2024高考化學(xué)課件 發(fā)展素養(yǎng)(十)　 模型認(rèn)知-電化學(xué)中的“多池”與“多室”

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化學(xué)反應(yīng)與能量發(fā)展素養(yǎng)(十)模型認(rèn)知——電化學(xué)

中的“多池”與“多室”探究點(diǎn)1

多池串聯(lián)電化學(xué)裝置及分析探究點(diǎn)2

“多室”電化學(xué)裝置及分析作業(yè)手冊(cè)探究命題角度發(fā)展核心素養(yǎng)電化學(xué)中的“多池”與“多室”問題是高考考查的重點(diǎn),試題的命制通常涉及陌生情景、復(fù)雜裝置等,多與實(shí)際生產(chǎn)密切關(guān)聯(lián)。主要考查涉及裝置判斷、電極反應(yīng)式書寫、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述、離子的移動(dòng)、pH的變化、電解質(zhì)溶液的恢復(fù)、運(yùn)用得失電子守恒處理相關(guān)數(shù)據(jù)等。其中關(guān)于裝置反應(yīng)原理及離子交換膜分析是考查的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題[變化觀念與平衡思想]電極反應(yīng)式的書寫以氧化還原反應(yīng)知識(shí)為基本切入點(diǎn),通過分析反應(yīng)原理,將一個(gè)完整的反應(yīng)進(jìn)行合理拆分,貫穿變化觀念與平衡思想。[證據(jù)推理與模型認(rèn)知]從宏觀、微觀結(jié)合的視角,對(duì)不同電化學(xué)裝置中離子交換膜的作用進(jìn)行分析和探究,在對(duì)電解池工作原理分析的過程中形成認(rèn)知模型探究點(diǎn)1

多池串聯(lián)電化學(xué)裝置及分析1.電解池的串聯(lián)模型及分析(1)A、B為兩個(gè)串聯(lián)電解池,相同時(shí)間內(nèi),通過各個(gè)電極的電子數(shù)相等。(2)電極名稱:Zn、Cu2電極是陽極,Fe、Cu1電極是陰極。(3)電極反應(yīng)式:Zn電極反應(yīng)式為Zn-2e-

=Zn2+,Fe電極反應(yīng)式為2H++2e-

=H2↑。2.原電池與電解池的串聯(lián)模型及分析(1)裝置中無外加直流電源時(shí),一般情況下,兩極金屬的活動(dòng)性相差較大的電池(或燃料電池)為原電池,其余為電解池。(2)圖甲中,A為原電池,Zn是負(fù)極,Cu1是正極;B是電解池,Fe是陰極,Cu2是陽極。(3)圖乙中通入O2的電極反應(yīng)式為O2+4H++4e-

=2H2O,b電極反應(yīng)式為2H2O+2e-

=H2↑+2OH-。3.解答電池串聯(lián)問題的思維流程例1(不定選)[2022·山東卷]設(shè)計(jì)如圖裝置回收金屬鈷。保持細(xì)菌所在環(huán)境pH穩(wěn)定,借助其降解乙酸鹽生成CO2,將廢舊鋰離子電池的正極材料LiCoO2(s)轉(zhuǎn)化為Co2+,工作時(shí)保持厭氧環(huán)境,并定時(shí)將乙室溶液轉(zhuǎn)移至甲室。已知電極材料均為石墨材質(zhì),右側(cè)裝置為原電池。下列說法正確的是

(

)A.裝置工作時(shí),甲室溶液pH逐漸增大B.裝置工作一段時(shí)間后,乙室應(yīng)補(bǔ)充鹽酸C.乙室電極反應(yīng)式為LiCoO2+2H2O+e-

=Li++Co2++4OH-D.若甲室Co2+減少200mg,乙室Co2+增加300mg,則此時(shí)已進(jìn)行過溶液轉(zhuǎn)移BD[解析]右側(cè)裝置是原電池,則左側(cè)裝置是電解池,電池工作時(shí),細(xì)菌上的乙酸根陰離子失去電子被氧化為CO2氣體,Co2+在另一個(gè)電極上得到電子,被還原產(chǎn)生Co單質(zhì),為保持細(xì)菌所在環(huán)境pH穩(wěn)定,細(xì)菌室中的陽離子(含H+)通過陽膜進(jìn)入陰極室,甲室溶液pH減小,A錯(cuò)誤;對(duì)于乙室,正極上LiCoO2得到電子,被還原為Co2+,同時(shí)得到Li+,其中的O與溶液中的H+結(jié)合成H2O,電解質(zhì)溶液為酸性,不可能大量存在OH-,乙室電極反應(yīng)

變式題1

[2023·湖南三湘創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合調(diào)研]如圖所示甲、乙為相互串聯(lián)的兩個(gè)電解池。下列說法正確的是(

)A.甲池若為精煉銅的裝置,則A極材料是粗銅B.Fe極的電極反應(yīng)式為2H2O+2e-

=H2↑+2OH-C.乙池中若滴入少量酚酞溶液,開始一段時(shí)間后石墨極附近變淺紅色D.若甲池為電鍍銅的裝置,陰極質(zhì)量增加12.8g,乙池陽極放出氣體為4.48LB[解析]甲池中A為陰極、B為陽極,甲池若為精煉銅的裝置,粗銅為電解池的陽極,則B極材料是粗銅,A錯(cuò)誤;乙池中鐵為陰極,石墨為陽極,水在陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣和氫氧根離子,電極反應(yīng)式為2H2O+2e-

=H2↑+2OH-,B正確;乙池中鐵為陰極,石墨為陽極,水在陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣和氫氧根離子,氯離子在陽極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成氯氣,則乙池中若滴入少量酚酞溶液,開始一段時(shí)間后鐵極附近變淺紅色,C錯(cuò)誤;缺標(biāo)準(zhǔn)狀況下,無法計(jì)算甲池陰極質(zhì)量增加12.8g時(shí),乙池陽極放出氯氣的體積,D錯(cuò)誤。變式題2

[2023·天津部分區(qū)聯(lián)考]某研究小組將兩個(gè)甲烷燃料電池串聯(lián)后作為電源,進(jìn)行電解飽和食鹽水,如圖所示。有關(guān)說法正確的是(

)A.燃料電池工作時(shí),通入甲烷電極的電極反應(yīng)式為CH4+2H2O-8e-

=CO2+8H+B.閉合開關(guān)K后,b電極上有Cl2生成C.若每個(gè)電池甲烷通入量為1L(標(biāo)準(zhǔn)狀況),且反應(yīng)完全,理論上最多能產(chǎn)生氯氣的體積為8L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)D.電解飽和食鹽水總反應(yīng)的離子方程式為2Cl-+2H2O2OH-+H2↑+Cl2↑D

探究點(diǎn)2

“多室”電化學(xué)裝置及分析1.離子交換膜的分類與作用2.含膜電化學(xué)裝置的思路分析例2乙醛酸是一種重要的化工中間體,可采用如圖所示的電化學(xué)裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-,并在直流電場作用下分別向兩極遷移。下列說法正確的是(

)A.KBr在上述電化學(xué)合成過程中只起電解質(zhì)的作用B.陽極上的反應(yīng)式為

2H++2e-

→C.制得2mol乙醛酸,理論上外電路中遷移了1mol電子D.雙極膜中間層中的H+在外電場作用下向鉛電極方向遷移D[解析]該裝置通電時(shí),乙二酸被還原為乙醛酸,因此鉛電極為電解池陰極,石墨電極為電解池陽極,陽極上Br-被氧化為Br2,Br2將乙二醛氧化為乙醛酸,雙極膜中間層中的H+在直流電場作用下移向陰極,OH-移向陽極,故D正確;KBr在上述電化學(xué)合成過程中除作電解質(zhì)外,同時(shí)還是電解過程中陽極的反應(yīng)物,生成的Br2為乙二醛制備乙醛酸的反應(yīng)物,故A錯(cuò)誤;陽極上為Br-失去電子生成Br2,Br2將乙二醛氧化為乙醛酸,故B錯(cuò)誤;電解過程中陰陽極均生成乙醛酸,1mol乙二酸生成1mol乙醛酸轉(zhuǎn)移電子為2mol,1mol乙二醛生成1mol乙醛酸轉(zhuǎn)移電子為2mol,根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒可知每生成1mol乙醛酸轉(zhuǎn)移電子為1mol,因此制得2mol乙醛酸時(shí),理論上外電路中遷移了2mol電子,故C錯(cuò)誤。變式題1[2022?遼寧大連模擬]為適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性和間歇性,我國科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種電化學(xué)裝置,其原理如圖所示。當(dāng)閉合K1和K3、打開K2時(shí),裝置處于蓄電狀態(tài);當(dāng)打開K1和K3、閉合K2時(shí),裝置處于放電狀態(tài)。放電時(shí),雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-并分別向兩側(cè)遷移。下列有關(guān)該電化學(xué)裝置工作時(shí)的說法不正確的是(

)A.蓄電時(shí),碳錳電極附近溶液pH減小B.蓄電時(shí),圖中右側(cè)電解池發(fā)生的總反應(yīng)為2ZnO2Zn+O2↑C.放電時(shí),每消耗1molMnO2,理論上有4molH+由雙極膜向碳錳電極遷移D.理論上,該電化學(xué)裝置運(yùn)行過程中不需要補(bǔ)充H2SO4和KOHC[解析]蓄電時(shí)為電解池,Mn2+失電子生成MnO2,電極反應(yīng)式為Mn2++2H2O-2e-

=MnO2+4H+,溶液pH減小,A正確;蓄電時(shí),右側(cè)電解池中ZnO得電子生成Zn,OH-失電子生成O2,總反應(yīng)為2ZnO

2Zn+O2↑,B正確;

D

探究點(diǎn)一

多池串聯(lián)電化學(xué)裝置及分析1.[2023·河北石家莊二中月考]在如圖所示串聯(lián)裝置中,通電片刻后發(fā)現(xiàn)乙裝置左側(cè)Pt電極表面出現(xiàn)紅色固體,則下列說法不正確的是(

)A.丙中Ag電極連接的是電源的正極B.向乙中加入適量的Cu(OH)2固體,一定能使溶液恢復(fù)到電解前的狀態(tài)C.電解過程中丙中c(Ag+)無變化D.標(biāo)準(zhǔn)狀況下當(dāng)甲中產(chǎn)生4.48L氣體時(shí),丙中Cu電極質(zhì)量可能增加21.6gB123456789101112131412345678910111213[解析]通電片刻后發(fā)現(xiàn)乙裝置左側(cè)Pt電極表面出現(xiàn)紅色固體,則左側(cè)Pt電極發(fā)生還原反應(yīng):Cu2++2e-

=Cu,由串聯(lián)裝置可知,丙中Ag電極為陽極,連接的是電源的正極,A正確;乙池陰極的電極反應(yīng)為Cu2++2e-

=Cu,陽極電極反應(yīng)為2H2O-4e-

=4H++O2↑,電解后加入CuO,能使溶液恢復(fù)到電解前的狀態(tài),CuSO4溶液足量時(shí)加入Cu(OH)2固體不能恢復(fù)到電解前狀態(tài),B錯(cuò)誤;1412345678910111213

142.[2022·遼寧撫順模擬]利用膜技術(shù)原理和電化學(xué)原理制備少量硫酸和綠色硝化劑N2O5,裝置如圖所示,下列說法正確的是(

)A.a電極和d電極上都發(fā)生氧化反應(yīng)B.c電極上的電極反應(yīng)式為N2O4-2e-+H2O=N2O5+2H+C.乙裝置d極區(qū)溶液的pH增大D.電路中每轉(zhuǎn)移2mole-,甲池質(zhì)子膜右側(cè)溶液質(zhì)量變化為18gD123456789101112131412345678910111213[解析]甲池中通入O2的一極為正極,即b電極為正極,則a電極為負(fù)極,d電極為陰極,氫離子在陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣,A錯(cuò)誤;與正極相連的c電極為電解池的陽極,在無水硝酸作用下,四氧化二氮在陽極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成五氧化二氮和氫離子,電極反應(yīng)式為N2O4+2HNO3-2e-

=2N2O5+2H+,B錯(cuò)誤;1412345678910111213

14123456789101112133.MFC-電芬頓技術(shù)不需要外加能量即可發(fā)生,通過產(chǎn)生羥基自由基(·OH)處理有機(jī)污染物,可獲得高效的廢水凈化效果,其耦合系統(tǒng)原理示意圖如圖所示。下列說法中錯(cuò)誤的是(

)A.標(biāo)準(zhǔn)狀況下,乙池中消耗22.4LO2時(shí),可以產(chǎn)生2mol·OHB.甲池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,其中a電極上發(fā)生氧化反應(yīng)C.電子移動(dòng)方向?yàn)閍→Y,X→bD.乙池中生成羥基自由基的反應(yīng)為Fe2++H2O2+H+

=Fe3++H2O+·OHA1412345678910111213[解析]乙池中Y電極上的反應(yīng)為O2+2H++2e-

=H2O2,之后再發(fā)生反應(yīng)H2O2+H++Fe2+

=Fe3++H2O+·OH,當(dāng)產(chǎn)生1mol羥基自由基時(shí),需要

1molH2O2,消耗1mol的O2,標(biāo)準(zhǔn)狀況下消耗22.4L的O2,A錯(cuò)誤;甲池為原電池,將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,是燃料電池,b電極上氧氣被還原,為正極,a電極為負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),B正確;1412345678910111213甲池為原電池,a電極為負(fù)極,b電極為正極,乙池為電解池,X電極為陽極,Y電極為陰極,串聯(lián)裝置中,電子由原電池負(fù)極流向電解池陰極,即a→Y,由電解池的陽極流向原電池正極,即X→b,C正確;乙池中生成羥基自由基的反應(yīng):H2O2+H++Fe2+

=Fe3++H2O+·OH,其中H2O2作氧化劑,亞鐵離子作還原劑,D正確。1412345678910111213

D1412345678910111213

1412345678910111213電池放電過程中,Cu(2)的電極反應(yīng)為Cu-2e-

=Cu2+,Cu(1)的電極反應(yīng)為Cu2++2e-

=Cu,反應(yīng)前原電池左邊硫酸銅物質(zhì)的量為5mol,右邊硫酸銅物質(zhì)的量為1mol,電池從開始工作到停止放電,則左右兩邊硫酸銅物質(zhì)的量最終均為3mol,右側(cè)有2molCu2+生成,則轉(zhuǎn)移4mol電子,根據(jù)陰極反應(yīng)2H2O-2e-

=H2↑+2OH-,轉(zhuǎn)移2mol電子得到2molNaOH即80g,電池從開始工作到停止放電,轉(zhuǎn)移4mol電子,電解池理論上可制得160gNaOH,D錯(cuò)誤。1412345678910111213

C1412345678910111213

1412345678910111213裝置D中石墨為陰極,電極反應(yīng)式為2H2O+2e-

=2OH-+H2↑,Fe電極為陽極,電極反應(yīng)式為Fe+2OH--2e-

=Fe(OH)2↓,隨后被氧化生成Fe(OH)3:4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3,故裝置D中生成0.2molFe(OH)3時(shí),消耗水分子的物質(zhì)的量為0.4mol+0.1mol=0.5mol,C錯(cuò)誤;裝置E中極板M為陰極,在Cu材料上鍍銀,應(yīng)將Cu材料作陰極,Ag材料作陽極,AgNO3溶液作電解質(zhì)溶液,故極板M的材料應(yīng)為Cu,D正確。146.[2022·河北霸州一中摸底]海水資源的開發(fā)利用是自然資源開發(fā)利用的重要組成部分。氯堿工業(yè)是高耗能產(chǎn)業(yè),某化學(xué)學(xué)習(xí)小組設(shè)想將其與氫氧燃料電池相結(jié)合可以有效降低能耗,其原理如下(A、B、C、D為惰性電極)。下列說法正確的是

(

)A.乙池中C電極上的反應(yīng)為H2-2e-

=2H+B.乙池中Na+通過Na+交換膜向C電極移動(dòng)C.甲池中每生成2molH2,乙池中便會(huì)消耗22.4LO2D.甲池中發(fā)生的總反應(yīng)為2NaCl+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑D123456789101112131412345678910111213[解析]通入氫氣的一極為原電池的負(fù)極,通入氧氣的一極為原電池的正極,則A為電解池的陽極,B為電解池的陰極,據(jù)此解答。乙池C處通入氫氣,為原電池的負(fù)極,溶液為氫氧化鈉溶液,故電極反應(yīng)為H2-2e-+2OH-

=2H2O,A錯(cuò)誤;原電池中陽離子向正極移動(dòng),即鈉離子通過鈉離子交換膜向D極移動(dòng),B錯(cuò)誤;1412345678910111213甲池中每生成2molH2,轉(zhuǎn)移4mol電子,乙池中便會(huì)消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下22.4LO2,題中未說明為標(biāo)準(zhǔn)狀況,C錯(cuò)誤;甲池為電解氯化鈉溶液,電解方程式為2NaCl+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑,D正確。14

D1234567891011121314探究點(diǎn)二

“多室”電化學(xué)裝置及分析12345678910111213

14

D1234567891011121314

12345678910111213149.

[2023·山東臨沂期初調(diào)研]某課題研究小組設(shè)計(jì)如圖所示裝置(電極材料均為Pt),該裝置可將工業(yè)廢水中的乙胺(CH3CH2NH2)轉(zhuǎn)化為無毒無害物質(zhì)。下列說法中錯(cuò)誤的是(

)A.電極N為電池的負(fù)極B.電池工作時(shí),H+由N極區(qū)通過質(zhì)子交換膜移動(dòng)到M極區(qū)C.電極N的電極反應(yīng)式為2CH3CH2NH2+8H2O-30e-

=4CO2↑+N2↑+30H+D.當(dāng)空氣(氧氣體積分?jǐn)?shù)為20%)的進(jìn)入量為7.5mol時(shí),可以處理含乙胺(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%)的廢水0.1kgD1234567891011121314[解析]含有乙胺的廢水通入電極N區(qū),空氣通入電極M區(qū),則電極N是電池的負(fù)極,電極M是正極,A正確;電池工作時(shí),陽離子向正極移動(dòng),則H+由N極區(qū)通過質(zhì)子交換膜移動(dòng)到M極區(qū),B正確;電極N上,CH3CH2NH2發(fā)生氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無毒無害物質(zhì),應(yīng)生成N2和CO2,電極反應(yīng)式為2CH3CH2NH2+8H2O-30e-

=4CO2↑+N2↑+30H+,C正確;1234567891011121314

123456789101112131410.[2023·湖南郴州質(zhì)量檢測]某科研小組利用圖所示裝置完成乙炔轉(zhuǎn)化為乙烯的同時(shí)為用電器供電。其中鋅板處發(fā)生的反應(yīng)有:①Zn-2e-

=Zn2+;②Zn2++4OH-

=[Zn(OH)4]2-;③[Zn(OH)4]2-

=ZnO+2OH-+H2O。下列說法不正確的是

(

)A.電極a的電勢高于電極b的電勢B.放電過程中正極區(qū)KOH溶液濃度保持不變,OH-從左室流向右室C.電極a上發(fā)生的電極反應(yīng)為C2H2+2H2O+2e-

=C2H4+2OH-D.電解足量CuSO4溶液,理論上消耗2.24L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)C2H2時(shí),生成6.4gCuB1234567891011121314[解析]在a電極,C2H2轉(zhuǎn)化為C2H4,C元素由-1價(jià)降低到-2價(jià),得電子發(fā)生還原反應(yīng),則該電極為正極;鋅板b為負(fù)極。由分析可知,電極a為正極,電極b為負(fù)極,則電極a的電勢高于電極b的電勢,A正確;放電過程中,正極區(qū)發(fā)生反應(yīng)C2H2+2H2O+2e-

=C2H4+2OH-,OH-透過陰離子交換膜移向負(fù)極,正極區(qū)KOH的物質(zhì)的量不變,但H2O參加電極反應(yīng),造成水量減少,KOH溶液濃度增大,B不正確;1234567891011121314

123456789101112131411.雙極膜(BP)是一種能將水分子解離成H+和OH-的特殊離子交換膜。應(yīng)用雙極膜制取聚合硫酸鐵凈水劑[Fe2(OH)n(SO4)(3-0.5n)]m(PFS)的電化學(xué)裝置如圖所示。下列說法錯(cuò)誤的是 (

)A.M為陰離子交換膜,乙為OH-B.電極a的電極反應(yīng)式為2H++2e-

=H2↑C.電流密度過大,會(huì)使PFS產(chǎn)品含量降低D.若制得1mol[Fe(OH)SO4]3,理論上轉(zhuǎn)移的電子為2molD1234567891011121314

123456789101112131412.某科研小組研究采用BMED膜堆(如圖),模擬以精制濃海水為原料直接制備酸堿。BMED膜堆包括陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極膜(A、D)。已知:在直流電源的作用下,雙極膜內(nèi)中間界面層發(fā)生水的解離,生成H+