2022高考化学一轮复习教案：第6章 第6讲 多池串联的两大模型及电化学计算

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第6课时　关键能力——多池串联的两大模型及电化学计算

多池串联及电化学计算是电化学的重点和难点，此类试题常将原电池和电解池串联，或多个电解池串联，要求考生构建对化学能与电能相互转化的原理和装置的认识模型，并能基于该认识模型分析陌生的化学电池、电解池的工作原理，实现能量转化或物质转化，突出《中国高考评价体系》中对考生的理解与辨析能力、分析与推测能力、归纳与论证能力等关键能力的发展水平要求，体现高考评价体系通过“四翼”(基础性、综合性、应用性和创新性)实现对学生“四层”的有效考查，能够客观全面地获取相关信息，能够从情境中提取有效信息；能够准确概括和描述学科所涉及基本现象的特征及其相互关系，并从中发现问题；能够透过现象看到本质，发现隐含的规律或原理。

考向1
多池串联模型及分析(分析与推测能力)
多池串联模型是原电池和电解池认识模型的综合应用，要求考生能够准确判断原电池和电解池，结合原电池的工作原理或电解原理，分析装置图中物质的性质及变化，能够透过现象看到本质，发现隐含的规律或原理，并作出合理的分析、推测及判断。
1．有外接电源电池类型的判断方法
有外接电源的各电池均为电解池，若电池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同，则该电池为电镀池。如：

则甲为电镀池，乙、丙均为电解池。
2．无外接电源电池类型的判断方法
(1)直接判断
非常直观明显的装置，如燃料电池、铅蓄电池等在电路中，则其他装置为电解池。如图所示：A为原电池，B为电解池。

(2)根据电极反应现象判断

在某些装置中根据电极反应或反应现象可判断电极，并由此判断电池类型。如图所示：若C极溶解，D极上析出Cu，B极附近溶液变红，A极上放出黄绿色气体，则可知乙是原电池，D是正极，C是负极；甲是电解池，A是阳极，B是阴极。B、D极发生还原反应，A、C极发生氧化反应。
角度1　考查原电池与电解池的串联
(2021·河南南阳一中检测)如图所示，其中甲池的总反应式为2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O。下列说法正确的是(　　)

A．甲池是电能转化为化学能的装置，乙、丙池是化学能转化为电能的装置
B．甲池通入CH3OH的电极反应式为CH3OH－6e－＋2H2O===CO＋8H＋
C．反应一段时间后，向乙池中加入一定量Cu(OH)2固体能使CuSO4溶液恢复到原浓度
D．甲池中消耗280 mL(标准状况下)O2，此时丙池中理论上最多产生1.45 g固体


D　[甲池是燃料电池，是化学能转化为电能的装置，乙、丙池是电解池，是将电能转化为化学能的装置，A项错误；在燃料电池中，在负极甲醇发生失电子的氧化反应，在碱性电解质下的电极反应式为CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O，B项错误；电解池乙池中，电解后生成H2SO4、Cu和O2，要想复原，应加入CuO，C项错误；甲池中根据电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，消耗280 mL O2(标准状况下0.012 5 mol)，则转移电子0.05 mol，丙装置中，电池总反应式为MgCl2＋2H2OMg(OH)2↓＋Cl2↑＋H2↑，理论上最多产生Mg(OH)2 的质量为0.025 mol×58 g·mol－1＝1.45 g，D项正确。]

[强化1] (2021·河南尖子生联考)钛被誉为第三金属，广泛用于航天航空等领域。硼化钒(VB2)­空气电池的放电反应为4VB2＋11O2===4B2O3＋2V2O5，以该电池为电源制备钛的装置如图所示。

下列说法不正确的是(　　)
A．电解过程中，OH－由阴离子交换膜左侧向右侧迁移
B．Pt极反应式为2VB2＋22OH－－22e－===V2O5＋2B2O3＋11H2O
C．石墨电极可能发生反应：2Cl－－2e－===Cl2↑、2O2－－4e－===O2↑
D．若石墨极只收集到4.48 L Cl2气体，则理论上制备4.8 g Ti
D　[该装置是原电池与电解池的串联，由硼化钒­空气电池放电总反应推知，Cu电极是正极，Pt电极是负极，故OH－由阴离子交换膜左侧向右侧迁移，A项正确；Pt电极上VB2发生氧化反应，电极反应式为2VB2＋22OH－－22e－===V2O5＋2B2O3＋11H2O，B项正确；石墨电极是电解池的阳极，电解质中阴离子(Cl－、O2－)发生氧化反应，C项正确；题目未指明4.48 L Cl2是否处于标准状况，不能据此计算制备Ti的质量，D项错误。]
[强化2] (2021·吉林长春检测)如图所示装置可间接氧化工业废水中含氮离子(NH)。下列说法不正确的是(　　)

A．乙是电能转变为化学能的装置
B．含氮离子氧化时的离子方程式为3Cl2＋2NH===N2＋6Cl－＋8H＋
C．若生成H2和N2的物质的量之比为3∶1，则处理后废水的pH减小
D．电池工作时，甲池中的Na＋移向Mg电极
D　[该装置是原电池与电解池的串联，甲中活泼金属镁作原电池的负极，石墨为正极形成原电池，乙是连接原电池的电解池，电解酸性工业废水，电解池是将电能转变为化学能的装置，A项正确；酸性条件下含氮离子氧化时转化为氮气，反应的离子方程式为3Cl2＋2NH===N2＋6Cl－＋8H＋，B项正确；若生成H2和N2的物质的量之比为3∶1，根据电极反应6H＋＋6e－===3H2↑、3Cl2＋2NH===N2＋6Cl－＋8H＋，则处理后废水的H＋浓度增大，pH减小，C项正确；电池工作时，甲池是原电池，原电池中阳离子Na＋移向正极石墨电极，D项错误。]角度2　考查电解池之间的串联
(2021·山东潍坊中学检测)下图装置中a、b、c、d均为Pt电极。电解过程中，电极b和d上没有气体逸出，但质量均增大，且增重b>d。符合上述实验结果的盐溶液是(　　)

选项
X
Y
A
MgSO4
CuSO4
B
AgNO3
Pb(NO3)2
C
FeSO4
Al2(SO4)3
D
CuSO4
AgNO3


B　[该装置是两个电解池的串联装置，当X为MgSO4时，b极上生成H2，电极质量不增加，A项错误； X为FeSO4，Y为Al2(SO4)3，d极上产生气体，C项错误； b极上析出Cu，d极上析出Ag，其中d极增加的质量大于b极增加的质量，D项错误。]


[强化3] (2021·福建部分重点校联考)如图甲、乙为相互串联的两个电解池，下列说法正确的是(　　)

A．甲池若为精炼铜的装置，A极材料是粗铜
B．乙池中若滴入少量酚酞溶液，开始一段时间后C极附近变浅红色
C．若甲池为电镀铜的装置，阴极增重12.8 g，乙池阳极放出气体为4.48 L
D．Fe极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D　[甲池中A是阴极，B是阳极，若为精炼铜的装置，则A极是纯铜，B极是粗铜，A项错误；C极是阳极，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，Fe电极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，滴加少量酚酞溶液，一段时间后，Fe电极附近溶液变浅红色，B项错误，D项正确；电镀铜装置中，阴极发生反应：Cu2＋＋2e－===Cu，阴极增重12.8 g(即0.2 mol)，电路中通过0.4 mol 电子，乙池中阳极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，反应生成0.2 mol Cl2，题目未指明气体的温度和压强，不能确定体积，C项错误。]
[强化4] (2021·山东聊城检测)如图所示装置中，a、b都是惰性电极，通电一段时间后，b极附近溶液呈蓝色。下列说法中不正确的是(　　)

A．x是正极，y是负极
B．a极产生氢气，b极生成I2
C．a极和Pt电极都有气泡产生
D．U形管中溶液的碱性增强
A　[淀粉遇碘变蓝→b极生成I2，即确定b极发生反应2I－－2e－===I2，则b极是阳极，x是负极，y是正极，a极H＋放电，发生反应2H＋＋2e－===H2↑，产生氢气，U形管中总反应式为2KI＋2H2O2KOH＋H2↑＋I2，溶液的碱性增强，故A错误，B、D项均正确；铂为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，C项正确。]
考向2
电化学的计算(归纳与论证能力)
电化学反应是氧化还原反应，各电极上转移电子的物质的量相等，因此电化学的计算问题，无论是单一原电池或电解池，还是串联电池，均可抓住得失电子守恒进行计算，此类问题要结合原电池的工作原理或电解原理，分析装置图中物质的性质及变化，并作出合理的分析、推测及计算，体现《中国高考评价体系》中对于“归纳与论证能力”的要求，要求考生能识别有效证据，科学推理论证，归纳总结规律，处理转化数据。以下是电化学中三种常见计算方法：

如以通过4 mol e－为桥梁可构建如下关系式：

(式中M为金属，n为其离子的化合价数值)　　该关系式具有总览电化学计算的作用和价值，熟记电极反应式，灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。
角度3　电子守恒法在电解计算中的应用
(2021·河北辛集中学检测)500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO)＝0.6 mol·L－1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到2.24 L气体(标准状况下)，假定电解后溶液体积仍为500 mL，下列说法正确的是(　　)
A.原混合溶液中c(K＋)为0.2 mol·L－1
B.上述电解过程中共转移0.2 mol电子
C.电解得到的Cu的物质的量为0.05 mol
D.电解后溶液中c(H＋)为0.2 mol·L1


A　[石墨作电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液，阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，阴极先后发生两个反应：Cu2＋＋2e－===Cu，2H＋＋2e－===H2↑。从标况下收集到O2为2.24 L，可推知上述电解过程中共转移0.4 mol 电子，而在标况下生成2.24 L H2的过程中转移0.2 mol电子，所以Cu2＋共得到0.4 mol－0.2 mol＝0.2 mol电子，电解前Cu2＋的物质的量和电解得到的Cu的物质的量都为 0.1 mol。电解前后分别有以下电荷守恒关系：c(K＋)＋2c(Cu2＋)＝c(NO)，c(K＋)＋c(H＋)＝c(NO)，不难算出：电解前c(K＋)＝0.2 mol·L－1，电解后c(H＋)＝0.4 mol·L－1。]

[强化5] (2021·山东新泰一中检测)在100 mL H2SO4和CuSO4的混合液中，用石墨作电极进行电解，两极上均收集到2.24 L气体(标准状况)，则原混合液中，Cu2＋的物质的量浓度为(　　)
A.1 mol·L－1　　　　　　 B．2 mol·L－1
C.3 mol·L－1 D．4 mol·L－1
A　[分析电解H2SO4、CuSO4的混合液时阴、阳两极的电极反应可知，两极产生的气体分别为H2、O2各0.1 mol，O2是由OH－失去0.4 mol电子而得到，H2是由H＋得到 0.2 mol 电子而生成。由电子得失守恒知，还有0.2 mol电子是Cu2＋得到的，故Cu2＋的物质的量是0.1 mol，则Cu2＋的物质的量浓度为\f(0.1 mol,100×10－3 L)＝1 mol·L－1。]
角度4　关系式法在电解计算中的应用
用惰性电极电解0.1 L M(NO3)x的水溶液，当阴极上增重a g时，在阳极上同时产生b L(标准状况)O2，从而可知M的相对原子质量是_______________，溶液的pH是________________(均用含有a、b、x的代数式表示)。


解析　由关系式xO2～4M可得∶＝x∶4，可解出M＝ g·mol－1。又由O2～4H＋可知：c(H＋)＝4× mol÷0.1 L＝b mol·L－1，则pH＝－lg 。
答案　　－lg
[强化6] (2021·四川成都检测)将两个铂电极插入500 mL CuSO4溶液中进行电解，通电一定时间后，某一电极增重0.064 g(设电解时该电极无氢气析出，且不考虑水解和溶液体积变化)，此时溶液中氢离子浓度约为(　　)
A．4×10－3 mol·L－1　　　 B．2×10－3 mol·L－1
C．1×10－3 mol·L－1 D．1×10－7 mol·L－1
A　[由题意可知，n(H＋)＝2n(H2SO4)＝2n(Cu)＝2×＝0.002 mol，c(H＋)＝＝4×10－3 mol·L－1。]
训练(三十二)　多池串联的两大模型及电化学计算

1．(2021·四川仁寿一中检测)锂­硫电池是一种新型储能电池，放电时的总反应为2Li＋xS===Li2Sx。以该电池为电源制备甲烷的原理如图所示。下列说法中不正确的是(　　)

A．b为锂－硫电池的正极
B．电解过程中，Na＋向石墨2电极移动
C．锂－硫电池的负极反应式为Li－e－===Li＋
D．阳极反应式为CO＋3CO＋2H2O－2e－===4HCO
B　[由图可知，CO在石墨2电极上被氧化生成CO2，则石墨2为阳极，根据电极的连接方式可知，b为锂－硫电池的正极，A项正确；石墨1为阴极，电解过程中，阳离子向阴极移动，故Na＋向石墨1电极移动，B项错误；锂是活泼金属，锂－硫电池中锂电极为负极，被氧化生成Li＋，则负极反应式为Li－e－===Li＋，C项正确；由图可知，CO在阳极被氧化为CO2，并与Na2CO3反应生成NaHCO3，故阳极反应式为CO＋3CO＋2H2O－2e－===4HCO，D项正确。]
2．(2021·湖北荆州中学检测)图1是电解饱和氯化钠溶液示意图。图2中，x轴表示实验时流入阴极的电子的物质的量，则y轴表示(　　)

A．n(Na＋)　　　　 B．n(Cl－)
C．c(OH－) D．c(H＋)
C　[该装置中，阳极氯离子放电生成氯气，其电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑；阴极氢离子放电，其电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑；总反应式为2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑。由上述分析可知，溶液中钠离子浓度不变， A项错误；阳极氯离子放电生成氯气，所以溶液中氯离子浓度减小， B项错误；阴极氢离子放电，所以溶液中c(OH－)增大，氢离子浓度减小， C项正确，D项错误。]
3．(2021·福建泉州检测)甲、乙两个电解池均以铂为电极，且互相串联，甲池中盛有AgNO3溶液，乙池中盛有一定量的某盐溶液，通电一段时间后，测得甲池电极的质量增加2.16 g，乙池电极上析出0.24 g金属，则乙池中的溶质可能是(　　)
A．CuSO4　　　　　　　 B．MgSO4
C．Al(NO3)3 D．Na2SO4
A　[根据阳离子放电顺序可知，在上述4个选项中只有CuSO4溶液中的Cu2＋电解时可以放电，从而在电极上析出；当转移0.02 mol电子时，乙池中析出铜的质量小于0.64 g，是因为电解过程中CuSO4不足，后来变成电解水，A项正确。]
4．(2021·山东潍坊检测)常温下用石墨作电极，电解100 mL 0.1 mol·L－1的Cu(NO3)2和0.1 mol·L－1的AgNO3组成的混合溶液，当某一电极上生成的气体在标准状况下体积为1.12 L时，假设溶液体积不变，下列说法正确的是(　　)
A．阴极增重1.4 g B．所得溶液pH1
B　[阴极可以放电的离子依次为0.01 mol Ag＋、0.01 mol Cu2＋，阳极可以放电的阴离子只有OH－。当阳极生成1.12 L O2时，电路中通过电子：n(e－)＝0.05 mol×4＝0.2 mol，此时Ag＋、Cu2＋已全部析出，质量：0.01 mol×108 g·mol－1＋0.01 mol×64 g·mol－1＝1.72 g。因为当Ag＋、Cu2＋全部析出以后，相当于电解水，H＋不再增加，所以生成的H＋所带电荷与0.01 mol Ag＋、0.01 mol Cu2＋所带电荷相等。则溶液中生成：c(H＋)＝0.3 mol·L－1，pHOH－>SO，阳极上先后发生反应：2Cl－－2e－===Cl2↑、2H2O－4e－===4H＋＋O2↑；由图可知，t1时刻Cl－放电完毕，得到224 mL Cl2(标准状况)，则有n(NaCl)＝n(Cl－)＝2n(Cl2)＝＝0.02 mol，故原混合液中c(NaCl)＝＝0.1 mol·L－1。t1～t2时间段生成112 mL O2(标准状况)，n(O2)＝＝5×10－3mol，结合阳极反应可知反应生成n(H＋)＝4n(O2)＝4×5×10－3mol＝0.02 mol，则t2时所得溶液中c(H＋)＝＝0.1 mol·L－1，故溶液的pH＝1。
(4)利用Pt电极电解AgNO3溶液时，阳极上OH－放电，阴极上Ag＋放电，电池总反应为4Ag＋＋2H2O4Ag＋O2↑＋4H＋。为使电解质复原，可向电解后的溶液中加入Ag2O或Ag2CO3。
答案　(1)CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
(2)负　c端试纸变红
(3)0.1　1
(4)4Ag＋＋2H2O4Ag＋O2↑＋4H＋　Ag2O或Ag2CO3