2021新高考化学二轮总复习学案：热点专攻（六）　电化学中的离子交换膜 Word版含解析

2021新高考化学二轮总复习学案：热点专攻（六）　电化学中的离子交换膜 Word版含解析

www.ks5u.com 热点专攻(六)‎ 电化学中的离子交换膜 电化学的有关知识是每年高考必考内容,题型有选择题和非选择题。命题的角度有电极反应式的正误判断与书写,电池反应式的书写,正、负极的判断,电池充、放电时离子移动方向的判断,电极附近离子浓度的变化,电解的应用与计算,金属的腐蚀与防护等。交换膜在电化学工业生产中应用十分广泛,离子交换膜的作用、性质已成为高考命题的新动向。‎ ‎(一)审题关注什么 ‎1.审题的关键点 ‎(1)弄清是原电池还是电解池,判断电极名称。‎ ‎(2)根据电极名称判断离子的移动方向和交换膜的种类。‎ ‎(3)根据放电顺序写出电极反应式。‎ ‎(4)根据电极反应式和离子的移动方向确定其他反应产物。‎ ‎2.防范失分点 ‎(1)看清图示,是否说明了交换膜的类型,是否标注了电源的正、负极,是否标注了电子流向、电荷流向等,明确阴、阳离子的移动方向。‎ ‎(2)根据原电池和电解池中阴、阳离子的移动方向,结合题目中给出的制备、电解物质等信息,找出物质生成或消耗的电极区域,确定移动的阴、阳离子,从而推知离子交换膜的类型。‎ ‎(二)题目考什么 ‎1.常见的离子交换膜 种类 允许通过的离子及移动方向 说明 阳离子 交换膜 阳离子→移向电解池的阴极或原电池的正极 阴离子和气体不能通过 阴离子 交换膜 阴离子→移向电解池的阳极或原电池的负极 阳离子和气体不能通过 质子 交换膜 质子→移向电解池的阴极或原电池的正极 只允许H+通过 ‎2.判断离子交换膜的类型,判断离子的迁移方向,书写电极反应式,判断电极产物 如三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如下图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和SO‎4‎‎2-‎可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。根据电解池原理可判断阴、阳离子的移动方向,从而确定离子交换膜的类型。然后可书写电极反应式,判断电极产物。‎ 应考训练 ‎1.(2020山东化学)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置,利用微生物处理有机废水获得电能,同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水,采用惰性电极,用下图装置处理有机废水(以含CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是(　　)‎ A.负极反应为CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+‎ B.隔膜1为阳离子交换膜,隔膜2为阴离子交换膜 C.当电路中转移1 mol电子时,模拟海水理论上除盐58.5 g D.电池工作一段时间后,正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1‎ ‎2.(2020广东湛江五校联考)肼(N2H4)碱性燃料电池的原理示意图如图所示,电池总反应为:N2H4+O2N2+2H2O。下列说法错误的是(　　)‎ A.电极b发生还原反应 B.电流由电极a流出经用电器流入电极b C.物质Y是NaOH溶液 D.电极a的电极反应式为N2H4+4OH--4e-N2↑+4H2O ‎3.(双选)(2020吉林省吉林市二调改编)金属(M)-空气电池具有原料易得、能量密度高等优点,有望成为新能源汽车和移动设备的电源,该类电池放电的总反应方程式为2M+O2+2H2O2M(OH)2。下列说法正确的是(　　)‎ ‎(已知:电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能)‎ A.电解质中的阴离子向金属M方向移动 B.比较Mg、Al、Zn三种金属-空气电池,Mg-空气电池的理论比能量最高 C.电池放电过程的负极反应式为2M-4e-+4OH-2M(OH)2‎ D.当外电路中转移4 mol电子时,多孔电极需要通入空气22.4 L(标准状况)‎ ‎4.(2020山东潍坊高三期末)全钒液流储能电池是利用不同价态的含钒离子在酸性条件下发生反应,离子方程式为VO‎2‎‎+‎(黄色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(蓝色)+V3+(绿色)+H2O。采用惰性电极实现化学能和电能相互转化的工作原理如图。下列说法正确的是(　　)‎ A.充电过程中,X端接外接电源的负极 B.放电过程中,正极电极反应式为VO‎2‎‎+‎+H2O+e-VO2++2OH-‎ C.放电过程中,右罐溶液颜色逐渐由绿色变为紫色 D.充电时若转移电子0.5 mol,左罐溶液中n(H+)的变化量为0.5 mol ‎5.(双选)(2020湖北部分重点中学联考改编)硼酸(H3BO3)为一元弱酸,已知H3BO3与足量NaOH溶液反应的离子方程式为H3BO3+OH-B(OH‎)‎‎4‎‎-‎,H3BO3可以通过电解的方法制备。其工作原理如下图所示(阳离子交换膜和阴离子交换膜分别只允许阳离子、阴离子通过)。下列说法正确的是(　　)‎ A.当电路中通过1 mol电子时,可得到1 mol H3BO3‎ B.将电源的正、负极反接,工作原理不变 C.阴极室的电极反应式为2H2O-4e-O2+4H+‎ D.B(OH‎)‎‎4‎‎-‎穿过阴离子交换膜进入阴极室,H+穿过阳离子交换膜进入产品室 ‎6.(2020福建龙岩高三教学质量检查)三室式电渗析法处理含NH4NO3废水的原理如图所示,工作一段时间后,在两极区均得到副产品NH4NO3。下列叙述错误的是(　　)‎ A.a极为电源负极,b极为电源正极 B.c膜是阳离子交换膜,d膜是阴离子交换膜 C.阳极电极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O D.Ⅱ室溶液的pH保持不变 热点专攻(六)　电化学中的离子交换膜 应考训练1.B　解析本题考查了原电池的工作原理和电极反应式的书写。由图可知,a极变化为CH3COO-CO2,该极的电极反应为CH3COO-+2H2O-8e-2CO2+7H+,a极发生氧化反应,则a极为负极,b极为正极,A项正确;由于可实现海水淡化,结合原电池原理分析,Cl-应移向a极,Na+应移向b极,故隔膜1为阴离子交换膜,隔膜2为阳离子交换膜,B项错误;当转移8mole-时,CH3COO-减少1mol,同时H+增加7mol,应有8molCl-通过隔膜1,则转移1mol电子时理论上可除去1molNaCl,所以C项正确;工作一段时间后,由于正极反应式为2H++2e-H2↑,故正、负极生成气体的物质的量之比为2∶1,D项正确。‎ ‎2.B　解析题给燃料电池中,通入燃料肼的电极为负极、通入氧气的电极为正极,电解质溶液呈碱性,则负极反应式为N2H4+4OH--4e-N2↑+4H2O,正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。该燃料电池中通入氧气的电极b为正极,正极上得电子,发生还原反应,故A正确;a为负极、b为正极,电流从正极b经用电器流入负极a,故B错误;b电极上生成氢氧根离子,钠离子通过阳离子交换膜进入右侧,所以Y为NaOH溶液,故C正确;a电极上肼失电子,发生氧化反应,电极反应式为N2H4+4OH--4e-N2↑+4H2O,故D正确。‎ ‎3.AC　解析原电池中阴离子应该向负极移动,金属M为负极,所以电解质中的阴离子向金属M方向移动,故A正确;电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能,则单位质量的电极材料失去电子的物质的量越多则释放的电能越多,假设质量都是1g时,Mg、Al、Zn三种金属转移电子的物质的量分别为‎1‎‎24‎×2mol=‎1‎‎12‎mol、‎1‎‎27‎×3mol=‎1‎‎9‎mol、‎1‎‎65‎×2mol=‎1‎‎32.5‎mol,所以Al-空气电池的理论比能量最高,故B错误;负极M失电子和OH-反应生成M(OH)2,则负极反应式为2M-4e-+4OH-2M(OH)2,故C正确;由正极电极反应式O2+2H2O+4e-4OH-可得O2~4OH-~4e-,当外电路中转移4mol电子时,消耗氧气1mol,1molO2在标准状况下的体积为22.4L,但空气中氧气的体积分数约为21%,所以需要空气的体积应大于22.4L,故D错误。‎ ‎4.D　解析由VO‎2‎‎+‎(黄色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(蓝色)+V3+(绿色)+H2O可知,放电时正极反应式为VO‎2‎‎+‎+2H++e-VO2++H2O,负极反应式为V2+-e-V3+,所以充电时,左边发生的反应为VO2++H2O-e-VO‎2‎‎+‎+2H+,则左边为阳极,X端接外接电源的正极,右边为阴极,发生得电子的还原反应,即V3++e-V2+。由上述分析可知,充电时,X 端接外接电源的正极,故A错误;由VO‎2‎‎+‎(黄色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(蓝色)+V3+(绿色)+H2O可知,放电时正极反应式为VO‎2‎‎+‎+2H++e-VO2++H2O,故B错误;放电过程中,右边为负极,电极反应式为V2+-e-V3+,则溶液颜色逐渐由紫色变为绿色,故C错误;充电时,左边发生的反应为VO2++H2O-e-VO‎2‎‎+‎+2H+,若转移电子0.5mol,生成氢离子为1mol,此时应有0.5molH+通过质子交换膜进入右边,则左边溶液中n(H+)的变化量为1mol-0.5mol=0.5mol,故D正确。‎ ‎5.AD　解析阳极电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+、阴极电极反应式为4H2O+4e-2H2↑+4OH-,阳极室中的氢离子通过阳离子交换膜进入产品室,B(OH‎)‎‎4‎‎-‎穿过阴离子交换膜进入产品室,发生反应B(OH‎)‎‎4‎‎-‎+H+H2O+H3BO3。阳极发生失去电子的氧化反应,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,电路中通过1mol电子时有1molH+生成,硼酸(H3BO3)为一元弱酸,生成1mol硼酸需要1molH+,所以电路中通过1mol电子时可得到1molH3BO3,A正确;根据以上分析可知,如果将电源的正、负极反接,工作原理发生变化,B错误;电解时阴极发生得到电子的还原反应,电极反应式为4H2O+4e-2H2↑+4OH-,C错误;由上述分析可知,D正确。‎ ‎6.D　解析在直流电源的作用下,两膜中间的NH‎4‎‎+‎和NO‎3‎‎-‎均可通过离子交换膜,工作一段时间后,在两极区均得到副产品NH4NO3,由此可知NH‎4‎‎+‎向左移动,NO‎3‎‎-‎向右移动;在电解池中,阳离子向阴极移动,则与电源a电极连接的石墨为阴极,电极反应式为2H++2e-H2↑,Ⅰ室中阳离子减少,NH‎4‎‎+‎移动到Ⅰ室与硝酸根形成硝酸铵。a为电源负极,b为电源正极,与b相连的石墨为阳极,电极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑,NO‎3‎‎-‎移动到Ⅲ室与铵根形成硝酸铵。由上述分析可知,A正确;c膜是阳离子交换膜,d膜是阴离子交换膜,故B正确;根据分析可知阳极的电极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑,故C正确;电解前Ⅱ室中存在铵根的水解使溶液显酸性,随着电解进行铵根离子进入Ⅰ室,溶液酸性逐渐减弱,故D错误。‎