上篇 专题3 选择题突破3.3 电化学中的多室、多池装置（word教参）-【创新教程】2025年高考化学大二轮专题增分方案（单选）

3.电化学中的多室、多池装置 1．“膜”在电化学中的应用 (1)常见的“膜”及功能 交换膜类型 阳膜 阴膜 双极膜 特定的交换膜 允许通 过的离 子及移 动方向 阳离子原电池的正极(电解池的阴极) 阴离子原电池的负极(电解池的阳极) 中间层中的H2O解离出H＋和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) 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 通性 无论是原电池还是电解池中，阳离子均移向得电子的一极，阴离子均移向失电子的一极 功能 离子有选择性的定向移动，使整个溶液的离子电荷守恒 (2)“膜”种类的判断 ①离子从“生成区”移向“消耗区”(以电解CO2制HCOOH为例，其原理如图所示) ②离子从“原料区”移向“产品区”(以电渗析法制备H3PO2为例，其原理如图所示) ③离子从“浓→稀”的溶液区移出，移向“稀→浓”的溶液区(以电化学制备K2Cr2O7为例，其原理如图所示，其中a、b均为石墨电极) 2．电化学计算 (1)得失电子守恒法计算 原理：电路中转移的电子数＝电极上得失电子数。 形式：利用电极反应式、总反应式确定比例关系。 如4e－～2Cl2(Br2、I2)～O2～2H2～2Cu～4Ag～4Cl－～4OH－～4H＋～2Cu2＋～4Ag＋。 守恒法计算与转化率相结合，如： [2022·重庆T17(3)]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。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)。 (2)计算膜两侧溶液质量变化——勿忽略离子迁移 有“膜”计算是高考的难点，如： (2021·广东T16改编)水溶液中电解制备金属钴的装置示意图如图所示。工作时，Ⅱ室溶液的pH减小；电解总反应为2Co2＋＋2H2O2Co＋O2↑＋4H＋。当生成1 mol Co时，Ⅰ室溶液质量理论上减少18 g。 注意气体的排出(质量变小)、吸收(质量变大)、固体的析出(溶液质量变小)、固体溶解(溶液质量变大)，尤其不能忽略通过膜的转移移出(溶液质量变小)、移入(溶液质量变大)。 3．法拉第效率 法拉第效率(Faraday efficiency)是电化学中的一个重要概念，它指的是实际生成物与理论生成物的百分比。 这个指标用于评估电化学反应中的能量转化效率，在实际应用中，由于存在各种电阻损耗和副反应，法拉第效率通常低于100%。 ηF＝＝×100% NF：实际消耗电荷量 NT：流过外电路总电荷量 m：相关产物的摩尔数 n：反应转移的电子数 F：法拉第常数　96 485 C/mol I：平均电流密度 t：反应时间 4．电子空穴 5．参比电极 参比电极，reference electrode，测量各种电极电势时作为参照比较的电极。将被测定的电极与精确已知电极电势数值的参比电极构成电池，测定电池电动势数值，就可计算出被测定电极的电极电势。 1．(湿法冶铁|2024·广东卷)一种基于氯碱工艺的新型电解池(如图)，可用于湿法冶铁的研究。电解过程中，下列说法不正确的是(　　) A．阳极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑ B．阴极区溶液中OH－浓度逐渐升高 C．理论上每消耗1 mol Fe2O3，阳极室溶液减少213 g D．理论上每消耗1 mol Fe2O3，阴极室物质最多增加138 g 解析：C　[右侧溶液为饱和食盐水，右侧电极产生气体，则右侧电极为阳极，Cl－放电产生氯气，电极反应为：2Cl－－2e－===Cl2↑；左侧电极为阴极，发生还原反应，Fe2O3在碱性条件下转化为Fe，电极反应为：Fe2O3＋6e－＋3H2O===2Fe＋6OH－；中间为阳离子交换膜，Na＋由阳极向阴极移动。由分析可知，阳极反应为：2Cl－－2e－===Cl2↑，A正确；由分析可知，阴极反应为：Fe2O3＋6e－＋3H2O===2Fe＋6OH－，消耗水产生OH－，阴极区溶液中OH－浓度逐渐升高，B正确；由分析可知，理论上每消耗1 mol Fe2O3，转移6 mol电子，产生3 mol Cl2，同时有6 mol Na＋由阳极转移至阴极，则阳极室溶液减少3 mol×71 g·mol－1＋6 mol×23 g·mol－1＝351 g，C错误；由分析可知，理论上每消耗1 mol Fe2O3，转移6 mol电子，有6 mol Na＋由阳极转移至阴极，阴极室物质最多增加6 mol×23 g·mol－1＝138 g，D正确。] 2．(隔膜与浓度差电池|2023·山东卷)(双选)利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是(　　) A．甲室Cu电极为正极 B．隔膜为阳离子膜 C．电池总反应为：Cu2＋＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋ D．NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响 解析：CD　[ 向甲室加入足量氨水后电池开始工作(突破口：溶解Cu，失电子)，甲室Cu电极溶解生成铜离子，因此甲室Cu电极为负极，故A错误；因需要在甲室中实现CuSO4溶液的再生，故需要乙室中的SO通过阴离子交换膜进入甲室，故B错误；负极反应是Cu－2e－＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋，正极反应是Cu2＋＋2e－===Cu，则电池总反应为Cu2＋＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋，故C正确；NH3扩散到乙室会与铜离子反应生成[Cu(NH3)4]2＋，铜离子浓度降低，浓度差电池电动势降低、得电子能力减弱，因此将对电动势产生影响，故D正确。] 3．(电子空穴|2022·全国乙卷)Li­O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电Li­O2电池(如图所示)，光照时，光催化电极产生电子(e－)和空穴(h＋)，驱动阴极反应(Li＋＋e－===Li)和阳极反应(Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2↑)对电池进行充电。下列叙述错误的是(　　) A．充电时，电池的总反应Li2O2===2Li＋O2↑ B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关 C．放电时，Li＋从正极穿过离子交换膜向负极迁移 D．放电时，正极发生反应O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2 解析：C　[充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应(Li＋＋e－===Li)和阳极反应(Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2↑)，即阴、阳电极反应式相加得到充电时总反应：Li2O2===2Li＋O2↑，由题图可知，放电时Li→Li＋，失去电子，金属Li电极为负极，O2→Li2O2，氧气得到电子，光催化电极为正极。A.充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应(Li＋＋e－===Li)和阳极反应(Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2↑)，总反应可用阴、阳电极反应式相加，方程式为：Li2O2===2Li＋O2，故A正确；B.充电时，电子驱动阴极反应，空穴驱动阳极反应，即充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，故B正确；C.放电时，相当于原电池，阳离子移向正极，阴离子移向负极，正极为光催化电极，Li＋从负极穿过离子交换膜向正极迁移，故C错误；D.放电时总反应与充电时相反，方程式为2Li＋O2===Li2O2，正极反应为O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2，故D正确。] 4．(参比电极|2022·浙江1月卷)pH计是一种采用原电池原理测量溶液pH的仪器。如图所示，以玻璃电极(在特制玻璃薄膜球内放置已知浓度的HCl溶液，并插入Ag­AgCl电极)和另一Ag­AgCl电极插入待测溶液中组成电池，pH与电池的电动势E存在关系：pH＝(E－常数)/0.059。下列说法正确的是(　　) A．如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电极反应式为：AgCl(s)＋e－===Ag(s)＋Cl－(0.1 mol·L－1) B．玻璃膜内外氢离子浓度的差异不会引起电动势的变化 C．分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势，可得出未知溶液的pH D．pH计工作时，电能转化为化学能 解析：C　[A.如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电极为负极，负极发生氧化反应而不是还原反应，A错误；B.已知pH与电池的电动势E存在关系：pH＝(E－常数)/0.059，则玻璃膜内外氢离子浓度的差异会引起电动势的变化，B错误；C.pH与电池的电动势E存在关系：pH＝(E－常数)/0.059，则分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势，可得出未知溶液的pH，C正确；D.pH计工作时，利用原电池原理，则化学能转化为电能，D错误；答案选C。] 1．(多膜提纯|2024·聊城模拟三)镍离子(Ni2＋)和钴离子(Co2＋)性质相似，工业上可通过电化学装置将废水中的Co2＋和Ni2＋分离，装置如图。已知Co2＋和乙酰丙酮不反应，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．通电过程中Ⅳ室内硫酸浓度逐渐增大 C．Ⅲ室中Ni2＋参与的反应为Ni2＋＋2CH3COCH2COCH3＋2OH－===Ni(CH3COCHCOCH3)2＋2H2O D．通电过程中N极每产生11.2 L(标准状况下)气体，双极膜内减少18 g H2O 解析：B　[题图所示为电解池，根据溶液中OH－和H＋移动方向，左侧石墨M为阳极，右侧石墨N为阴极，Ⅱ室为原料室，膜b为阳离子交换膜，Co2＋、Ni2＋进入到Ⅲ室，Co2＋和乙酰丙酮不反应，Ni2＋和乙酰丙酮反应。根据以上分析，膜a为阴离子交换膜，膜b为阳离子交换膜，A正确；石墨N为阴极，2H＋＋2e－===H2↑，Ⅳ室内消耗的H＋与转移过来的H＋相等，所以硫酸浓度不变，B错误；由题中信息可知，Ⅲ室中Ni2＋参与的反应为Ni2＋＋2CH3COCH2COCH3＋2OH－===Ni(CH3COCHCOCH3)2＋2H2O，C正确；通电过程中N极每产生11.2 L(标准状况下)气体，即0.5 mol H2，透过双极膜H＋1 mol，双极膜内减少1 mol即18 g H2O，D正确。] 2．(双极膜—协同电池|2024·东北三省四城市联考)某团队利用光电催化脱除SO2与制备H2O2相耦合，高效协同转化过程如图。(BPM可将水解离为H＋和OH－，向两极移动)(　　) 已知：①2H2O(l)＋O2(g)===2H2O2(aq)　ΔGθ＝＋233.6 kJ/mol ②2OH－(aq)＋SO2(g)＋O2(g)===SO(aq)＋H2O(l)　ΔGθ＝－374.4 kJ/mol 下列说法正确的是(　　) A．α­Fe2O3是负极，电势更高 B．正极区每消耗22.4 L氧气，转移2 mol e－ C．当生成0.1 mol H2O2时，负极区溶液增加6.4 g D．总反应SO2(g)＋O2(g)＋2OH－(aq)===SO(aq)＋H2O2(aq)，该过程为自发过程 解析：D　[由图示信息可知α­Fe2O3上SO中硫失电子生成SO，α­Fe2O3为负极，负极电势低于正极电势，故A错误；气体没有说明是标准状况下，不能根据气体体积确定气体的物质的量，故B错误；正极反应：2H＋＋O2＋2e－===H2O2，生成0.1 mol H2O2时，转移0.2 mol电子，结合负极反应：4OH－＋SO2－2e－===SO＋2H2O，转移0.2 mol电子时，负极吸收0.1 mol二氧化硫，同时双极膜电离出0.2 mol OH－进入负极区，负极区溶液增加的质量为64 g·mol－1×0.1 mol＋17 g·mol－1×0.2 mol＝9.8 g，故C错误；根据盖斯定律可知，总反应可由×①＋②得到，总反应的ΔGθ＝ΔGθ(①)＋ΔGθ(②)＝×(＋233.6 kJ/mol)＋(－374.4 kJ/mol)＝－257.6 kJ/mol，ΔG＜0，反应可自发进行，故D正确。] 3．(甲烷重整电子空穴)光催化甲烷重整技术利用太阳光作为反应动力。以Rh/SrTiO3为载体，激发产生电子(e－)­空穴(h＋)，反应机理如图所示。下列说法错误的是(　　) A．该催化重整过程中，C原子的成键数目不变 B．CO2在Rh上发生还原反应 C．在SrTiO3表面，每生成1 mol CO，向空穴转移电子数为2NA D．该反应可表示为CO2＋CH42CO＋2H2 解析：A　[A.CH4转化为CO时，C原子的成键数目减少，所以该催化重整过程中，C原子的成键数目发生改变，故A错误；B.CO2在Rh上发生反应生成CO，C元素的化合价降低，所以CO2在Rh上发生还原反应，故B正确；C.在SrTiO3表面，发生的反应为CH4＋O2－－2e－===2H2＋CO，则每生成1 mol CO，向空穴转移电子数为2NA，故C正确；D.由题图可知，CO2与CH4反应生成CO和H2，故D正确。] 学科网（北京）股份有限公司 $$