳离子或阴离子通过。
(4)双极隔膜,是一种新型离子交换膜,其膜主体可分为阴离子交换层、阳离子交换层和中间界面层,水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中,水电离产物H+和OH-可在电场力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.离子交换膜的作用
(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,提高产品的纯度或避免不安全因素。
(2)能选择性地允许离子通过,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
(3)通过离子交换膜的选择性,进行物质的分离、提纯和除杂。
3.“膜”电化学装置的分析方法
(1)根据膜的性质和离子在溶液中的迁移方向,画出离子透过膜的方向。
(2)寻找迁出室溶液中浓度较大的迁移离子。
(3)分析离子在迁入室的浓度增大和在迁出室的浓度减小,以及带来的实质变化。
1.(2025·浙江绍兴模拟)工业上以氨基丙醇(H2NCH2CH2CH2OH)和乙二酸为原料电解,制备氨基丙酸和乙醛酸(HOOC—CHO)。装置如图所示,两极室之间以能透过H+的阳离子交换膜隔开,电解过程中温度保持不变。下列说法不正确的是(　　)
A.Pb电极为阴极,H+通过离子交换膜从左室迁移至右室
B.反应过程中两室pH均变小
C.若将两电极材料互换,会使两种产品产量下降
D.PbO2电极上的电极反应:
H2NCH2CH2CH2OH+H2O-4e-===H2NCH2CH2COOH+4H+
B
解析:左室为氨基丙醇电解生成氨基丙酸,电极反应式为H2NCH2CH2CH2OH-4e-+H2O===H2NCH2CH2COOH+4H+,反应失电子,为阳极;右室为乙二酸电解产生乙醛酸,电极反应式为HOOCCOOH+2e-+2H+===HOOC—CHO+H2O,反应得电子,为阴极,据此解答。Pb电极表面乙二酸得电子,为阴极,左室产生H+、右室消耗H+,H+通过离子交换膜从左室迁移至右室,故A正确;左室产生H+,pH变小,右室消耗H+,pH增加,故B错误;据分析可知,PbO2电极(左室)上的电极反应式为H2NCH2CH2CH2OH+H2O-4e-===H2NCH2CH2COOH+4H+,故D正确。
2.(2025·安徽合肥二模)生物电化学系统可降解废水中的苯酚盐,同时回收N,工作一段时间后脱盐室中溶液中的溶质浓度降低,装置如图所示,其中a、b均为惰性电极,M、N为离子交换膜,Q为气体。下列说法正确的是(　　)
A.b电极为负极
B.气体Q中含有NH3
C.工作一段时间后,a电极区溶液质量减小
D.a电极反应: 　　　 -27e-+11H2O===
6CO2↑+26H+
B
解析:由图可知,a电极上苯酚盐被氧化生成二氧化碳,则a电极为负极,b电极为正极,据此解答。由分析可知,b电极为正极,A错误;b电极是正极,铵根离子向正极移动,正极反应式为O2+4e-+4N===4NH3+2H2O,则右侧气体Q中含有NH3,B正确;转移1 mol电子时,有1 mol Cl-(35.5 g)迁移到a电极区,苯酚盐中碳元素化合价为-,则转移1 mol电子时生成的二氧化碳少于35.5 g,则工作一段时间后,a电极区溶液质量增大,C错误;苯酚盐中碳元素化合价为-,a电极上苯酚盐被氧化生成二氧化碳,a电极反应式为 　　　　
-28e-+11H2O===6CO2↑+27H+,D错误。
3.(2025·江苏南京模拟)用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装的电解池可实现大电流催化电解氯化铵废水,同时制得盐酸和氨水。工作时,H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH-,有利于电解反应顺利进行,装置如图所示(M、N均为惰性电极)。下列说法正确的是(　　)
A.a膜是阳离子交换膜,b膜是阴离子交换膜
B.Ⅰ室生成氨水,Ⅱ室生成盐酸
C.每生成0.1 mol HCl,双极膜处共有
0.2 mol H2O解离
D.与平面结构相比,“卯榫”结构双极膜表
面积大,更有利于电子通过
C
解析:处理氯化铵废水,同时制得盐酸和氨水,阳离子向阴极移动、阴离子向阳极移动,氯离子透过a膜进入Ⅰ室,铵根离子透过b膜进入Ⅱ室,可知在Ⅰ、Ⅱ两室分别得到盐酸和氨水。由分析可知,a膜是阴离子交换膜、b膜是阳离子交换膜,故A错误;由分析可知,在Ⅰ、Ⅱ两室分别得到盐酸和氨水,故B错误;生成0.1 mol HCl,Ⅰ室处双极膜有0.1 mol H2O解离、Ⅱ室处双极膜有0.1 mol H2O解离,所以双极膜处共有0.2 mol H2O解离,故C正确;与平面结构的双极膜相比,“卯榫”结构增大双极膜面积,可提高产品生成速率,电子不能通过双极膜,故D错误。
二
考点二 多池电化学装置
1.多池串联装置模型
(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)
甲、乙两图中,A均为原电池,B均为电解池。
2.电子转移计算
电路中,流过某截面的电子数=电极上得失电子的数目=电解质溶液中离子传输的电荷数。由得失电子守恒建立各量间的关系。
(1)根据电子守恒法计算:串联电路电极上得失电子数目相等。
(2)根据电解方程式或电极反应式计算。
(3)根据关系式计算,由得失电子守恒关系建立各量间的关系,如串联电池各电极产物的关系:O2~2Cl2~2Br2~4H+~4e-~2H2~2Cu~4Ag~4OH-
涉及气体体积计算,使用22.4 L·mol-1时务必先看清条件(标准状况),再进行计算。
1.如下装置,X、Y、Q、W都是惰性电极,将电源接通后,W极附近颜色逐渐加深。下列说法不正确的是(　　)
A.电源的M极为正极
B.甲装置中溶液的pH减小
C.甲装置的两个电极上都有单质生成且物质的量之比为1︰1
D.欲用乙装置给铜镀银,U极应该是Ag,电镀液选择AgNO3溶液
C
解析:W极附近颜色逐渐加深,说明通电时氢氧化铁胶粒移向该电极,该极为阴极,即W极连接电源的负极,M极为正极,N极为负极,A正确;通电时,甲装置中X极为阳极,电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,Y极为阴极,电极反应式为Cu2++2e-===Cu,总反应为2CuSO4+2H2O 　　　2Cu+2H2SO4
+O2↑,甲装置中溶液的pH减小,B正确;由得失电子守恒可知,n(O2)︰n(Cu)=1︰2,C错误;电镀时镀层金属为阳极,即U极是Ag,电镀液为AgNO3溶液,D正确。
2.一种清洁、低成本的双联装置工作原理如图所示,浓缩海水形成的离子浓度差会驱动离子从高浓度区域向低浓度区域迁移,进而产生离子电流。下列说法错误的是(　　)
A.装置Ⅰ中Li+移向X电极
B.装置Ⅱ中电极W为阳极
C.装置Ⅱ中电极Z反应为2H2O+2e-
===H2↑+2OH-
D.装置Ⅱ中电极W产生标准状况下22.4 L气体时,装置Ⅰ中可制得42.5 g LiCl
D
解析:结合题干信息,装置Ⅰ为原电池,装置Ⅱ为电解池,装置Ⅰ中,Li+移向X电极,故X为正极,Y为负极;Z为阴极,W为阳极,W电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑,Z电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-。根据分析可知,装置Ⅰ中Li+移向X电极,故A正确;根据分析可知,电极W为阳极,故B正确;根据分析可知,Z电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,故C正确;装置Ⅱ中的W电极生成氯气1 mol,转移电子的物质的量为2 mol,结合得失电子守恒,故装置Ⅰ中X电极生成2 mol LiCl,则装置Ⅰ中可制得85 g LiCl,故D错误。
3.(2025·广东梅州一模)某实验小组利用如图所示装置制备Fe(OH)2。已知甲装置的工作原理为2Na2S2+NaBr3===Na2S4+3NaBr,电极a、b采用石墨或Fe。下列说法不正确的是(　　)
A.乙装置中电极a应为Fe,电极b为石墨
B.乙装置中可用CuCl2溶液代替NaCl溶液
C.电极b发生的反应:2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.理论上每生成9.0 g Fe(OH)2,甲装置中将有
0.2 mol Na+向惰性电极Ⅱ移动
B
解析:由题给信息可知,乙装置中的电极材料为石墨或Fe,电解质溶液为NaCl溶液,反应不能自发进行,则乙装置为电解池,甲装置为原电池,由甲装置工作原理知,惰性电极Ⅰ为原电池负极,惰性电极Ⅱ为原电池正极,则电极a为阳极,电极b为阴极,乙装置目的是制备Fe(OH)2,需要Fe2+,电极a应为Fe作阳极失电子生成Fe2+,电极b为阴极,可采用石墨,A项正确;若用CuCl2溶液代替NaCl溶液,在阴极Cu2+得电子生成Cu,无法生成OH-,就不能生成Fe(OH)2,B项错误;电极b为阴极,溶液中的H2O得电子发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,C项正确;9.0 g Fe(OH)2的物质的量为0.1 mol,根据Fe-2e-===Fe2+,Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓,生成0.1 mol Fe(OH)2,电路中转移0.2 mol电子,甲装置中阳离子向正极(惰性电极Ⅱ)移动,根据电荷守恒,有0.2 mol Na+向惰性电极Ⅱ移动,D项正确。
三
真题演练 感悟高考
1.(2024·重庆卷)我国科研工作者研发了一种新型复合电极材料,可将CO2电催化转化为甲酸,如图是电解装置示意图。下列说法正确的是(　　)
A.电解时电极N上产生OH-
B.电解时电极M上发生氧化反应
C.阴、阳离子交换膜均有两种离子通过
D.总反应为2CO2+2H2O 　　 2HCOOH+O2
D
解析:复合电极M上二氧化碳得到电子发生还原反应转化成甲酸根离子:CO2+2e-+H2O===HCOO-+OH-,甲酸根离子和氢氧根离子通过阴离子交换膜进入中间室,氢氧根离子和氢离子生成水、甲酸根离子和氢离子生成甲酸,则M是阴极,那么N是阳极,阳极水失去电子发生氧化反应生成氧气:2H2O-4e-===4H++O2↑,氢离子通过阳离子交换膜进入中间室,据此解答。酸性条件下,电解时电极N上水失去电子发生氧化反应生成氧气:2H2O-4e-===4H++O2↑,A错误;由分析可知,复合电极M上二氧化碳得到电子发生还原反应,B错误;由分析可知,阳离子交换膜有1种离子通过,C错误;由分析可知,总反应为二氧化碳和水生成甲酸和氧气,D正确。
2.(2025·甘肃卷)我国科研工作者设计了一种Mg-海水电池驱动海水(pH=8.2)电解系统(如图)。以新型MoNi/NiMoO4为催化剂(生长在泡沫镍电极上),在电池和电解池中同时产生氢气。下列关于该系统的说法错误的是(　　)
A.将催化剂生长在泡沫镍电极上可提高
催化效率
B.在外电路中,电子从电极1流向电极4
C.电极3的反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑
D.理论上,每通过2 mol电子,可产生1 mol H2
D
解析:由题图可知,左侧为原电池,右侧为电解池,电极1为负极,发生氧化反应,电极反应式为Mg-2e-+2OH-===Mg(OH)2,电极2为正极,发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,右侧为电解池,电极3为阳极,产生氧气,电极4为阴极,产生氢气。催化剂生长在泡沫镍电极上可增大催化剂与反应物的接触面积,提高催化效率,A正确;根据分析,电极1是负极,电极4为阴极,电子从电极1流向电极4,B正确;由分析可知,电极3为阳极,发生氧化反应,生成氧气,电极3的反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑,C正确;根据分析可知,电极2和电极4均产生氢气,理论上,每通过2 mol电子,可产生2 mol H2,D错误。
3.(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
D
解析:由题图可知,电极a为阴极,电极反应为O2+4e-+2H2O===4OH-,电极b为阳极,电极反应为Li4[Fe(CN)6]-e-===Li3[Fe(CN)6]+Li+,在离子交换膜Ⅰ、Ⅱ间加入海水,钠离子透过离子交换膜Ⅰ进入阴极区得到氢氧化钠,氯离子透过离子交换膜Ⅱ进入离子交换膜Ⅱ、Ⅲ之间,锂离子透过离子交换膜Ⅲ进入离子交换膜Ⅱ、Ⅲ之间,在此处得到LiCl,则离子交换膜Ⅰ为阳离子交换膜,Ⅱ为阴离子交换膜,Ⅲ为阳离子交换膜,据此解答。由分析可知,A错误;电极a上发生的反应为O2+4e-+2H2O===4OH-,其附近溶液的pH变大,B错误;由分析可知,电极b上发生的反应为Li4[Fe(CN)6]-e-===Li3[Fe(CN)6]+Li+,C错误;每脱除58.5 g NaCl,转移1 mol电子,有1 mol Li+和1 mol Cl-分别透过离子交换膜Ⅲ、Ⅱ,可得到1 mol LiCl,D正确。
4.(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
C
解析:由题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2H++2e-===H2↑,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。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;水可微弱地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,可促进双极膜中水的电离,B正确;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;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,最多生成1 mol B(OH)3,D正确。
四
课时作业38
1.(3分)(2025·湖南长沙三模)工业生产产生的氨逸散到空气中会造成污染,科学家采用石墨烯作电极材料设计了一种新型绿色处理尾气中NH3的方案,主要包括电化学过程和化学过程,如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.M极接直流电源的负极,发生氧化反应
B.N极的电极反应式为2NH3-6e-===N2+6H+
C.当电解质溶液中传导0.3 mol e-时,有
0.3 mol H+穿过质子交换膜
D.若用铅酸蓄电池作电源,当电源负极增
重4.8 g时,M极消耗1.12 L(折合成标准状况)O2
B
解析:Fe3+在M极得到电子被还原为Fe2+,则M极为电解池的阴极,接直流电源的负极,发生还原反应,A项错误;N极为阳极,电极反应式为2NH3-6e-===N2+6H+,B项正确;电子可从导线传导,电解质溶液不能传导电子,C项错误;若用铅酸蓄电池作电源,电源负极的电极反应式为Pb-2e-+S===PbSO4,负极增重4.8 g时,参与反应的S为0.05 mol,电路中转移电子0.1 mol,结合M极的电极反应式Fe3++e-===Fe2+知,M极产生的Fe2+为0.1 mol,再根据4Fe2++O2+4H+===4Fe3++2H2O知,反应消耗的O2为0.025 mol,其标准状况下的体积为0.025 mol×22.4 L/mol=0.56 L,D项错误。
2.(3分)利用多膜装置通过电解法可以制备KNO3,同时获得一定的副产品,其电解装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.Y膜为阳离子交换膜
B.阴极室溶液中OH-浓度逐渐降低
C.理论上每生成1 mol Cl2,阴极室
溶液质量增加46 g
D.理论上每生成标准状况下22.4 L
Cl2,阳极室内溶液质量减小149 g
D
解析:阳极室:2Cl--2e-===Cl2↑;阴极室:2H2O+2e-===2OH-+H2↑,电解法可以制备KNO3,根据图示,阳极室中的钾离子进入硝酸钾稀溶液,NaNO3溶液中硝酸根离子进入硝酸钾稀溶液、钠离子进入阴极室生成氢氧化钠。NaNO3中N通过Y膜向左移,Y膜为阴离子交换膜,故A错误;阴极室发生反应2H2O+2e-===2OH-+H2↑,OH-浓度逐渐增大,故B错误;生成1 mol Cl2时,转移2 mol电子,阴极室内生成1 mol H2,但补充了2 mol Na+,因此阴极室溶液质量增加44 g,故C错误;生成1 mol Cl2(标准状况下体积为22.4 L),即转移2 mol电子,同时有2 mol K+移向硝酸钾稀溶液,则阳极室内减少2 mol KCl,即溶液质量减小149 g,故D正确。
3.(3分)(2025·广东珠海一模)我国科学家研究的自驱动高效制取H2的电化学装置示意图如图。下列说法不正确的是(　　)
A.装置a为原电池,电极Ⅰ为正极
B.装置b的总反应方程式为
N2H4 　　　N2↑+2H2↑
C.装置a消耗1 mol O2时,整个装置
消耗2 mol N2H4
D.装置b生成2 mol H2时,理论上装
置a正极区溶液质量减小4 g
D
解析:装置a中N2H4和O2可发生自发的氧化还原反应,则装置a为原电池,其中N2H4被氧化生成N2,电极Ⅱ为负极,则电极Ⅰ为正极,装置b左侧电极和电极Ⅱ相连,为阴极,H2O被还原生成H2,装置b右侧电极为阳极,N2H4被氧化生成N2,据此解答。由分析可知,装置a为原电池,电极Ⅰ为正极,A正确;装置b为电解池,N2H4参与反应,有H2和N2生成,总反应方程式为N2H4 　　　N2↑+
2H2↑,B正确;装置a消耗1 mol O2时,转移4 mol电子,装置a、b中N2H4均被氧化生成N2,根据得失电子守恒,装置a、b各消耗1 mol N2H4,则整个装置消耗2 mol N2H4,C正确;装置b生成2 mol H2时,转移4 mol电子,装置a正极区电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-,装置a负极区电极反应式为N2H4-4e-+4OH-===N2↑+4H2O,转移4 mol电子时,装置a正极区有1 mol O2参与反应,同时有4 mol OH-迁移至负极,则理论上装置a正极区溶液质量减小:4 mol×17 g/mol-1 mol×32 g/mol=36 g,D错误。
4.(3分)(2025·河南郑州二模)为从海水中提取锂,某团队设计了如图所示的电解池。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(Ag电极或AgCl电极)取下互换,可实现锂的富集。
下列说法正确的是(　　)
A.a为电源的正极,电极电势a高于b
B.装置中电极2应选择Ag电极,电极反应式为Ag-e-===Ag+
C.互换电极前后,与电源a极相连的电极所发生的电极反应不同
D.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
D
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,电极材料为Ag,电极反应式为Ag-e-+Cl-===AgCl;电极3为阴极,电极材料为AgCl,电极反应式为AgCl+e-===Ag+Cl-,电极4为阳极,在电极4上发生氧化反应:LiFePO4-e-===FePO4+Li+。电极1为阴极,因此a为电源的负极,b为电源的正极,电极电势b高于a,故A错误;由分析可知,电极2为阳极,应选择Ag电极,海水中有Cl-,则电极2的电极反应式为Ag-e-+Cl-===AgCl,故B错误;电极4放电一段时间后转化成为FePO4,所以互换电极后电极4发生的反应与互换前电极1发生的反应相同,故C错误;根据得失电子守恒,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正确。
5.(3分)(2025·广东深圳二模)双极膜是一种复合膜,在直流电作用下,能把中间界面内的H2O解离为H+和OH-,并使离子定向通过。以铅酸蓄电池为电源(放电时总反应为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O),利用双极膜电解获得NaOH与H3PO4的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.N膜为阳离子交换膜
B.电解过程中,产品室1的pH逐渐减小
C.产品室2中反应为H2P+H+===H3PO4
D.双极膜共解离4 mol H2O时,理论上铅酸
蓄电池中生成4 mol PbSO4
C
解析:由题图可知,电解池工作时阳离子向阴极迁移,由于H+向电极a移动,即电极a为阴极,那么电极b为阳极,M膜为阳离子交换膜,原料室中钠离子通过M膜进入产品室1得到氢氧化钠,N膜为阴离子交换膜,原料室中磷酸二氢根离子通过N膜进入产品室2,与双极膜产生的氢离子反应生成磷酸。由分析可知,N膜为阴离子交换膜,A错误;由分析可知,产品室1生成氢氧化钠,pH逐渐增大,B错误;原料室中磷酸二氢根离子通过N膜进入产品室2,与双极膜产生的氢离子反应生成磷酸,反应为H2P+H+===H3PO4,C正确;双极膜共解离4 mol H2O,即电极a、b处各解离2 mol H2O,电极a的电极反应式为2H++2e-===H2↑,解离2 mol H2O得到2 mol H+,转移电子的物质的量为2 mol,结合反应Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,理论上铅酸蓄电池中生成2 mol PbSO4,D错误。
6.(3分)(2025·湖北武汉二模)羟基自由基(·OH)具有极强的氧化能力,它能有效地氧化降解废水中的有机污染物。在直流电源作用下,利用双极膜电解池产生羟基自由基(·OH)处理含苯酚废水和含甲醛废水,原理如图所示。已知:双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-。下列说法错误的是(　　)
A.M极电极反应式:O2+2e-+2H+===2·OH
B.电极电势:N>M
C.每处理6.0 g甲醛,理论上有0.8 mol H+
透过膜b
D.通电一段时间后,理论上苯酚和甲醛
转化生成CO2物质的量之比为7︰6
D
解析:由题图可知,M电极通入O2,发生反应生成自由基(·OH),电极反应式为O2+2e-+2H+===2·OH,M极作阴极,N极为阳极,以此解答。由分析可知,A正确;由分析可知,M极作阴极,N极为阳极,故电极电势:N>M,B正确;6.0 g甲醛的物质的量为0.2 mol,0.2 mol甲醛完全氧化为CO2转移电子0.8 mol,则有0.8 mol H+透过膜b,C正确;根据氧化还原反应规律,1 mol甲醛生成CO2转移4 mol e-,1 mol苯酚生成CO2转移28 mol e-,理论上苯酚和甲醛转化生成CO2的物质的量之比为6︰7,D错误。
7.(3分)(2025·四川成都二诊)使用如图所示的单池双膜三液装置电解NH4NO3可制得氨水及硝酸。下列说法错误的是(　　)
A.左池中加入稀硝酸是为了增强溶液的导电能力
B.M的电极反应为N-2===+10H+
C.离子交换膜Ⅰ为阴离子交换膜
D.每当产生22.4 L(标准状况)气体A,
溶液中有4 mol N通过离子交换膜Ⅱ
B
解析:由题图知,M为阳极,水被氧化得到氧气和氢离子,硝酸根离子向左移动,左侧可制得硝酸,N为阴极,水放电产生氢气和氢氧根离子,铵根离子向右移动,二者反应得到浓氨水。HNO3是电解质,在水溶液中能导电,左池中加入稀硝酸可增强溶液的导电能力,A项正确;由题图可知,M电极为阳极,电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,B项错误;由题图可知,M电极为阳极,产生H+,溶液中的N向阳极移动,得到浓硝酸,则离子交换膜Ⅰ为阴离子交换膜,C项正确;M电极的电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,每当产生22.4 L(标准状况)气体A即生成1 mol O2,产生4 mol H+,则有4 mol N向阳极移动,4 mol N向阴极移动,D项正确。
8.(3分)(2025·安徽安庆模拟)设计如图装置回收金属钴。已知电极材料均为石墨材质。右侧装置为原电池,可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,保持细菌所在环境pH稳定,降解乙酸盐生成CO2。下列说法正确的是(　　)
A.装置工作时,甲室溶液pH逐渐增大
B.装置工作时,乙室中阳离子通过阳膜向另
一边迁移
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,则此时已进行溶液转移
D
解析:由题意可知,右侧装置为原电池,则左侧装置为电解池,原电池中含细菌的石墨电极为负极,水分子作用下乙酸根离子在负极失去电子发生氧化反应生成二氧化碳和氢离子,电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O===
2CO2↑+7H+,含钴酸锂的石墨电极为正极,酸性条件下钴酸锂在正极得到电子发生还原反应生成锂离子、钴离子和水,电极反应式为LiCoO2+e-+4H+===Li++Co2++2H2O,电池的总反应为CH3COO-+8LiCoO2+25H+===
2CO2↑+8Li++8Co2++14H2O;电解池中,与原电池正极相连的含细菌的石墨电极为阳极,水分子作用下乙酸根离子在阳极失去电子发生氧化反应生成二氧化碳和氢离子,电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O===2CO2↑+7H+,
右侧石墨电极为阴极,钴离子在阴极得到电子发生还原反应生成钴,电极反应式为Co2++2e-===Co,电解的总反应为CH3COO-+4Co2++2H2O===
2CO2↑+7H++4Co,据此解答。电池工作时,含细菌的石墨电极上乙酸盐的阴离子失去电子被氧化为CO2气体,同时生成H+,电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O===2CO2↑+7H+,H+通过阳膜进入甲室,因此,甲室溶液pH逐渐减小,A错误;右侧装置是原电池,乙室中LiCoO2(s)得到电子生成Co2+,LiCoO2(s)电极为正极,故装置工作时,乙室中阳离子不通过阳膜向另一边迁移,B错误;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,则转移电子物质的量为n(e-)=×2≈0.006 8 mol;若乙室Co2+增加300 mg,则转移电子的物质的量为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。
9.(3分)(2025·山东潍坊一模)利用H2O2在碱性条件下实现废水中Cr(Ⅲ)的回收,铬的去除率大于99.5%,其装置如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.膜a为阴离子交换膜,膜b为阳离子交换膜
B.废水室中反应的离子方程式为2Cr(OH)3+
3H2O2+4OH-===2Cr+8H2O
C.反应一段时间后,阴极区溶液的pH不变
D.通电过程中石墨N极每产生33.6 L(标准状
况)气体,则双极膜内减小27 g H2O
D
解析:根据溶液中的离子移动方向,OH-移向阳极,左侧石墨M为阳极,右侧石墨N为阴极,Na+通过膜b进入产品室,膜b为阳离子交换膜,膜a要阻止其他阳离子进入缓冲室,为阴离子交换膜,Cr通过膜c进入产品室,膜c是阴离子交换膜。由分析可知,A正确;依据图中物质,废水室中Cr(Ⅲ)在碱性条件下被H2O2氧化生成Cr,反应的离子方程式为2Cr(OH)3+3H2O2+
4OH-===2Cr+8H2O,B正确;由分析可知,右侧石墨N为阴极,阴极的电极反应为2H++2e-===H2↑,阴极区消耗的H+的物质的量与双极膜中进入此区的H+的物质的量相等,所以反应一段时间后,阴极区溶液的pH不变,C正确;通电过程中石墨N极每产生33.6 L(标准状况)气体,即1.5 mol H2,则双极膜内有3 mol H+进入阴极室,同时有3 mol OH-进入废水室,故双极膜内减少3 mol H2O,即减小54 g H2O,D错误。
10.(3分)(2025·山东威海二模)我国科学家在光电催化-化学耦合烟气脱硫并实现CO2的资源化利用与电能储存的研究中取得重大突破,其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.电极a的电极反应式:CO2+2e-+
H2O===CO+2OH-
B.装置A食盐水中NaCl质量分数:
x%C.离子交换膜N为阴离子交换膜
D.每吸收1 mol SO2,理论上装置B的总质量增加62 g
D
解析:装置B中,d极反应式为Fe2+-e-===Fe3+,作原电池的负极;c极反应式为2H++2e-===H2↑,作原电池的正极,则装置B为原电池。装置A为电解池,a极与电源的负极相连,作电解池的阴极,在该电极,CO2得电子与H2O反应生成CO和HC,电极反应式为3CO2+2e-+H2O===CO+2HC;b极与电源正极相连,为电解池的阳极,食盐水中的Cl-失电子生成Cl2,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑。装置A中,左侧HC透过离子交换膜M进入中间盛有NaHCO3溶液室,右侧Na+透过离子交换膜N进入中间盛有NaHCO3溶液室,使NaHCO3溶液由稀变浓,食盐水由浓变稀;离子交换膜M为阴离子交换膜,离子交换膜N为阳离子交换膜。由分析可知,A不正确;由分析可知,食盐水由浓变稀,所以NaCl质量分数:x%>y%,B不正确;由分析可知,C不正确;在装置B内,SO2-2e-+2H2O===
S+4H+,c极的电极反应式为2H++2e-===H2↑,每吸收1 mol SO2,同时生成1 mol H2,则理论上装置B的总质量增加1 mol×64 g/mol-1 mol×2 g/mol=62 g,D正确。
11.(15分)某研究性学习小组用如图所示的装置进行实验,探究原电池、电解池和电解制备钴的工作原理。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。请根据实验现象及所查资料,回答下列问题:
查阅资料:高铁酸根离子(Fe)在溶液中呈紫红色。
(1)上述装置中,发生还原反应的电极有____(填字母)。
A.X(Fe) B.Y(C)
C.Co D.Zn
(2)丙池中的S_________(填“从左向右”“从右向左”或“不”)移动。
(3)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____。
BC
从右向左
Cl2
(4)乙池是电解制备金属钴的装置图,相比电解前,电解完成后理论上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__________________________________。
(5)反应过程中,X极处发生的电极反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑和______________________________。
(6)一段时间后,若X极质量减小1.12 g,Y极收集到2.24 L气体,则在X极收集到的气体体积为______ mL(均已折算为标准状况时的气体体积)。
不变
2CoCl2+2H2O
2Co+O2↑+4HCl
Fe-6e-+8OH-===Fe+4H2O
448
12.(15分)NO-空气质子交换膜燃料电池实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合。某化学兴趣小组用如图装置模拟工业处理废气和废水的过程。已知电极材料均为惰性电极。回答下列问题:
(1)甲池在放电过程中的负极反应式为_____________________________。
解析:甲池在放电过程中,负极上一氧化氮失去电子发生氧化反应生成硝酸根离子,反应为NO+2H2O-3e-===N+4H+。
(2)乙池中通入废气SO2的电极为____极,电池总反应的离子方程式为_______________________________________。
解析:乙池中通入废气SO2的电极连接电源的正极,为阳极;阳极二氧化硫发生氧化反应生成硫酸根离子,阴极一氧化氮发生还原反应生成铵根离子,电池总反应的离子方程式为5SO2+2NO+8H2O 　　　2N
+8H+。
NO+2H2O-3e-===N+4H+
阳
5SO2+2NO+8H2O
2N+8H+
(3)b为____(填“阳”或“阴”)离子交换膜。当浓缩室得到4 L浓度为0.6 mol·L-1的盐酸时,M室中的溶液的质量变化为__________(溶液体积变化忽略不计)。
解析:丙中阳极上水放电发生氧化反应生成氧气和氢离子,氢离子从M室通过交换膜a进入浓缩室;N室中氯离子通过交换膜b进入浓缩室,最终得到较浓的盐酸,故b为阴离子交换膜。当浓缩室得到4 L浓度为0.6 mol·L-1盐酸时,迁移过来的氢离子为4 L×(0.6 mol·L-1-0.1 mol·L-1)=2 mol;2H2O-4e-===4H++O2↑,则反应1 mol水,M室中溶液的质量变化为减小1 mol×18 g·mol-1=18 g。
阴
减小18 g
(4)若在标准状况下,甲池有5.6 L O2参加反应,则乙池中处理废气(SO2和NO)的总体积为________ L。
解析:乙池中SO2转化为硫酸根离子、NO转化为铵根离子;若标准状况下,甲池有5.6 L O2(为0.25 mol)参加反应,根据得失电子守恒可知,O2~4e-~2SO2~NO,则乙池中处理废气(SO2和NO)共0.7 mol,总体积为15.68 L。
15.68
Thank you
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