内容正文:
第37讲 电化学原理的综合应用
学习目标
1.了解离子交换膜的特点及作用。 2.了解串联装置的连接特点,掌握多池、多室问题分析的方法。
考点二
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限时规范训练
考点一
1
考点一 “离子交换膜”在电化学中的应用
考点二
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考点一
1
1.常见的离子交换膜
常见的离子交换膜由特殊高分子材料制成,离子交换膜分为四类:
(1)阳离子交换膜,简称阳膜,只允许阳离子通过,即允许H+和其他阳离子通过,不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜,简称阴膜,只允许阴离子通过,即允许OH-和其他阴离子通过,不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜,只允许H+通过,不允许其他阳离子和阴离子通过。
(4)双极膜:阴、阳复合膜,能解离出H+和OH-。
主干知识 整合
考点二
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考点一
1
2.离子交换膜的作用
(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。
(2)能选择性地允许离子通过,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
考点二
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考点一
1
3.离子交换膜电解池的解题步骤
考点二
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考点一
1
单膜电解池的应用
1.(2023·江苏南通等七市调研)微生物电解池(MEC)是一种新型的且能兼顾氢气或甲烷回收的废水处理技术,将电化学法和生物还原法有机结合,MEC具有很好的应用前景。微生物电化学产甲烷法的装置如图所示。下列有关说法正确的是( )
关键能力 突破
题点 1
考点二
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考点一
1
A.“产电菌”极的电势比“产甲烷菌”极的低
B.该微生物电解池工作时将化学能转化为电能
C.阴极的电极反应式为CO2+8e-+8H+===CH4+2H2O
D.若产生1 mol CH4,理论上阳极室生成CO2的体积为44.8 L
考点二
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考点一
1
C 根据装置示意图可知,“产电菌”极为阳极,“产甲烷菌”极为阴极,电解池中阳极的电势高于阴极的电势,A错误;电解池可将电能转化为化学能,B错误;阴极CO2得电子,并与H+反应生成甲烷和水,电极反应式为CO2+8H++8e-===CH4+2H2O,C正确;根据阳极电极反应式CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+可知,产生1 mol CH4时转移8 mol电子,理论上阳极室生成2 mol CO2,未指明气体所处状态,CO2的体积未知,D错误。
考点二
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考点一
1
2.采用惰性电极,以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如图所示。忽略温度变化的影响,下列说法错误的是( )
A.阳极反应为2H2O-4e-===4H++O2↑
B.电解一段时间后,阳极室的pH未变
C.电解过程中,H+由a极区向b极区迁移
D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极
反应的O2等量
D
考点二
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考点一
1
D 根据图像可知,b极由O2反应生成了H2O2,在这个过程中,氧元素化合价降低,发生了得电子的还原反应,因此b极是电解池的阴极,可推出阴极的电极反应式为O2+2e-+2H+===H2O2;则a极为电解池的阳极,发生失电子的氧化反应,根据图像可知阳极生成了氧气,则阳极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑,A正确;根据阳极的电极反应可知,阳极生成了氢离子,但同时生成的氢离子全部从阳极室移向阴极室,故电解一段时间后,阳极室的pH未变,B正确;电解池的电解质溶液中,阳离子会移向阴极,故氢离子由a极区向b极区迁移,C正确;阳极的电极
考点二
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考点一
1
反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑,保持阴极和阳极电极反应的得失电子数一致,可得阴极的电极反应为2O2+4e-+4H+===2H2O2,同一个电路中阳极的失电子总数和阴极的得电子总数在相同情况下是一样的,故电解一段时间后,a极生成的氧气与b极反应的氧气的物质的量之比为1∶2,不相等,D错误。
考点二
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考点一
1
多膜电解池的应用
题点 2
考点二
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考点一
1
A.阳极室溶液由无色变成棕黄色
B.阴极的电极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑
C.电解一段时间后,阴极室溶液中的pH升高
D.电解一段时间后,阴极室溶液中的溶质一定是(NH4)3PO4
C 阳极上Fe发生氧化反应,溶液由无色变为浅绿色,A错误;阴极上H+发生还原反应:2H++2e-===H2↑,B错误;阴极消耗H+,电解一段时间后,阴极室溶液pH升高,C正确;电解一段时间后,阴极室溶液溶质除(NH4)3PO4外,还可能有NH4H2PO4、(NH4)2HPO4,D错误。
考点二
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考点一
1
4.(2023·广州质检)一种电解法制备Ca(H2PO4)2并得到NaOH等副产物的示意装置如图,下列说法错误的是( )
A.与a、b相连的分别是电源的正极、负极
B.NaOH溶液中石墨电极上的反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-
C.A膜、C膜均为阳离子交换膜,B膜为阴离子交换膜
D.产品室中的Ca2+和原料室的Na+物质的量浓度同等程度增大
D
考点二
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考点一
1
考点二
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考点一
1
1.离子交换膜类型的判断方法
(1)首先写出阴、阳两极上的电极反应式。
(2)依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余。
(3)根据电极附近溶液呈电中性,从而判断出离子移动的方向。
(4)根据离子移动的方向,确定离子交换膜的类型。
规律方法
考点二
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考点一
1
2.有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法
考点二
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考点一
1
考点二
多池串联装置的分析
考点二
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考点一
1
常见多池串联装置图
模型一 外接电源与电解池的串联(如图)
A、B为两个串联电解池,相同时间内,各电极得失电子数相等。
主干知识 整合
考点二
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考点一
1
模型二 原电池与电解池的串联(如图)
甲、乙两图中,A均为原电池,B均为电解池。
图甲
图乙
考点二
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考点一
1
某兴趣小组的同学用如下装置研究有关电化学的问题。当闭合该装置的电键时,观察到电流表的指针发生了偏转。
微练习
甲池 乙池 丙池
考点二
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考点一
1
请回答下列问题。
(1)甲池为______(填“原电池”“电解池”或“电镀池”),通入CH3OH电极的电极反应式为___________________________________。
(2)乙池中A(石墨)电极的名称为______(填“正极”“负极”“阴极”或“阳极”),总反应为__________________________________。
(3)当乙池中B极质量增加5.40 g时,甲池中理论上消耗O2的体积(标准状况下)为______ mL,丙池中______极析出______ g铜。
考点二
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考点一
1
1.如图所示,甲池的总反应式为N2H4+O2===N2+2H2O,下列关于该装置工作时的说法正确的是( )
关键能力 突破
考点二
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考点一
1
A.该装置工作时,Ag电极上有气体生成
B.甲池中负极反应式为N2H4-4e-===N2+4H+
C.甲池和乙池中溶液的pH均减小
D.当甲池中消耗3.2 g N2H4时,乙池中理论上最多产生6.4 g固体
考点二
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考点一
1
C 甲池中左边为负极,右边为正极
负极:N2H4-4e-+4OH-===N2+4H2O
正极:O2+4e-+2H2O===4OH-,B项错误;
乙池中石墨为阳极,Ag为阴极
阳极:2H2O-4e-===O2↑+4H+
阴极:Cu2++2e-===Cu,Ag电极上无气体生成,A项错误;甲池中反应生成水,c(OH-)减小,乙池中电解生成硫酸,c(H+)增大,故C正确;甲池中消耗3.2 g N2H4时,乙池最多产生12.8 g铜,D项错误。
考点二
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考点一
1
2.(2023·淮南高三月考)如下装置,X、Y、Q、W都是惰性电极,将电源接通后,W极附近颜色逐渐加深。下列说法不正确的是( )
甲 乙 丙
A.电源的M极为正极
B.甲装置中溶液的pH减小
C.甲装置的两个电极上都有单质生成且物质的量之比为1∶1
D.欲用乙装置给铜镀银,U极应该是Ag,电镀液选择AgNO3溶液
C
考点二
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考点一
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考点二
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考点一
1
3.某实验室用新型二次电池模拟工业上制备Mn和MnO2的工作原理如图所示。下列说法错误的是( )
A.a电极的电极反应为MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2O
B.装置工作时,c、d两个电极的质量都增加
C.c电极反应为Mn2++2e-===Mn
D.d电极附近溶液的pH增大
D
考点二
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考点一
1
D 根据示意图可知b为负极,a为正极,c为阴极,d为阳极。a电极的电极反应为MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2O,A项正确;c、d的电极反应分别为Mn2++2e-===Mn,Mn2+-2e-+2H2O===MnO2+4H+,则c、d两个电极的质量都增加,B、C项均正确;d电极附近溶液c(H+)增大,pH变小,D项错误。
考点二
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考点一
1
分析电池串联问题的思维流程
思维建模
考点二
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考点一
1
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考点二
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考点一
1
1.(2023·浙江省6月选考)氯碱工业能耗大,通过如图改进的设计可大幅度降低能耗,下列说法不正确的是( )
A.电极A接电源正极,发生氧化反应
B.电极B的电极反应式为:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
C.应选用阳离子交换膜,在右室获
得浓度较高的NaOH溶液
D.改进设计中通过提高电极B上反应物的氧化性来降低电解电压,减少能耗
B
考点二
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考点一
1
B 由图示可知,电极A上是氯离子变为氯气,发生氧化反应,电极A是阳极,接电源正极,A正确;电极B为阴极,发生还原反应,电极反应式为:2H2O+4e-+O2===4OH-,B错误;右室生成氢氧根,应选用阳离子交换膜,左边的钠离子进入到右边,在右室获得浓度较高的NaOH溶液,C正确;改进设计中,阴极反应物由H2O变为O2,氧化性增强,可以降低电解电压,减少能耗,D正确。
考点二
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考点一
1
2.(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( )
考点二
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考点一
1
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
考点二
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考点一
1
考点二
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考点一
1
A
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考点一
1
A 电池分析
考点二
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考点一
1
考点二
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考点一
1
4.(2021·广东卷)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( )
D
考点二
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考点一
1
考点二
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考点一
1
5.(2021·天津卷)下图所示电解装置中,通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成,Fe2O3逐渐溶解,下列判断错误的是( )
A.a是电源的负极
B.通电一段时间后,向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液,出现红色
C.随着电解的进行,CuCl2溶液浓度变大
D.当0.01 mol Fe2O3完全溶解时,至少产生气体336 mL(折合成标准状况下)
C
考点二
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考点一
1
考点二
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考点一
1
限时规范训练37
考点二
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考点一
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1.一种全天候太阳能电池光照时的工作原理如图所示。
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考点一
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A
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考点一
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A 硅太阳能电池是用半导体原理将光能转化为电能,是物理变化,而该电池是化学能转化为电能,两者原理不同,故A错误。
考点二
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考点一
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2
1
2.(2023·广州月考)我国科学家设计的一种光电催化高效脱硫,并同步制备H2O2的装置如图所示。其中双极膜是由阴离子交换膜和阳离子交换膜组成,两膜之间的催化剂可将水分子离解成H+和OH-。下列说法错误的是( )
A.该装置将电能和太阳能转化为化学能
B.双极膜中的a膜是阳离子交换膜
C.阴极区发生的电极反应为
O2+2e-+2H+===H2O2
D.0.5 mol SO2参与反应,生成H2O2的数目为0.5NA
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B
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考点一
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3.在如图A池用石墨电极电解pH=13的NaOH溶液100 mL,B池为模拟电解精炼铜的装置,其中c电极为纯铜,d电极为粗铜(含有杂质Fe、Ag),溶液是足量CuSO4溶液,通电一段时间后停止电解,A池a极上产生的气体在标准状况下为2.24 L,下列说法不正确的是( )
A.d电极质量一定减少6.4 g
B.c电极质量一定增加6.4 g
C.A池pH增大
D.A池溶液质量减少1.8 g
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A
A池 B池
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A 电解精炼铜时粗铜作阳极,纯铜作阴极,即d为阳极,c为阴极,则a、b分别为阴极和阳极。a极产生0.1 mol H2,则流经各电极的电子均为0.2 mol,d极粗铜含有杂质Fe、Ag,质量减少不等于6.4 g,A错误;阴极只有Cu2+得电子,质量增加一定为6.4 g,B正确;A池实质上是电解水,NaOH浓度变大,pH变大,溶液质量减少1.8 g,C、D正确。
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考点一
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4.(2023·黑龙江四地五校高三联考)KIO3是一种重要的无机化合物,可作为食盐中的补碘剂,KIO3也可采用“电解法”制备,装置如图,下列说法正确的是( )
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C
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考点一
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考点一
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5.(2023·沈阳联考)电解含硫酸铵的废水可制备硫酸和化肥,电解装置如图。下列说法错误的是( )
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A
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6.SO2和NOx是主要大气污染物,利用下图装置可同时吸收SO2和NO。下列有关说法错误的是( )
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7.(2023·郑州一中月考)用乙醇燃料电池作为电源电解KI溶液的装置如图所示,下列说法正确的是( )
A.甲池中OH-流向b极,乙池中OH-流向d极
B.a极的电极反应式为CH3CH2OH+3H2O-12e-===2CO2+12H+
C.已知I2会与OH-反应生成IO-,则在乙池的右侧会存在IO-
D.当乙池产生2 mol气体时,电路中转移2 mol e-
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C
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8.(2023·湖南新高考教研联盟联考)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H2O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溶液的电渗析装置示意图。
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下列说法不正确的是( )
A.出口2的产物为NaOH溶液
B.出口5的产物为硫酸溶液
C.Br-不会从盐室最终进入阳极液中
D.阴极电极反应式为2H++2e-===H2↑
B
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B 电解时,溶液中的阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动,溶液中的Na+通过阳离子交换膜向阴极移动,与双极膜提供的氢氧根离子结合为NaOH,出口2的产物为NaOH溶液,A正确;电解时,溶液中的阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动,溶液中的Br-通过阴离子交换膜向阳极移动,与双极膜提供的氢离子结合为HBr,故出口4的产物为HBr溶液,钠离子不能通过双极膜,出口5的产物不是硫酸溶液,B错误;结合B项,Br-不会从盐室最终进入阳极液中,C正确;电解池阴极处发生的反应是物质得到电子的还原反应,则在阴极处发生的反应为2H++2e-===H2↑,D正确。
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9.(2023·长春月考)工业上常采用电渗析法从含葡萄糖酸钠(用GCOONa表示)的废水中提取化工产品葡萄糖酸(GCOOH)和烧碱,模拟装置如图所示(电极均为石墨)。
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下列说法错误的是( )
A.交换膜1、2分别为阳离子、阴离子交换膜
B.a电极为阴极,b电极上发生氧化反应
C.一段时间后,a、b电极产生气体的质量之比为8∶1
D.电路中通过1 mol电子时,理论上回收40 g NaOH
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C 在电解池的左侧,稀NaOH溶液转化为浓NaOH溶液,则表明Na+透过交换膜1进入左侧,在a电极上H2O得电子生成H2和OH-,a电极为阴极;在右侧,稀GCOOH溶液转化为浓GCOOH溶液,表明GCOO-透过交换膜2进入右侧,在b电板上H2O失电子发生氧化反应生成O2和H+,A、B项均正确;电解发生后,a电极生成H2,b电极为阳极,b电极生成O2,依据得失电子守恒,H2与O2的物质的量之比为2∶1,所以a、b电极产生气体的质量之比为1∶8,C项错误;电路中通过1 mol电子时,a电极上有1 mol H+得电子,则有1 mol Na+透过交换膜1进入左侧,理论上回收1 mol NaOH,质量为40 g,D项正确。
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10.(2023·石家庄质检)如图所示,甲池的总反应式为2CH3OH+3O2+4KOH===2K2CO3+6H2O。下列说法正确的是( )
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11.用电解法可将CO2转化为工业原料C2H4、CO,原理如图所示。下列说法错误的是( )
A.离子交换膜为质子交换膜
B.若乙室只有1 mol CO生成,则乙
室质量增加18 g
C.若乙室生成CO、C2H4物质的量
比为1∶1,则两电极产生气体的物
质的量相同
D.电解过程中甲室稀硫酸浓度不断增大
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C 电解池中,阳离子向阴极移动,因此装置中的离子交换膜为质子交换膜,阳极区的氢离子通过交换膜进入阴极区,A正确;若乙室只有1 mol CO生成,阴极发生的反应只有CO2+2H++2e-===CO+H2O,反应消耗2 mol H+、生成1 mol H2O,同时有2 mol H+从甲室移到乙室,因此乙室增加的质量为18 g,B正确;若阴极生成CO与C2H4的物质的量之比为1∶1,设两种产物都是1 mol,则转移电子的总物质的量为14 mol,阳极产生氧气的物质的量为3.5 mol,两电极产生气体的物质的量不相同,C错误;电解过程中,甲室溶液中硫酸的物质的量不变,但水的量减少,导致硫酸浓度增大,D正确。
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12.(2023·湖北重点中学联考)以纯碱溶液为原料,通过电解的方法可制备小苏打,原理装置图如下:
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上述装置工作时,下列有关说法正确的是( )
A.乙池电极接电源正极,气体X为H2
B.Na+由乙池穿过交换膜进入甲池
C.NaOH溶液Z的浓度比NaOH溶液Y的大
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13.(2023·湖北武汉部分重点学校联考改编)认真观察下列装置,有关说法错误的是( )
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14.(2023·福州一中月考)用如图所示装置进行实验。
(1)在保证电极反应不变的情况下,不能替代Cu作电极的是______(填字母)。
A.铝 B.石墨
C.银 D.铂
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