2025年高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí)（新高考版）大單元4 第10章　熱點強化18　離子交換膜電化學(xué)裝置

熱點強化18離子交換膜電化學(xué)裝置1．常見的離子交換膜離子交換膜是一種含離子基團的、對溶液中的離子具有選擇透過功能的膜，通常由特殊高分子材料制成。離子交換膜分為：(1)陽離子交換膜，只允許陽離子通過，不允許陰離子通過。(2)陰離子交換膜，只允許陰離子通過，不允許陽離子通過。(3)質(zhì)子交換膜，只允許H＋通過，不允許其他陽離子或陰離子通過。(4)雙極隔膜，是一種新型離子交換膜，其膜主體可分為陰離子交換層、陽離子交換層和中間界面層，水解離催化劑被夾在中間的離子交換聚合物中，水電離產(chǎn)物H＋和OH－可在電場力的作用下快速遷移到兩側(cè)溶液中，為膜兩側(cè)的半反應(yīng)提供各自理想的pH條件。2．離子交換膜的作用(1)能將兩極區(qū)隔離，阻止兩極區(qū)產(chǎn)生的物質(zhì)接觸，防止發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高產(chǎn)品的純度或避免不安全因素。(2)能選擇性地允許離子通過，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。3．分析方法(1)根據(jù)膜的性質(zhì)和離子在溶液中的遷移方向，畫出離子透過膜的方向；(2)尋找遷出室溶液中濃度較大的遷移離子；(3)分析離子在遷入室的濃度增大和在遷出室的濃度減小，以及帶來的實質(zhì)變化。一、含離子交換膜的電池1．(2020·海南，11)某燃料電池主要構(gòu)成要素如圖所示，下列說法正確的是()A．電池可用于乙醛的制備B．b電極為正極C．電池工作時，a電極附近pH降低D．a(chǎn)電極的反應(yīng)式為O2＋4e－－4H＋=2H2O答案A解析該燃料電池中，乙烯和水發(fā)生氧化反應(yīng)，所以通入乙烯和水的電極是負(fù)極，氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，所以通入氧氣的電極是正極，由圖可知負(fù)極上乙烯和水生成乙醛和氫離子，氫離子移向正極，正極上氧氣和氫離子反應(yīng)生成水，X為水，由此分析。電池工作時，氫離子移向正極，a電極的反應(yīng)式為O2＋4e－＋4H＋=2H2O，a電極附近pH升高，故C、D不符合題意。2.(2021·河北，9)K-O2電池結(jié)構(gòu)如圖，a和b為兩個電極，其中之一為單質(zhì)鉀片。關(guān)于該電池，下列說法錯誤的是()A．隔膜允許K＋通過，不允許O2通過B．放電時，電流由b電極沿導(dǎo)線流向a電極；充電時，b電極為陽極C．產(chǎn)生1Ah電量時，生成KO2的質(zhì)量與消耗O2的質(zhì)量比值約為2.22D．用此電池為鉛酸蓄電池充電，消耗3.9g鉀時，鉛酸蓄電池消耗0.9g水答案D解析金屬性強的鉀易與氧氣反應(yīng)，為防止鉀與氧氣反應(yīng)，電池所選擇隔膜應(yīng)允許K＋通過，不允許O2通過，故A正確；放電時，a為負(fù)極，b為正極，電流由b電極沿導(dǎo)線流向a電極，充電時，b電極應(yīng)與直流電源的正極相連，作電解池的陽極，故B正確；生成1mol超氧化鉀時，消耗1mol氧氣，兩者的質(zhì)量比為(1mol×71g·mol－1)∶(1mol×32g·mol－1)≈2.22∶1，故C正確；鉛酸蓄電池充電時的總反應(yīng)的化學(xué)方程式為2PbSO4＋2H2O=PbO2＋Pb＋2H2SO4，反應(yīng)每消耗2mol水時，轉(zhuǎn)移2mol電子，由得失電子守恒可知，消耗3.9g鉀時，鉛酸蓄電池消耗水的質(zhì)量為eq\f(3.9g,39g·mol－1)×18g·mol－1＝1.8g，故D錯誤。3．我國科學(xué)家開發(fā)出了一種Zn-NO電池系統(tǒng)，該電池具有同時合成氨和對外供電的功能，其工作原理如圖所示，下列說法錯誤的是()A．電極電勢：Zn/ZnO電極<MoS2電極B．Zn/ZnO電極的反應(yīng)式為Zn－2e－＋2OH－=ZnO＋H2OC．電池工作一段時間后，正極區(qū)溶液的pH減小D．電子流向：Zn/ZnO電極→負(fù)載→MoS2電極答案C解析Zn/ZnO電極為負(fù)極，MoS2電極為正極，正極電勢高于負(fù)極電勢，A正確；正極區(qū)消耗的H＋源于雙極膜解離出的H＋，且產(chǎn)生的NH3會部分溶解，所以正極區(qū)溶液的pH不會減小，C錯誤；電子流向：負(fù)極→負(fù)載→正極，D正確。二、含離子交換膜的電解池4．以純堿溶液為原料，通過電解的方法可制備小蘇打，原理裝置圖如下：上述裝置工作時，下列有關(guān)說法正確的是()A．乙池電極接電源正極，氣體X為H2B．Na＋由乙池穿過交換膜進入甲池C．NaOH溶液Z的濃度比NaOH溶液Y的小D．甲池電極反應(yīng)為4OH－－4e－=2H2O＋O2↑答案C解析由甲池放出O2知，乙池電極為電解池的陰極，和電源負(fù)極連接，溶液中水電離出的氫離子放電生成氫氣，A項錯誤；電解池中陽離子移向陰極，B項錯誤；陰極附近水電離出的氫離子放電破壞了水的電離平衡，電極附近氫氧根離子濃度增大，NaOH溶液Y的濃度比NaOH溶液Z的大，C項正確；甲池電極為陽極，電解質(zhì)溶液中水電離出的氫氧根離子放電生成氧氣，氫離子濃度增大，碳酸根離子結(jié)合氫離子生成碳酸氫根離子，出口為碳酸氫鈉溶液，則電極反應(yīng)式為4COeq\o\al(2－,3)＋2H2O－4e－=4HCOeq\o\al(－,3)＋O2↑，D項錯誤。5．(2021·全國甲卷，13)乙醛酸是一種重要的化工中間體，可采用如圖所示的電化學(xué)裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H＋和OH－，并在直流電場作用下分別向兩極遷移。下列說法正確的是()A．KBr在上述電化學(xué)合成過程中只起電解質(zhì)的作用B．陽極上的反應(yīng)式為：＋2H＋＋2e－→＋H2OC．制得2mol乙醛酸，理論上外電路中遷移了1mol電子D．雙極膜中間層中的H＋在外電場作用下向鉛電極方向遷移答案D解析KBr在上述電化學(xué)合成過程中除作電解質(zhì)外，同時還是電解過程中陽極的反應(yīng)物，生成的Br2與乙二醛反應(yīng)制備乙醛酸，故A錯誤；陽極上Br－失去電子生成Br2，Br2將乙二醛氧化為乙醛酸，故B錯誤；電解過程中陰、陽極均生成乙醛酸，1mol乙二酸生成1mol乙醛酸轉(zhuǎn)移的電子為2mol,1mol乙二醛生成1mol乙醛酸轉(zhuǎn)移的電子為2mol，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒可知制得2mol乙醛酸時，理論上外電路中遷移了2mol電子，故C錯誤；由上述分析可知，雙極膜中間層的H＋在外電場作用下移向陰極，即H＋移向鉛電極，故D正確。6．(2023·廣東惠州高三聯(lián)考)次磷酸鈷eq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(CoH2PO22))廣泛應(yīng)用于化學(xué)鍍鈷，以金屬鈷和次磷酸鈉為原料，采用四室電滲析槽電解法制備次磷酸鈷的裝置如圖所示。下列說法正確的是()A．Co電極連接電源負(fù)極B．C采用陰離子交換膜C．石墨電極的電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑D．工作時，原料室中NaH2PO2的濃度不變答案C解析此電解池用金屬鈷和次磷酸鈉制備次磷酸鈷，因此Co電極失去電子作陽極，與電源的正極相連，A項錯誤；電解池中，陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動，產(chǎn)品室中得到次磷酸鈷，陽極區(qū)生成的Co2＋和原料室中的H2POeq\o\al(－,2)都移向產(chǎn)品室，為了確保產(chǎn)品的純度和原料室電荷守恒，原料室中的Na＋移向陰極區(qū)，因此A、B、C分別采用陽離子交換膜、陰離子交換膜、陽離子交換膜，工作時原料室中NaH2PO2的濃度減小，B、D項錯誤；石墨電極作陰極，電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，C項正確。7．某科研小組研究采用BMED膜堆如圖所示，模擬以精制濃海水為原料直接制備酸堿。BMED膜堆包括陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極膜(A、D)。已知：在直流電源的作用下，雙極膜內(nèi)中間界面層發(fā)生水的解離，生成H＋和OH－。下列說法錯誤的是()A．電極a連接電源的正極B．B為陽離子交換膜C．電解質(zhì)溶液采用Na2SO4溶液可避免有害氣體的產(chǎn)生D．Ⅱ口排出的是淡水答案B解析根據(jù)題干信息確定該裝置為