主题9 第4讲 多池串联装置分析与电化学的相关计算(Word教参)-【新高考方案】2027年高考化学一轮总复习

该高中化学讲义聚焦高考电化学核心考点，围绕多池串联装置分析与相关计算展开，按“装置类型→反应原理→计算方法”逻辑梳理知识，通过考点解析、思维建模、真题训练等环节，帮助学生构建系统认知，突破电极判断、电子守恒应用等难点。 资料采用“题型分类+方法建模”教学策略，如多池串联通过“辨池→判极→写反应”流程培养科学思维，计算模块结合电子守恒与关系式法强化推理能力。设置基础巩固与综合应用分层练习，配合即时反馈，高效提升学生解题效率，为教师精准把控复习节奏提供实用指导。

第四讲　多池串联装置分析与电化学的相关计算 　　电化学的相关计算是每年高考的必考内容,考查的形式主要是在选择题的某一个或二个选项中出现,考查的内容主要涉及电极的质量变化、物质的量变化、产生或消耗气体的体积、电路中转移的电子数。多池串联的装置在近几年的高考中虽出现不多,偶有考查,但通过这类题的训练可以加深对原电池和电解池原理理解,有助于学生全面融会贯通知识,发展创新思维能力。 一、多池串联装置 [例1]　[有外加直流电源型]如图所示的装置中,a、b是石墨电极,通电一段时间后,b极附近溶液显红色。下列说法正确的是 (　　) A.X为电源负极,Y为电源正极 B.a极的电极反应为2Cl--2e-==Cl2↑ C.当b极产生标准状况下2.24 L气体时,Pt极上有6.4 g Cu析出 D.通电一段时间后,CuSO4溶液的pH增大 [解析]　a、b是石墨电极,通电一段时间后,b极附近溶液显红色,依据电解质溶液为氯化钠的酚酞溶液,判断b电极是阴极,Y为电源负极,X为电源正极,A错误;a电极上氯离子失电子发生氧化反应,电极反应为2Cl--2e-==Cl2↑,B正确;b极产生标准状况下2.24 L氢气的物质的量n==0.1 mol,转移电子为0.2 mol,电解过程中CuSO4溶液中水电离的氢氧根离子在阳极Pt电极失电子生成氧气,溶液中铜离子在Cu电极得到电子析出铜,溶液中氢离子浓度增大,溶液的pH逐渐减小,C、D错误。 [答案]　B [例2]　[无外接电源型](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(如下图)。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 [解析]　由图可知,左侧为原电池,右侧为电解池,电极1为负极,发生氧化反应,电极反应为Mg-2e-+2OH-==Mg(OH)2,电极2为正极,发生还原反应,电极反应为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加快电解速率,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。 [答案]　D |思维建模|串联电路的解题流程 [迁移应用] 1.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。下列说法正确的是 (　　) A.装置工作时,甲室溶液pH逐渐增大 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,则此时没有进行过溶液转移 解析:选B　电池工作时,左侧为电解池,左侧石墨极为阳极,电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O==2CO2↑+7H+,H+移向甲室,溶液pH减小,A错误;对于乙室,正极上LiCoO2得到电子,被还原为Co2+,同时得到Li+,其中的O与溶液中的H+结合生成H2O,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,电子转移物质的量为n(e-)=×2≈0.006 8 mol ,乙室Co2+增加300 mg,转移电子的物质的量为n(e-)=×1≈0.005 1 mol,说明此时已进行过溶液转移,D错误。 2.如图所示,通电5 min后,电极5的质量增加2.16 g,请回答下列问题。 (1)a为电源的　　　　(填“正”或“负”)极,C池是　　　　池。A池阳极的电极反应为　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　,C池阴极的电极反应为 　。  (2)如果B池中共收集到224 mL气体(标准状况)且溶液体积为200 mL(设电解过程中溶液体积不变),则通电前溶液中Cu2+的物质的量浓度为　　　　　。  (3)如果A池溶液是200 mL足量的食盐水(电解过程溶液体积不变),则通电5 min后,溶液的pH为　　　　　。  解析:(1)根据已知条件通电5 min后,电极5的质量增加2.16 g,说明电极5作阴极,Ag+放电,电极反应为Ag++e-==Ag,转移电子的物质的量为0.02 mol,同时可知电极6作阳极,与电源的正极相连。则a是负极,b是正极,电极1、3、5作阴极,电极2、4、6作阳极。(2)B池中电解总反应为2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4,若转移0.02 mol电子时只收集到O2(只电解溶质),则根据关系式2CuSO4~O2~4e-可得n(O2)=0.005 mol,体积为112 mL(标准状况)<224 mL,说明溶质CuSO4已耗完,然后电解水。设整个过程消耗CuSO4 x mol,H2O y mol,则有2x+2y=0.02,x+y=0.01,解得x=y=0.005 mol,则c(CuSO4)=0.025 mol·L-1。(3)由于A池中电解液足量,A池中只发生反应2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,根据关系式NaOH~e-,生成的n(NaOH)=0.02 mol,则c(NaOH)==0.1 mol·L-1,即溶液的pH=13。 答案:(1)负　电解　2Cl--2e-==Cl2↑　Ag++e-==Ag (2)0.025 mol·L-1　(3)13 二、电化学的相关计算 (一)根据电子守恒计算 　　对于原电池和电解池串联的电化学试题,当题中给出了通过电子的量或某一反应物消耗的量或某一生成物生成的量,这时就要根据电子守恒关系进行计算。 [例3]　如图,X是直流电源,电池中c、d、e、f均为石墨棒,接通电路后,发现d附近显红色。回答下列问题: (1)电源a为　　　(填“正”“负”“阴”或“阳”,下同)极,d极上的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　,Z池中f为　　　　极,e极上的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　。  (2)当电路中通过0.02 mol电子时,d极产生的气体在标准状况下的体积为　　　　 L,Y池中溶液的pH为　　　　;Z池中析出铜的质量为　　　　 g,产生的气体在标准状况下的体积为　　　　 L。  [解析]　(1)用直流电源电解饱和NaCl溶液,阳极电极反应式为2Cl--2e-==Cl2↑,阴极电极反应式为2H2O+2e-==2OH-+H2↑,d附近显红色,因此d为阴极,a为电源的正极,f为阴极,电极反应式为Cu2++2e-==Cu,e为阳极,电极反应式为2H2O-4e-==4H++O2↑。(2)由上述分析,Y池总反应为2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,Z池总反应为2CuSO4+2H2O2H2SO4+O2↑+2Cu,当电路中通过0.02 mol电子时,d极产生0.01 mol H2,在标准状况下的体积为0.224 L,同时生成0.02 mol OH-,c(OH-)=0.1 mol·L-1,Y池中溶液的pH为13;Z池中析出铜的物质的量为0.01 mol,质量为0.64 g,阳极产生0.005 mol O2,标准状况下的体积为0.112 L。 [答案]　(1)正　2H2O+2e-==2OH-+H2↑　阴　2H2O-4e-==4H++O2↑　(2)0.224　13　0.64　0.112 |思维建模|电子守恒法的解题流程 第一步 找出氧化剂(正极或阴极反应物质)、还原剂(负极或阳极反应物质)及相应的还原产物和氧化产物 第二步 根据相关信息,找准一个电极上原子或离子得失电子数(注意化学式中粒子的个数) 第三步 根据串联电路中各电极转移电子相等列出等式 (二)根据关系式计算 [例4]　K⁃O2电池结构如图所示,a和b为两个电极,其中之一为单质钾片。 产生1 A·h电量时,生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为　　。用此电池为铅酸蓄电池充电,消耗3.9 g钾时,铅酸蓄电池消耗　 　　g水。  [解析]　从KO2的组成看,存在如下关系式:KO2~O2,则KO2的质量与消耗O2的质量比值为≈2.22;铅酸蓄电池充电时总反应为2PbSO4+2H2O==Pb+PbO2+2H2SO4,消耗2 mol H2O,转移2 mol电子,故有K~e-~H2O,消耗3.9 g钾(物质的量为=0.1 mol)时,转移0.1 mol电子,则铅酸蓄电池消耗0.1 mol H2O,质量为0.1 mol×18 g·mol-1=1.8 g。 [答案]　2.22　1.8 [例5]　KIO3可作为食盐中的补碘剂,可采用“电解法”制备。先将一定量的碘溶于过量氢氧化钾溶液,发生反应:3I2+6KOH==5KI+KIO3+3H2O,将反应后的溶液加入阳极区,阴极区加入氢氧化钾溶液,开始电解。装置如图所示。 回答下列问题: (1)惰性电极M为　　　　(填“阳极”或“阴极”),其电极反应式为　　 　　　　　。  (2)若电解时用铅酸蓄电池做电源,当消耗2 mol单质铅时,电解生成气体的物质的量是　　　mol。  (3)若电解结束时,阳极反应生成10 mol KIO3,则理论上消耗的I2的物质的量为　　　　mol。  (4)常温下若有0.9 mol K+通过阳离子交换膜,阴极区KOH溶液的pH由13升到14,则阴极区KOH溶液体积为　　　　L(忽略溶液体积变化)。  (5)若电解池工作前,阳极室和阴极室中电解液质量相等,当转移　　　　mol电子时,两侧电解液的质量差为308 g。  [解析]　(1)惰性电极M为阳极,其电极反应式为I-+6OH--6e-==I+3H2O。(2)若电解时用铅酸蓄电池做电源,由关系式Pb~2e-~H2,当消耗2 mol单质铅时,电解生成气体的物质的量是2 mol。(3)若电解结束时,由关系式3I2~5I-~5I,阳极反应生成10 mol KIO3,则理论上消耗I2的物质的量为×3=6 mol。(4)常温下若有0.9 mol K+通过阳离子交换膜,阴极区KOH溶液的pH由13升到14,氢氧根离子的浓度由0.1 mol·L-1升至1 mol·L-1,1 mol·L-1×V-0.1 mol·L-1×V=0.9 mol,V=1 L,则阴极区KOH溶液体积为1 L(忽略溶液体积变化)。(5)若电解池工作前,阳极室和阴极室中电解液质量相等,每转移1 mol电子,阳极室减少1 mol钾离子,减少39 g,阴极室增加1 mol钾离子,同时减少1 mol氢原子,增加38 g,即转移1 mol电子时,两侧电解液的质量差为77 g,则转移4 mol电子时,两侧电解液的质量差为308 g。 [答案]　(1)阳极　I-+6OH--6e-==I+3H2O　(2)2　(3)6　(4)1　(5)4 |思维建模| 　　根据得失电子守恒定律,建立已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。 如以通过4 mol e-为桥梁可构建如下关系式: [迁移应用] 1.把物质的量均为0.1 mol的氯化铜和硫酸溶于水制成100 mL的混合溶液,用石墨作电极电解,并收集两电极所产生的气体,一段时间后在两极收集到的气体在相同条件下体积相同。则下列描述正确的是 (　　) A.电路中共转移0.6NA个电子 B.阳极得到的气体中O2的物质的量为0.2 mol C.阴极质量增加3.2 g D.电解后剩余溶液中硫酸的浓度为1 mol·L-1 解析:选A　根据放电顺序,阴离子:Cl->OH->S,阳离子:Cu2+>H+,该电解过程分为两个阶段:第一阶段,电解CuCl2溶液:Cu2++2Cl-Cu+Cl2↑;第二阶段,电解H2O:2H2O2H2↑+O2↑。阳极开始产生Cl2,后产生O2,阴极开始生成Cu,后产生H2,根据得失电子守恒:Cl2~2e-~Cu,2H2~4e-~O2,可知n(Cu2+)=n(Cl2)=0.1 mol,2n(O2)=n(H2),又因为两极收集到的气体在相同条件下体积相同,即n(Cl2)+n(O2)=n(H2),所以n(H2)=0.2 mol,n(O2)=0.1 mol,n(Cl2)=0.1 mol,则转移电子数为(0.1×2+0.1×4)NA=0.6NA,A正确,B错误;阴极析出铜0.1 mol,即6.4 g,C错误;电解后溶液的体积未知,不能计算硫酸的浓度,D错误。 2.某兴趣小组的同学用如图所示装置研究有关电化学的问题(甲、乙、丙三池中溶质足量,体积均为1 L),当闭合该装置的开关K时,观察到电流计的指针发生了偏转。请回答下列问题: (1)甲、乙、丙三池中为原电池的是　　　　　　(填“甲池”“乙池”或“丙池”),A电极的电极反应式为　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　,C电极的电极反应式为 　  　　　　　　　　 　　。  (2)丙池总反应的离子方程式为 　　　　 　　　　　　　　。  (3)当甲池中B电极上消耗O2的体积为560 mL(标准状况)时,理论上通过乙池的电量为　 　　(法拉第常数F=9.65×104 C·mol-1),丙池溶液的pH为　 　　(忽略溶液体积的变化)。  解析:(1)从图中可以看出,甲池为燃料电池,乙池和丙池为电解池。则甲、乙、丙三池中为原电池的是甲池,A电极的电极反应式为CH3OCH3-12e-+16OH-==2C+11H2O;乙池中,C电极与燃料电池的正极相连,则C电极为阳极,Ag失电子生成Ag+,电极反应式为Ag-e-==Ag+。(2)丙池中,阴极Cu2+得电子生成Cu,阳极H2O失电子生成O2和H+,总反应的离子方程式为2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+。(3)当甲池中B电极上消耗O2的体积为560 mL(标准状况)时,线路中通过电子的物质的量n(e-)=×4=0.1 mol,理论上通过乙池的电量为0.1 mol×9.65×104 C·mol-1=9.65×103 C;丙池中,可建立关系式:H+~e-,则溶液中生成H+的物质的量为0.1 mol,溶液的pH为1。 答案:(1)甲池　CH3OCH3-12e-+16OH-==2C+11H2O　Ag-e-==Ag+　 (2)2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+　(3)9.65×103 C　1 35 / 41 $