例析電化學(xué)中多池問題的類型及解答要點

王開山

類型一、原電池型

原電池型是指多池構(gòu)成原電池.根據(jù)電極及電解質(zhì)溶液分析清楚正負極和電解質(zhì)溶液中陰陽離子定向移動的方向是關(guān)鍵.

例1根據(jù)圖1，下列判斷中正確的是（ ）.

A.燒杯a中的溶液pH升高

B.燒杯b中發(fā)生氧化反應(yīng)

C.燒杯a中發(fā)生的反應(yīng)為2H++2e-H2

D.燒杯b中發(fā)生的反應(yīng)為2Cl--2e-Cl2

解析由圖分析，外電路為負極Zn失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)：Zn-2e-Zn2+，O2在正極Fe上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)：O2+4e-+2H2O4OH-；內(nèi)電路為鹽橋中陰陽離子定向移動（陽離子向a燒杯移動，陰離子向b燒杯移動）.

答案：AB

例2控制適合的條件，將反應(yīng)2Fe3++2I-2Fe2++I2設(shè)計成如圖2所示的原電池.下列判斷不正確的是（ ）.

A.反應(yīng)開始時，乙中石墨電極上發(fā)生氧化反應(yīng)

B.反應(yīng)開始時，甲中石墨電極上Fe3+被還原

C.電流計讀數(shù)為零時，反應(yīng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)

D.電流計讀數(shù)為零后，在甲中溶入FeCl2固體，乙中石墨電極為負極

解析由圖分析，反應(yīng)開始時，I-在乙中石墨電極上失去電子，即2I--2e-I2，發(fā)生氧化反應(yīng)，為負極.Fe3+在甲中石墨電極上得到電子.即2Fe3++2e-2Fe2+，發(fā)生還原反應(yīng)，為正極.當2Fe3++2I-2Fe2++I2建立平衡時，電流計讀數(shù)為零.在甲中溶入FeCl2固體，F(xiàn)e2+濃度增大，平衡向逆反應(yīng)方向移動，甲燒杯中的Fe2+在石墨上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，為負極.乙燒杯中的I2得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，為正極.

答案：D.

類型二、外接電源電解池型

外接電源電解池型是指外接的一個電源，電解多個串聯(lián)在一起的燒杯中的電解質(zhì)溶液.每個燒杯中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目相等.

例3圖3所示的電解池Ⅰ和Ⅱ中，a、b、c和d均為Pt電極.電解過程中，電極b和d上沒有氣體逸出，但質(zhì)量均增大，且增重b

選項XY

A MgSO4CuSO4

B AgNO3Pb（NO3）2

CFeSO4Al2（SO4）3

D CuSO4AgNO3

解析圖中整套裝置為電解池，兩個燒杯為串聯(lián)，兩個燒杯中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目相等.根據(jù)電解池工作原理，四個選項逐個代入，符合題意的只有D項.

答案：D

例4圖4所示裝置中，甲、乙、丙三個燒杯依次分別盛放100 g 5.00%的NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和100 g 10.00%的K2SO4溶液，電極均為石墨電極.

圖4

（1）接通電源，經(jīng)過一段時間后，測得丙中K2SO4濃度為10.47%，乙中c電極質(zhì)量增加.據(jù)此回答問題：

①電源的N端為 極；

②電極b上發(fā)生的電極反應(yīng)為 ；

③列式計算電極b上生成的氣體在標準狀態(tài)下的體積 ；

④電極c的質(zhì)量變化是 g；

⑤電解前后各溶液的酸、堿性大小是否發(fā)生變化，簡述其原因：

甲溶液 ；

乙溶液 ；

丙溶液 ；

（2）如果電解過程中銅全部析出，此時電解能否繼續(xù)進行，為什么？

解析圖中整套裝置為電解池，三個燒杯為串聯(lián)，三個燒杯中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目相等.根據(jù)c電極質(zhì)量增加，可知c極上發(fā)生了Cu2++2e-Cu的反應(yīng)，c極為陰極，則a極為陰極，b極為陽極，d極為陽極.電源的N端就為正極.電極b上發(fā)生的電極反應(yīng)為：4OH--4e-O2+2H2O.經(jīng)過一段時間后，測得丙中K2SO4濃度從10%變?yōu)?0.47%.設(shè)電解掉的水為m g，即100×10%=（100-m）×

10.47%，解得m=4.5 g.

可建立如下關(guān)系式：

2H2O ～ 4e- ～O2 ～ 2Cu

36 22.4 128

4.5 g V m（Cu）

解得：V=2.8 Lm（Cu）=16 g

電解甲燒杯相當于電解水，NaOH溶液的濃度會增大，溶液的堿性增強；

電解乙燒杯會生成H2SO4，溶液的酸性增強；

電解丙燒杯相當于電解水，K2SO4溶液的濃度會增大，溶液的酸堿性不變.

電解過程中銅全部析出后，乙燒杯中的溶液為稀硫酸，電解過程還會繼續(xù)，此時相當于在電解稀硫酸溶液.

答案：⑴①正極；②4OH--4e-O2+2H2O；③2.8L；④增重16g；⑤電解甲燒杯相當于電解水，NaOH溶液的濃度會增大，溶液的堿性增強；

電解乙燒杯會生成H2SO4，溶液的酸性增強；

電解丙燒杯相當于電解水，K2SO4溶液的濃度會增大，溶液的酸堿性不變.

（2）電解能繼續(xù)進行.因為當電解過程中銅全部析出后，乙燒杯中的溶液為稀硫酸，此時相當于在電解稀硫酸溶液（實質(zhì)是電解水）.

類型三、電解外部電解質(zhì)溶液型

電解外部電解質(zhì)溶液型是指多個池構(gòu)成一個電源電解外部的電解質(zhì).分析清楚多個池構(gòu)成電源的正負極是解答這一類試題的關(guān)鍵.

例5將圖5所示實驗裝置的K閉合，下列判斷正確的是（ ）.

A.Cu電極上發(fā)生還原反應(yīng)

B.電子沿Zn→a→b→Cu路徑流動

C.片刻后甲池中c（SO2-4）增大 D.片刻后可觀察到濾紙b點變紅色

解析甲、乙兩個燒杯構(gòu)成原電池（電源）電解濾紙上的電解質(zhì)溶液.其中Zn為負極，發(fā)生氧化反應(yīng)：Zn-2e-Zn2+；Cu為正極，發(fā)生還原反應(yīng)： Cu2++2e-Cu.a為陰極，a點處發(fā)生還原反應(yīng)：2H++2e-H2，b為陽極，b點處發(fā)生氧化反應(yīng)：4OH--4e-O2+2H2O .外電路電子的移動方向為Zn→a，b→Cu，內(nèi)電路離子的移動方向為鹽橋中陰離子向甲燒杯移動，陽離子向乙燒杯移動；濾紙上的H+向a點移動，OH-向b點移動.

答案：A

類型四、自身電解型

自身電解型是指一部分池構(gòu)成電源電解另外一部分池中的電解質(zhì)，整套裝置為電解池.分析清楚電源的正負極以及電子的數(shù)目是解答這一類試題的關(guān)鍵.

例6新型高效的甲烷燃料電池采用鉑為電極材料，兩電極上分別通入CH4和O2，電解質(zhì)為KOH溶液.某研究小組將兩個甲烷燃料電池串聯(lián)后作為電源，進行飽和氯化鈉溶液電解實驗，如圖6所示：

回答下列問題：

（1）甲烷燃料電池正極、負極的電極反應(yīng)分別為 、 ；

（2）閉合K開關(guān)后，a、b電極上均有氣體產(chǎn)生，其中b電極上得到的是 ，電解氯化鈉溶液的總反應(yīng)方程式為 ；

（3）若每個電池甲烷通入量為1L（標準狀況），且反應(yīng)完全，則理論上通過電解池的電量為 （法拉第常數(shù)F=9.65×104C·mol-1，列式計算），最多能產(chǎn)生的氯氣體積為 L（標準狀況）.

解析 該裝置是兩個串聯(lián)的燃料電池電解NaCl飽和溶液.CH4燃料電池的電解質(zhì)溶液為KOH堿性環(huán)境，則正負極反應(yīng)式分別為：2O2+4H2O+8e-8OH-，CH4+10OH--8e-CO2-3+7H2O.閉合K開關(guān)后，a電極為陽極，發(fā)生的電極反應(yīng)式為：2Cl--2e-Cl2↑，b電極為陰極，發(fā)生的電極反應(yīng)式為：2H++2e-H2↑.總反應(yīng)式為：2NaCl+2H2O電解2NaOH+H2↑+Cl2↑.

根據(jù)通入甲烷的量和電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目，可知理論上通過電解池的電量為：

1 L22.4 L·mol-1×8×

9.65×104C·mol-1，最多能產(chǎn)生氯氣的量為通入甲烷量的4倍，即4 L.

答案：（1） 2O2+4H2O +8e-8OH-

CH4+10OH--8e-CO2-3+7H2O

（2）H2

2NaCl+2H2O電解2NaOH+H2↑+Cl2↑

（3） 1L22.4 L·mol-1×8×9.65×104C·mol-1=3.45×104C 4 L

例7某同學(xué)組裝了圖7所示的電化學(xué)裝置，電極Ⅰ為Al，其它均為Cu，則（ ）.

A. 電流方向：電極Ⅳ→A→電極Ⅰ

B. 電極Ⅰ發(fā)生還原反應(yīng)

C. 電極Ⅱ逐漸溶解

D. 電極Ⅲ的電極反應(yīng)：Cu2++2e- Cu

解析由題意可知，該裝置的Ⅰ、Ⅱ是原電池的兩極，Ⅰ是負極，Ⅱ是正極，Ⅲ、Ⅳ是電解池的兩極，其中Ⅲ是陽極，Ⅳ是陰極，所以電流方向：電極Ⅳ→電流計→電極Ⅰ，A正確；電極I是原電池的負極，發(fā)生氧化反應(yīng)，B錯誤；電極Ⅱ是原電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)，有Cu析出，C錯誤；電極Ⅲ是陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)是Cu-2e-Cu2+，D錯誤. 答案：A

解答要點

（1）通過分析外電路電子的定向移動和內(nèi)電路離子的定向移動，判斷整套多池裝置是原電池還是電解池；

（2）在進行分析時要注意：“電子不下水，離子不上岸”的工作原理.如例6中電子的數(shù)目不能計算成2L甲烷產(chǎn)生的.

（3）多池裝置進行計算時，電子是其中的橋梁，通過電子的數(shù)目可搭建起已知量和未知量之間的關(guān)系.

跟蹤練習(xí)：

1.鉛蓄電池的工作原理為：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O研讀右圖，下列判斷不正確的是（ ）.

A.K閉合時，d電極反應(yīng)式：PbSO4+2H2O-2e-PbO2+4H++SO2-4

B.當電路中轉(zhuǎn)移0.2 mol電子時，Ⅰ中消耗的H2SO4為0.2 mol

C.K閉合時，Ⅱ中SO2-4向c電極遷移

D.K閉合一段時間后，Ⅱ可單獨作為原電池，d電極為正極

答案：C

（收稿日期：2015-01-10）