2025届高三化学二轮复习 “隔膜”电化学装置分析

“隔膜”电化学装置分析 课前学习任务 核心归纳 1．离子交换膜的类型与作用 2．双极膜 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，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。 双极膜示意图 3．解答含膜电池题的思维模板 课堂学习任务 1．(2024·河北卷，13)我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg-CO2电池，以Mg(TFSI)2为电解质，电解液中加入1，3-丙二胺(PDA)以捕获CO2，使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍，同时改善了Mg2+的溶剂化环境，提高了电池充放电循环性能。 下列说法错误的是(　　) A．放电时，电池总反应为2CO2＋Mg===MgC2O4 B．充电时，多孔碳纳米管电极与电源正极连接 C．充电时，电子由Mg电极流向阳极，Mg2+向阴极迁移 D．放电时，每转移1 mol电子，理论上可转化1 mol CO2 2．(2024·湖北卷，14)我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂，用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸，原理如图，双极膜中H2O解离的H＋和OH－在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中，甲醛转化为HOCH2O－，存在平衡HOCH2O－＋OH－⥫⥬[OCH2O]2-＋H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2-－e－===HCOO－＋H·。下列说法错误的是(　　) A．电解一段时间后阳极区c(OH－)减小 B．理论上生成1 mol H3N＋CH2COOH双极膜中有4 mol H2O解离 C．阳极总反应式为2HCHO＋4OH－－2e－===2HCOO－＋H2↑＋2H2O D．阴极区存在反应H2C2O4＋2H＋＋2e－===CHOCOOH＋H2O 3．(2024·湖南省九校联盟3月联考)高锰酸钾是一种常用的强氧化剂，在临床医学上可以用作消毒剂，可以杀菌止痛。如图是电化学法制备高锰酸钾的装置图。下列说法正确的是(　　) A．中间的离子交换膜是阴离子交换膜 B．每转移1 mol电子，Y极放出112 mL气体 C．X极的电极反应式为 D．当有2 mol电子转移时，氧化产物与还原产物的比值为2∶1 4．(2024·辽宁省沈阳市二模)SO2的脱除与H2O2的制备反应自发协同转化装置如图所示(在电场作用下，双极膜中间层的H2O解离为OH－和H＋并向两极迁移；忽略溶液体积的变化，b极区域O2浓度保持不变)。下列说法正确的是(　　) A．电子从b电极经导线流向a电极 B．电路中转移1 mol电子，理论上正极区域溶液增重17 g C．两极参与反应的SO2与O2的物质的量之比为2∶1 D．双极膜中H2O的解离可不断提供OH－和H＋，故无需补加NaOH 5．(2024·广东省肇庆市二模)如图所示的新型电池可以处理含CN－的碱性废水，同时还能淡化海水。下列说法不正确的是(　　) A．电子由a极经导线流向b极 B．电池工作一段时间后，右室溶液的pH增大 C．交换膜Ⅰ为阳离子交换膜，交换膜Ⅱ为阴离子交换膜 D．b极发生还原反应 6．(2024·河北省保定市一模)退役锂离子电池正极材料中有价金属的回收利用，是解决新能源汽车产业环境污染和资源短缺的有效方法，也是该产业可持续发展的关键。回收过程中产生的沉锂后的母液中的溶质主要是Na2SO4，可根据电化学原理采用双极膜(BP)与离子交换膜(A、C)组合技术处理沉锂后的母液，实现废水的净化和资源回收(如图所示)。下列说法错误的是(　　) A．双极膜(BP)可有效阻隔Na＋和的通过，膜A为阴离子交换膜 B．阳极的电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阴极的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ C．阳极与直流电源的正极相连，阳极上的电势比阴极上的高 D．当阳极上放出22.4 L(标准状况)气体时，该装置有2 mol H2SO4和4 mol NaOH生成 课后学习任务 1．(2024·江西省九江市一模)我国科学家设计了CO2与氯碱耦合电解池装置如图。这种方法的优点是可以得到氯气和氢氧化钠，实现与氯碱工业的联合。下列说法正确的是(　　) A.离子交换膜为阴离子交换膜 B．工作一段时间阴极附近溶液的pH减小 C．电解总化学反应方程式为：CO2＋2NaCl＋H2OHCOONa＋Cl2＋NaOH D．标准状况下，每生成2.24 L Cl2，溶液中通过的电子为0.2 mol 2．(2024·山东省临沂市一模)电解法制备Cu2O的装置如图所示，已知生成Cu2O的反应为Cu2Cl2＋2OH－===Cu2O＋H2O＋2Cl－，下列说法错误的是(　　) A．铂电极连接电源的负极 B．离子交换膜为阴离子交换膜 C．铜电极反应为2Cu－2e－＋2Cl－===Cu2Cl2 D．制备7.2 g Cu2O，阴极区溶液质量减少0.1 g 3．(2024·安徽省皖江名校联盟二模)新型Li-Mg双离子可充电电池是一种高效、低成本的储能电池，其工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　) A．放电时，电极a发生氧化反应 B．放电时，电极b反应为：Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4 C．充电时，Ⅱ室Li2SO4溶液的浓度不变 D．充电时，电极a质量增加24 g，电极b质量理论上减少7 g 4．(2024·东北三省三校第一次联考)用锂硫电池处理含有氯化铵的废水装置如图，锂硫电池工作原理：16Li＋S88Li2S。下列说法正确的是(　　) A．a电极与锂硫电池的正极相连 B．c、e为阴离子交换膜，d为阳离子交换膜 C．当锂硫电池中消耗32 g硫时，N室增加的离子总物质的量为4 mol D．出口一和出口二物质分别为H3PO4浓溶液、Na2SO4浓溶液 5．(2024·河南省信阳市一模)乙醛酸(OHCCOOH)用作调香剂、香料等，还用作医药、染料、塑料和农药的中间体。利用双极膜(由阴离子交换膜和阳离子交换膜组成，双极膜中间层中的水解离成H＋和OH－，并在直流电场的作用下，分别向两极迁移)技术电解制备乙醛酸的装置如图所示。下列说法错误的是(　　) A．Pb电极上发生还原反应 B．OH－通过b膜向石墨电极迁移 C．石墨电极反应式为：OHCCHO＋2OH－－2e－===OHCCOOH＋H2O D．电路中转移2 mol e－，理论上可得到2 mol OHCCOOH 6．(2024·广东省汕头市一模)液流电池在储能领域发挥着重要作用。下图是碱性锌铁液流电池，其具有电压高、成本低的优点。已知该电池放电时正极发生反应：[Fe(CN)6]3-＋e－===[Fe(CN)6]4-，下列叙述正确的是(　　) A.放电时，M处发生氧化反应，N为负极 B．放电时，右侧贮液器中溶液浓度减小 C．充电时，N极电极反应为：[Zn(OH)4]2-＋2e－===Zn＋4OH－ D．该离子交换膜为阴离子交换膜，当有65 g Zn发生反应时，有1 mol OH－通过 7．(2024·广东省肇庆市二模)双极膜是一种复合膜，在直流电作用下，能把中间界面内的H2O解离为H＋和OH－，并使离子定向通过。 以铅酸蓄电池为电源(放电时总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O)，利用双极膜电解获得NaOH与H3PO4的原理如图所示。下列说法正确的是(　　) A．N膜为阳离子交换膜 B．产品室2中溶液pH逐渐增大 C．产品室1中反应为＋2H2O D．双极膜共解离4 mol H2O时，理论上铅酸蓄电池中生成2 mol PbSO4 8．(2023·广东卷，16)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 答案与解析 课堂学习任务 1．C　放电时CO2转化为MgC2O4，碳元素化合价由＋4价降低为＋3价，发生还原反应，所以放电时，多孔碳纳米管电极为正极、Mg电极为负极，则充电时多孔碳纳米管电极为阳极、Mg电极为阴极，放电时正极反应式为Mg2+＋2CO2＋2e－===MgC2O4、负极反应式为Mg－2e－===Mg2+，将放电时正、负电极反应式相加，可得放电时电池总反应：Mg＋2CO2===MgC2O4，A正确；多孔碳纳米管在充电时是阳极，与电源正极连接，B正确；充电时，Mg电极为阴极，电子从电源负极经外电路流向Mg电极，同时Mg2+向阴极迁移，C错误；根据放电时负极的电极反应式可知，每转移2 mol电子，有2 mol CO2参与反应，因此每转移1 mol电子，理论上可转化1 mol CO2，D正确。 2．B　左 侧 PbCu 电 极 的 Pb 表 面转 化 为，发生脱氧的还原反应, Cu 表面转化为发生脱氧、加氢的还原反应，因此PbCu电极为阴极；根据题干信息，右侧Cu电极上发生失电子的氧化反应，因此Cu电极为阳极。根据题干信息可知，Cu电极所在的阳极区先后发生反应：HCHO＋OH－⥫⥬HOCH2O－、HOCH2O－＋OH－⥫⥬[OCH2O]2-＋H2O、[OCH2O]2-－e－===HCOO－＋H·，H·可转化为H2，则阳极总反应式为2HCHO＋4OH－－2e－===2HCOO－＋H2↑＋2H2O，C正确；根据阳极总反应可知，每消耗4个OH－，电路中通过2e－，根据电荷守恒，双极膜中有2个OH－向阳极迁移，即阳极区c(OH－)减小，A正确；由题给信息知，阴极H2C2O4、NH2OH得电子转化为H3N＋CH2COOH，电极反应式为H2C2O4＋NH2OH＋6e－＋7H＋===H3N＋CH2COOH＋3H2O，每生成1 mol H3N＋CH2COOH，电路中通过6 mol e－，双极膜中需有 6 mol H2O解离出6 mol H＋向阴极迁移，B错误；双极膜中H2O解离出的H＋向阴极移动，因此H2C2O4在阴极Pb电极上转化为CHOCOOH的反应为H2C2O4＋2H＋＋2e－===CHOCOOH＋H2O，D正确。 考向预测 1．D　根据装置图可知，X极由K2MnO4制备KMnO4，发生氧化反应，X为阳极，电极反应式为，则K＋向Y极移动，故离子交换膜为阳离子交换膜，A错误；由于未注明温度和压强条件，不能进行计算，B错误；X极由K2MnO4生成KMnO4，每生成1 mol KMnO4转移1 mol电子，Y极发生还原反应2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，每生成1 mol H2转移2 mol电子，故转移相等物质的量的电子，氧化产物与还原产物的比值为2∶1，D正确。 2．B　由图可知，b极氧气发生还原反应生成过氧化氢，为正极，则a为负极。原电池中电子由负极流向正极，故电子从a电极经导线流向b电极，A错误；正极电极反应式为：2H＋＋O2＋2e－===H2O2，转移1 mol电子时，生成0.5 mol H2O2，正极区域溶液增重34 g·mol-1×0.5 mol＝17 g，B正确；负极电极反应式为：SO2＋4OH－－＋2H2O，两极参与反应的SO2与O2的物质的量之比为1∶1，C错误；1 mol SO2与2 mol OH－反应生成，1 mol亚硫酸根离子氧化为硫酸根离子转移2 mol电子，2 mol OH－进入左侧，同时亚硫酸根离子氧化为硫酸根离子消耗OH－，故需要补加NaOH才能持续吸收SO2，D错误。 3．C　从图中可以看出，在a极，CN－转化为和N2，CN－发生氧化反应，a极为负极，则b极为正极，发生还原反应，则电子由a极经导线流向b极，A、D正确；电池工作时，b极发生反应2H＋＋2e－===H2↑，溶液中H＋被消耗，右室溶液的pH增大，B正确；海水中的Cl－透过离子交换膜移向负极，则交换膜Ⅰ为阴离子交换膜，海水中的Na＋透过离子交换膜移向正极，则交换膜Ⅱ为阳离子交换膜，C错误。 4．D　根据装置出口的溶液可知，利用双极膜(BP)与离子交换膜(A、C)之间生成硫酸和氢氧化钠，可实现沉锂后的含硫酸钠的母液废水的净化和资源回收，则双极膜(BP)能有效阻隔Na＋和的通过，根据图中Na＋、移动方向可知，膜A为阴离子交换膜，膜C为阳离子交换膜，A正确；根据离子的放电顺序可知，阴阳极上都是水放电，B正确；阳极与直流电源的正极相连，阴极与直流电源的负极相连，阳极上的电势比阴极上的高，C正确；当阳极上放出22.4 L O2(标准状况)时，外电路中转移4 mol电子，该装置中有2个阴离子交换膜和2个阳离子交换膜，每个阴离子交换膜有通过，每个阳离子交换膜有4 mol Na＋通过，即该装置有4 mol H2SO4和8 mol NaOH生成，D错误。 课后学习任务 1. C　由图示可知，阴极的电极反应式为：CO2＋2e－＋H2O===HCOO－＋OH－，阳极的电极反应式为：2Cl－－2e－===Cl2↑，电解总化学反应方程式为：CO2＋2NaCl＋H2OHCOONa＋Cl2＋NaOH，C正确；阴极区域生成OH－，Na＋从阳极区域通过交换膜进入阴极区，所以该离子交换膜只能让阳离子通过，不能让阴离子通过，采用阳离子交换膜，可以提高NaOH的产量和纯度，A错误；阴极产生OH－，工作一段时间阴极附近pH变大，B错误；电子不能通过溶液，D错误。 2. D　由题意可知，铜电极为电解池的阳极，氯离子作用下，铜在阳极失去电子发生氧化反应生成Cu2Cl2，铂电极为阴极，水分子在阴极得到电子发生还原反应生成氢气和氢氧根离子，放电生成的氢氧根离子通过阴离子交换膜进入阳极区。铂电极为连接电源负极的阴极，故A正确；电解池工作时，氢氧根离子通过阴离子交换膜进入阳极区，故B正确；铜电极为电解池的阳极，氯离子作用下，铜在阳极失去电子发生氧化反应生成Cu2Cl2，电极反应式为2Cu－2e－＋2Cl－===Cu2Cl2，故C正确；结合得失电子数目守恒可知，电解制备得到7.2 g氧化亚铜时，阴极区溶液减少水的质量为2××18 g·mol-1＝1.8 g，故D错误。 3. D　放电时为原电池，Mg电极为负极，负极反应式为Mg－2e－===Mg2+，电极b的反应为，A、B项正确；充电时为电解池，原电池正极与外加电源的正极相连、作阳极，负极与电源负极相连、作阴极，Ⅱ室生成的Li＋和向Ⅰ室迁移的Li＋数目相同，Li2SO4溶液的浓度不变，C项正确；电极a质量增加24 g，生成1 mol Mg，转移2 mol e－，电极b理论上减少2 mol Li＋，质量减少14 g，D项错误。 4. C　电池放电时，Li电极失去电子变为Li＋，发生氧化反应，则Li为负极，硫为正极，正极发生的电极反应为S8＋16e－===8S2-，由图可知，N室氯化钠浓度变大，故b极区钠离子向N室移动，M室氯离子向N室移动，e为阳离子交换膜，d为阴离子交换膜，b为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，故出口二物质为硫酸，a为阴极，与锂硫电池的负极相连，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，铵根离子从M室向左侧迁移，c为阳离子交换膜，A、B错误；根据正极电极反应式可知，消耗32 g硫，转移2 mol电子，有2 mol钠离子和2 mol氯离子向N室移动，N室增加的离子总物质的量为4 mol，C正确；出口一和出口二物质分别为铵盐、硫酸，D错误。 5. C　由装置图可知，乙二酸转化为乙醛酸发生还原反应，故铅电极为阴极，反应为：HOOC—COOH＋2e－＋2H＋===HOOC—CHO＋H2O，石墨电极为阳极，反应为：2Br－－2e－===Br2，OHC—CHO＋H2O＋Br2===OHC—COOH＋2H＋＋2Br－，工作过程中H＋移向铅电极，OH－移向石墨电极，A、B正确；石墨电极的总反应式为OHCCHO＋H2O－2e－===OHCCOOH＋2H＋，C错误；阳极区和阴极区均有乙醛酸生成，且1 mol乙二酸转化为1 mol乙醛酸与1 mol乙二醛转化为1 mol乙醛酸均转移2 mol电子，根据电子守恒，则制得2 mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了2 mol电子，D正确。 6. C　由图可知，碱性锌铁液流电池放电时，Zn失电子，发生氧化反应，则N极为负极，电极反应为；左侧M为正极，电极反应为[Fe(CN)6]3-＋e－===[Fe(CN)6]4-，A错误；根据电极反应式可知，放电时右侧贮液器中溶液浓度增大，B错误；充电时，右侧电极连接电源负极，作阴极，发生还原反应，电极反应式为：[Zn(OH)4]2-＋2e－===Zn＋4OH－，C正确；当有65 g Zn反应时，转移2 mol电子，右侧反应产生1 mol的[Zn(OH)4]2-，负电荷减少2 mol，为维持电荷守恒，就会有2 mol OH－通过阴离子交换膜由左侧移向右侧，D错误。 7. D　由图可知，电解池工作时H＋向电极a移动，即a为阴极，那么b为阳极，原料室中钠离子通过M膜进入产品室1得到氢氧化钠，N膜为阴离子交换膜，原料室中磷酸二氢根离子通过N膜进入产品室2，与双极膜产生的氢离子反应生成磷酸，产品室2中溶液pH逐渐减小，A、B、C错误；双极膜共解离4 mol H2O，即电极a、b处各解离2 mol H2O，解离2 mol H2O得到2 mol H＋，转移电子数为2 mol，结合放电时总反应，理论上铅酸蓄电池中生成2 mol PbSO4，故D正确。 8. B　由信息可知，在电极a处KNO3放电生成NH3，发生还原反应，故电极a为阴极，电极反应式为＋8e－＋7H2O===NH3·H2O＋9OH－，电极b为阳极，电极反应式为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。电解总反应为KNO3＋3H2O===NH3·H2O＋2O2↑＋KOH，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，B错误；阳极室每消耗4 mol OH－，双极膜处有4 mol OH－进入阳极室，故KOH的物质的量不因反应而改变，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，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$