高中化学微专题-专题七 电化学中“离子交换膜”的应用（练习）

专题七 电化学中“离子交换膜”的应用 (2021·全国甲卷) 1．乙醛酸是一种重要的化工中间体，可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解离为和，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．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．制得乙醛酸，理论上外电路中迁移了电子 D．双极膜中间层中的在外电场作用下向铅电极方向迁移 (2021·湖南卷) 2．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： 下列说法错误的是 A．放电时，N极为正极 B．放电时，左侧贮液器中的浓度不断减小 C．充电时，M极的电极反应式为 D．隔膜允许阳离子通过，也允许阴离子通过 (2021·天津卷) 3．如下所示电解装置中，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．当完全溶解时，至少产生气体336mL (折合成标准状况下) (2021·广东卷) 4．钴()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 A．工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的均增大 B．生成，Ⅰ室溶液质量理论上减少 C．移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变 D．电解总反应： (2020·全国Ⅱ卷) 5．电致变色器件可智能调控太阳光透过率，从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时，Ag+注入到无色WO3薄膜中，生成AgxWO3，器件呈现蓝色，对于该变化过程，下列叙述错误的是 A．Ag为阳极 B．Ag+由银电极向变色层迁移 C．W元素的化合价升高 D．总反应为：WO3+xAg=AgxWO3 (2020·江苏卷) 6．将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在题图所示的情境中，下列有关说法正确的是 A．阴极的电极反应式为 B．金属M的活动性比Fe的活动性弱 C．钢铁设施表面因积累大量电子而被保护 D．钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快 (2020·全国Ⅰ卷) 7．科学家近年发明了一种新型Zn−CO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。 下列说法错误的是 A．放电时，负极反应为 B．放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol C．充电时，电池总反应为 D．充电时，阳极室溶液中OH−浓度升高 (2018·全国Ⅰ卷) 8．最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯（石墨烯包裹的ZnO）和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为： ①EDTA-Fe2+-e-＝EDTA-Fe3+ ②2EDTA-Fe3++H2S＝2H++S+2EDTA-Fe2+ 该装置工作时，下列叙述错误的是 A．阴极的电极反应：CO2+2H++2e-＝CO+H2O B．协同转化总反应：CO2+H2S＝CO+H2O+S C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低 D．若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需为酸性 (2019·全国Ⅱ卷，节选) 9．环戊二烯可用于制备二茂铁[，结构简式为]，后者广泛应用于航天、化工等领域中。二茂铁的电化学制备原理如下图所示，其中电解液为溶解有溴化钠(电解质)和环戊二烯的DMF溶液(DMF为惰性有机溶剂)。 该电解池的阳极为 ，总反应为 。电解制备需要在无水条件下进行，原因为 。 10．焦亚硫酸钠(Na2S2O5)可用作食品加工的防腐剂，制备示意图如下。已知：2NaHSO3=Na2S2O5+H2O。下列说法不正确的是 A．采用的是阳离子交换膜 B．阳极的电极反应式为2H2O-4e－= 4H+ + O2↑ C．当阴极生成0.2 g气体时，a室溶液质量减少1.6 g D．电解后将b室溶液进行结晶、脱水，可得到Na2S2O5 11．科学家发明了一种新型Zn-MnO2水介质二次电池，原理如图所示。下列叙述错误的是 A．放电时，正极反应为MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O B．X膜和Y膜分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜，放电时中间室c(K2SO4)减小 C．充电后溶液pH由小到大的顺序：正极室<中间室<负极室 D．充电时，电池总反应为+Mn2+=Zn+MnO2+2H2O (2022重庆市荣昌永荣中学校模拟) 12．我国科学家发明了一种两电极体系高选择性合成甲酸盐和辛腈的方法，装置如图所示.下列说法正确的是 A．b是电源负极 B．左半池的电极反应为： C．随着反应的进行，右半池的pH升高 D．每生成电路中转移 13．科学家设计利用电化学原理回收CO2达到节能减排的目的，实验装置如图所示。已知在碱性条件下，卤素单质可以将乙醇氧化为乙醛，一段时间后测得a电极有HCOO-生成，下列说法不正确的是 A．b为负极 B．当电路中转移1mole-时，d电极产生1molCH3CHO C．e为阳离子交换膜、f为阴离子交换膜 D．a电极的电极反应式为 14．酒石酸（RH2）分子的结构简式为：  。它可以通过电渗析法制备。“三室电析”工作原理如图（电极均为惰性电极）。下列说法错误的是（ ） A．交换膜 A 为阳离子交换膜，B 为阴离子交换膜 B．阴极反应式为 2H2O+2e-═H2↑+4OH- C．通过该制备方法还可以获得氢氧化钠 D．若用氢氧燃料电池作电源，当生成 1mol RH2时，电源的正极消耗标况下气体22.4L 15．电解合成1，2­二氯乙烷的实验装置如图所示。下列说法错误的是 A．该装置工作时，阴极的电极反应是2H2O+2e-=2OH-+H2↑ B．液相反应为CH2=CH2+2CuCl2→ClCH2CH2Cl+2CuCl(s) C．Y、X分别为阳离子交换膜、阴离子交换膜 D．电路中每转移1mole-，两极共产生标准状况下22.4L气体 16．一种电池的示意图如下，为离子交换膜，三个区域的电解质溶液分别为和溶液，该电池工作时区电解质浓度增大。下列说法错误的是 A．电池工作时，电子由电极流向电极 B．膜为阴离子交换膜 C．当电路中转移电子时理论上产生 D．电极的电极反应式为： 17．我国科学家研发了一种水系可逆Zn­CO2电池，电池工作时，复合膜(由a、b膜复合而成)层间的H2O解离成H+和OH-，在外加电场中可透过相应的离子膜定向移动。当闭合K1时，Zn­CO2电池工作原理如图所示。下列说法不正确的是    A．闭合K1时，H+通过a膜向Pd电极方向移动 B．闭合K1时，Zn表面的电极反应式为Zn+4OH--2e-=Zn(OH) C．闭合K2时，Zn电极与直流电源正极相连 D．闭合K2时，在Pd电极上有CO2生成 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 参考答案： 1．D 【分析】该装置通电时，乙二酸被还原为乙醛酸，因此铅电极为电解池阴极，石墨电极为电解池阳极，阳极上Br-被氧化为Br2，Br2将乙二醛氧化为乙醛酸，双极膜中间层的H+在直流电场作用下移向阴极，OH-移向阳极。 【详解】A．KBr在上述电化学合成过程中除作电解质外，同时还是电解过程中阳极的反应物，生成的Br2为乙二醛制备乙醛酸的中间产物，故A错误； B．阳极上为Br-失去电子生成Br2，Br2将乙二醛氧化为乙醛酸，故B错误； C．电解过程中阴阳极均生成乙醛酸，1mol乙二酸生成1mol乙醛酸转移电子为2mol，1mol乙二醛生成1mol乙醛酸转移电子为2mol，根据转移电子守恒可知每生成1mol乙醛酸转移电子为1mol，因此制得2mol乙醛酸时，理论上外电路中迁移了2mol电子，故C错误； D．由上述分析可知，双极膜中间层的H+在外电场作用下移向阴极，即H+移向铅电极，故D正确； 综上所述，说法正确的是D项，故答案为D。 2．B 【分析】由图可知，放电时，N电极为电池的正极，溴在正极上得到电子发生还原反应生成溴离子，电极反应式为Br2+2e-=2Br-，M电极为负极，锌失去电子发生氧化反应生成锌离子，电极反应式为Zn—2e-=Zn2+，溴离子进入左侧，左侧溴化锌溶液的浓度增加；充电时，M电极与直流电源的负极相连，做电解池的阴极，N电极与直流电源的正极相连，做阳极。 【详解】A．由分析可知，放电时，N电极为电池的正极，故A正确； B．由分析可知，放电时，溶液中有Zn2+与Br-生成，通过循环回路，左侧储液器中溴化锌的浓度增大，故B错误； C．由分析可知，充电时，M电极与直流电源的负极相连，做电解池的阴极，锌离子在阴极上得到电子发生还原反应生成锌，电极反应式为Zn2++2e-=Zn，故C正确； D．由分析可知，放电或充电时，交换膜允许锌离子和溴离子通过，维持两侧溴化锌溶液的浓度保持不变，故D正确； 故选B。 3．C 【分析】通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成，Fe2O3逐渐溶解，说明石墨电极Ⅱ为阳极，则电源b为正极，a为负极，石墨电极Ⅰ为阴极，据此解答。 【详解】A．由分析可知，a是电源的负极，故A正确； B．石墨电极Ⅱ为阳极，通电一段时间后，产生氧气和氢离子，所以向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出现红色，故B正确； C．随着电解的进行，铜离子在阴极得电子生成铜单质，所以CuCl2溶液浓度变小，故C错误； D．当完全溶解时，消耗氢离子为0.06mol，根据阳极电极反应式，产生氧气为0.015mol，体积为336mL (折合成标准状况下)，故D正确； 故选C。 4．D 【分析】由图可知，该装置为电解池，石墨电极为阳极，水在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子，电极反应式为2H2O-4e-=O2↑+4H+，Ⅰ室中阳离子电荷数大于阴离子电荷数，放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动，钴电极为阴极，钴离子在阴极得到电子发生还原反应生成钴，电极反应式为Co2++2e-=Co，Ⅲ室中阴离子电荷数大于阳离子电荷数，氯离子过阴离子交换膜由Ⅲ室向Ⅱ室移动，电解的总反应的离子方程式为2Co2++2H2O2 Co +O2↑+4H+。 【详解】A．由分析可知，放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动，使Ⅱ室中氢离子浓度增大，溶液pH减小，故A错误； B．由分析可知，阴极生成1mol钴，阳极有1mol水放电，则Ⅰ室溶液质量减少18g，故B错误； C．若移除离子交换膜，氯离子的放电能力强于水，氯离子会在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气，则移除离子交换膜，石墨电极的电极反应会发生变化，故C错误； D．由分析可知，电解的总反应的离子方程式为2Co2++2H2O2 Co +O2↑+4H+，故D正确； 故选D。 5．C 【分析】从题干可知，当通电时，Ag+注入到无色WO3薄膜中，生成AgxWO3器件呈现蓝色，说明通电时，Ag电极有Ag+生成然后经固体电解质进入电致变色层，说明Ag电极为阳极，透明导电层时阴极，故Ag电极上发生氧化反应，电致变色层发生还原反应。 【详解】A．通电时，Ag电极有Ag+生成，故Ag电极为阳极，故A项正确； B．通电时电致变色层变蓝色，说明有Ag+从Ag电极经固体电解质进入电致变色层，故B项正确； C．过程中，W由WO3的+6价降低到AgxWO3中的+(6-x)价，故C项错误； D．该电解池中阳极即Ag电极上发生的电极反应为：xAg-xe- = xAg+，而另一极阴极上发生的电极反应为：WO3+xAg++xe- = AgxWO3，故发生的总反应式为：xAg + WO3 =AgxWO3，故D项正确； 答案选C。 【点睛】电解池的试题，重点要弄清楚电解的原理，阴、阳极的判断和阴、阳极上电极反应式的书写，阳极反应式+阴极反应式=总反应式，加的过程中需使得失电子数相等。 6．C 【分析】该装置为原电池原理的金属防护措施，为牺牲阳极的阴极保护法，金属M作负极，钢铁设备作正极，据此分析解答。 【详解】A.阴极的钢铁设施实际作原电池的正极，正极金属被保护不失电子，故A错误； B.阳极金属M实际为原电池装置的负极，电子流出，原电池中负极金属比正极活泼，因此M活动性比Fe的活动性强，故B错误； C.金属M失电子，电子经导线流入钢铁设备，从而使钢铁设施表面积累大量电子，自身金属不再失电子从而被保护，故C正确； D.海水中的离子浓度大于河水中的离子浓度，离子浓度越大，溶液的导电性越强，因此钢铁设施在海水中的腐蚀速率比在河水中快，故D错误； 故选：C。 7．D 【分析】由题可知，放电时，CO2转化为HCOOH，即CO2发生还原反应，故放电时右侧电极为正极，左侧电极为负极，Zn发生氧化反应生成；充电时，右侧为阳极，H2O发生氧化反应生成O2，左侧为阴极，发生还原反应生成Zn，以此分析解答。 【详解】A．放电时，负极上Zn发生氧化反应，电极反应式为：，故A正确，不选； B．放电时，CO2转化为HCOOH，C元素化合价降低2，则1molCO2转化为HCOOH时，转移电子数为2mol，故B正确，不选； C．充电时，阳极上H2O转化为O2，负极上转化为Zn，电池总反应为：，故C正确，不选； D．充电时，阳极的电极反应式为：，溶液中H+浓度增大，溶液中c(H+)•c(OH-)=KW，温度不变时，KW不变，因此溶液中OH-浓度降低，故D错误，符合题意； 答案选D。 8．C 【详解】分析：该装置属于电解池，CO2在ZnO@石墨烯电极上转化为CO，发生得到电子的还原反应，为阴极，石墨烯电极为阳极，发生失去电子的氧化反应，据此解答。 详解：A、CO2在ZnO@石墨烯电极上转化为CO，发生得到电子的还原反应，为阴极，电极反应式为CO2+H＋+2e－＝CO+H2O，A正确； B、根据石墨烯电极上发生的电极反应可知①+②即得到H2S－2e－＝2H＋+S，因此总反应式为CO2+H2S＝CO+H2O+S，B正确； C、石墨烯电极为阳极，与电源的正极相连，因此石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯电极上的高，C错误； D、由于铁离子、亚铁离子均易水解，所以如果采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需要酸性，D正确。答案选C。 点睛：准确判断出阴阳极是解答的关键，注意从元素化合价变化的角度去分析氧化反应和还原反应，进而得出阴阳极。电势高低的判断是解答的难点，注意从物理学的角度借助于阳极与电源的正极相连去分析。 9． Fe电极 Fe+2＝+H2↑[Fe+2C5H6=Fe(C5H5)2+H2↑] 水会阻碍中间物Na的生成；水会电解生成，进一步与反应生成 【详解】根据反应历程可知，铁电极溶解生成了，故应让Fe电极作电解池的阳极；由反应历程可知，反应物为Fe与环戊二烯，生成物为二茂铁和，再根据原子守恒写出总反应式为：Fe+2＝+H2↑[Fe+2C5H6=Fe(C5H5)2+H2↑]； 反应历程中有Na生成，水可以和钠反应，且电解过程中水会在阴极生成，进一步与反应生成，故答案为：Fe电极；Fe+2＝+H2↑[Fe+2C5H6=Fe(C5H5)2+H2↑]；水会阻碍中间物Na的生成；水会电解生成，进一步与反应生成。 10．C 【分析】电解池阳极与电源正极相连，阴极与电源负极相连，由装置图可知，电解池阳极为a室稀硫酸溶液，氢氧根离子失电子发生氧化反应，则氢离子将移到b室与Na2SO3反应生成NaHSO3，阴极为c室，主要成分是NaHSO3和Na2SO3，氢离子发生还原反应生成氢气，则c室中NaHSO3转变为Na2SO3，据此分析解答。 【详解】A．根据分析，a室中氢离子向b室移动，则离子交换膜采用的是阳离子交换膜，故A正确； B．根据分析，阳极水失电子发生氧化反应，电极反应式为2H2O-4e－= 4H+ + O2↑，故B正确； C．根据分析，阴极氢离子发生还原反应生成氢气，电极反应为：2H2O+2e−═H2↑+2OH−，生成气体为氢气，0.2 g氢气的物质的量为0.1mol，转移电子0.2mol，a室为阳极，电极反应为2H2O-4e－= 4H+ + O2↑，氧气从a室逸出，氢离子向b室移动，则a室中减少的质量为水的质量，根据电子守恒，消耗水的物质的量为0.1mol，质量为0.1molｘ18g/mol=1.8g，故C错误； D．根据分析，电解后将b室得到NaHSO3溶液，NaHSO3溶液经结晶脱水可得到Na2S2O5，则结晶脱水过程方程式可表示为2NaHSO3 ═Na2S2O5 +H2O，故D正确； 答案选C。 11．B 【分析】放电时，Zn为负极，强碱性溶液中Zn失去电子被氧化为，MnO2为正极，酸性溶液中被还原为Mn2+；X膜为阴离子交换膜，Y膜为阳离子交换膜； 【详解】A．放电时，Zn为负极，强碱性溶液中Zn失去电子被氧化为：Zn+4OH--2e-=；MnO2为正极，酸性溶液中二氧化锰得到电子被还原为Mn2+：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O，选项A正确； B．放电时，正极室每消耗4molH+，生成1molMn2+，为保证正极室的电解质溶液呈中性，会有1mol穿过X膜(阴离子交换膜)进入中间室；同理，负极室每消耗4molOH-，生成1mol，则有2molK+穿过Y膜(阳离子交换膜)进入中间室，故中间室c(K2SO4)增大，选项B错误； C．充电时，正极反应为Mn2++2H2O-2e-=MnO2+4H+(H+浓度增大，pH减小，pH<7)，负极反应为+2e-=Zn+4OH-(OH-浓度增大，pH增大，pH>7)，充电或放电前后中间室溶液的pH=7，保持不变，选项C正确； D．将充电时上述两极反应相加得到总反应为+Mn2+=Zn+MnO2+2H2O，选项D正确； 答案选B。 12．D 【分析】根据电解池原理分析知，左侧CO2分子得电子生成HCOO-，电子反应式为；右侧为阳极，OH-、HCOO-通过阴离子交换膜进入右侧，失电子发生氧化反应：，据此分析解答。 【详解】A．左侧得电子发生还原反应，为阴极，则a是电源负极，故A错误； B．根据上述分析，左半池的电极反应为：，故B错误； C．右侧为阳极，失去电子发生氧化反应：，则右半池的pH降低，故C错误； D．根据阳极反应知，每生成电路中转移，故D正确； 故选D。 13．B 【分析】由题干中乙醇氧化为乙醛，可判断出d发生了氧化反应，d为阳极；又根据电中性的原理，可以推断出离子交换膜；根据得失电子守恒可以推断出阴阳极的电极反应式。 【详解】a电极上CO2转化为HCOO-，发生还原反应,电极反应式为，则a为阴极、b为负极，A正确、B错误；a电极上产生HCOO-，需要补充阳离子保持溶液呈电中性，所以e为阳离子交换膜，K+通过阳离子交换膜进入阴极室，同理f为阴离子交换膜，C正确；d电极的电极反应式为，溶液中发生反应，当电路中转移1mole-时，d电极产生0.5molCH3CHO，D正确。 【点睛】本题主要考查了电解原理在实际生活、生产中的应用。体现了“证据推理与模型认知”“科学态度与社会责任”的核心素养。将题干中的信息“在碱性条件下，卤素单质可以将乙醇氧化为乙醛，一段时间后测得a电极有HCOO-生成”与图象信息结合起来，利用电解原理确定阴阳极，分析电极反应。 14．D 【分析】根据图示得，阴极为2H2O+2e-═H2↑+4OH-，阳极为2H2O-4e-═O2↑+4H+，电解过程中，Na+向阴极移动，R2-向阳极移动，据此进行分析。 【详解】A．由以上分析可知，A为阳离子交换膜，B为阴离子交换膜，故A错误； B．由以上分析可知，阴极电极反应式为2H2O+2e-═H2↑+4OH-，故B正确； C．电解过程中，阴极区氢氧化钠浓度逐渐增大，因此该制备方法还可以获得氢氧化钠，故C正确； D．当生成 1mol RH2 时，转移2mol电子，若用氢氧燃料电池作电源，电源的正极为氧气得到电子，根据O2～4e-可知，消耗0.5molO2，其在标准状况下体积为0.5mol×22.4L/mol=11.2L，故D错误； 综上所述，说法错误的是D项，故答案为D。 15．D 【分析】根据实验装置，产生氢气的电极为阴极，电极反应为2H2O+2e-=2OH-+H2↑，右端产生NaOH，说明Y为阳离子交换膜。 【详解】A．该装置工作时，产生氢气的电极为阴极，电极反应为2H2O+2e-=2OH-+H2↑，选项A正确； B．根据图中物质的关系可知，液相反应为CH2=CH2+2CuCl2→ClCH2CH2Cl+2CuCl(s)，选项B正确； C．左端电极为阳极，发生的电极反应为CuCl-e-+Cl-=CuCl2，Cl-透过交换膜X进入阳极反应，所以X为阴离子交换膜，选项C正确； D．电路中每转移1mol电子，阴极生成标准状况下的氢气11.2L，阳极不产生气体，选项D错误； 答案选D。 16．B 【详解】A．由于Zn转化为，二氧化铅转化为硫酸铅，所以Zn极为负极，二氧化铅为正极，电子从负极转移到正极，A项正确； B．由于，溶液维持在中性，则a为阳离子交换膜，B项错误； C．由于，，可计算出当电路中转移电子时理论上产生，C项正确； D．二氧化铅为正极，电极反应式为，D项正确； 答案选B。 17．C 【分析】a膜只允许H+通过，为阳离子交换膜，b膜只允许OH-通过，为阴离子交换膜；当闭合K1时，CO2得电子产生HCOOH，则双催化功能的Pd电极材料为正极； 【详解】A．闭合K1时，形成原电池，锌为负极，Pd电极是正极，氢离子是阳离子，向正极移动，选项A正确； B．闭合K1时，形成原电池，锌为负极，Zn表面的电极反应式为Zn+4OH--2e-=，选项B正确； C．闭合K2时，形成电解池，Zn电极发生还原反应做阴极，应与直流电源负极相连，选项C不正确； D．闭合K2时，Pd电极是阳极，发生氧化反应，HCOOH氧化生成CO2，选项D正确； 答案选C。 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $$