专题 7 新型电化学装置

根据【思路导引】可知电池部分能产生电流的直接驱动力是 $ {\rm {\mathrm{N}\mathrm{H}}_{3}} $ 结合 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{u}}^{2+}} $ ，导致两极区产生 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{u}}^{2+}} $ 浓度差， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；该电池中 $ \mathrm{a} $ 为负极， $ \mathrm{b} $ 为正极，若用于电解精炼铜， $ \mathrm{a} $ 极接电解池阴极，阴极的电极材料为精铜， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确； $ \mathrm{a} $ 极室溶液中生成的 $ {\rm {[\mathrm{C}\mathrm{u}{({\mathrm{N}\mathrm{H}}_{3})}_{4}]}^{2+}} $ 导致正电荷增加， $ \mathrm{b} $ 极室消耗 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{u}}^{2+}} $ ，导致正电荷减少， $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-}} $ 需由 $ \mathrm{b} $ 极室迁移到 $ \mathrm{a} $ 极室，才能维持两室溶液呈电中性，使电池反应能不断进行下去，故装置中的离子交换膜为阴离子交换膜， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误；根据【思路导引】可知，电池部分的总反应为 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{u}}^{2+}+4{\mathrm{N}\mathrm{H}}_{3}\xlongequal{}[\mathrm{C}\mathrm{u}{({\mathrm{N}\mathrm{H}}_{3})}_{4}]^{2+}} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

在原电池中，阳离子 $ {\rm ({\mathrm{H}}^{+})} $ 会向正极移动，阴离子会向负极移动，即 $ {\rm {\mathrm{H}}^{+}} $ 通过质子交换膜1向左移动，通过质子交换膜2向右移动， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；由【思路导引】知， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；在缺氧阴极区域，硝酸根离子 $ {\rm ({\mathrm{N}\mathrm{O}}^{-}{}_{3})} $ 被还原为氮气 $ {\rm ({\mathrm{N}}_{2})} $ ，电极反应式为 $ {\rm 2{\mathrm{N}\mathrm{O}}^{-}{}_{3}+12{\mathrm{H}}^{+}+10{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{N}}_{2}↑+6{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}.} $ ，反应消耗的氢离子数（12）大于通过质子交换膜迁移的 $ {\rm {\mathrm{H}}^{+}} $ 数（10），且反应生成 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ，导致附近溶液的酸性减弱，该区域溶液的 $ {\rm \mathrm{p}\mathrm{H}} $ 增大， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；若电极 $ \mathrm{b} $ 流出 $ 1.2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ 电子，参与反应的 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{H}}_{3}\mathrm{O}\mathrm{H}} $ 的物质的量 $ {\rm n({\mathrm{C}\mathrm{H}}_{3}\mathrm{O}\mathrm{H})=\dfrac{1.2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}}{6}=0.2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}} $ ，则反应生成 $ {\rm 0.2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}} $ 气体，其质量为 $ 8.8\mathrm{g} $ ，同时产生的 $ {\rm 1.2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{H}}^{+}} $ 移向阴极，其质量为 $ 1.2\mathrm{g} $ ，故 $ \mathrm{b} $ 电极区“出水”比“进水”质量减小 $ 8.8\mathrm{g}+1.2\mathrm{g}=10\mathrm{g} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。

根据双极膜中离子迁移方向， $ {\rm {\mathrm{H}}^{+}} $ 向阴极移动、 $ {\rm {\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}} $ 向阳极移动，则石墨电极是阴极，应连接外接电源的负极， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；Ⅲ室中 $ {\rm \mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}} $ 浓溶液通过离子迁移变为稀溶液： $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{l}}^{-}} $ 需通过 $ {\rm \mathrm{X}} $ 膜向左迁移， $ {\rm {\mathrm{N}\mathrm{a}}^{+}} $ 需通过 $ {\rm \mathrm{Y}} $ 膜向右迁移至Ⅳ室生成 $ {\rm \mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}} $ ，故 $ {\rm \mathrm{X}} $ 膜为阴离子交换膜、 $ {\rm \mathrm{Y}} $ 膜为阳离子交换膜， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；Ⅳ室生成 $ {\rm 3\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}} $ 时，电路中转移 $ 3\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{e}}^{-} $ ，左侧双极膜解离出 $ {\rm 3\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{H}}^{+}} $ 迁移至Ⅱ室，与 $ {\rm {[\mathrm{B}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{4}]}^{-}} $ 反应生成 $ {\rm 3\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{B}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{3}} $ ， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误；未说明“标准状况”， $ {\rm 22.4\mathrm{L}{\mathrm{O}}_{2}} $ 的物质的量不一定为 $ 1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ ，无法计算双极膜中 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ 的解离量， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。

由【思路导引】可知，左侧热化学电池对锂离子电池充电时，热端接锂离子电池的 $ \mathrm{a} $ 极，故热端为负极，冷端为正极，冷端电极电势高于热端电极电势， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；在热化学电池中，热端为负极，发生的是氧化反应，即电极反应式为 $ {\rm [\mathrm{F}\mathrm{e}{(\mathrm{C}\mathrm{N})}_{6}]^{4-}-{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}[\mathrm{F}\mathrm{e}{(\mathrm{C}\mathrm{N})}_{6}]^{3-}} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；在锂离子电池充电过程中， $ {\rm {\mathrm{L}\mathrm{i}}^{+}} $ 通过 $ {\rm \mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{P}\mathrm{O}\mathrm{N}} $ 薄膜移向电池的阴极（即 $ \mathrm{a} $ 极）， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误；相同条件下，两装置转移电子数相等，对锂离子电池充电时， $ \mathrm{b} $ 极电极反应式为 $ {\rm {\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{O}}_{2}-x{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{L}\mathrm{i}}_{1-x}{\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{O}}_{2}+x{\mathrm{L}\mathrm{i}}^{+}} $ ，每转移 $ x\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ 电子生成 $ {\rm 1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}\mathrm{i}}_{1-x}{\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{O}}_{2}} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。

充电时，阴离子向阳极移动， $ {\rm {\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}} $ 由双极膜移向多孔 $ {\rm \mathrm{P}\mathrm{d}} $ 纳米片电极， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；由【思路导引】知， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；放电时多孔 $ {\rm \mathrm{P}\mathrm{d}} $ 纳米片作正极，充电时，多孔 $ {\rm \mathrm{P}\mathrm{d}} $ 纳米片作阳极，其电极电势均高于 $ {\rm \mathrm{Z}\mathrm{n}} $ 电极， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；由电荷守恒知，外电路通过 $ 1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ 电子时，双极膜中解离的水的物质的量为 $ 1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

根据【思路导引】可知， $ \mathrm{c} $ 是阳离子交换膜， $ \mathrm{d} $ 为阴离子交换膜， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；石墨电极 $ {\rm \mathrm{N}} $ 为负极， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误； $ {\rm \mathrm{P}} $ 处产物为 $ {\rm \mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}} $ 浓溶液，应加蒸馏水稀释，以重复使用， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误；制备 $ {\rm 1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{({\mathrm{C}\mathrm{H}}_{3})}_{4}\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{H}} $ 时，有 $ {\rm 1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{({\mathrm{C}\mathrm{H}}_{3})}_{4}{\mathrm{N}}^{+}} $ 通过 $ \mathrm{c} $ （阳离子交换膜）进入 $ \mathrm{a} $ 电极室，则电路中转移 $ 1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ 电子，根据 $ \mathrm{b} $ 电极反应 $ {\rm 4{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}-4{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{O}}_{2}↑+2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}.} $ 可知，此时生成 $ {\rm 0.25\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{2}} $ ，标准状况下 $ {\rm 0.25\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{2}} $ 体积为 $ {\rm 5.6\mathrm{L}} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

由【思路导引】知交换膜 $ \mathrm{b} $ 为阴离子交换膜， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；乙池中 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{2}} $ 被氧化为 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-}} $ 而 $ {\rm \mathrm{N}\mathrm{O}} $ 被还原为 $ {\rm {\mathrm{N}\mathrm{H}}^{+}{}_{4}} $ ，根据得失电子守恒和电荷守恒可知需要补充 $ {\rm {\mathrm{N}\mathrm{H}}_{3}} $ ，所以总反应的离子方程式为 $ {\rm 5{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{2}+2\mathrm{N}\mathrm{O}+8{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}+8{\mathrm{N}\mathrm{H}}_{3}\xlongequal{电解}10{\mathrm{N}\mathrm{H}}^{+}{}_{4}+5{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-}} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确； $ {\rm \mathrm{M}} $ 室每产生 $ {\rm 1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{2}} $ ，失去 $ 4\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{e}}^{-} $ ，消耗 $ {\rm 2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ，生成 $ {\rm 4\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{H}}^{+}} $ 并迁移至浓缩室，据此得到关系式： $ {\rm 4{\mathrm{H}}^{+}\sim 2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ （减少），浓缩室得到 $ {\rm 4\mathrm{L}0.6\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\cdot {\mathrm{L}}^{-1}} $ 的盐酸即产生 $ {\rm {\mathrm{H}}^{+}} $ 的物质的量为 $ {\rm 4\mathrm{L}×(0.6-0.1)\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\cdot {\mathrm{L}}^{-1}=2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}} $ ，所以 $ {\rm \mathrm{M}} $ 室减少的水物质的量为 $ 1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ ，质量为 $ 1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}×18\mathrm{g}\cdot {\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}}^{-1}=18\mathrm{g} $ ， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误；甲池消耗 $ {\rm {\mathrm{O}}_{2}} $ 的物质的量为 $ 0.25\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ ，根据得失电子守恒得到关系式： $ {\rm 5{\mathrm{O}}_{2}\sim 20{\mathrm{e}}^{-}\sim 4\mathrm{N}\mathrm{O}\sim 10{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{2}} $ ，则处理的 $ {\rm \mathrm{N}\mathrm{O}} $ 、 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{2}} $ 的物质的量分别为 $ 0.25\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}×\dfrac{4}{5}=0.2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ 、 $ 0.25\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}×2=0.5\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ ，标准状况下消耗的 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{2}} $ 和 $ {\rm \mathrm{N}\mathrm{O}} $ 总体积为 $ {\rm 0.7\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}×22.4\mathrm{L}\cdot {\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}}^{-1}=15.68\mathrm{L}} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。