【26版化学人教版选择性必修一学习笔记第四章 第一、二节提升课 第2课时电化学计算模型多池、多室装置

第2课时　电化学计算模型　多池、多室装置

[核心素养发展目标]　1.掌握电子守恒规律在电化学中的应用。2.掌握多池连接装置的形式及分析思路。3.了解离子交换膜的类型及其作用。

一、电化学计算模型

1．电化学常涉及的计算问题

原电池和电解池的计算常涉及两极产物定量计算，电路中转移电子数的计算、溶液pH的计算、电解前后电极或电极区质量的差值计算等。

2．电化学计算模型

1．500 mL KCl和Cu(NO₃)₂的混合溶液中c(Cu^2＋)＝0.2 mol·L^－1，用石墨作电极电解此溶液，通电一段时间后，两电极均收集到5.6 L(标准状况下)气体，假设电解后溶液的体积仍为500 mL，下列说法正确的是(　　)

A．原混合溶液中c(Cl^－)＝0.3 mol·L^－1

B．上述电解过程中共转移0.5 mol电子

C．电解得到的无色气体与有色气体的体积比为3∶7

D．阳极收集到的气体为Cl₂和O₂

2．把两支惰性电极插入500 mL硝酸银溶液中，通电电解。当电解质溶液中c(H^＋)从10^－6 mol·L^－1变为10^－3 mol·L^－1时(设电解时阴极没有氢气析出，且电解质溶液在电解前后体积变化可以忽略)，电极上应析出银的质量是(　　)

A．27 mgB．54 mg

C．108 mgD．216 mg

3．(2023·重庆南开中学高二期中)光电池在光照条件下可产生电流，如图装置可以实现光能源的充分利用，双极膜可将水解离为H^＋和OH^－，并实现其定向通过。下列说法不正确的是(　　)

A．该装置可利用光能实现水的分解

B．光照过程中阴极区溶液的pH变小

C．再生池中的反应为2V^2＋＋2H^＋催化剂,2V^3＋＋H₂↑

D．电路中每有2 mol电子通过，阳极区溶液质量增加2 g

二、多池装置

1．一池两用

用如图所示装置进行实验：

(1)若开始时K与N连接，则构成________，铁棒上发生的电极反应式为________________________________________________________________________；石墨电极产生的现象为____________________________________________________。

(2)若开始时K与M连接，则构成________，铁棒上发生的电极反应式为_________________；石墨电极产生的现象为_________________，一段时间后，溶液的pH________。

(3)若用铝条和镁条分别代替图中的石墨和铁棒电极，电解质溶液为氢氧化钠溶液，请写出原电池负极的电极反应式：_________________________________________________________。

2．多池串联

如图所示装置：

回答下列问题：

(1)甲池是______，乙池是将________能转化为______能的装置。

(2)写出甲、乙、丙池中各电极的电极名称和电极反应式。

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

3．多池装置的解题模型

1．用如图装置进行电解实验(a、b、c、d均为铂电极)，供选择的有4组电解液，要满足下列要求：①工作一段时间后A烧杯的pH上升，B烧杯的pH下降；②b、c两极上反应的离子的物质的量相等，应选择的电解质溶液是(　　)

A．A烧杯NaOH溶液；B烧杯CuSO₄溶液

B．A烧杯AgNO₃溶液；B烧杯CuCl₂溶液

C．A烧杯Na₂SO₄溶液；B烧杯AgNO₃溶液

D．A烧杯NaCl溶液；B烧杯AgNO₃溶液

2．某兴趣小组设计如图所示实验装置，两个相同的玻璃管中盛满NaCl稀溶液(滴有酚酞)，闭合S₁一段时间后，两极均有气泡产生，Cu电极一侧液面比C电极一侧的低；断开S₁，闭合S₂，电流表指针发生偏转。下列叙述正确的是(　　)

A．闭合S₁时，Cu电极产生气泡的原因为2Cl^－－2e^－===Cl₂↑

B．闭合S₁时，若铜电极接直流电源的正极，两极均有气泡产生

C．断开S₁、闭合S₂时，C电极作负极

D．断开S₁、闭合S₂时，Cu电极上发生反应：H₂－2e^－＋2OH^－===2H₂O

3．如图所示，若电解5 min时，测得铜电极的质量增加2.16 g。试回答下列问题：

(1)电源中X极是__________(填“正”或“负”)极。

(2)通电5 min时，B中共收集到224 mL(标准状况)气体，溶液体积为200 mL(电解前后溶液的体积变化忽略不计)，则通电前c(CuSO₄)＝______________。

(3)若A中KCl溶液的体积也是200 mL，电解后溶液中仍有Cl^－，则电解后溶液的pH＝________(K_w＝1.0×10^－14)。

三、多室装置——离子交换膜的作用

1．常见的离子交换膜

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。

离子交换膜分为

(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，水电离的产物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。

(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．典例剖析

例1　某原电池装置如图所示，电池总反应为2Ag＋Cl₂===2AgCl，当电路中转移a mol电子时，交换膜左侧溶液中约减少________ mol离子。交换膜右侧溶液中c(HCl)____(填“>”“＜”或“＝”)1 mol·L^－1(忽略溶液体积变化)。

例2　(2021·广东，16)钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是(　　)

A．工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大

B．生成1 mol Co，Ⅰ室溶液质量理论上减少16 g

C．移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变

D．电解总反应：2Co^2＋＋2H₂O电解2Co＋O₂↑＋4H^＋

例3　H₃PO₂可用电渗析法制备，“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：

(1)写出阳极的电极反应式：__________________________________________________。

(2)分析产品室可得到H₃PO₂的原因：__________________________________________。

(3)早期采用“三室电渗析法”制备H₃PO₂：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H₃PO₂稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有________杂质，该杂质产生的原因是_____________________________________。

1．(2023·山东师大附中期中)科研人员发明了一种Al­PbO₂电池，通过X和Y两种离子交换膜将电解质溶液隔开，形成M、R、N三个电解质溶液区域，电解质分别为KOH、K₂SO₄、H₂SO₄，结构示意图如图(已知a＞b)。该电池放电时，下列说法错误的是(　　)

A．R区K₂SO₄浓度逐渐增大

B．K^＋通过X膜由M区移向R区

C．N区电极反应为PbO₂＋2e^－＋4H^＋＋SO2－4===PbSO₄＋2H₂O

D．每消耗1.8 g Al，N区电解质溶液减少19.2 g

2．(2023·苏州高二月考)如图装置是一种微生物脱盐电池的装置，它可以通过处理有机废水(以含CH₃COO^－的溶液为例)获得电能，同时还可实现海水淡化。已知a、b电极为惰性电极，X、Y均为离子交换膜，下列说法错误的是(　　)

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