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2024届高考化学一轮复习练习第六章化学反应与能量第31讲多池多室的电化学装置
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这是一份2024届高考化学一轮复习练习第六章化学反应与能量第31讲多池多室的电化学装置，共23页。
考点一 多池串联的两大模型
模型一 外接电源与电解池的串联(如图)
A、B为两个串联电解池，相同时间内，各电极得失电子数相等。
模型二 原电池与电解池的串联(如图)
显然两图中，A均为原电池，B均为电解池。
1．某同学组装了如图所示的电化学装置，电极Ⅰ为Al，其他均为Cu，则下列说法正确的是( )
A．电流方向：电极Ⅳ电极Ⅰ
B．电极Ⅰ发生还原反应
C．电极Ⅱ逐渐溶解
D．电极Ⅲ的电极反应：Cu2＋＋2e－===Cu
A [当多个电化学装置串联时，两电极材料活泼性相差大的作原电池，其他作电解池，由此可知图示中左边两池组成原电池，右边组成电解池。A项，电子移动方向：电极Ⅰ→ A eq \a\vs4\al(○) →电极Ⅳ，电流方向与电子移动方向相反，正确；B项，原电池负极在工作中失电子，被氧化，发生氧化反应，错误；C项，原电池正极为得电子一极，铜离子在电极Ⅱ上得电子，生成铜单质，该电极质量逐渐增大，错误；D项，电解池中阳极为非惰性电极时，电极本身失电子，形成离子进入溶液中，因为电极Ⅱ为正极，因此电极Ⅲ为电解池的阳极，其电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，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。当闭合该装置的电键时，观察到电流表的指针发生了偏转。
请回答下列问题：
(1)甲池为 (填“原电池”“电解池”或“电镀池”)，通入CH3OH电极的电极反应式为 。
(2)乙池中A(石墨)电极的名称为 (填“正极”“负极”“阴极”或“阳极”)，总反应式为 。
(3)当乙池中B极质量增加5.40 g时，甲池中理论上消耗O2的体积为 mL(标准状况下)，丙池中 极析出 g铜。
(4)若丙池中电极不变，将其溶液换成NaCl溶液，电键闭合一段时间后，甲中溶液的pH将 (填“增大”“减小”或“不变”)；丙中溶液的pH将 (填“增大”“减小”或“不变”)。
解析： (1)甲池为原电池，通入CH3OH的电极为负极，电极反应式为CH3OH－6e－＋8OH－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋6H2O。
(2)乙池中电解AgNO3溶液，其中C作阳极，Ag作阴极，总反应式为4AgNO3＋2H2O eq \(=====,\s\up7(电解)) 4Ag＋O2↑＋4HNO3。
(3)根据各电极上转移的电子数相同，得n(Ag)＝4n(O2)＝2n(Cu)，故V(O2)＝ eq \f(1,4) × eq \f(5.40,108) ×22.4 L＝0.28 L＝280 mL，m(Cu)＝ eq \f(1,2) × eq \f(5.40,108) ×64 g＝1.60 g。(4)若丙中电极不变，将其溶液换成NaCl溶液，根据丙中总反应2NaCl＋2H2O eq \(=====,\s\up7(电解)) 2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，则溶液pH增大，而甲中总反应为2CH3OH＋3O2＋4KOH eq \(=====,\s\up7(电解)) 2K2CO3＋6H2O，溶液pH减小。
答案： (1)原电池 CH3OH－6e－＋8OH－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋6H2O
(2)阳极 4AgNO3＋2H2O eq \(=====,\s\up7(电解)) 4Ag＋O2↑＋4HNO3
(3)280 D 1.60 (4)减小 增大
eq \a\vs4\al(练后归纳)
“串联”类装置的解题流程
学生用书第150页
考点二 电化学离子交换膜的分析与应用
1．常见的隔膜
隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类：
(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，简称阴膜，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，不允许其他阳离子和阴离子通过。
2．隔膜的作用
(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)能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3．离子交换膜选择的依据
离子的定向移动。
4．离子交换膜的应用
[微提醒] (1)用下面的装置制取NaOH、H2和Cl2，此装置有以下缺陷：
缺陷1：Cl2和H2混合而引起爆炸；
缺陷2：Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量。
(2)用如图装置电解饱和食盐水，其中阳离子交换膜的作用有以下四个方面：
①平衡电荷，形成闭合回路；
②防止Cl2和H2混合而引起爆炸；
③避免Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量；
④避免Cl－进入阴极区导致制得的NaOH不纯。
一、化学电源中的离子交换膜
1．(2022·黔东南州模拟)二甲醚(CH3OCH3)燃料电池的工作原理如图，下列有关叙述正确的是( )
A．该装置能实现化学能100%转化为电能
B．电子移动方向为：a极→b极→质子交换膜→a极
C．a电极的电极反应式为：CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋
D．当b电极消耗22.4 L O2时，质子交换膜有4 ml H＋通过
C [A项，化学能转化为热能和电能，不可能100%转化为电能，错误；B项，电子不能经过电解质溶液，所以电子由a极 eq \(――→,\s\up7(导线)) b极，错误；C项，a为负极，发生氧化反应，电极反应式为：CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋，正确；D项，气体所处的状况不知，无法由气体体积求物质的量，所以通过H＋的物质的量不知，错误。]
学生用书第151页
2.随着各地“限牌”政策的推出，电动汽车成为汽车族的“新宠”。某电动汽车使用的是钴酸锂( LiCO2)电池，其工作原理如图所示，且电解质为一种能传导Li＋的高分子材料，隔膜只允许Li＋通过，电池反应式为LixC6＋Li1－xCO2C6＋LiCO2。下列说法不正确的是( )
A．放电时，正极锂的化合价未发生改变
B．充电时Li＋移动方向：右室→左室
C．放电时负极的电极反应式：LixC6－xe－===C6＋xLi＋
D．充电时阳极的电极反应式：Li1－xCO2＋xLi＋＋xe－===LiCO2
D [放电时，负极的电极反应式为LixC6－xe－===C6＋xLi＋，正极的电极反应式为Li1－xCO2＋xLi＋＋xe－===LiCO2，放电时正极上锂的化合价不变，A、C项正确；充电时左侧为阴极，右侧为阳极，阳极发生失电子的氧化反应，阳离子由阳极移向阴极，B项正确、D项错误。]
eq \a\vs4\al(归纳总结)
在原电池中应用离子交换膜，起到替代盐桥的作用，一方面能起到平衡电荷、导电的作用，另一方面能防止电解质溶液中的离子与电极直接反应，提高电流效率。
二、电解池中的离子交换膜
(一)单膜电解池
3．最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：
①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋
②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋
该装置工作时，下列叙述错误的是( )
A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O
B．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S
C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为酸性
C [由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴极。阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高，C项错误；由题图可知，电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，A项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B项正确；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D项正确。]
4．KIO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示。
(1)写出电解时阴极的电极反应式： 。
(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为 ，其迁移方向是 。
解析： (1)电解液是KOH溶液，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。(2)电解过程中阳极的K＋通过阳离子交换膜由电极a迁移到电极b。
答案： (1)2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
(2)K＋ 由电极a到电极b
(二)“双膜”电解池
5．制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为 。
电解后， 室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。
解析： 阳极电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，电解过程中H＋透过阳离子交换膜进入a室，SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋H＋===HSO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，故a室中NaHSO3浓度增加。
答案： 2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ a
学生用书第152页
(三)多膜电解池
6．H3PO2也可用电渗析法制备。“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 。
解析： (1)阳极发生氧化反应，在反应中OH－失去电子，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。(2)H2O放电产生H＋，H＋进入产品室，原料室的H2PO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) 穿过阴膜进入至产品室，二者发生反应：H＋＋H2PO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) ===H3PO2。(3)如果撤去阳膜，H2PO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) 或H3PO2可能会被氧化。
答案： (1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
(2)阳极室的H＋穿过阳膜进入至产品室，原料室的H2PO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) 穿过阴膜进入至产品室，二者反应生成H3PO2
(3)H3PO4 H2PO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) 或H3PO2被阳极产物O2氧化
(四)双极膜电解池
7．(2021·重庆1月适应性测试)双极膜在电渗析中应用广泛，它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层，工作时水层中的H2O解离成H＋和OH－，并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。如图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。
下列说法正确的是( )
A．出口2的产物为HBr溶液
B．出口5的产物为硫酸溶液
C．Br－可从盐室最终进入阳极液中
D．阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D [电解时，双极膜中的氢氧根离子向阳极移动，进入交换室1，盐室中的Na＋向阴极移动，进入交换室1，则出口2的产物为NaOH溶液，A错误；钠离子不能通过双极膜，故出口5不是硫酸，B错误；Br－通过阴离子交换膜进入交换室2，但是不能通过双极膜，所以Br－不会从盐室最终进入阳极液中，C错误；电解池阴极处，发生还原反应，水解离成H＋和OH－，则在阴极发生的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，D正确。]
eq \a\vs4\al(归纳总结)
在电解池中使用选择性离子交换膜的主要目的是限制某些离子(或分子)的定向移动，避免电解质溶液中的离子或分子与电极产物反应，提高产品纯度或防止造成危险等。
真题演练 明确考向
1．(双选)(2022·山东卷)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LiCO2(s)转化为C2＋，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LiCO2＋2H2O＋e－===Li＋＋C2＋＋4OH－
D．若甲室C2＋减少200 mg，乙室C2＋增加300 mg，则此时已进行过溶液转移
BD [A.电池工作时，左侧阳极中细菌上乙酸盐的阴离子失去电子被氧化为CO2气体，同时生成H＋，电极反应式为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，H＋通过阳膜进入阴极室，甲室的电极反应式为C2＋＋2e－===C，因此，甲室溶液pH逐渐减小，A错误；B.对于乙室，正极上LiCO2得到电子，被还原为C2＋，同时得到Li＋，其中的O2－与溶液中的H＋结合H2O，电极反应式为2LiCO2＋2e－＋8H＋===2Li＋＋2C2＋＋4H2O，负极发生的反应为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，负极产生的H＋通过阳膜进入正极室，但是乙室的H＋浓度仍然是减小的，因此电池工作一段时间后应该补充盐酸，B正确；C.电解质溶液为酸性，不可能大量存在OH－，乙室电极反应式为：LiCO2＋4H＋＋e－===Li＋＋C2＋＋2H2O，C错误；D.若甲室C2＋减少200 mg，则电子转移物质的量为n(e－)＝ eq \f(0.2 g,59 g/ml) ×2≈0.006 8 ml，若乙室C2＋增加300 mg，则转移电子的物质的量为n(e－)＝ eq \f(0.3 g,59 g/ml) ×1≈0.005 1 ml，由于电子转移的物质的量不等，说明此时已进行过溶液转移，D正确。]
2．(2022·全国甲卷)一种水性电解液ZnMnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2＋以Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 存在)。电池放电时，下列叙述错误的是( )
学生用书第153页
A．Ⅱ区的K＋通过隔膜向Ⅲ区迁移
B．Ⅰ区的SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 通过隔膜向Ⅱ区迁移
C．MnO2电极反应：MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O
D．电池总反应：Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋Mn2＋＋2H2O
A [根据图示的电池结构和题目所给信息可知，Ⅲ区Zn为电池的负极，电极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，Ⅰ区MnO2为电池的正极，电极反应为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O；电池在工作过程中，由于两个离子选择隔膜没有指明是阳离子隔膜还是阴离子隔膜，故两个离子隔膜均可以通过阴、阳离子，因此可以得到Ⅰ区消耗H＋，生成Mn2＋，Ⅱ区的K＋向Ⅰ区移动或Ⅰ区的SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 向Ⅱ区移动，Ⅲ区消耗OH－，生成Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，Ⅱ区的SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 向Ⅲ区移动或Ⅲ区的K＋向Ⅱ区移动。据此分析答题。Ⅱ区的K＋只能向Ⅰ区移动，A错误；Ⅰ区的SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 向Ⅱ区移动，B正确；MnO2电极的电极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O，C正确；电池的总反应为Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋Mn2＋＋2H2O，D正确。]
3．(2021·广东，16)钴(C)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 ml C，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：2C2＋＋2H2O eq \(=====,\s\up7(电解)) 2C＋O2↑＋4H＋
D [由装置图可知，水放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动，使Ⅱ室中氢离子浓度增大，溶液pH减小，故A错误；阴极生成1 ml钴，阳极有1 ml水放电，有0.5 ml氧气生成，且有2 ml氢离子由Ⅰ室进入Ⅱ室，则Ⅰ室溶液质量减少18 g，故B错误；若移除离子交换膜，氯离子的放电能力强于水，氯离子会在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气，则移除离子交换膜，石墨电极的电极反应会发生变化，故C错误；电解的总反应的离子方程式为2C2＋＋2H2O eq \(=====,\s\up7(电解)) 2C＋O2↑＋4H＋，故D正确。]
4．(2021·江苏1月适应性考试)利用电解法将CO2转化为CH4的原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．电解过程中，H＋由a极区向b极区迁移
B．电极b上反应为：CO2＋8HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) －8e－===CH4＋8CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋2H2O
C．电解过程中化学能转化为电能
D．电解时Na2SO4溶液浓度保持不变
A [由a极生成O2可以判断电极a为阳极，电极b为阴极，阳离子向阴极流动，则H＋由a极区向b极区迁移，故A正确；电极b上的反应为CO2＋8HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ＋8e－===CH4＋8CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋2H2O，故B错误；电解过程是电能转化为化学能，故C错误；电解时OH－比SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 更容易失去电子，所以电解Na2SO4溶液的实质是电解水，溶液中的水发生消耗，Na2SO4溶液的浓度增大，故D错误。]
5.[2021·山东，17(4)]利用膜电解技术(装置如图所示)，以Na2CrO4为主要原料制备Na2Cr2O7的总反应方程式为：4Na2CrO4＋4H2O eq \(=====,\s\up7(通电)) 2Na2Cr2O7＋4NaOH＋2H2↑＋O2↑。则Na2Cr2O7在 (填“阴”或“阳”)极室制得，电解时通过膜的离子主要为 。
解析： 由4Na2CrO4＋4H2O eq \(=====,\s\up7(通电)) 2Na2Cr2O7＋4NaOH＋2H2↑＋O2↑可知，电解过程中实质是电解水，阳极上OH－失去电子生成H2O和O2，阴极上H＋得到电子生成H2，由2CrO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H＋Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋2H2O可知，Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 在c(H＋)增大的阳电极室中制得，即Na2Cr2O7在阳极室产生；电解过程中，阴极产生氢氧根离子，氢氧化钠在阴极生成，所以为提高Na2Cr2O7的效率，Na＋通过离子交换膜移动阴极。
答案： 阳 Na＋
课时精练(三十一) 多池、多室的电化学装置 eq \a\vs4\al(\f(对应学生,用书P403))
(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)
1．(2022·贵州遵义高三期末)微生物燃料电池可用于净化含铬废水，其工作原理如图所示，该电池工作时，下列说法错误的是( )
A．该离子交换膜为阳离子交换膜
B．外电路中的电子的流动方向为M→电流表→N
C．M电极的电极反应式为H2O＋CH3OH＋6e－===CO2↑＋6H＋
D．N电极上发生还原反应，得到电子
C [该电池中有机物CH3OH在微生物作用下发生失电子的氧化反应生成CO2，则M电极为负极，N电极为正极，正极上氧气和Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 发生得电子的还原反应，N极上Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 得到电子与溶液中的H＋结合生成水、Cr(OH)3，反应消耗H＋，c(H＋)减小，N极Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 生成Cr(OH)3的电极反应为Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋6e－＋8H＋===2Cr(OH)3＋H2O，原电池工作时阳离子由负极移向正极，阴离子由正极移向负极，据此分析解答。A.根据上述分析可知：M电极为负极，N电极为正极，负极生成H＋，透过交换膜进入右侧，故该离子交换膜为阳离子交换膜，A正确；B.在外电路中的电子的流动方向为负极M→电流表→正极N，B正确；C.M电极为负极，负极上CH3OH失去电子变为CO2，故负极的电极反应式为：CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋，C错误；D.N电极为正极，Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 得到电子发生还原反应，D正确。]
2．(2022·江苏海安高三期末)K2FeO4和Zn在碱性条件下组成二次电池，放电原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．在放电时，电子通过离子交换膜从右向左移动
B．在放电时，负极区电解质溶液的pH逐渐减小
C．在充电时，石墨电极上的电极反应式为：Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H2O
D．在充电时，将Zn电极与外接电源的正极相连
C [K2FeO4Zn可以组成高铁电池，K2FeO4在电池中作正极材料，其电极反应式为FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－，原电池的负极发生氧化反应，Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，电池反应为：3Zn＋2FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋8H2O===3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4OH－。A.在放电时，电子通过外电路从锌电极向石墨电极移动，电子不能在电解质溶液中传导，故A错误；B.在放电时，原电池的负极发生氧化反应，Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，氢氧根离子通过阴离子交换膜不断进行补充，负极区电解质溶液的pH基本不变，故B错误；C.在充电时，石墨电极是阳极发生氧化反应，石墨电极上的电极反应式为：Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H2O，故C正确；D.在充电时，将Zn电极与外接电源的负极相连，故D错误。]
3．(2022·珠海高三上学期期末)一种三室可充电ZnMnO2电池如图所示，膜N为阳离子交换膜。充电时Zn电极反应式为：Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2e－===Zn＋4OH－。下列说法不正确的是( )
A．放电时，c室的pH减小
B．放电时，Zn电极电势比MnO2电极低
C．充电时，SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 由b室透过M膜到a室
D．充电时，MnO2电极反应式为Mn2＋＋2H2O＋2e－===MnO2＋4H＋
D [充电时Zn电极反应式为：Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2e－===Zn＋4OH－，发生还原反应，则Zn极为阴极，放电时Zn为负极，MnO2为正极。A.放电时，Zn失电子，作负极，电极反应式与充电的相反，即为：Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，消耗OH－，c室的pH减小，故A正确；B.放电时Zn为负极，MnO2为正极，则Zn电极电势比MnO2电极低，故B正确；C.充电时，阴离子移向阳极，由分析可知Zn极为阴极，MnO2为阳极，则SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 由b室透过M膜到a室，故C正确；D.充电时，MnO2为阳极，发生氧化反应，电极反应式为Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋，故D错误。]
4．中国科学院福建物质结构研究所课题组基于二氧化碳和甲酸的相互转化反应设计并实现了一种可逆的水系金属—二氧化碳二次电池，放电时工作原理如图所示。下列有关电池放电时的说法错误的是( )
A．N极发生还原反应
B．电子由N极流出经导线流入M极
C．N极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH
D．若电路中流过6.02×1022个电子，则理论上M极有3.25 g锌参加反应
B [由题图可知，放电时，M极为二次电池的负极，锌失去电子发生氧化反应生成锌离子，双极膜中产生的氢氧根离子移向负极区，N极为正极，二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成甲酸，双极膜中产生的氢离子移向正极区。A项，N极为二次电池的正极，二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成甲酸，正确；B项，放电时，M极为二次电池的负极，N极为正极，电子由负极M极流出经导线流入正极N极，错误；C项，N极为二次电池的正极，二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成甲酸，电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH，正确；D项，放电时，M极为二次电池的负极，锌失去电子发生氧化反应生成锌离子，电路中流过6.02×1022个电子时，M极理论上参加反应的锌的质量为 eq \f(6.02×1022,6.02×1023ml－1) × eq \f(1,2) ×65 g/ml＝3.25 g，正确。]
5．浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。将两个完全相同的电极浸入两个溶质相同但浓度不同的电解质溶液中构成的浓差电池，称为双液浓差电池。模拟工业上电渗析法实现海水(用氯化钠溶液代替)淡化的装置如图所示。下列说法错误的是( )
A．SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 向Cu(1)极区域迁移
B．C(2)极发生还原反应
C．膜1为阳离子交换膜
D．C(2)极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C [由题述可知，浓差电池最终交换膜两侧硫酸铜溶液浓度相等，即阴离子交换膜左侧溶液c(CuSO4)增大，右侧c(CuSO4)减小，又因为只允许阴离子迁移，故交换膜左侧铜极溶解，c(Cu2＋)增大；交换膜右侧铜极上析出铜，c(Cu2＋)减小，即Cu(1)极为负极，发生反应Cu－2e－===Cu2＋；Cu(2)极为正极，发生还原反应，Cu2＋＋2e－===Cu，SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 由阴离子交换膜右侧向左侧迁移，据此分析解题。A.由分析可知，Cu(1)极为负极，Cu(2)极为正极，原电池中阴离子流向负极，则SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 向Cu(1)极区域迁移，A正确；B.由分析可知，Cu(1)极为负极，则C(2)极为阴极，电解池中阴极发生还原反应，B正确；C.由分析可知，Cu(2)极为正极，则C(1)极为阳极，电极反应为：2Cl－－2e－===Cl2↑，故NaCl中的Cl－通过膜1进入阳极室，故膜1为阴离子交换膜，C错误；D.由B项分析可知，C(2)极为阴极，发生还原反应，电极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，D正确。]
6．(2022·江西赣州高三期末)利用双离子交换膜电解法可以由含硝酸铵的工业废水生产硝酸和氨，原理如图所示。下列叙述错误的是( )
A．硝酸溶液溶质质量分数a%＜b%
B．a、c膜为阴离子交换膜，b膜为阳离子交换膜
C．M、N室分别产生氧气和氢气
D．产品室发生的反应为NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋OH－===NH3·H2O
C [由题图可知，电解时M室中石墨电极为阴极，阴极上水得电子生成H2和OH－，反应式为4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，M室的OH－通过a膜进入产品室，所以a膜为阴离子交换膜，同时原料室中的铵根离子通过b膜也进入产品室，所以b膜为阳离子交换膜，在产品室中OH－和NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 反应生成NH3·H2O。N室中石墨为阳极，阳极上水失电子生成O2和H＋，反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，原料室中的硝酸根离子通过c膜进入N室，所以c膜为阴离子交换膜，N室中H＋和NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 反应生成HNO3。A.N室中石墨为阳极，阳极上水失电子生成O2和H＋，反应式为：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成氢离子，氢离子浓度增加，同时原料室中的硝酸根离子通过c膜进入N室，因此N室中硝酸溶液浓度a%＜b%，故A正确；B.由题干分析可知a、c为阴离子交换膜，b为阳离子交换膜，故B正确；C.由题干分析可知M、N室分别产生氢气和氧气，故C错误；D.产品室发生的反应为NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋OH－===NH3·H2O，故D正确。]
7．某大学科研团队，在光电催化体系中，利用双极膜处理烟气中的SO2，工作原理如图所示，O2在电极上生成一种具有强氧化性的羟基自由基(HO·)，
下列有关说法错误的是( )
A．该装置把电能和光能转化成化学能
B．阳极电极反应式：SO2－2e－＋4OH－===SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H2O
C．该装置处理标准状况下5.6 L SO2时，有0.25 ml H＋透过膜a
D．该装置中总反应方程式：2SO2＋O2＋2H2O eq \(=====,\s\up7(通电)) 2H2SO4
D [根据题图可知，该装置为电解池，将电能和光能转化为化学能，左侧电极为SO2转化为SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 的过程，S元素化合价升高，失电子，作阳极，H2O电离出的OH－经过阴离子交换膜(膜b)进入阳极室，电解池右侧是阴极室，H2O电离出的H＋经过阳离子交换膜(膜a)进入阴极室，氧气在阴极得电子被还原为羟基自由基。A.由分析知，该装置为电解池，是将电能和光能转化为化学能，A正确；B.由题图结合分析知，阳极SO2结合OH－转化为SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，对应电极反应为：SO2－2e－＋4OH－===SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H2O，B正确；C.当阳极处理1 ml SO2时，则电路中转移2 ml电子，阴极O2得电子，根据电极反应O2＋2e－＋2H＋===2HO·知可形成2 ml HO·，2 ml HO·可氧化1 ml SO2，故实际阳极和阴极处理SO2量相等，则当有5.6 L SO2被处理时，实际阳极处理的n(SO2)＝ eq \f(\f(5.6 L,22.4 L/ml),2) ＝0.125 ml，则电路中转移电子＝2n(SO2)＝2×0.125 ml＝0.25 ml，根据电荷守恒知有0.25 ml H＋经过膜a进入阴极，C正确；D.由题图知，阴极室发生反应：O2＋2e－＋2H＋===2HO·、2HO·＋SO2===2H＋＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，则阴极室总反应为：O2＋ SO2＋2e－===SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，阳极反应为SO2－2e－＋4OH－===SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H2O，故该装置总反应方程式为：2SO2＋O2＋4OH－ eq \(=====,\s\up7(通电)) 2SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H2O，D错误。]
8．一种电解法制备Ca(H2PO4)2并得到NaOH等副产物的示意装置如图，下列说法错误的是( )
A．与a、b相连的分别是电源的正极、负极
B．NaOH溶液中石墨电极上的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
C．A膜、C膜均为阳离子交换膜，B膜为阴离子交换膜
D．产品室中的Ca2＋和原料室的Na＋物质的量浓度同等程度增大
D [由题图可知，产品Ca(H2PO4)2在产品室生成，左侧石墨作阳极，氯离子放电，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，阳极室的Ca2＋透过A膜进入产品室，A膜为阳离子交换膜，H2PO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(4)) 透过B膜进入产品室与Ca2＋结合生成Ca(H2PO4)2，B膜为阴离子交换膜，右侧石墨极为阴极，水放电，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，Na＋透过C膜进入阴极室，C膜为阳离子交换膜，据此作答。A.左侧电极为阳极，应连接电源正极，即a、b相连的分别是电源的正极、负极，故A正确；B.右侧石墨极为阴极，水放电，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故B正确；C.A膜、C膜均为阳离子交换膜，B膜为阴离子交换膜，故C正确；D.阳极室的Ca2＋透过A膜进入产品室，产品室中的Ca2＋浓度增大，Na＋透过C膜进入阴极室，原料室的Na＋浓度减小，故D错误。]
9．(2022·韶关市高三上学期综合测试)某锂离子电池的总反应为2Li＋FeS===Fe ＋Li2S。某小组以该电池为电源电解处理含Ba(OH)2废水和含Ni2＋、Cl－的酸性废水，并分别获得BaCl2溶液和单质镍。电解处理的工作原理如图所示[LiPF6·SO(CH3)2为锂离子电池的电解质]。下列说法正确的是( )
A．X与锂离子电池的Li电极相连
B．a室的电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
C．离子膜M为阳离子交换膜，离子膜N为阴离子交换膜
D．若去掉离子膜M将a、b两室合并，则X电极的反应不变
C [由反应式可知，锂为锂离子电池的负极，FeS为正极，由题图可知，X电极与FeS电极相连，为电解池的阳极，氢氧根离子在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和水，电极反应式为4OH－－4e===O2↑＋2H2O，a室中溶液中钡离子通过阳离子交换膜进入b室；Y电极与锂电极相连，为电解池的阴极，镍离子在阴极得到电子发生还原反应生成镍，电极反应式为Ni2＋＋2e－===Ni，c室中氯离子通过阳离子交换膜进入b室，则离子膜M为阳离子交换膜，离子膜N为阴离子交换膜。X电极与FeS电极相连，为电解池的阳极，故A错误；X电极与FeS电极相连，为电解池的阳极，氢氧根离子在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和水，a室的电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，故B错误；离子膜M为阳离子交换膜，离子膜N为阴离子交换膜，故C正确；若去掉离子膜M将a、b两室合并，放电能力强于氢氧根离子的氯离子会在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，故D错误。]
10．(2022·湛江一模)我国科研工作者提出通过电解原理联合制备环氧乙烷同时处理酸性含铬废水，其工作原理示意图如图所示。其中双极膜由阳离子交换膜和阴离子交换膜组成，工作时内层H2O解离为H＋和OH－，并分别向两极迁移。下列说法正确的是( )
A．电极a为电源正极
B．膜q为阳离子交换膜
C．工作时，NaOH溶液浓度保持不变
D．N极的电极反应式为Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O
D [A.由题给信息可知，电极M上乙烯被氧化为环氧乙烷，电极N上Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 被还原为Cr3＋，则电极M为阳极，电极N为阴极，电极a为负极，电极b为正极，选项A错误；B.双极膜中水解离出来的氢氧根离子向阳极区移动，膜q适合选用阴离子交换膜，选项B错误；C.阳极反应式为C2H4＋2OH－－2e－===＋H2O，工作时阳极区生成水，NaOH溶液浓度减小，选项C错误；D.Cr元素由＋6价变为＋3价，N极的反应式为Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O，选项D正确。]
11．电渗析法制备高纯度LiOH的装置如图所示。图中双极膜(BP)中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。
下列说法不正确的是( )
A．X电极连接电源的正极
B．M和N均为阳离子交换膜
C．工作一段时间后，X电极室的pH基本保持不变
D．整个装置中每转移1 ml电子，最多生成1 ml LiOH
D [A.该装置为电解池，阴离子移向阳极，由氢氧根离子移向可知，X为阳极，连接电源的正极，A正确；B.由题图可知，Li＋通过M和N交换膜，则M和N均为阳离子交换膜，B正确；C.工作一段时间后，H2O解离为H＋和OH－，X电极室的pH基本保持不变，C正确；D.由装置图可知，有两个溶液室可得到浓LiOH，故整个装置每转移1 ml电子，最多生成2 ml LiOH，D错误。]
12．(2022·黑龙江哈九中三模)某科研小组设计双阴极微生物燃料电池进行同步硝化和反硝化脱氮研究，装置如图所示。下列叙述错误的是( )
A．“厌氧阳极”的电极反应方程式为 C6H12O6＋6H2O － 24e－===6CO2↑＋24H＋
B．电池工作时，“缺氧阴极”电极附近的溶液pH增大
C．该电池工作中“好氧阴极”和“缺氧阴极”之间存在着对电子的竞争作用，NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 和电极之间存在着对O2的竞争
D．若“好氧阴极”1 ml NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 完全生成NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，此时向该电极输送电子的物质的量为4 ml，则该区消耗的O2在标准状况的体积约为44.8 L
D [由题干微生物燃料电池示意图可知，电子从“厌氧阳极”流出，即葡萄糖在厌氧阳极上失去电子，生成CO2，则该电极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，电子转移到左侧的“缺氧阴极”上，NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 得到电子并结合阳极产生的H＋，生成NO2和H2O，NO2能够进一步得到电子结合H＋，生成N2和H2O，电极反应分别为NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ＋e－＋2H＋===NO2↑＋H2O，2NO2＋8e－＋8H＋===N2＋4H2O，电子转移到“好氧阴极”，则可能是O2得到电子，发生的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，同时O2还可能氧化NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 生成NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) ，甚至还可以进一步被O2氧化成NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，反应方程式为2NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋3O2===2NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) ＋2H2O＋4H＋，2NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) ＋O2===2NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，据此分析解题。“厌氧阳极”的电极反应方程式为 C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，A正确；电池工作时，“缺氧阴极”的电极反应为：NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ＋e－＋2H＋===NO2↑＋H2O，2NO2＋8e－＋8H＋===N2＋4H2O，故其电极附近的溶液中H＋浓度减小，pH增大，故B正确；该电池工作中厌氧阳极的电子同时转移到“好氧阴极”和“缺氧阴极”中，故“好氧阴极”和“缺氧阴极”之间存在着对电子的竞争作用，在“好氧阴极”电极上得电子也可以将O2还原，同时NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 也可以被O2氧化，即NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 和电极之间存在着对O2的竞争，C正确；若“好氧阴极”1 ml NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 完全生成NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 则反应中转移了8 ml电子，此时转移的电子是发生在NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 和O2之间，消耗了2 ml O2，即此时并未向该电极输送电子，则该区消耗的O2在标准状况的体积约为2 ml×22.4 L/ml＝44.8 L，D错误。]
13．已知装置E为电解池，认真观察下列装置，回答下列问题：
(1)装置D为 (填“原电池”“电解池”或“电镀池”)，装置C中Pb上发生的电极反应方程式为 。
(2)装置A中Pt电极的名称为 (填“正极”“负极”“阴极”或“阳极”)，装置A总反应的离子方程式为 。
(3)若装置E中的目的是在Cu材料上镀银，则X为 (填化学式，下同)，极板N的材料为 。
(4)当装置B中PbO2电极质量改变12.8 g时，装置D中阳极产生气体有 (填化学式)，它们的总物质的量为 。
解析： 根据装置图可知，装置B、C可组成铅蓄电池，Pb失电子，与硫酸根离子反应生成硫酸铅，作负极，则装置D、E、A的左侧为阴极，右侧为阳极。(4) 装置B中PbO2＋2e－＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H＋===PbSO4＋2H2O，转移2 ml电子时，电极增重64 g，当电极增重12.8 g时，转移电子12.8 g÷64 g×2＝0.4 ml，装置D中阳极氯离子失电子生成氯气，氯离子的物质的量为0.1 ml，则产生0.05 ml氯气，然后水失电子生成氧气，转移0.3 ml电子生成0.075 ml氧气，阴极水得电子生成氢气和氢氧根离子，转移0.4 ml电子，生成0.2 ml氢气，总共生成0.05 ml氯气，0.075 ml氧气，0.2 ml氢气，总物质的量为0.325 ml。
答案： (1)电解池 Pb－2e－＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ===PbSO4 (2) 阴极 Cu＋2H＋ eq \(=====,\s\up7(通电)) Cu2＋＋H2↑
(3)AgNO3 Ag (4) Cl2、O2 0.325 ml
14．(2022·福建三明高三期末)Ⅰ.如图为相互串联的甲、乙两个电解池。
(1)甲池若为用电解原理精炼铜的装置，A极电极反应式为 。
电解一段时间后，电解质溶液的浓度 (填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)甲池若为铁制品上镀银的装置，A极材料是 。
(3)乙池中发生反应的离子方程式为 。
Ⅱ.锂空气二次电池的探索和研发成为储能领域的研究热点。
(4)锂空气电池工作和充电原理如图所示。下列说法正确的是 (填字母)。
①有机电解液 ②固体电解质 ③水性电解液 ④催化剂 ⑤纳米碳片 ⑥充电专用电板
A．锂空气电池配置了充电专用电极，可防止充电时空气极(纳米碳片)发生腐蚀
B．该电池放电时正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C．当有2.24 L O2(标准状况)在纳米碳片上参加反应，金属锂电极会损失2.8 g
D．若用铅蓄电池给锂空气电池充电，Pb电极应与充电专用电极相接
Ⅲ.利用电化学方法可以将CO2有效地转化为HCOO－(其中C元素的化合价为＋2价)，装置如图戊所示。
(5)若以碱性氢氧燃料电池为直流电源，则燃料电池中b极电极反应式为 。
(6)装置工作时，阴极除有HCOO－生成外，还可能生成副产物降低电解效率。
已知：电解效率＝ eq \f(一段时间内生成目标产物转移电子数,一段时间内电解池转移电子总数) 。
①副产物可能是 (写出一种即可)。
②标准状况下，当阳极生成氧气体积为224 mL时，测得整个阴极区内的c(HCOO－)＝0.015 ml·L－1，电解效率为 (忽略电解前后溶液的体积变化)。
解析： (4)图丙为放电装置，化学能转化为电能，负极Li失电子变为Li＋，电极反应为：Li－e－===Li＋， 正极O2得电子生成OH－，电极反应为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，图丁为充电装置，电能转化为化学能，右边为阳极，OH－放电生成O2，电极反应为：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，左边为阴极，电极反应为Li＋＋e－===Li。A.充电时阳极OH－放电产生O2，若没有充电专用阳极，则O2在纳米碳片上产生，容易与碳反应，固体电解质膜的存在，可防止锂电极接触到水，与水反应，也可防止氧气与锂电极接触，更安全， A正确；B.该电池为碱性环境，故正极反应式为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，B错误；C.根据关系O2～4e－可知转移电子＝4n(O2)＝4× eq \f(2.24 L,22.4 L/ml) ＝0.4 ml，结合负极反应Li－e－===Li＋，可知参与反应的Li的物质的量＝转移电子的物质的量＝0.4 ml，即锂电极损失Li的质量＝0.4 ml×7 g·ml－1＝2.8 g，C正确；D.由题图示知，充电专用电极为阳极，充电时应连接电源的正极，而Pb电极为铅蓄电池的负极，D错误。(6)①右侧Pt电极即阴极上的副产物会降低电解效率，阴极上CO2被还原，其还原产物还可能为CO或其他低价态的C元素，会降低效率，或者溶液中水电离出的氢离子被还原生成氢气也会降低电解效率；②阳极水电离出氢氧根放电生成氧气，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，标准状况下224 mL氧气的物质的量为 eq \f(0.224 L,22.4 L·ml－1) ＝0.01 ml，转移0.04 ml电子，1个CO2转化为HCOO－转移2个电子，所以电解效率为 eq \f(0.015 ml×2,0.040 ml) ×100%＝75%。
答案： (1)Cu2＋＋2e－===Cu 减小 (2)铁(或Fe) (3)2Cl－＋2H2O eq \(=====,\s\up7(通电)) H2↑＋Cl2↑＋2OH－ (4)AC (5)H2－2e－＋2OH－===2H2O
(6)①CO或H2 ②0.75(或75%)
学生用书第154页
考点一 多池串联的两大模型
模型一 外接电源与电解池的串联(如图)
A、B为两个串联电解池，相同时间内，各电极得失电子数相等。
模型二 原电池与电解池的串联(如图)
显然两图中，A均为原电池，B均为电解池。
1．某同学组装了如图所示的电化学装置，电极Ⅰ为Al，其他均为Cu，则下列说法正确的是( )
A．电流方向：电极Ⅳ电极Ⅰ
B．电极Ⅰ发生还原反应
C．电极Ⅱ逐渐溶解
D．电极Ⅲ的电极反应：Cu2＋＋2e－===Cu
A [当多个电化学装置串联时，两电极材料活泼性相差大的作原电池，其他作电解池，由此可知图示中左边两池组成原电池，右边组成电解池。A项，电子移动方向：电极Ⅰ→ A eq \a\vs4\al(○) →电极Ⅳ，电流方向与电子移动方向相反，正确；B项，原电池负极在工作中失电子，被氧化，发生氧化反应，错误；C项，原电池正极为得电子一极，铜离子在电极Ⅱ上得电子，生成铜单质，该电极质量逐渐增大，错误；D项，电解池中阳极为非惰性电极时，电极本身失电子，形成离子进入溶液中，因为电极Ⅱ为正极，因此电极Ⅲ为电解池的阳极，其电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，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。当闭合该装置的电键时，观察到电流表的指针发生了偏转。
请回答下列问题：
(1)甲池为 (填“原电池”“电解池”或“电镀池”)，通入CH3OH电极的电极反应式为 。
(2)乙池中A(石墨)电极的名称为 (填“正极”“负极”“阴极”或“阳极”)，总反应式为 。
(3)当乙池中B极质量增加5.40 g时，甲池中理论上消耗O2的体积为 mL(标准状况下)，丙池中 极析出 g铜。
(4)若丙池中电极不变，将其溶液换成NaCl溶液，电键闭合一段时间后，甲中溶液的pH将 (填“增大”“减小”或“不变”)；丙中溶液的pH将 (填“增大”“减小”或“不变”)。
解析： (1)甲池为原电池，通入CH3OH的电极为负极，电极反应式为CH3OH－6e－＋8OH－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋6H2O。
(2)乙池中电解AgNO3溶液，其中C作阳极，Ag作阴极，总反应式为4AgNO3＋2H2O eq \(=====,\s\up7(电解)) 4Ag＋O2↑＋4HNO3。
(3)根据各电极上转移的电子数相同，得n(Ag)＝4n(O2)＝2n(Cu)，故V(O2)＝ eq \f(1,4) × eq \f(5.40,108) ×22.4 L＝0.28 L＝280 mL，m(Cu)＝ eq \f(1,2) × eq \f(5.40,108) ×64 g＝1.60 g。(4)若丙中电极不变，将其溶液换成NaCl溶液，根据丙中总反应2NaCl＋2H2O eq \(=====,\s\up7(电解)) 2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，则溶液pH增大，而甲中总反应为2CH3OH＋3O2＋4KOH eq \(=====,\s\up7(电解)) 2K2CO3＋6H2O，溶液pH减小。
答案： (1)原电池 CH3OH－6e－＋8OH－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋6H2O
(2)阳极 4AgNO3＋2H2O eq \(=====,\s\up7(电解)) 4Ag＋O2↑＋4HNO3
(3)280 D 1.60 (4)减小 增大
eq \a\vs4\al(练后归纳)
“串联”类装置的解题流程
学生用书第150页
考点二 电化学离子交换膜的分析与应用
1．常见的隔膜
隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类：
(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，简称阴膜，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，不允许其他阳离子和阴离子通过。
2．隔膜的作用
(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)能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3．离子交换膜选择的依据
离子的定向移动。
4．离子交换膜的应用
[微提醒] (1)用下面的装置制取NaOH、H2和Cl2，此装置有以下缺陷：
缺陷1：Cl2和H2混合而引起爆炸；
缺陷2：Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量。
(2)用如图装置电解饱和食盐水，其中阳离子交换膜的作用有以下四个方面：
①平衡电荷，形成闭合回路；
②防止Cl2和H2混合而引起爆炸；
③避免Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量；
④避免Cl－进入阴极区导致制得的NaOH不纯。
一、化学电源中的离子交换膜
1．(2022·黔东南州模拟)二甲醚(CH3OCH3)燃料电池的工作原理如图，下列有关叙述正确的是( )
A．该装置能实现化学能100%转化为电能
B．电子移动方向为：a极→b极→质子交换膜→a极
C．a电极的电极反应式为：CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋
D．当b电极消耗22.4 L O2时，质子交换膜有4 ml H＋通过
C [A项，化学能转化为热能和电能，不可能100%转化为电能，错误；B项，电子不能经过电解质溶液，所以电子由a极 eq \(――→,\s\up7(导线)) b极，错误；C项，a为负极，发生氧化反应，电极反应式为：CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋，正确；D项，气体所处的状况不知，无法由气体体积求物质的量，所以通过H＋的物质的量不知，错误。]
学生用书第151页
2.随着各地“限牌”政策的推出，电动汽车成为汽车族的“新宠”。某电动汽车使用的是钴酸锂( LiCO2)电池，其工作原理如图所示，且电解质为一种能传导Li＋的高分子材料，隔膜只允许Li＋通过，电池反应式为LixC6＋Li1－xCO2C6＋LiCO2。下列说法不正确的是( )
A．放电时，正极锂的化合价未发生改变
B．充电时Li＋移动方向：右室→左室
C．放电时负极的电极反应式：LixC6－xe－===C6＋xLi＋
D．充电时阳极的电极反应式：Li1－xCO2＋xLi＋＋xe－===LiCO2
D [放电时，负极的电极反应式为LixC6－xe－===C6＋xLi＋，正极的电极反应式为Li1－xCO2＋xLi＋＋xe－===LiCO2，放电时正极上锂的化合价不变，A、C项正确；充电时左侧为阴极，右侧为阳极，阳极发生失电子的氧化反应，阳离子由阳极移向阴极，B项正确、D项错误。]
eq \a\vs4\al(归纳总结)
在原电池中应用离子交换膜，起到替代盐桥的作用，一方面能起到平衡电荷、导电的作用，另一方面能防止电解质溶液中的离子与电极直接反应，提高电流效率。
二、电解池中的离子交换膜
(一)单膜电解池
3．最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：
①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋
②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋
该装置工作时，下列叙述错误的是( )
A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O
B．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S
C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为酸性
C [由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴极。阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高，C项错误；由题图可知，电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，A项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B项正确；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D项正确。]
4．KIO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示。
(1)写出电解时阴极的电极反应式： 。
(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为 ，其迁移方向是 。
解析： (1)电解液是KOH溶液，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。(2)电解过程中阳极的K＋通过阳离子交换膜由电极a迁移到电极b。
答案： (1)2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
(2)K＋ 由电极a到电极b
(二)“双膜”电解池
5．制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为 。
电解后， 室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。
解析： 阳极电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，电解过程中H＋透过阳离子交换膜进入a室，SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋H＋===HSO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，故a室中NaHSO3浓度增加。
答案： 2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ a
学生用书第152页
(三)多膜电解池
6．H3PO2也可用电渗析法制备。“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 。
解析： (1)阳极发生氧化反应，在反应中OH－失去电子，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。(2)H2O放电产生H＋，H＋进入产品室，原料室的H2PO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) 穿过阴膜进入至产品室，二者发生反应：H＋＋H2PO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) ===H3PO2。(3)如果撤去阳膜，H2PO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) 或H3PO2可能会被氧化。
答案： (1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
(2)阳极室的H＋穿过阳膜进入至产品室，原料室的H2PO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) 穿过阴膜进入至产品室，二者反应生成H3PO2
(3)H3PO4 H2PO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) 或H3PO2被阳极产物O2氧化
(四)双极膜电解池
7．(2021·重庆1月适应性测试)双极膜在电渗析中应用广泛，它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层，工作时水层中的H2O解离成H＋和OH－，并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。如图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。
下列说法正确的是( )
A．出口2的产物为HBr溶液
B．出口5的产物为硫酸溶液
C．Br－可从盐室最终进入阳极液中
D．阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D [电解时，双极膜中的氢氧根离子向阳极移动，进入交换室1，盐室中的Na＋向阴极移动，进入交换室1，则出口2的产物为NaOH溶液，A错误；钠离子不能通过双极膜，故出口5不是硫酸，B错误；Br－通过阴离子交换膜进入交换室2，但是不能通过双极膜，所以Br－不会从盐室最终进入阳极液中，C错误；电解池阴极处，发生还原反应，水解离成H＋和OH－，则在阴极发生的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，D正确。]
eq \a\vs4\al(归纳总结)
在电解池中使用选择性离子交换膜的主要目的是限制某些离子(或分子)的定向移动，避免电解质溶液中的离子或分子与电极产物反应，提高产品纯度或防止造成危险等。
真题演练 明确考向
1．(双选)(2022·山东卷)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LiCO2(s)转化为C2＋，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LiCO2＋2H2O＋e－===Li＋＋C2＋＋4OH－
D．若甲室C2＋减少200 mg，乙室C2＋增加300 mg，则此时已进行过溶液转移
BD [A.电池工作时，左侧阳极中细菌上乙酸盐的阴离子失去电子被氧化为CO2气体，同时生成H＋，电极反应式为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，H＋通过阳膜进入阴极室，甲室的电极反应式为C2＋＋2e－===C，因此，甲室溶液pH逐渐减小，A错误；B.对于乙室，正极上LiCO2得到电子，被还原为C2＋，同时得到Li＋，其中的O2－与溶液中的H＋结合H2O，电极反应式为2LiCO2＋2e－＋8H＋===2Li＋＋2C2＋＋4H2O，负极发生的反应为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，负极产生的H＋通过阳膜进入正极室，但是乙室的H＋浓度仍然是减小的，因此电池工作一段时间后应该补充盐酸，B正确；C.电解质溶液为酸性，不可能大量存在OH－，乙室电极反应式为：LiCO2＋4H＋＋e－===Li＋＋C2＋＋2H2O，C错误；D.若甲室C2＋减少200 mg，则电子转移物质的量为n(e－)＝ eq \f(0.2 g,59 g/ml) ×2≈0.006 8 ml，若乙室C2＋增加300 mg，则转移电子的物质的量为n(e－)＝ eq \f(0.3 g,59 g/ml) ×1≈0.005 1 ml，由于电子转移的物质的量不等，说明此时已进行过溶液转移，D正确。]
2．(2022·全国甲卷)一种水性电解液ZnMnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2＋以Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 存在)。电池放电时，下列叙述错误的是( )
学生用书第153页
A．Ⅱ区的K＋通过隔膜向Ⅲ区迁移
B．Ⅰ区的SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 通过隔膜向Ⅱ区迁移
C．MnO2电极反应：MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O
D．电池总反应：Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋Mn2＋＋2H2O
A [根据图示的电池结构和题目所给信息可知，Ⅲ区Zn为电池的负极，电极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，Ⅰ区MnO2为电池的正极，电极反应为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O；电池在工作过程中，由于两个离子选择隔膜没有指明是阳离子隔膜还是阴离子隔膜，故两个离子隔膜均可以通过阴、阳离子，因此可以得到Ⅰ区消耗H＋，生成Mn2＋，Ⅱ区的K＋向Ⅰ区移动或Ⅰ区的SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 向Ⅱ区移动，Ⅲ区消耗OH－，生成Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，Ⅱ区的SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 向Ⅲ区移动或Ⅲ区的K＋向Ⅱ区移动。据此分析答题。Ⅱ区的K＋只能向Ⅰ区移动，A错误；Ⅰ区的SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 向Ⅱ区移动，B正确；MnO2电极的电极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O，C正确；电池的总反应为Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋Mn2＋＋2H2O，D正确。]
3．(2021·广东，16)钴(C)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 ml C，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：2C2＋＋2H2O eq \(=====,\s\up7(电解)) 2C＋O2↑＋4H＋
D [由装置图可知，水放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动，使Ⅱ室中氢离子浓度增大，溶液pH减小，故A错误；阴极生成1 ml钴，阳极有1 ml水放电，有0.5 ml氧气生成，且有2 ml氢离子由Ⅰ室进入Ⅱ室，则Ⅰ室溶液质量减少18 g，故B错误；若移除离子交换膜，氯离子的放电能力强于水，氯离子会在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气，则移除离子交换膜，石墨电极的电极反应会发生变化，故C错误；电解的总反应的离子方程式为2C2＋＋2H2O eq \(=====,\s\up7(电解)) 2C＋O2↑＋4H＋，故D正确。]
4．(2021·江苏1月适应性考试)利用电解法将CO2转化为CH4的原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．电解过程中，H＋由a极区向b极区迁移
B．电极b上反应为：CO2＋8HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) －8e－===CH4＋8CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋2H2O
C．电解过程中化学能转化为电能
D．电解时Na2SO4溶液浓度保持不变
A [由a极生成O2可以判断电极a为阳极，电极b为阴极，阳离子向阴极流动，则H＋由a极区向b极区迁移，故A正确；电极b上的反应为CO2＋8HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ＋8e－===CH4＋8CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋2H2O，故B错误；电解过程是电能转化为化学能，故C错误；电解时OH－比SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 更容易失去电子，所以电解Na2SO4溶液的实质是电解水，溶液中的水发生消耗，Na2SO4溶液的浓度增大，故D错误。]
5.[2021·山东，17(4)]利用膜电解技术(装置如图所示)，以Na2CrO4为主要原料制备Na2Cr2O7的总反应方程式为：4Na2CrO4＋4H2O eq \(=====,\s\up7(通电)) 2Na2Cr2O7＋4NaOH＋2H2↑＋O2↑。则Na2Cr2O7在 (填“阴”或“阳”)极室制得，电解时通过膜的离子主要为 。
解析： 由4Na2CrO4＋4H2O eq \(=====,\s\up7(通电)) 2Na2Cr2O7＋4NaOH＋2H2↑＋O2↑可知，电解过程中实质是电解水，阳极上OH－失去电子生成H2O和O2，阴极上H＋得到电子生成H2，由2CrO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H＋Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋2H2O可知，Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 在c(H＋)增大的阳电极室中制得，即Na2Cr2O7在阳极室产生；电解过程中，阴极产生氢氧根离子，氢氧化钠在阴极生成，所以为提高Na2Cr2O7的效率，Na＋通过离子交换膜移动阴极。
答案： 阳 Na＋
课时精练(三十一) 多池、多室的电化学装置 eq \a\vs4\al(\f(对应学生,用书P403))
(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)
1．(2022·贵州遵义高三期末)微生物燃料电池可用于净化含铬废水，其工作原理如图所示，该电池工作时，下列说法错误的是( )
A．该离子交换膜为阳离子交换膜
B．外电路中的电子的流动方向为M→电流表→N
C．M电极的电极反应式为H2O＋CH3OH＋6e－===CO2↑＋6H＋
D．N电极上发生还原反应，得到电子
C [该电池中有机物CH3OH在微生物作用下发生失电子的氧化反应生成CO2，则M电极为负极，N电极为正极，正极上氧气和Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 发生得电子的还原反应，N极上Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 得到电子与溶液中的H＋结合生成水、Cr(OH)3，反应消耗H＋，c(H＋)减小，N极Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 生成Cr(OH)3的电极反应为Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋6e－＋8H＋===2Cr(OH)3＋H2O，原电池工作时阳离子由负极移向正极，阴离子由正极移向负极，据此分析解答。A.根据上述分析可知：M电极为负极，N电极为正极，负极生成H＋，透过交换膜进入右侧，故该离子交换膜为阳离子交换膜，A正确；B.在外电路中的电子的流动方向为负极M→电流表→正极N，B正确；C.M电极为负极，负极上CH3OH失去电子变为CO2，故负极的电极反应式为：CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋，C错误；D.N电极为正极，Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 得到电子发生还原反应，D正确。]
2．(2022·江苏海安高三期末)K2FeO4和Zn在碱性条件下组成二次电池，放电原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．在放电时，电子通过离子交换膜从右向左移动
B．在放电时，负极区电解质溶液的pH逐渐减小
C．在充电时，石墨电极上的电极反应式为：Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H2O
D．在充电时，将Zn电极与外接电源的正极相连
C [K2FeO4Zn可以组成高铁电池，K2FeO4在电池中作正极材料，其电极反应式为FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－，原电池的负极发生氧化反应，Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，电池反应为：3Zn＋2FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋8H2O===3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4OH－。A.在放电时，电子通过外电路从锌电极向石墨电极移动，电子不能在电解质溶液中传导，故A错误；B.在放电时，原电池的负极发生氧化反应，Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，氢氧根离子通过阴离子交换膜不断进行补充，负极区电解质溶液的pH基本不变，故B错误；C.在充电时，石墨电极是阳极发生氧化反应，石墨电极上的电极反应式为：Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H2O，故C正确；D.在充电时，将Zn电极与外接电源的负极相连，故D错误。]
3．(2022·珠海高三上学期期末)一种三室可充电ZnMnO2电池如图所示，膜N为阳离子交换膜。充电时Zn电极反应式为：Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2e－===Zn＋4OH－。下列说法不正确的是( )
A．放电时，c室的pH减小
B．放电时，Zn电极电势比MnO2电极低
C．充电时，SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 由b室透过M膜到a室
D．充电时，MnO2电极反应式为Mn2＋＋2H2O＋2e－===MnO2＋4H＋
D [充电时Zn电极反应式为：Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2e－===Zn＋4OH－，发生还原反应，则Zn极为阴极，放电时Zn为负极，MnO2为正极。A.放电时，Zn失电子，作负极，电极反应式与充电的相反，即为：Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH) eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，消耗OH－，c室的pH减小，故A正确；B.放电时Zn为负极，MnO2为正极，则Zn电极电势比MnO2电极低，故B正确；C.充电时，阴离子移向阳极，由分析可知Zn极为阴极，MnO2为阳极，则SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 由b室透过M膜到a室，故C正确；D.充电时，MnO2为阳极，发生氧化反应，电极反应式为Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋，故D错误。]
4．中国科学院福建物质结构研究所课题组基于二氧化碳和甲酸的相互转化反应设计并实现了一种可逆的水系金属—二氧化碳二次电池，放电时工作原理如图所示。下列有关电池放电时的说法错误的是( )
A．N极发生还原反应
B．电子由N极流出经导线流入M极
C．N极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH
D．若电路中流过6.02×1022个电子，则理论上M极有3.25 g锌参加反应
B [由题图可知，放电时，M极为二次电池的负极，锌失去电子发生氧化反应生成锌离子，双极膜中产生的氢氧根离子移向负极区，N极为正极，二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成甲酸，双极膜中产生的氢离子移向正极区。A项，N极为二次电池的正极，二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成甲酸，正确；B项，放电时，M极为二次电池的负极，N极为正极，电子由负极M极流出经导线流入正极N极，错误；C项，N极为二次电池的正极，二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成甲酸，电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH，正确；D项，放电时，M极为二次电池的负极，锌失去电子发生氧化反应生成锌离子，电路中流过6.02×1022个电子时，M极理论上参加反应的锌的质量为 eq \f(6.02×1022,6.02×1023ml－1) × eq \f(1,2) ×65 g/ml＝3.25 g，正确。]
5．浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。将两个完全相同的电极浸入两个溶质相同但浓度不同的电解质溶液中构成的浓差电池，称为双液浓差电池。模拟工业上电渗析法实现海水(用氯化钠溶液代替)淡化的装置如图所示。下列说法错误的是( )
A．SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 向Cu(1)极区域迁移
B．C(2)极发生还原反应
C．膜1为阳离子交换膜
D．C(2)极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C [由题述可知，浓差电池最终交换膜两侧硫酸铜溶液浓度相等，即阴离子交换膜左侧溶液c(CuSO4)增大，右侧c(CuSO4)减小，又因为只允许阴离子迁移，故交换膜左侧铜极溶解，c(Cu2＋)增大；交换膜右侧铜极上析出铜，c(Cu2＋)减小，即Cu(1)极为负极，发生反应Cu－2e－===Cu2＋；Cu(2)极为正极，发生还原反应，Cu2＋＋2e－===Cu，SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 由阴离子交换膜右侧向左侧迁移，据此分析解题。A.由分析可知，Cu(1)极为负极，Cu(2)极为正极，原电池中阴离子流向负极，则SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 向Cu(1)极区域迁移，A正确；B.由分析可知，Cu(1)极为负极，则C(2)极为阴极，电解池中阴极发生还原反应，B正确；C.由分析可知，Cu(2)极为正极，则C(1)极为阳极，电极反应为：2Cl－－2e－===Cl2↑，故NaCl中的Cl－通过膜1进入阳极室，故膜1为阴离子交换膜，C错误；D.由B项分析可知，C(2)极为阴极，发生还原反应，电极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，D正确。]
6．(2022·江西赣州高三期末)利用双离子交换膜电解法可以由含硝酸铵的工业废水生产硝酸和氨，原理如图所示。下列叙述错误的是( )
A．硝酸溶液溶质质量分数a%＜b%
B．a、c膜为阴离子交换膜，b膜为阳离子交换膜
C．M、N室分别产生氧气和氢气
D．产品室发生的反应为NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋OH－===NH3·H2O
C [由题图可知，电解时M室中石墨电极为阴极，阴极上水得电子生成H2和OH－，反应式为4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，M室的OH－通过a膜进入产品室，所以a膜为阴离子交换膜，同时原料室中的铵根离子通过b膜也进入产品室，所以b膜为阳离子交换膜，在产品室中OH－和NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 反应生成NH3·H2O。N室中石墨为阳极，阳极上水失电子生成O2和H＋，反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，原料室中的硝酸根离子通过c膜进入N室，所以c膜为阴离子交换膜，N室中H＋和NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 反应生成HNO3。A.N室中石墨为阳极，阳极上水失电子生成O2和H＋，反应式为：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成氢离子，氢离子浓度增加，同时原料室中的硝酸根离子通过c膜进入N室，因此N室中硝酸溶液浓度a%＜b%，故A正确；B.由题干分析可知a、c为阴离子交换膜，b为阳离子交换膜，故B正确；C.由题干分析可知M、N室分别产生氢气和氧气，故C错误；D.产品室发生的反应为NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋OH－===NH3·H2O，故D正确。]
7．某大学科研团队，在光电催化体系中，利用双极膜处理烟气中的SO2，工作原理如图所示，O2在电极上生成一种具有强氧化性的羟基自由基(HO·)，
下列有关说法错误的是( )
A．该装置把电能和光能转化成化学能
B．阳极电极反应式：SO2－2e－＋4OH－===SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H2O
C．该装置处理标准状况下5.6 L SO2时，有0.25 ml H＋透过膜a
D．该装置中总反应方程式：2SO2＋O2＋2H2O eq \(=====,\s\up7(通电)) 2H2SO4
D [根据题图可知，该装置为电解池，将电能和光能转化为化学能，左侧电极为SO2转化为SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 的过程，S元素化合价升高，失电子，作阳极，H2O电离出的OH－经过阴离子交换膜(膜b)进入阳极室，电解池右侧是阴极室，H2O电离出的H＋经过阳离子交换膜(膜a)进入阴极室，氧气在阴极得电子被还原为羟基自由基。A.由分析知，该装置为电解池，是将电能和光能转化为化学能，A正确；B.由题图结合分析知，阳极SO2结合OH－转化为SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，对应电极反应为：SO2－2e－＋4OH－===SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H2O，B正确；C.当阳极处理1 ml SO2时，则电路中转移2 ml电子，阴极O2得电子，根据电极反应O2＋2e－＋2H＋===2HO·知可形成2 ml HO·，2 ml HO·可氧化1 ml SO2，故实际阳极和阴极处理SO2量相等，则当有5.6 L SO2被处理时，实际阳极处理的n(SO2)＝ eq \f(\f(5.6 L,22.4 L/ml),2) ＝0.125 ml，则电路中转移电子＝2n(SO2)＝2×0.125 ml＝0.25 ml，根据电荷守恒知有0.25 ml H＋经过膜a进入阴极，C正确；D.由题图知，阴极室发生反应：O2＋2e－＋2H＋===2HO·、2HO·＋SO2===2H＋＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，则阴极室总反应为：O2＋ SO2＋2e－===SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，阳极反应为SO2－2e－＋4OH－===SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H2O，故该装置总反应方程式为：2SO2＋O2＋4OH－ eq \(=====,\s\up7(通电)) 2SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H2O，D错误。]
8．一种电解法制备Ca(H2PO4)2并得到NaOH等副产物的示意装置如图，下列说法错误的是( )
A．与a、b相连的分别是电源的正极、负极
B．NaOH溶液中石墨电极上的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
C．A膜、C膜均为阳离子交换膜，B膜为阴离子交换膜
D．产品室中的Ca2＋和原料室的Na＋物质的量浓度同等程度增大
D [由题图可知，产品Ca(H2PO4)2在产品室生成，左侧石墨作阳极，氯离子放电，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，阳极室的Ca2＋透过A膜进入产品室，A膜为阳离子交换膜，H2PO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(4)) 透过B膜进入产品室与Ca2＋结合生成Ca(H2PO4)2，B膜为阴离子交换膜，右侧石墨极为阴极，水放电，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，Na＋透过C膜进入阴极室，C膜为阳离子交换膜，据此作答。A.左侧电极为阳极，应连接电源正极，即a、b相连的分别是电源的正极、负极，故A正确；B.右侧石墨极为阴极，水放电，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故B正确；C.A膜、C膜均为阳离子交换膜，B膜为阴离子交换膜，故C正确；D.阳极室的Ca2＋透过A膜进入产品室，产品室中的Ca2＋浓度增大，Na＋透过C膜进入阴极室，原料室的Na＋浓度减小，故D错误。]
9．(2022·韶关市高三上学期综合测试)某锂离子电池的总反应为2Li＋FeS===Fe ＋Li2S。某小组以该电池为电源电解处理含Ba(OH)2废水和含Ni2＋、Cl－的酸性废水，并分别获得BaCl2溶液和单质镍。电解处理的工作原理如图所示[LiPF6·SO(CH3)2为锂离子电池的电解质]。下列说法正确的是( )
A．X与锂离子电池的Li电极相连
B．a室的电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
C．离子膜M为阳离子交换膜，离子膜N为阴离子交换膜
D．若去掉离子膜M将a、b两室合并，则X电极的反应不变
C [由反应式可知，锂为锂离子电池的负极，FeS为正极，由题图可知，X电极与FeS电极相连，为电解池的阳极，氢氧根离子在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和水，电极反应式为4OH－－4e===O2↑＋2H2O，a室中溶液中钡离子通过阳离子交换膜进入b室；Y电极与锂电极相连，为电解池的阴极，镍离子在阴极得到电子发生还原反应生成镍，电极反应式为Ni2＋＋2e－===Ni，c室中氯离子通过阳离子交换膜进入b室，则离子膜M为阳离子交换膜，离子膜N为阴离子交换膜。X电极与FeS电极相连，为电解池的阳极，故A错误；X电极与FeS电极相连，为电解池的阳极，氢氧根离子在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和水，a室的电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，故B错误；离子膜M为阳离子交换膜，离子膜N为阴离子交换膜，故C正确；若去掉离子膜M将a、b两室合并，放电能力强于氢氧根离子的氯离子会在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，故D错误。]
10．(2022·湛江一模)我国科研工作者提出通过电解原理联合制备环氧乙烷同时处理酸性含铬废水，其工作原理示意图如图所示。其中双极膜由阳离子交换膜和阴离子交换膜组成，工作时内层H2O解离为H＋和OH－，并分别向两极迁移。下列说法正确的是( )
A．电极a为电源正极
B．膜q为阳离子交换膜
C．工作时，NaOH溶液浓度保持不变
D．N极的电极反应式为Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O
D [A.由题给信息可知，电极M上乙烯被氧化为环氧乙烷，电极N上Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 被还原为Cr3＋，则电极M为阳极，电极N为阴极，电极a为负极，电极b为正极，选项A错误；B.双极膜中水解离出来的氢氧根离子向阳极区移动，膜q适合选用阴离子交换膜，选项B错误；C.阳极反应式为C2H4＋2OH－－2e－===＋H2O，工作时阳极区生成水，NaOH溶液浓度减小，选项C错误；D.Cr元素由＋6价变为＋3价，N极的反应式为Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O，选项D正确。]
11．电渗析法制备高纯度LiOH的装置如图所示。图中双极膜(BP)中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。
下列说法不正确的是( )
A．X电极连接电源的正极
B．M和N均为阳离子交换膜
C．工作一段时间后，X电极室的pH基本保持不变
D．整个装置中每转移1 ml电子，最多生成1 ml LiOH
D [A.该装置为电解池，阴离子移向阳极，由氢氧根离子移向可知，X为阳极，连接电源的正极，A正确；B.由题图可知，Li＋通过M和N交换膜，则M和N均为阳离子交换膜，B正确；C.工作一段时间后，H2O解离为H＋和OH－，X电极室的pH基本保持不变，C正确；D.由装置图可知，有两个溶液室可得到浓LiOH，故整个装置每转移1 ml电子，最多生成2 ml LiOH，D错误。]
12．(2022·黑龙江哈九中三模)某科研小组设计双阴极微生物燃料电池进行同步硝化和反硝化脱氮研究，装置如图所示。下列叙述错误的是( )
A．“厌氧阳极”的电极反应方程式为 C6H12O6＋6H2O － 24e－===6CO2↑＋24H＋
B．电池工作时，“缺氧阴极”电极附近的溶液pH增大
C．该电池工作中“好氧阴极”和“缺氧阴极”之间存在着对电子的竞争作用，NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 和电极之间存在着对O2的竞争
D．若“好氧阴极”1 ml NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 完全生成NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，此时向该电极输送电子的物质的量为4 ml，则该区消耗的O2在标准状况的体积约为44.8 L
D [由题干微生物燃料电池示意图可知，电子从“厌氧阳极”流出，即葡萄糖在厌氧阳极上失去电子，生成CO2，则该电极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，电子转移到左侧的“缺氧阴极”上，NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 得到电子并结合阳极产生的H＋，生成NO2和H2O，NO2能够进一步得到电子结合H＋，生成N2和H2O，电极反应分别为NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ＋e－＋2H＋===NO2↑＋H2O，2NO2＋8e－＋8H＋===N2＋4H2O，电子转移到“好氧阴极”，则可能是O2得到电子，发生的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，同时O2还可能氧化NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 生成NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) ，甚至还可以进一步被O2氧化成NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，反应方程式为2NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋3O2===2NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) ＋2H2O＋4H＋，2NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) ＋O2===2NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，据此分析解题。“厌氧阳极”的电极反应方程式为 C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，A正确；电池工作时，“缺氧阴极”的电极反应为：NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ＋e－＋2H＋===NO2↑＋H2O，2NO2＋8e－＋8H＋===N2＋4H2O，故其电极附近的溶液中H＋浓度减小，pH增大，故B正确；该电池工作中厌氧阳极的电子同时转移到“好氧阴极”和“缺氧阴极”中，故“好氧阴极”和“缺氧阴极”之间存在着对电子的竞争作用，在“好氧阴极”电极上得电子也可以将O2还原，同时NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 也可以被O2氧化，即NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 和电极之间存在着对O2的竞争，C正确；若“好氧阴极”1 ml NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 完全生成NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 则反应中转移了8 ml电子，此时转移的电子是发生在NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 和O2之间，消耗了2 ml O2，即此时并未向该电极输送电子，则该区消耗的O2在标准状况的体积约为2 ml×22.4 L/ml＝44.8 L，D错误。]
13．已知装置E为电解池，认真观察下列装置，回答下列问题：
(1)装置D为 (填“原电池”“电解池”或“电镀池”)，装置C中Pb上发生的电极反应方程式为 。
(2)装置A中Pt电极的名称为 (填“正极”“负极”“阴极”或“阳极”)，装置A总反应的离子方程式为 。
(3)若装置E中的目的是在Cu材料上镀银，则X为 (填化学式，下同)，极板N的材料为 。
(4)当装置B中PbO2电极质量改变12.8 g时，装置D中阳极产生气体有 (填化学式)，它们的总物质的量为 。
解析： 根据装置图可知，装置B、C可组成铅蓄电池，Pb失电子，与硫酸根离子反应生成硫酸铅，作负极，则装置D、E、A的左侧为阴极，右侧为阳极。(4) 装置B中PbO2＋2e－＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H＋===PbSO4＋2H2O，转移2 ml电子时，电极增重64 g，当电极增重12.8 g时，转移电子12.8 g÷64 g×2＝0.4 ml，装置D中阳极氯离子失电子生成氯气，氯离子的物质的量为0.1 ml，则产生0.05 ml氯气，然后水失电子生成氧气，转移0.3 ml电子生成0.075 ml氧气，阴极水得电子生成氢气和氢氧根离子，转移0.4 ml电子，生成0.2 ml氢气，总共生成0.05 ml氯气，0.075 ml氧气，0.2 ml氢气，总物质的量为0.325 ml。
答案： (1)电解池 Pb－2e－＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ===PbSO4 (2) 阴极 Cu＋2H＋ eq \(=====,\s\up7(通电)) Cu2＋＋H2↑
(3)AgNO3 Ag (4) Cl2、O2 0.325 ml
14．(2022·福建三明高三期末)Ⅰ.如图为相互串联的甲、乙两个电解池。
(1)甲池若为用电解原理精炼铜的装置，A极电极反应式为 。
电解一段时间后，电解质溶液的浓度 (填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)甲池若为铁制品上镀银的装置，A极材料是 。
(3)乙池中发生反应的离子方程式为 。
Ⅱ.锂空气二次电池的探索和研发成为储能领域的研究热点。
(4)锂空气电池工作和充电原理如图所示。下列说法正确的是 (填字母)。
①有机电解液 ②固体电解质 ③水性电解液 ④催化剂 ⑤纳米碳片 ⑥充电专用电板
A．锂空气电池配置了充电专用电极，可防止充电时空气极(纳米碳片)发生腐蚀
B．该电池放电时正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C．当有2.24 L O2(标准状况)在纳米碳片上参加反应，金属锂电极会损失2.8 g
D．若用铅蓄电池给锂空气电池充电，Pb电极应与充电专用电极相接
Ⅲ.利用电化学方法可以将CO2有效地转化为HCOO－(其中C元素的化合价为＋2价)，装置如图戊所示。
(5)若以碱性氢氧燃料电池为直流电源，则燃料电池中b极电极反应式为 。
(6)装置工作时，阴极除有HCOO－生成外，还可能生成副产物降低电解效率。
已知：电解效率＝ eq \f(一段时间内生成目标产物转移电子数,一段时间内电解池转移电子总数) 。
①副产物可能是 (写出一种即可)。
②标准状况下，当阳极生成氧气体积为224 mL时，测得整个阴极区内的c(HCOO－)＝0.015 ml·L－1，电解效率为 (忽略电解前后溶液的体积变化)。
解析： (4)图丙为放电装置，化学能转化为电能，负极Li失电子变为Li＋，电极反应为：Li－e－===Li＋， 正极O2得电子生成OH－，电极反应为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，图丁为充电装置，电能转化为化学能，右边为阳极，OH－放电生成O2，电极反应为：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，左边为阴极，电极反应为Li＋＋e－===Li。A.充电时阳极OH－放电产生O2，若没有充电专用阳极，则O2在纳米碳片上产生，容易与碳反应，固体电解质膜的存在，可防止锂电极接触到水，与水反应，也可防止氧气与锂电极接触，更安全， A正确；B.该电池为碱性环境，故正极反应式为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，B错误；C.根据关系O2～4e－可知转移电子＝4n(O2)＝4× eq \f(2.24 L,22.4 L/ml) ＝0.4 ml，结合负极反应Li－e－===Li＋，可知参与反应的Li的物质的量＝转移电子的物质的量＝0.4 ml，即锂电极损失Li的质量＝0.4 ml×7 g·ml－1＝2.8 g，C正确；D.由题图示知，充电专用电极为阳极，充电时应连接电源的正极，而Pb电极为铅蓄电池的负极，D错误。(6)①右侧Pt电极即阴极上的副产物会降低电解效率，阴极上CO2被还原，其还原产物还可能为CO或其他低价态的C元素，会降低效率，或者溶液中水电离出的氢离子被还原生成氢气也会降低电解效率；②阳极水电离出氢氧根放电生成氧气，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，标准状况下224 mL氧气的物质的量为 eq \f(0.224 L,22.4 L·ml－1) ＝0.01 ml，转移0.04 ml电子，1个CO2转化为HCOO－转移2个电子，所以电解效率为 eq \f(0.015 ml×2,0.040 ml) ×100%＝75%。
答案： (1)Cu2＋＋2e－===Cu 减小 (2)铁(或Fe) (3)2Cl－＋2H2O eq \(=====,\s\up7(通电)) H2↑＋Cl2↑＋2OH－ (4)AC (5)H2－2e－＋2OH－===2H2O
(6)①CO或H2 ②0.75(或75%)
学生用书第154页
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