热点06含“膜”型电化学装置分析（原卷版）_05高考化学_新高考复习资料_2023年新高考资料_专项复习_2023年高考化学热点·重点·难点专练（新高考专用）_914

热点 06 含“膜”型电化学装置分析 1、离子交换膜的含义和作用 (1)含义：离子交换膜又叫隔膜，由高分子特殊材料制成 (2)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，如：在电解饱和食盐水中，利用 阳离子交换膜，防止阳极产生的Cl 进入阴极室与氢氧化钠反应，导致所制产品不纯；防止与阴极产 2 生的H 混合发生爆炸 2 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用于物质的分离、提纯等 ④用于物质的制备，电解后溶液阴极区或阳极区得到所制备的物质 2、离子交换膜的类型 (1)阳离子交换膜——只允许阳离子和水分子通过，阻止阴离子和气体通过 以锌铜原电池为例，中间用阳离子交换膜隔开 ①负极反应式：Zn－2e－===Zn2＋ ②正极反应式：Cu2＋＋2e－===Cu ③Zn2＋通过阳离子交换膜进入正极区 ④阳离子 透过阳离子交换膜 原电池正极(或电解池的阴极) (2)阴离子交换膜——只允许阴离子和水分子通过，阻止阳离子和气体通过 以Pt为电极电解淀粉KI溶液，中间用阴离子交换膜隔开 ①阴极反应式：2HO＋2e－===H ↑＋2OH－ 2 2 ②阳极反应式：2I－－2e－===I 2 ③阴极产生的OH－移向阳极与阳极产物反应：3I ＋6OH－===IO＋5I－ 2 ＋3HO 2 ④阴离子 透过阴离子交换膜 电解池阳极(或原电池的负极) (3)质子交换膜——只允许H＋和水分子通过 1 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司在微生物作用下电解有机废水(含CH COOH)，可获得清洁能源H 3 2 ①阴极反应式：2H＋＋2e－===H ↑ 2 ②阳极反应式：CHCOOH－8e－＋2HO===2CO ↑＋8H＋ 3 2 2 ③阳极产生的H＋通过质子交换膜移向阴极 ④H＋ 透过质子交换膜 原电池正极(或电解池的阴极) 3、离子交换膜类型的判断——根据电解质溶液呈电中性的原则，判断膜的类型 方法与 (1)首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余 技巧 (2)根据溶液呈电中性，判断出离子移动的方向，从而确定离子交换膜的类型 实例分 析：电解 饱和食盐 水 电解饱和食盐水时，阴极反应式为2HO＋2e－===H ↑＋2OH－，则阴极区域破坏水的电离 2 2 分析 平衡，OH－有剩余，阳极区域的 Na＋穿过离子交换膜进入阴极室，与 OH－结合生成 方法 NaOH，故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜 （建议用时：45分钟） 【真题再现】 1．（2022·全国甲卷）一种水性电解液Zn-MnO 离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以 2 2 Zn(OH) 存在)。电池放电时，下列叙述错误的是 4 A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移 2 B．Ⅰ区的SO 通过隔膜向Ⅱ区迁移 4 2 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司C． MnO 电极反应：MnO +2e-+4H+=Mn2++2H O 2 2 2 D．电池总反应：Zn+4OH-+MnO+4H+=Zn(OH) 2 +Mn2++2H O 2 4 2 2．（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CO ， 2 将废旧锂离子电池的正极材料LiCoO (s)转化为Co2+，工作时保持厌氧环境，并定时将乙室溶液转移至甲 2 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LiCoO +2H O+e-=Li++Co2++4OH- 2 2 D．若甲室Co2+减少200mg，乙室Co2+增加300mg，则此时已进行过溶液转移 3．（2021·广东）钴(Co)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 pH A．工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的 均增大 B．生成1molCo，Ⅰ室溶液质量理论上减少 16g C．移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变 通电 D．电解总反应：2Co2 2H O 2CoO 4H 2 2 4．（2021·全国甲）乙醛酸是一种重要的化工中间体，可果用如下图所示的电化学装置合成。图中的双极 膜中间层中的H 2 O解离为H+和OH-，并在直流电场作用下分别问两极迁移。下列说法正确的是 3 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司A．KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用 B．阳极上的反应式为： +2H++2e-= +H O 2 C．制得2mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1mol电子 D．双极膜中间层中的H+在外电场作用下向铅电极方向迁移 5．（2021·河北）K—O 电池结构如图，a和b为两个电极，其中之一为单质钾片。关于该电池，下列说法 2 错误的是 A．隔膜允许K+通过，不允许O 通过 2 B．放电时，电流由b电极沿导线流向a电极；充电时，b电极为阳极 C．产生1Ah电量时，生成KO 的质量与消耗O 的质量比值约为2.22 2 2 D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗3.9g钾时，铅酸蓄电池消耗0.9g水 6．（2021·湖南）锌溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池，广泛应用于再生能源储能和智能电网的 备用电源等。三单体串联锌溴液流电池工作原理如图所： 4 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司下列说法错误的是 A．放电时，N极为正极 ZnBr B．放电时，左侧贮液器中 的浓度不断减小 2 C．充电时，M极的电极反应式为Zn2 2e Zn D．隔膜允许阳离子通过，也允许阴离子通过 【优选特训】 1．用电解法可提纯含有某种含氧酸根杂质的粗KOH溶液，其工作原理如图所示。下列有关说法错误的是( ) A．阳极反应式为4OH－－4e－===2H O＋O↑ 2 2 B．通电后阴极区溶液pH会增大 C．K＋通过阳离子交换膜从阴极区移向阳极区 D．纯净的KOH溶液从b口导出 2．（2022·北京顺义·二模）我国科研人员发明膜电极电解器电解脱硫废水制备硫酸铵技术，下图为制备装 置示意图。下列说法正确的是 A．电极a为阴极 B．b极有NH 生成 3 C．b极附近酸性增强 D．SO 2- 在a极放电的电极反应式是：SO 2- + H O −2e- =SO 2- + 2H+ 3 3 2 4 3．（2022·四川·成都七中模拟预测）水系钠离子电池有成本低、寿命长、环保等诸多优势，未来有望代替 锂离子电池和铅酸电池。种水系钠离子电池放电和充电的工作原理示意图如图所示。下列说法错误的是 5 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司A．放电时，电极N上的电势高于电极M上的电势 B．充电时，TiO 光电极参与该过程 2 C．该交换膜为阴离子交换膜 D．放电时负极反应式为：4S2--6e=S2- 4 4．科学家用Li PW O 28H O(POM，P为＋5价)和FeTiO 作催化剂，通过常温常压电化学还原氮得 6 2 18 62 2 2 到火箭燃料肼，装置如图。下列有关说法错误的是 A．Li PW O 28H O中W的化合价为＋6价 6 2 18 62 2 通电 B．该电解池总反应式为N 2H O N H O 2 2 2 4 2 C．若用铅蓄电池作电源，则B电极应与PbO 电极相连 2 D．若质子交换膜中有N 个H通过，则B电极有标准状况下22.4 L O 产生 A 2 5．（2022·安徽黄山·二模）羟基自由基(·OH)是自然界中氧化性仅次于氟的氧化剂。我国科学家设计了一 种能将苯酚氧化为CO 和HO的原电池-电解池组合装置(如下图所示)，该装置能实现发电、环保二位一体。 2 2 下列说法错误的是 A．b极为负极，d极为阳极 6 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司B．b电极区每产生3molCO ，c电极区溶液质量减轻14g 2 C．d电极的电极反应式：HO-e-=·OH+H+ 2 D．工作时，如果II室中Na+、Cl− 数目都减小，则M为阳离子交换膜 6．（2022·山东济南·高三期中）基于硫化学的金属硫电池是有望替代当前锂离子电池技术，满足人类社会 快速增长的能源需求，该电池的结构及原理如图所示。下列有关叙述正确的是 A．该电池可采用含K的水溶液或有机物为电解质溶液 B．放电时，电子的移动方向：电极a→电极b→隔膜→电极a C．充电时，正极区可能发生的反应有xK S -(2x-6)e-=3S2-+2xK+ 2 3 x D．充电时，电路中转移2mole时，负极质量减少78g 7．现有阳离子交换膜、阴离子交换膜、石墨电极和如图所示的电解槽。利用氯碱工业中的离子交换膜技 术原理，可电解NaSO 溶液生产NaOH溶液和HSO 溶液。下列说法正确的是( ) 2 4 2 4 A．阴极反应式为4OH－－4e－===2H O＋O↑ 2 2 B．从A口出来的是NaOH溶液 C．b是阳离子交换膜，允许Na＋通过 D．NaSO 溶液从G口进入 2 4 8．（2022·陕西西安·二模）据文献报道，一种新型的微生物脱盐电池的装置如图所示，关于该电池装置说 法正确的是 7 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司A．Y为阴离子选择性交换膜 B．左室溶液碱性增强 C．负极反应是CHCOO- +2H O-8e-=2CO ↑+7H+ 3 2 2 D．转移2 mol电子，海水脱去氯化钠的质量是58.5 g 9．用惰性电极电解法制备硼酸[H BO 或B(OH) ]的工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子和阴 3 3 3 离子通过)。下列有关说法正确的是( ) A．阴极与阳极产生的气体体积比为1∶2 B．b极的电极反应式为2HO－2e－===O ↑＋4H＋ 2 2 C．产品室中发生的反应是B(OH) ＋OH－===B(OH) 3 D．每增加1 mol H BO 产品，NaOH溶液增重22 g 3 3 10．微生物脱盐电池既可以处理废水中CHCOOH和NH+，又可以实现海水淡化，原理如下图所示。下列 3 4 说法正确的是 A．生物电极b为电池的负极 B．电极a的电极反应式为CHCOOH-8e-+8OH-=2CO ↑+6H O 3 2 2 C．每生成标准状况下2.24LN ，电路中转移0.6mol电子 2 8 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司D．离子交换膜a为阳离子交换膜，离子交换膜b为阴离子交换膜 11．乙醛酸( )是有机合成的重要中间体。工业上用“双极室成对电解法”生产乙醛酸，原 理如图所示。该装置中阴、阳两极为惰性电极，两极室均可产生乙醛酸，其中乙二醛与 M电极的产物反应 生成乙醛酸。下列说法正确的是( ) A．若有2 mol H＋通过质子交换膜，并完全参与了反应，则该装置中生成的乙醛酸为1 mol B．M电极上的电极反应式为OHC—CHO＋HO＋2e－===HOOC—CHO＋2H＋ 2 C．M极与电源的正极相连 D．电解一段时间后，N极附近溶液的pH变小 12．（2022·河北唐山·二模）某科研小组用碱性甲烷燃料电池制备CoH PO  ，其工作原理如图所示(已 2 2 2 知电解装置的电极材料分别为金属钴和不锈钢)： 下列有关说法错误的是 A．N电极为不锈钢 B．电极n处电极反应式为：CH 8e8OH CO 6H O 4 2 2 C．电解一段时间后，N极区溶液pH增大 D．膜a、膜c均为阳离子交换膜 13．高铁酸钠(Na FeO)是一种新型绿色水处理剂。工业上可用电解浓NaOH溶液制备NaFeO ，其工作原 2 4 2 4 理如图所示，两端隔室中离子不能进入中间隔室。下列说法错误的是( ) 9 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司A．阳极反应式：Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4HO 2 B．甲溶液可循环利用 C．离子交换膜a是阳离子交换膜 D．当电路中通过2 mol电子时，Fe电极会有1 mol H 生成 2 14．（2022·四川·石室中学模拟预测）糠醛氧化制备糠酸是综合利用糠醛资源的一个重要途径。在直流电 场作用下，双极膜(BMP)将水解离为H+和OH-，并实现其定向通过。工业上用双极膜电解槽电解糠醛溶液 同时制备糠醇和糠酸盐，电解时，MnO /MnOOH在电极与糠醛之间传递电子，电解过程如图所示。下列 2 说法不正确的是 A．电解时，阳极反应为MnOOH-e-+OH-=MnO+H O 2 2 B．通电时双极膜将水解离为H+和OH-，H+向阴极室方向移动 C．生成糠酸盐的离子反应方程式为 +2MnO+OH-→ +2MnOOH 2 D．理论上外电路中迁移2mol电子，需要消耗1mol糠醛 15．（2022·天津·一模）在KCr O 存在下，利用微生物电化学技术实现含苯酚废水的有效处理，同时向外 2 2 7 界提供电能，其工作原理如图所示。下列说法正确的是 A．N极为电池的正极，产生OH- B．工作一段时间后，NaCl溶液浓度增大 C．M极的电极反应为 +11H O-23e-=6CO ↑+23H+ 2 2 D．处理CrO2时，OH-从阴离子交换膜左侧向右侧移动 2 7 1 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 0 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司16．（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 C H O+6H O - 24e -=6CO +24H+ 6 12 6 2 2 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+和电极之间存在着对 4 O 的竞争 2 D．若“好氧阴极”1molNH+完全生成NO- ，此时向该电极输送电子的物质的量为4mol，则该区消耗的 4 3 O 在标准状况的体积约为44.8L 2 17．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HO解离成H＋和OH－，并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。下图为NaBr溶液的电渗析 2 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．阴极电极反应式为2H＋＋2e－===H ↑ 2 1 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 1 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司18．某电池研究员使用锂—磺酰氯(Li—SO Cl)电池作为电源电解制备Ni(H PO ) ，其工作原理如图所示。 2 2 2 2 2 已知电池反应为2Li＋SO Cl===2LiCl＋SO ↑。下列说法错误的是( ) 2 2 2 A．电池中C电极的电极反应式为SO Cl＋2e－===2Cl－＋SO ↑ 2 2 2 B．电池的e极连接电解池的h极 C．膜a是阳离子交换膜，膜c是阴离子交换膜 D．电解池中不锈钢电极的电极反应式为2HO＋2e－===H ↑＋2OH－ 2 2 1 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 2 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司1 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 3 学学科科网网（（北北京京））股股份份有有限公司