认识多装置组合  突破电化学难题

李 静 

   说明:本文刊登于《中学生报·高考化学版》第32期

   将原电池和电解池结合在一起，综合考查化学反应中的能量变化、氧化还原反应、化学实验和化学计算等知识，是高考试卷中电化学部分的重要题型，也是学习的难点之一。电化学组合装置在其他省市经常以大题出现，在广东高考中沉寂有很多年之后，2014年出现在选择题中。该类题目的考查内容通常有以下几个方面：电极的判断、电极反应方程式的书写、实验现象的描述、溶液离子的移动、pH的变化及电解质溶液的恢复、运用电子守恒处理相关数据等。突破这类题型，面对多个装置联接图，首先要判断装置类型，再单个分析其工作原理。

一、电解池串联

【方法导引】这类组合最明显标志是有外接电源，是串联的电解池。每个单独的装置都按电解原理去分析。串联的装置中每个电极上得到或失去的电子数均相等，依此来进行有关计算。

如图所示，a、b、c、d均为石墨电极，通电进行电解，下列说法正确的是(　　)

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      A．乙烧杯中d的电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑

B．a、c两极产生气体的物质的量相等

C．如果忽略水解，甲、乙两烧杯中溶液混合后溶液的pH＝7

D．乙烧杯中发生的反应为：

2NaCl＋2H2O电解2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

【解析】根据电路图，可知这是两个串联的电解池。a是阳极、d是阴极，d的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，A项不正确；a极和c极产生的气体分别是O2和Cl2，根据得失电子相等，二者体积之比是1∶2，B项不正确；乙池中Cl2在溶液中溶解，使NaOH被消耗，故两池混合后，溶液的pH略小于7，C项不正确。

答案：D.

变式练习1 如右图装置所示，

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      C、D、E、F、X、Y都是惰性电极，甲、乙中溶液的体积和浓度都相同(假设通电前后溶液体积不变)，A、B为外接直流电源的两极。将直流电源接通后，F极附近呈红色。

请回答：

(1)B极是电源的______，一段时间后，甲中溶液颜色______，丁中X极附近的颜色逐渐变浅，Y极附近的颜色逐渐变深，这表明__________在电场作用下向Y极移动。

(2)若甲、乙装置中的C、D、E、F电极均只有一种单质生成时，对应单质的物质的量之比为________。

(3)现用丙装置给铜件镀银，则H应是__________(填“镀层金属”或“镀件”)，电镀液是________溶液。当乙中溶液的pH是13时(此时乙溶液体积为500 mL)，丙中镀件上析出银的质量为________，甲中溶液的pH________(填“变大”、“变小”或“不变”)。

(4)若将C电极换为铁，其他装置都不变，则甲中发生的总反应的离子方程式为：_____________。

二、没有盐桥的不同类装置串联

【方法导引】

(1)直接判断：有直接说明或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。如下图：

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      A为原电池，B为电解池。

 

(2)根据电池中的电池材料和电解质溶液判断：

原电池一般是两种不同的金属电极或一种金属电极一个碳棒做电极；而电解池则一般都是两个惰性电极，如两个铂电极或两个碳棒。原电池中的电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应，电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。如图：

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       B为原电池，A为电解池。

(3)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：

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      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。

【例2】新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料，两电极上分别通入CH4和O2 ，电解质为KOH溶液。某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验，如图所示。

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      回答下列问题：

(1)甲烷燃料电池正极、负极的电极反应分别为______________、______________；

(2)闭合K开关后，a、b电极上均有气体产生，其中b电极上得到的是________，电解氯化钠溶液的总反应方程式为_________________________________；

(3)若每个电池甲烷通入量为1 L(标准状况)，且反应完全，则理论上通过电解池的电量为______________________(法拉第常数F＝9.65×104 C·mol－1，列式计算)，最多能产生的氯气体积为________L(标准状况)。

【解析】题目已经明示两个甲烷燃料电池是串联的原电池。(1)总反应式为：CH4＋2O2＋2OH－===CO3(2－)＋3H2O，正极反应式为2O2＋4H2O＋8e－===8OH－，则负极反应式由总反应式减正极反应式得到；(2)由图可看出一二两池为串联的电源，其中甲烷是还原剂，所在电极为负极，因而与之相连的b电极为阴极，产生的气体为氢气；(3)1 mol甲烷氧化失去电子8 mol，电量为8×96500C，因题中虽有两个燃料电池，但电子的传递只能用一个池的甲烷量计算，1 L为1/22.4 mol，可求电量；甲烷失电子是Cl－失电子数的8倍，则得到氢气为4 L(CH4～8Cl－～4Cl2)

答案：(1)2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

CH4＋10OH－－8e－===CO3(2－)＋7H2O

(2)H2　2NaCl＋2H2O电解,2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

 (3)22.4 L·mol－1(1 L)×8×9.65×104C·mol－1＝3.45×104 C　     4 L

变式练习2  铅蓄电池的工作原理为：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。研读下图，

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下列判断不正确的是(　　)

A．K闭合时，d电极反应式：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO4(2－)

B．当电路中转移0.2 mol电子时，Ⅰ中消耗的H2SO4为0.2 mol

C．K闭合时，Ⅱ中SO4(2－)向c电极迁移

D．K闭合一段时间后，Ⅱ可单独作为原电池，d电极为正极

 

三、有盐桥的不同类装置串联

【方法导引】在多装置组合中，如果有盐桥，则盐桥连接的两个装置组成一个原电池，其它为电解池。如下图各组装置。

【例3】某同学组装了如图所示的电化学装置，

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电极Ⅰ为Al，其它均为Cu，则

A、 电流方向：电极Ⅳ→A→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 

【解析】A、由题意可知，该装置的I、II是原电池的两极，I是负极，II是正极，III、IV是电解池的两极，其中III是阳极，IV是阴极，所以电流方向：电极IV→A→电极I，正确；B、电极I是原电池的负极，发生氧化反应，错误；C、电极II是原电池的正极，发生还原反应，有Cu析出，错误；D、电极III是阳极，发生氧化反应，电极反应是

Cu-2e-=Cu2+，错误。

答案：A

变式练习3将下图所示实验装置的K闭合，

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下列判断正确的是(　　)

A．Cu电极上发生还原反应　　

B．电子沿Zn→a→b→Cu路径流动

C．片刻后甲池中c(SO4(2－))增大  

D．片刻后可观察到滤纸b点变红色

 

附：变式练习参考答案

 

变式练习1解析：(1)由装置图知，直流电源与各电解池串联；由“F极附近呈红色”知，F极为阴极，则E极为阳极、D极为阴极、C极为阳极、G极为阳极、H极为阴极、X极为阳极、Y极为阴极、A极为正极、B极为负极。甲装置是用惰性电极电解CuSO4溶液，由于Cu2＋放电，导致c(Cu2＋)降低，溶液颜色逐渐变浅；丁装置是胶体的电泳实验，由于X极附近的颜色逐渐变浅，Y极附近的颜色逐渐变深，说明氢氧化铁胶粒带正电荷。

(2)当甲、乙装置中的C、D、E、F电极均只有一种单质生成时，C、D、E、F电极的产物分别为：O2、Cu、Cl2、H2，根据各电极转移电子数相同，则对应单质的物质的量之比为：1∶2∶2∶2。

(3)给铜件镀银，根据电镀原理，铜件作阴极，银作阳极，电镀液是可溶性银盐。当乙中溶液的pH是13时，则乙中n(OH－)＝0.1 mol/L×0.5L＝0.05 mol，即各电极转移电子0.05 mol，所以丙中析出银0.05 mol；甲装置中由于电解产生H＋，导致溶液的酸性增强，pH变小。

(4)若将C电极换为铁，则铁作阳极发生反应：Fe－2e－===Fe2＋，D极发生：Cu2＋＋2e－===Cu，则总反应的离子方程式为：Fe＋Cu2＋电解(=====)Cu＋Fe2＋。

答案：(1)负极　逐渐变浅　氢氧化铁胶粒带正电荷

(2)1∶2∶2∶2

(3)镀件　AgNO3(合理即可)　5.4 g　变小

(4)Fe＋Cu2＋电解(=====)Cu＋Fe2＋

变式练习2   解析：选项A：由材料和电解质溶液可知，K闭合时Ⅰ为原电池，Ⅱ为电解池，Ⅱ中发生充电反应，d电极为阳极发生氧化反应，其反应式为PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2 ＋ 4H＋＋SO4(2－)所以A正确。选项B：在上述总反应式中，得失电子总数为2e－，当电路中转移0.2 mol电子时，可以计算出Ⅰ中消耗的硫酸的量为0.2 mol，所以B项正确。选项C：K闭合时d是阳极，阴离子向阳极移动，所以C项错误。选项D：K闭合一段时间，也就是充电一段时间后Ⅱ可以作为原电池，由于c表面生成Pb，放电时做电源的负极，d表面生成PbO2，做电源的正极，所以D项正确。

答案：选C　

变式练习3  解析：Zn作原电池的负极，Cu作原电池的正极，Cu电极发生还原反应。滤纸和浸湿它的溶液构成电解池，B选项貌似正确，迷惑学生。电子流向是负极到正极， 但a→b这一环节是在溶液中导电，是离子导电，电子并没沿此路径流动。C选项中硫酸根离子浓度基本保持不变。D选项中是滤纸a点是阴极，氢离子放电，溶液中氢氧根暂时剩余，显碱性变红色。这题是考查学生的电化学知识，装置图设计有些复杂，B选项干扰作用明显，设问巧妙。

答案：A