串聯(lián)電池與膜電池一、串聯(lián)電解【典題】(2021·濟(jì)南模擬)用酸性氫氧燃料電池電解苦鹵水(含Cl－、Br－、Na＋、Mg2＋)的裝置如圖所示(a、b為石墨電極)。下列說法中，正確的是()A．電池工作時(shí)，正極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－B．電解時(shí)，a電極周圍首先放電的是Br－而不是Cl－，說明當(dāng)其他條件相同時(shí)前者的還原性強(qiáng)于后者C．電解時(shí)，電子流動路徑是負(fù)極→外電路→陰極→溶液→陽極→正極D．忽略能量損耗，當(dāng)電池中消耗0.02gH2時(shí)，b極周圍會產(chǎn)生0.04gH2【解析】選B。電池工作時(shí)，通入O2的極為電源的正極，發(fā)生還原反應(yīng)，由于該電池為酸性介質(zhì)，因此正確的電極反應(yīng)式為O2＋4H＋＋4e－=2H2O，A錯誤；a作陽極，現(xiàn)陽極材料為惰性電極，溶液中還原性強(qiáng)的離子Br－先放電，B正確；不論在原電池中還是在電解池溶液中均無電子通過，溶液中依靠陰陽離子的定向移動構(gòu)成回路，C錯誤；燃料電池和電解池中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)是相等的，當(dāng)電池中消耗0.02gH2，根據(jù)電極反應(yīng)：H2－2e－=2H＋，所以轉(zhuǎn)移電子0.02mol，b極的電極反應(yīng)為2H＋＋2e－=H2，轉(zhuǎn)移電子0.02mol，會產(chǎn)生0.02gH2，D錯誤。1．“串聯(lián)”電池原電池和電解池統(tǒng)稱為電池，將多個電池串聯(lián)在一起綜合考查電化學(xué)知識是高考命題的熱點(diǎn)，該類題目能夠考查學(xué)生對解題方法的掌握情況，需要學(xué)生具有縝密的思維能力及巧妙的處理數(shù)據(jù)能力。2．“串聯(lián)”電池的解題流程如圖是以甲烷和O2構(gòu)成的燃料電池電解AlCl3溶液的裝置，電極材料均為石墨。用該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)開始后觀察到x電極附近出現(xiàn)白色沉淀。下列說法正確的是()A.原電池中電解質(zhì)溶液的pH增大B．電解池中電解AlCl3溶液的總反應(yīng)為2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))Cl2↑＋H2↑＋2OH－C．M處通入的氣體為CH4，電極反應(yīng)式為CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋7H2OD．電解池中Cl－向x極移動【解析】選C。原電池中，負(fù)極：CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋7H2O，正極：2O2＋4H2O＋8e－=8OH－，總方程式：CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋3H2O，溶液由堿變成鹽溶液，所以溶液的pH變小，故A錯誤；B項(xiàng)，電解池中電池反應(yīng)式為2AlCl3＋6H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))3Cl2↑＋3H2↑＋2Al(OH)3，故B錯；C項(xiàng)，M處通入的氣體為CH4，為甲烷在堿性介質(zhì)中的燃料電池，且甲烷作負(fù)極，故電極反應(yīng)式為CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋7H2O，所以C正確；D項(xiàng)，反應(yīng)開始后觀察到x電極附近出現(xiàn)白色沉淀，說明x電極上氫離子放電，x電極附近生成氫氧根離子，所以x電極是陰極，y電極是陽極，則a是負(fù)極，b是正極，電解池中，溶液中陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動，所以電解池中Cl－向y極移動，故D錯誤。二、離子交換膜在電化學(xué)中的應(yīng)用【典題】(2021年重慶適應(yīng)性測試)雙極膜在電滲析中應(yīng)用廣泛，它是由陽離子交換膜和陰離子交換膜復(fù)合而成。雙極膜內(nèi)層為水層，工作時(shí)水層中的H2O解離成H＋和OH－，并分別通過離子交換膜向兩側(cè)發(fā)生遷移。如圖為NaBr溶液的電滲析裝置示意圖。下列說法正確的是()A．出口2的產(chǎn)物為HBr溶液B．出口5的產(chǎn)物為硫酸溶液C．Br－可從鹽室最終進(jìn)入陽極液中D．陰極電極反應(yīng)式為2H＋＋2e－=H2↑【解析】選D。鈉離子通過陽極膜進(jìn)入交換室1和雙極膜產(chǎn)生的氫氧根形成氫氧化鈉，所以出口2的產(chǎn)物是氫氧化鈉溶液，A錯誤；溴離子通過陰離子交換膜進(jìn)入交換室2和雙極膜產(chǎn)生的氫離子形成溴化氫溶液，出口4產(chǎn)物為HBr溶液，鈉離子不能通過雙極膜，出口5不是硫酸，則Br－不會從鹽室最終進(jìn)入陽極液中，B、C錯誤；電解硫酸鈉溶液陰極是氫離子得電子變?yōu)闅錃?，D正確。1．離子交換膜的主要作用(1)平衡膜兩側(cè)電荷，得到穩(wěn)定電流。(2)阻隔某些離子或分子，防止某些副反應(yīng)的發(fā)生。(3)確定電極，制備某些特定產(chǎn)品。(4)除去污水中的離子，資源再利用。2．答題三步驟第一步，分清隔膜類型。即交換膜屬于陽膜、陰膜或質(zhì)子膜中的哪一種，判斷允許哪種離子通過隔膜。第二步，寫出電極反應(yīng)式，判斷交換膜兩側(cè)離子變化，推斷電荷變化，根據(jù)電荷平衡判斷離子遷移方向。第三步，分析隔膜作用。1．鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，下列有關(guān)敘述正確的是()A．銅電極上發(fā)生氧化反應(yīng)B．電池工作一段時(shí)間后，甲池的c(SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4)))減小C．電池工作一段時(shí)間后，乙池溶液的總質(zhì)量增加D．陰、陽離子分別通過交換膜向負(fù)極和正極移動，保持溶液中電荷平衡【解析】選C。金屬活動性Zn>Cu，Zn為負(fù)極，失電子發(fā)生氧化反應(yīng)Zn－2e－=Zn2＋，Cu為正極，得電子發(fā)生還原反應(yīng)Cu2＋＋2e－=Cu，A錯誤；Zn2＋由甲池通過陽離子交換膜進(jìn)入乙池，乙池中Cu2＋被Zn2＋代替，摩爾質(zhì)量M(Zn2＋)>M(Cu2＋)，c(SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4)))不變，乙池溶液的總質(zhì)量增加，B錯誤，C正確；陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，陰離子并不通過交換膜，D錯誤。2．鋅溴液流電池是一種新型電化學(xué)儲能裝置(如圖所示)，電解液為溴化鋅水溶液，電解液在電解質(zhì)儲罐和電池間不斷循環(huán)。下列說法不正確的是()A.充電時(shí)電極a連接電源的負(fù)極B．放電時(shí)負(fù)極的電極反應(yīng)式為：Zn－2e－=Zn2＋C．放電時(shí)左側(cè)電解質(zhì)儲罐中的離子總濃度增大D．陽離子交換膜可阻止Br2與Zn直接發(fā)生反應(yīng)【解析】選A。在充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，相當(dāng)于電解池；放電時(shí)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，相當(dāng)于原電池?？上确治鲈姵氐恼⒇?fù)極反應(yīng)式，再分析放電現(xiàn)象或原理，正、負(fù)極電極反應(yīng)式的逆反應(yīng)就是電解池的陽、陰極反應(yīng)式，由此分析充電時(shí)反應(yīng)現(xiàn)象或原理。由圖示信息和原電池工作原理知，Zn失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，Zn－2e－=Zn2＋，b為原電池的負(fù)極，B正確；充電時(shí)b極發(fā)生還原反應(yīng)，作電解池陰極，外接電源負(fù)極，a應(yīng)外接電源正極，A錯誤；放電時(shí)a極為正極，發(fā)生還原反應(yīng)，Br2＋2e－=2Br－，陽離子通過交換膜進(jìn)入左側(cè)平衡電荷，C正確；陽離子交換膜只允許陽離子通過，不允許分子和陰離子通過，有效避免Br2與Zn直接發(fā)生反應(yīng)，D正確。3．(2020·全國Ⅰ卷)科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn－CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是()A.放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為Zn－2e－＋4OH－=Zn(OH)eq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))B．放電時(shí)，1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2molC．充電時(shí)，電池總反應(yīng)為2Zn(OH)eq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))=2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2OD．充電時(shí)，正極溶液中OH－濃度升高【解析】選D。放電時(shí)，負(fù)極上Zn發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為Zn－2e－＋4OH－=Zn(OH)eq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，故A正確；放電時(shí)，CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，C元素化合價(jià)降低2，則1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH時(shí)，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2mol，故B正確；充電時(shí)，陽極上H2O轉(zhuǎn)化為O2，負(fù)極上Zn(OH)eq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))轉(zhuǎn)化為Zn，電池總反應(yīng)為2Zn(OH)eq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))=2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O，故C正確；充電時(shí)，正極即為陽極，電極反應(yīng)式為2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，溶液中H＋濃度增大，溶液中c(H＋)·c(OH－)＝KW，溫度不變時(shí)，KW不變，因此溶液中OH－濃度降低，故D錯誤。4．中國第二化工設(shè)計(jì)院提出，用間接電化學(xué)法對大氣污染物NO進(jìn)行無害化處理，其原理示意如圖(質(zhì)子膜允許H＋和H2O通過)，下列相關(guān)判斷正確的是()A．電極Ⅰ為陰極，電極反應(yīng)式為：2H2O＋2e－=2OH－＋H2B．電解池中質(zhì)子從電極Ⅰ向電極Ⅱ作定向移動C．吸收塔中的反應(yīng)為：2NO＋2S2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋2H2O=N2＋4HSOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))D．每處理1molNO電解池質(zhì)量變化16g【解析】選C。電極Ⅰ為陰極，陰極上是HSOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))獲得電子生成S2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，酸性條件下還生成水，電極反應(yīng)式為：2HSOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))＋2H＋＋2e－=S2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋2H2O，故A錯誤；電解池中質(zhì)子從電極Ⅱ向電極Ⅰ作定向移動，故B錯誤；吸收塔中S2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))與NO反應(yīng)生成N2與HSOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))，反應(yīng)離子方程式為：2NO＋2S2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋2H2O=N2＋4HSOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))，故C正確；電極Ⅱ?yàn)殛枠O，H2O在電極Ⅱ上被轉(zhuǎn)化為O2，發(fā)生電極反應(yīng)：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋。每處理1molNO，則轉(zhuǎn)移電子數(shù)為1mol×2＝2mol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，則產(chǎn)生O2的物質(zhì)的量為2mol×1/4＝0.5mol，產(chǎn)生2molHSOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))進(jìn)入電解池，0.5molO2逸出電解池，1molS2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))流出電解池，所以電解池質(zhì)量變化為18g，故D錯誤。5．雙極膜(BP)是陰、陽復(fù)合膜，在直流電的作用下，陰、陽膜復(fù)合層間的H2O解離成H＋和OH－，作為H＋和OH－離子源。利用雙極膜電滲析法電解食鹽水可獲得淡水、NaOH和HCl，其工作原理如圖所示，M、N為離子交換膜。下列說法錯誤的是()A．陰極室發(fā)生的反應(yīng)為：2H＋＋2e－=H2↑B．M為陽離子交換膜，N為陰離子交換膜C．若