主题9 第5讲 含膜电化学装置在生产生活中的应用（Word教师用书）-【新高考方案】2025年高考化学一轮总复习（江苏专版）

第五讲　含膜电化学装置在生产生活中的应用 (综合应用课) 离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。因它对离子具有选择透过性，且电化学性能优良，在涉及电化学的工业生产中广泛应用。由于离子交换膜能将工业生产与化学知识有机的融合，实现资源的最优配置，考查学生的学以致用能力，在近几年的电化学高考试题中年年涉及。 真题集训——悟多彩考法 1．(2023·全国甲卷)用可再生能源电还原CO2时，采用高浓度的K＋抑制酸性电解液中的析氢反应可提高多碳产物(乙烯、乙醇等)的生成率，装置如下图所示。下列说法正确的是(　 ) A．析氢反应发生在IrOx­Ti电极上 B．Cl－从Cu电极迁移到IrOx­Ti电极 C．阴极发生的反应有：2CO2＋12H＋＋12e－===C2H4＋4H2O D．每转移1 mol电子，阳极生成11.2 L气体(标准状况) 解析：选C　IrOx­Ti电极接电源正极，为阳极，发生失电子的氧化反应，故电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，A错误；质子交换膜只允许H＋通过，故左室H＋从IrOx­Ti电极向Cu电极迁移，B错误；Cu电极接电源负极，为阴极，发生得电子的还原反应，根据图中物质转化关系知CO2可发生反应2CO2＋12H＋＋12e－===C2H4＋4H2O，C正确；由A可知每转移1 mol电子，阳极生成0.25 mol即5.6 L(标准状况)O2，D错误。 2．(2023·北京卷)回收利用工业废气中的CO2和SO2，实验原理示意图如下。 下列说法不正确的是(　 ) A．废气中SO2排放到大气中会形成酸雨 B．装置a中溶液显碱性的原因是HCO的水解程度大于HCO的电离程度 C．装置a中溶液的作用是吸收废气中的CO2和SO2 D．装置b中的总反应为SO＋CO2＋H2OHCOOH＋SO 解析：选C　SO2是酸性氧化物，废气中SO2排放到空气中会形成硫酸型酸雨，故A正确；装置a中溶液的溶质为NaHCO3，溶液显碱性，说明HCO的水解程度大于其电离程度，故B正确；装置a中NaHCO3溶液的作用是吸收SO2气体，CO2与NaHCO3溶液不反应，不能吸收CO2，故C错误；由电解池阴极和阳极反应式可知，装置b中总反应为SO＋CO2＋H2OHCOOH＋SO，故D正确。 3．(2023·湖北卷)我国科学家设计如图所示的电解池，实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变，电解生成氢气的速率为x mol·h－1。下列说法错误的是(　 ) A．b电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ B．离子交换膜为阴离子交换膜 C．电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜 D．海水为电解池补水的速率为2x mol·h－1 解析：选D　根据题图，b电极与电源负极相连，为阴极，电解质溶液呈碱性，故阴极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，A正确；已知该装置工作时阳极无氯气生成，则阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，又阳极KOH溶液的浓度不变，则需要OH－由阴极移向阳极，故离子交换膜为阴离子交换膜，B正确；动能高的水分子可以穿过PTFE膜，C正确；由阴、阳极反应式可知，电解总反应式为2H2O2H2↑＋O2↑，已知电解生成氢气的速率为x mol·h－1，则海水为电解池补水的速率也为x mol·h－1，D错误。 4．(2021·全国甲卷)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采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H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是(　 ) 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－―→＋H2O C．制得2 mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1 mol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 解析：选D　由题图可知，在铅电极乙二酸变成乙醛酸是去氧的过程，发生还原反应，则铅电极是电解装置的阴极，石墨电极发生氧化反应，反应为2Br－－2e－===Br2，此为阳极反应式，由分析可知，Br－还是阳极反应物，A、B错误；制得2 mol 乙醛酸，实际上是左、右两侧各制得1 mol乙醛酸，共转移2 mol电子，故理论上外电路中迁移的电子为2 mol，C错误；电解装置中，阳离子移向阴极(即铅电极)，D正确。 深化认知——强分析能力 (一)离子交换膜的类型及作用 (二)常见含“膜”电化学装置解读 1．单膜双室 　 带阳离子交换膜的氯碱工业电解模型： 分析如下： 此时，阳离子交换膜的作用是平衡电荷，形成闭合回路；防止Cl2和H2混合而引起爆炸；避免Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量；避免Cl－进入阴极区导致制得的NaOH不纯。 2．双膜三室 水溶液中电解制备金属钴的装置示意图 分析如下： 判断电极名称 书写电极反应 检查离子浓度变化 确定膜(或离子移动方向) 阳极(石墨) 2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ Ⅰ室c(H＋)增大，即c(阳离子)增大 H＋通过阳离子交换膜由Ⅰ室移向Ⅱ室 阴极(Co) Co2＋＋2e－===Co Ⅲ室阴离子电荷数大于阳离子电荷数 Cl－通过阴离子交换膜由Ⅲ室移向Ⅱ室 3．三膜四室 以四室电渗析法制备H3PO2(次磷酸)为例，其工作原理如图所示： 分析如下： 判断电极名称 书写电极反应 检查离子浓度变化 确定膜(或离子移动方向) 阳极(a) 2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ 阳极室c(H＋)增大，即c(阳离子)增大 H＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2PO通过阴离子交换膜进入产品室 阴极(b) 4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－ 阴极室c(OH－)增大，即c(阴离子)增大 原料室中的Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室 4．四膜五室 海水中除含有钠、氯等元素，还含有钙、镁、钾、硫酸根离子等。现利用“电渗析法”对海水进行淡化，技术原理如图： 分析如下： 判断电极名称 书写电极反应 检查离子浓度变化 确定膜(或离子移动方向) 阳极(甲) 2Cl－－2e－===Cl2↑ 甲室c(Cl－)减小，即c(阴离子)减小 Na＋等阳离子通过阳离子交换膜由甲室移向乙室 阴极(戊) 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ 戊室c(OH－)增大，即c(阴离子)增大 OH－等阴离子通过阴离子交换膜由戊室移向丁室 5．创新考查中的双极膜 分析如下： 双极膜是一种新型离子交换膜，其膜主体可分为阴离子选择层、阳离子选择层和中间界面层，水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中。与传统阴、阳离子交换膜不同，双极膜可以大幅度降低内部电阻，同时水电离产生H＋ 和OH－可在电场的作用下快速迁移到两侧溶液中，为膜两侧的半反应提供各自理想的pH条件。 题点例析——建思维模型 　用于物质的制备 [例1]　(2024·邢台开学考)Li­SO2Cl2电池可作为电源电解制备Ni(H2PO2)2，其工作原理如图所示。已知电池反应方程式为2Li＋SO2Cl2===2LiCl＋SO2↑。 回答下列问题： (1)Li电极是________(填“正极”或“负极”)，C电极上的电极反应为________________________________________________________。 (2)Li电极与________(填“镍”或“不锈钢”)相连，膜c为________交换膜(填“阳离子”或“阴离子”)。 (3)电解一段时间后，Ⅳ室中氢氧化钠溶液浓度将________(填“增大”“减小”或“不变”)。 (4)理论上产品室每获得283.5 g的Ni(H2PO2)2，Li电极的质量减少________g。 [解析]　图中左侧电池为原电池，右侧电池为电解池。在原电池中，Li电极为负极，C电极为正极；右侧电池中，因为要在产品室中获得Ni(H2PO2)2，所以镍电极为阳极，不锈钢电极为阴极。Ni2＋透过膜a进入产品室，则膜a为阳离子交换膜；Ⅲ室中的H2PO透过膜b进入产品室，则膜b为阴离子交换膜；Ⅲ室中的Na＋透过膜c进入Ⅳ室，则膜c为阳离子交换膜。(1)Li电极是负极，C电极(正极)上，SOCl2获得电子生成SO2和Cl－，电极反应为SO2Cl2＋2e－===2Cl－＋SO2↑。(2)因为镍电极为阳极，不锈钢电极为阴极，则Li电极与不锈钢相连，膜c为阳离子交换膜。(3)Ⅳ室中，H2O得电子生成H2和OH－，Na＋从Ⅲ室进入Ⅳ室，则电解一段时间后，Ⅳ室中氢氧化钠溶液浓度将增大。(4)283.5 g Ni(H2PO2)2的物质的量为＝1.5 mol，则线路中转移电子3 mol，Li电极上失电子的Li为3 mol，质量减少3 mol×7 g·mol－1＝21 g。 [答案]　(1)负极　SO2Cl2＋2e－===2Cl－＋SO2↑　(2)不锈钢　阳离子　(3)增大　(4)21 题后悟道|　 电解原理常用于物质的制备，具有反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等优点，电解原理能使许多不能自发的反应得以实现。工业上常用多室电解池制备物质，多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为两室、三室、多室等，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。 [对点训练] 1．(2024·河南名校联考)以间硝基甲苯()为原料，采用间接成对电解合成间氨基苯甲酸装置如图所示(离子交换膜只允许离子通过)，下列说法中错误的是(　 ) A．电极A应与电源的负极相连 B．装置中的离子交换膜为阳离子交换膜 C．每生成1 mol 同时生成1 mol Ti4＋ D．电解池工作时，理论上，阴极区电解质溶液pH升高 解析：选C　由图可知，与电源负极相连的电极A为电解池的阴极，Ti4＋离子在阴极得到电子发生还原反应生成Ti3＋离子，电极反应式为Ti4＋＋e－===Ti3＋，阴极区中Ti3＋离子与间硝基苯甲酸酸性条件下反应生成间氨基苯甲酸、Ti4＋离子和水，反应的离子方程式为＋6Ti4＋＋2H2O，则每生成1 mol 同时生成6 mol Ti4＋离子。电极B为阳极，水分子作用下铬离子在阳极失去电子发生氧化反应生成重铬酸根离子和氢离子，电极反应式为2Cr3＋－6e－＋7H2O===Cr2O＋14H＋，阳极区中重铬酸根离子与间硝基甲苯酸性条件下反应生成间硝基苯甲酸，反应的离子方程式为＋2Cr3＋＋5H2O，电解时，氢离子通过阳离子交换膜由阳极区进入阴极区，则电解池工作时，理论上，氢离子的物质的量不变，由于反应生成的水导致溶液体积增大，氢离子的浓度减小，溶液pH升高。 2．(2024·苏州期末)利用电解原理制备Ca(H2PO4)2的装置如图所示(M、N均为惰性电极)。下列说法正确的是(　 ) A．M极与电源负极相连 B．常温下，电解后N极附近溶液pH减小 C．膜a、膜c均为阴离子交换膜，膜b为阳离子交换膜 D．电解时可获得副产物NaOH、H2、Cl2 解析：选D　由于电解过程中生成Ca(H2PO4)2，故Ca2＋通过膜a、H2PO通过膜b进入盛有Ca(H2PO4)2稀溶液的槽内，Na＋通过膜c进入盛有NaOH稀溶液的槽内，故M极为阳极，N极为阴极，电极反应式分别为2Cl－－2e－===Cl2↑(阳极)、2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－(阴极)，D正确。 　用于物质的分离与提纯 [例2]　利用含双膜(阴离子交换膜和过滤膜)电解装置将普通电解精炼铜所制备的精铜(仍含微量杂质)提纯为高纯度铜。下列有关叙述中不正确的是(　 ) A．电极a为高纯度铜，电极b为精铜 B．电极b上发生的主要反应为Cu－2e－===Cu2＋ C．甲膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区 D．相同时间内b电极减少的质量和a电极增加的质量相等 [解析]　电解精炼金属时高纯铜为阴极，精铜为阳极，A正确；精铜中主要成分是Cu，故阳极b上发生的主要反应为Cu－2e－===Cu2＋，B正确；甲膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区在阴极上放电，得不到高纯铜，C正确；b电极为含有杂质的铜，铜和杂质中活泼的金属都能发生失电子的反应，杂质中还可能含有不参与电极反应的固体杂质，而a电极上只析出金属铜，故相同时间内b电极减少的质量和a电极增加的质量不相等，D错误。 [答案]　D 题后悟道|　 利用电解原理来分离、提纯物质，如电解精炼铜的过程中，将粗铜作阳极，含Cu2＋的溶液为电解液，通直流电，在阳极铜及比铜活泼的杂质金属失电子，在阴极只有Cu2＋得电子析出，从而提纯了铜，也可以通过离子间带同种电荷的相互排斥远离，带异性电荷的相互吸引靠近，实现不同离子的定向迁移，从而实现对物质的分离与提纯，并由此判断出离子的移动方向。电解法是实现物质简单快速分离的一种有效手段，分离物质的同时得到副产物，具有比一般分离方法更实用的优势。 [对点训练] 1．电解法常用于分离提纯物质，某混合物浆液含Al(OH)3、MnO2和少量Na2CrO4。考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出，某研究小组利用设计的电解分离装置(如图)，使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液进行回收利用。(已知：2CrO＋2H＋===Cr2O＋H2O)下列说法不正确的是(　 ) A．阴极室生成的物质为NaOH和H2 B．阳极发生的电极反应是2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ C．a离子交换膜为阳离子交换膜 D．当外电路中转移2 mol电子时，阳极室可生成1 mol Cr2O 解析：选D　电解时，阳极上水中的氢氧根放电：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，故CrO通过阴离子交换膜向阳极移动，从而从浆液中分离出来，因存在2CrO＋2H＋===Cr2O＋H2O，则分离后含铬元素的粒子是CrO、Cr2O；阴极上水中的氢离子放电：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，混合物浆液中的钠离子通过阳离子交换膜进入阴极，故阴极反应生成氢气和NaOH。由于生成Cr2O的反应为可逆反应，当外电路中转移2 mol电子时，有1 mol CrO进入阳极室，阳极室生成Cr2O小于1 mol，D错误。 2．一种生物电化学方法脱除水体中NH的原理如图所示： 下列说法正确的是(　 ) A．装置工作时，电能转化为化学能 B．装置工作时，a极周围溶液pH升高 C．装置内工作温度越高，NH脱除率一定越大 D．电极b上发生的反应之一是2NO－2e－===N2↑＋3O2↑ 解析：选A　该装置是把电能转化为化学能，A正确；a极为阳极，电极反应为NH＋2H2O－6e－===NO＋8H＋，所以a极周围溶液的pH降低，B错误；该装置是在细菌生物作用下进行的，所以温度过高，导致细菌死亡，NH脱除率会减小，C错误；b极上反应式为2NO＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O，D错误。 　用于“三废”处理和环境保护 [例3]　在直流电源作用下，双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，利用双极膜电解池产生强氧化性的羟基自由基(·OH)处理含苯酚废水和含SO2的烟气，工作原理如图所示。下列说法错误的是(　 ) A．电势：N电极＞M电极 B．阴极电极反应式为O2＋2e－＋2H＋===2·OH C．每处理9.4 g苯酚，理论上有2.8 mol H＋透过膜a D．若·OH只与苯酚和SO2反应，则参加反应的苯酚和SO2物质的量之比为1∶14 [解析]　M极上O2得电子生成羟基自由基(·OH)，说明M极为阴极，连接电源的负极，N极为阳极，故电势：N电极＞M电极，A正确；M为阴极，阴极上O2得电子生成羟基自由基(·OH)，电极反应式为O2＋2e－＋2H＋===2·OH，B正确；1 mol苯酚转化为CO2，转移28 mol电子，每处理9.4 g苯酚(即0.1 mol)，理论上有2.8 mol电子转移，则有2.8 mol H＋透过膜b，C错误；若·OH只与苯酚和SO2反应，转移电子数之比为28∶2，则参加反应的苯酚和SO2物质的量之比为1∶14，D正确。 [答案]　C 题后悟道|　 应用电解的原理处理生产中的废水，可以直接将废水中有害物质通过电解形式分别在阳、阴两极上发生氧化和还原反应转化成为无害物质以实现污水净化；也可采用间接氧化和间接还原方式，即利用电解产生的具有氧化性或还原性的产物与废水中的有害物质发生化学反应，生成不溶于水的沉淀物，以达到分离去除的目的。 [对点训练] 1．微生物脱盐电池既可以处理废水中和铵盐，同时又能实现海水的淡化，原理如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过。下列说法正确的是(　 ) A．电极a为正极，该电极上发生氧化反应 B．X离子交换膜为阳离子交换膜，Y离子交换膜为阴离子交换膜 C．电极b上，每生成标况下2.24 L N2，电路中转移0.6 mol电子 D．电池工作一段时间后，电极a和电极b产生的气体的物质的量之比为1∶2 解析：选C　从图示可知，乙酸在电极a上失电子生成二氧化碳，电极a为负极，海水中的氯离子向电极a侧移动，因此X离子交换膜为阴离子交换膜，亚硝酸根离子在电极b上得电子生成N2，则电极b为正极，海水中的钠离子向电极b侧移动，Y离子交换膜为阳离子交换膜，A、B错误。电极b上，每生成标况下2.24 L N2，即生成0.1 mol氮气，1 mol NO转化为0.5 mol N2转移3 mol电子，因此生成0.1 mol氮气转移0.6 mol电子，C正确；1 mol乙酸转化为2 mol CO2转移8 mol电子，1 mol NO转化为0.5 mol N2，转移3 mol电子，则电池工作一段时间后，电极a和电极b产生的气体的物质的量之比为3∶2，D错误。 2．(2024·苏州第一中学期中)1,5­戊二胺[H2N(CH2)5NH2]用于高聚物制备和生物研究。利用双极膜(BPM)电渗析产碱技术可将生物发酵液中的1,5­戊二胺硫酸盐{[H3N(CH2)5NH3]SO4}转换为1,5­戊二胺产品，实现无害化提取，工作原理如图所示。下列说法正确的是(　 ) A．N极电势高于M极 B．可以从Ⅱ室得到浓度增大的H2SO4溶液 C．理论上Ⅰ室和Ⅴ室产生的气体体积比为2∶1 D．若Na2SO4溶液换为NaCl溶液，N极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，产生有毒气体 解析：选B　利用双极膜(BPM)电渗析产碱技术可将生物发酵液中的1,5­戊二胺硫酸盐{[H3N(CH2)5NH3]SO4}转换为1,5­戊二胺产品，则Ⅲ室中[H3N(CH2)5NH3]2＋进入Ⅳ室和氢氧根离子反应得到1,5­戊二胺，则右侧BPM膜中氢氧根离子进入Ⅳ室，由离子移动方向可知，N极为阴极，M极为阳极，N极氢离子放电生成氢气、M极氢氧根离子放电生成氧气；N极为阴极，M极为阳极，则N极电势低于M极，A错误；左侧BPM膜中氢离子进入Ⅱ室，Ⅲ室中硫酸根离子进入Ⅱ室，从Ⅱ室得到浓度增大的H2SO4溶液，B正确；根据电子守恒可知O2～4e－～2H2，理论上Ⅰ室和Ⅴ室产生的气体体积比为1∶2，C错误； 若Na2SO4溶液换为NaCl溶液，N极为阴极，反应为水放电生成氢气和氢氧根离子，不产生氯气，D错误。 [课时跟踪检测] 1．一种NO­空气燃料电池的工作原理如图所示，该电池工作时，下列说法正确的是(　 ) A．负极的电极反应式为NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋ B．H＋通过质子交换膜向左侧多孔石墨棒移动 C．若产生1 mol HNO3，则通入O2的体积应大于16.8 L D．电子的流动方向：负极→电解质溶液→正极 解析：选A　燃料电池中，通燃料一极为负极，即通入NO的一极为负极，根据装置图可知，负极电极反应式为NO＋2H2O－3e－===NO＋4H＋，A正确；根据原电池工作原理，H＋从负极经质子交换膜向正极移动，即移向右侧多孔石墨棒，B错误；题中没有指明是否为标准状况，因此无法判断通入氧气的体积，C错误；根据原电池工作原理可知，电子从负极经外电路流向正极，D错误。 2．(2024·佛山南海区摸底测试)某低成本储能电池原理如图所示。下列说法正确的是(　 ) A．放电时，负极质量逐渐减小 B．放电时，电路中通过1 mol e－，则有1 mol Fe被氧化 C．储能过程中，左池H2SO4溶液浓度增大 D．充电时总反应：Pb＋SO＋2Fe3＋===PbSO4＋2Fe2＋ 解析：选C　放电时负极上Pb失电子结合硫酸根离子生成PbSO4附着在负极上，负极质量增大，A错误；放电时，电路中通过1 mol e－，正极有1 mol Fe3＋被还原为Fe2＋，B错误；储能过程中，左池中PbSO4得电子生成Pb和SO，同时电解质溶液中的氢离子通过质子交换膜进入左池，左池H2SO4溶液浓度增大，C正确；充电时，总反应为PbSO4＋2Fe2＋===Pb＋SO＋2Fe3＋，D错误。 3．(2024·合肥市第八中学月考)某科研团队采用NaNO3/KNO3/CsNO3共晶盐电解液和β­Al2O3膜研制了一种熔盐型Na­O2电池，其工作原理如图所示： 该电池工作时，下列说法正确的是(　 ) A．NO既表现氧化性又表现还原性 B．β­Al2O3膜能阻止电子和离子通过 C．镍电极的电极反应式为2Na＋＋2e－＋NO===Na2O＋NO D．电池总反应为4Na＋O2===2Na2O 解析：选C　根据放电原理示意图分析，在分步反应中NO表现了氧化性，从总反应看，NO是催化剂，A错误；电子不能通过电解质，通过β­Al2O3膜的是Na＋，B错误；根据放电原理示意图可判断，镍电极附近的电极反应式为2Na＋＋2e－＋NO===Na2O＋NO，C正确；电池总反应为2Na＋O2Na2O2，D错误。 4.(2024·太原五中校考二模)铁碳微电池法在弱酸性条件下处理含氮废水技术的研究获得突破性进展，其工作原理如图所示。下列说法错误的是(　 ) A．工作时H＋透过质子交换膜由乙室向甲室移动 B．碳电极上的电极反应式为2NO＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O C．处理废水过程中两侧溶液的pH基本不变 D．处理含NO的废水，若处理6.2 g NO，则有0.5 mol H＋透过质子交换膜 解析：选C　由图可知电池工作时，碳电极是正极，H＋会由负极移向正极，即H＋由乙室通过质子交换膜向甲室移动，A正确；碳电极为正极，在甲室中NO转化为N2，所以电极反应式为2NO＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O，B正确；当转移10 mol e－时甲室溶液中消耗12 mol H＋，但通过质子交换膜的H＋只有10 mol，因此，甲室溶液中c(H＋)减小，溶液的pH不断增大，C错误；处理含NO的废水时，根据电子守恒可知关系式为NO～5e－，透过质子交换膜的H＋与转移的电子物质的量相等，所以处理6.2 g NO(其物质的量是0.1 mol)时，电池中有0.5 mol H＋透过质子交换膜，D正确。 5．(2024·扬州二模)热电厂尾气经处理得到较纯的SO2，可用于原电池法生产硫酸，其工作原理如图所示。电池工作时，下列说法不正确的是(　 ) A．电极b为正极 B．溶液中H＋由a极区向b极区迁移 C．电极a的电极反应式： SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO D．a极消耗SO2与b极消耗O2两者物质的量相等 解析：选D　该装置没有外加电源，为原电池装置，根据装置图，SO2转化成较浓硫酸，S元素的化合价升高，电极a为负极，电极反应式为SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO，电极b为正极，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。电极b为正极，A正确；原电池工作时，H＋从a极区移向b极区，B正确；SO2转化成较浓硫酸，电极反应式为SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO，C正确；根据得失电子守恒，a极消耗SO2与b极消耗O2两者物质的量之比为2∶1，D错误。 6．最近我国科学家以CO2与辛胺为原料实现了甲酸盐和辛腈的高选择性合成，该合成的原理如图所示。下列说法正确的是(　 ) A．Ni2P电极与电源负极相连 B．In/In2O3－x电极上可能有副产物O2生成 C．离子交换膜为阳离子选择性交换膜 D．在Ni2P电极上发生的反应为CH3(CH2)7NH2－4e－＋4OH－===CH3(CH2)6CN＋4H2O 解析：选D　Ni2P电极为阳极，与电源正极相连，即b为电源的正极，A错误；In/In2O3－x电极为阴极，阴极主反应为CO2＋2e－＋H2O===HCOO－＋OH－，同时H2O也可能发生得电子的反应生成H2，不可能生成O2，B错误；阴极总反应为CO2＋2e－＋H2O===HCOO－＋OH－，阳极反应式为CH3(CH2)7NH2＋4OH－－4e－===CH3(CH2)6CN＋4H2O，OH－需要从阴极区移向阳极区，故应用阴离子交换膜，C错误，D正确。 7．(2023·广东卷)用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池(下图)，可实现大电流催化电解KNO3溶液制氨。工作时，H2O在双极膜界面处被催化解离成H＋和OH－，有利于电解反应顺利进行。下列说法不正确的是(　 ) A．电解总反应：KNO3＋3H2O===NH3·H2O＋2O2↑＋KOH B．每生成1 mol NH3·H2O，双极膜处有9 mol的H2O解离 C．电解过程中，阳极室中KOH的物质的量不因反应而改变 D．相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构可提高氨生成速率 解析：选B　由信息大电流催化电解KNO3溶液制氨可知，在电极a处KNO3放电生成NH3，发生还原反应，故电极a为阴极，电极方程式为NO＋8e－＋9H＋===NH3·H2O＋2H2O，电极b为阳极，电极方程式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，“卯榫”结构的双极膜中的H＋移向电极a，OH－移向电极b。由分析中阴阳电极方程式可知，电解总反应为KNO3＋3H2O===NH3·H2O＋2O2↑＋KOH，故A正确；每生成1 mol NH3·H2O，阴极得8 mol e－，同时双极膜处有8 mol H＋进入阴极室，即有8 mol的H2O解离，故B错误；电解过程中，阳极室每消耗4 mol OH－，同时有4 mol OH－通过双极膜进入阳极室，KOH的物质的量不因反应而改变，故C正确；相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构具有更大的膜面积，有利于H2O被催化解离成H＋和OH－，可提高氨生成速率，故D正确。 8．(2024年1月·江西高考适应性演练)水系Zn­CO2电池在碳循环方面具有广阔的应用前景。该电池的示意图如图，其中双极膜在工作时催化H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场的作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是(　 ) A．放电时，Zn电极为负极，发生还原反应 B．充电时，OH－从Zn电极通过双极膜到达催化电极发生反应 C．放电时，催化电极上的反应为 CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O D．充电时，Zn电极上的反应为Zn2＋＋2e－===Zn 解析：选C　由图知，该电池在放电时，Zn作负极失去电子，发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)，催化电极作为正极得电子，发生还原反应，电极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，充电时，Zn作为阴极，双极膜在工作时催化H2O解离为H＋和OH－，氢离子移向阴极，电极反应式为Zn(OH)＋4H＋＋2e－===Zn＋4H2O，催化电极为阳极，双极膜在工作时催化H2O解离为H＋和OH－，氢氧根移向阳极，电极反应式为CO＋2OH－－2e－===CO2＋H2O，据此回答。由分析知，放电时，Zn电极为负极，发生氧化反应，A错误；充电时，OH－从双极膜向催化电极移动，并发生反应，B错误；放电时，催化电极上的反应为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，C正确；充电时，Zn电极上的反应为Zn(OH)＋4H＋＋2e－===Zn＋4H2O，D错误。 9．(2024·淮安市金湖中学等4地联考)某小组采用电渗析法从含NH4H2PO4和(NH4)2HPO4的废水中回收NH3·H2O和H3PO4，装置如图所示。下列说法正确的是(　 ) A．阴极区总反应式为2H2O＋2NH＋2e－===2NH3·H2O＋H2↑ B．c处进入稀氨水，b处流出浓H3PO4溶液 C．膜1为阴离子交换膜，膜2为阳离子交换膜 D．每放出11.2 L(标准状况)H2时，能回收98 g H3PO4 解析：选A　由题干图示可知，左侧电极室通入的是稀氨水，左侧电极室的产品为NH3·H2O，说明废水中的NH通过离子交换膜1进入左侧电极室，故膜1为阳离子交换膜，然后NH＋OH－===NH3·H2O，说明阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，右侧电极室的产品为H3PO4，即废水中的H2PO、HPO经过离子交换膜2进入右侧电极室，与H＋结合成H3PO4，即膜2为阴离子交换膜，阳极的电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。阴极区发生反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑、NH＋OH－===NH3·H2O；总反应式为二者结合：2H2O＋2NH＋2e－===2NH3·H2O＋H2↑，A正确；为了增强溶液的导电性，在a处充入稀氨水，在c处充入稀磷酸，b处流出浓氨水，d处流出浓磷酸溶液，B错误；11.2 L(标准状况)H2的物质的量为0.5 mol，当阴极放出0.5 mol H2，转移电子1 mol，阳极室会产生1 mol H＋，但是由于进入阳极室的H2PO、HPO电荷不同，总物质的量只能在0.5～1 mol之间，回收H3PO4质量小于98 g，D错误。 10．(2024·福州模拟)近年来电化学还原二氧化碳的课题吸引了大批研究者的关注，其中将双极膜应用于二氧化碳制备甲醇过程中的电解原理如图所示。已知：双极膜由阳离子交换膜和阴离子交换膜构成，在直流电场的作用下，双极膜间H2O解离成H＋和OH－，并向两极迁移。下列说法错误的是(　 ) A．a膜为阴离子交换膜 B．电解过程中KOH溶液的浓度逐渐降低 C．催化电极上的电极反应式为CO2＋6HCO＋6e－===CH3OH＋6CO＋H2O D．双极膜内每消耗18 g水，理论上石墨电极上产生11.2 L O2(标准状况) 解析：选D　石墨电极有O2生成，发生氧化反应，催化电极上CO2―→CH3OH，发生还原反应，故石墨电极为阳极，催化电极为阴极。石墨电极为电解池的阳极，催化电极为阴极，根据阴离子向阳极移动可知，OH－通过a膜移向左室，故a膜为阴离子交换膜，A正确；电解过程中，阳极区的电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，阳极区生成H2O，KOH溶液的浓度逐渐降低，B正确；催化电极为阴极，CO2发生得电子的还原反应生成CH3OH，阴极电极反应式为CO2＋6HCO＋6e－===CH3OH＋6CO＋H2O，C正确；双极膜内每消耗18 g水，移向左室的OH－为1 mol ，石墨电极上有1 mol OH－放电，由4OH－－4e－===O2↑＋2H2O可知，生成0.25 mol O2，标准状况下体积为0.25 mol×22.4 L·mol－1＝5.6 L，D错误。 11．(2024·南京期末)最近我国科学家提出一种有机电极(PTQ/HQ)与无机电极(MnO2)组成的二次电池，其放电时的工作原理如图所示。下列说法正确的是(　 ) A．放电时，a极为电池的正极 B．充电时，氢离子从左室迁移向右室 C．放电时，b极反应为 Mn2＋－2e－＋2H2O===MnO2＋4H＋ D．充电时，每生成1 mol HQ转移4 mol电子 解析：选D　由图可知，放电时，有机电极为负极，HQ－4e－===PTQ＋4H＋，故锰元素的化合价降低，得电子，无机电极(MnO2)为正极，电极反应式 为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O，则充电时，有机电极(PTQ/HQ)为阴极，电极反应式为PTQ＋4H＋＋4e－===HQ，无机电极为阳极，电极反应式为Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2↓＋4H＋。放电时，a极为有机电极，为电池的负极，A错误；充电时，左侧为阴极室，右侧为阳极室，故氢离子从右侧阳极室迁移向左侧阴极室，B错误；放电时，b极反应为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O，C错误；阴极上发生的电极反应式为PTQ＋4H＋＋4e－===HQ，充电时，每生成1 mol HQ转移4 mol电子，D正确。 12．利用含有机化合物的废水[废水中的有机化合物表示为(C6H10O5)n，放电原理为(C6H10O5)n＋MnO＋H＋―→CO2↑＋Mn2＋＋H2O(未配平)]放电，电解KI溶液制备KIO3的 工作装置如图所示。下列说法正确的是(　 ) A．a极为原电池正极，c极为电解池阴极 B．装置工作时，当甲池质子交换膜通过1 mol H＋时，负极生成5.6 L CO2 C．Ⅱ室为酸性KMnO4溶液，Ⅲ室为KI溶液 D．装置工作一段时间后，Ⅳ 室需补充KOH，X为 H2 解析：选C　由题干信息“电解KI溶液制备KIO3”，并结合Ⅳ室为KOH溶液可知，Ⅲ室发生的反应为KI→KIO3，则Ⅲ室为KI溶液，发生氧化反应，故b极为原电池正极，a极为原电池负极，c极为电解池阳极，d极为电解池阴极，据此分析解答。根据分析，b极为原电池正极，c极为电解池阳极，A错误；未指明是否为标准状况，无法计算CO2的体积，B错误；a极为原电池负极，则Ⅰ室发生氧化反应，故Ⅰ室为含有机化合物的废水，Ⅱ室发生还原反应，即MnO→Mn2＋，故Ⅱ室为酸性KMnO4溶液，C正确；c、d极分别为电解池的阳极和阴极，c极发生反应I－＋6OH－－6e－===IO＋3H2O，d极发生反应6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－，生成的OH－通过离子交换膜进入Ⅲ室，未消耗KOH，故装置工作一段时间后，Ⅳ室无需补充KOH，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$