2022届高考化学二轮专题复习学案练习专题六 题型专训(二)　电化学离子交换膜的分析与应用

题型专训(二)　电化学离子交换膜的分析与应用

类型一　“单膜”电解池

1．(2018·全国卷Ⅰ，13)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。示意图如下所示，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

答案　C

解析　由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴极。阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高，C项错误；由题图可知，电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，A项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B项正确；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D项正确。

2．[2018·全国卷Ⅲ，27(3)①②]KIO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示。

①写出电解时阴极的电极反应式：_____________________________________________。

②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为_______，其迁移方向是______________。

答案　①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑　②K＋　由a到b

解析　①电解液是KOH溶液，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。②电解过程中阳极反应为I－＋6OH－－6e－===IO＋3H2O。阳极的K＋通过阳离子交换膜由电极a迁移到电极b。

类型二　“双膜”电解池

3．[2018·全国卷Ⅰ，27(3)]制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为____________________________。电解后，________室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。

答案　2H2O－4e－===4H＋＋O2↑　a

解析　阳极上阴离子OH－放电，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，电解过程中H＋透过阳离子交换膜进入a室，故a室中NaHSO3浓度增加。

类型三　“多膜”电解池

4．[2014·新课标全国卷Ⅰ，27(4)]H3PO2也可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：

①写出阳极的电极反应式：___________________________________________________。

②分析产品室可得到H3PO2的原因：___________________________________________。

③早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有____________杂质。该杂质产生的原因是_______________________________。

答案　①2H2O－4e－===O2↑＋4H＋

②阳极室的H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2

③PO　H2PO或H3PO2被氧化

解析　①阳极发生氧化反应，在反应中OH－失去电子，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。

②H2O放电产生H＋，H＋进入产品室，原料室的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者发生反应：H＋＋H2POH3PO2。

③如果撤去阳膜，H2PO或H3PO2可能会被氧化。

1．(2019·青岛市高三3月教学质量检测)水系锌离子电池是一种新型二次电池，工作原理如下图。该电池以粉末多孔锌电极(锌粉、活性炭及粘结剂等)为负极，V2O5为正极，三氟甲磺酸锌[Zn(CF3SO3)2]为电解液。下列叙述错误的是(　　)

A．放电时，Zn2＋向V2O5电极移动

B．充电时，阳极区电解液的浓度变大

C．充电时，粉末多孔锌电极发生还原反应

D．放电时，V2O5电极上的电极反应式为：V2O5＋xZn2＋＋2xe－===ZnxV2O5

答案　B

解析　放电时，阳离子向正极移动，所以Zn2＋向V2O5电极移动，故A正确；充电时，阳极区发生ZnxV2O5－2xe－===V2O5＋xZn2＋，锌离子通过阳离子交换膜向左移动，所以阳极区Zn(CF3SO3)2的浓度减小，故B错误；充电时，粉末多孔锌电极为阴极，发生还原反应，故C正确；放电时，V2O5电极上的电极反应式为：V2O5＋xZn2＋＋2xe－===ZnxV2O5，故D正确。

2．某种浓差电池的装置如下图所示，碱液室中加入电石渣浆液[主要成分为Ca(OH)2]，酸液室通入CO2(以NaCl为支持电解质)，产生电能的同时可生产纯碱等物质。下列叙述不正确的是(　　)

A．电子由M极经外电路流向N极

B．N电极区的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑

C．在碱液室可以生成 NaHCO3、Na2CO3

D．放电一段时间后，酸液室溶液pH增大

答案　C

解析　电极M为电池的负极，电子由M极经外电路流向N极，故A正确；酸液室中的氢离子透过质子交换膜，在电极N表面得到电子生成氢气，N电极区的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，故B正确；酸液室与碱液室之间为阴离子交换膜，钠离子不能进入碱液室，应在酸液室得到NaHCO3、Na2CO3，故C错误；放电一段时间后，酸液室氢离子被消耗，最终得到NaHCO3、Na2CO3，溶液pH增大，故D正确。

3．用电渗析法可将含硝酸钠的废水再生为硝酸和氢氧化钠，其装置如下图所示。下列叙述不正确的是(　　)

A．膜a、膜c分别是阴离子交换膜、阳离子交换膜

B．阳极室、阴极室的产品分别是氢氧化钠、硝酸

C．阳极的电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑

D．该装置工作时，电路中每转移0.2 mol电子，两极共生成气体3.36 L(标准状况)

答案　B

解析　阳极室溶液中氢氧根离子失电子发生氧化反应生成氧气，电极附近氢离子浓度增大，阴极室溶液中氢离子得到电子发生还原反应生成氢气，电极附近氢氧根离子浓度增大，阳极室得到硝酸，阴极室得到氢氧化钠，膜a为阴离子交换膜，膜c为阳离子交换膜，A正确、B错误；阳极是氢氧根离子失电子发生氧化反应，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，C正确；阳极生成氧气：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，阴极生成氢气：2H＋＋2e－===H2↑，该装置工作时，电路中每转移0.2 mol电子，生成氧气0.05 mol，生成氢气0.1 mol，两极共生成气体体积＝(0.05 mol＋0.1 mol)×22.4 L·mol－1＝3.36 L(标准状况)，D正确。

4．一氧化氮—空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其工作原理如图所示，写出放电过程中负极的电极反应式：___________，若过程中产生2 mol HNO3，则消耗标准状况下O2的体积为________L。

答案　NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋　33.6

解析　由原电池的工作原理图示可知，左端的铂电极为负极，其电极反应式为NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，当过程中产生2 mol HNO3时转移6 mol e－，而1 mol O2参与反应转移4 mol e－，故需要1.5 mol O2参与反应，标准状况下的体积为33.6 L。

5．电解法也可以对亚硝酸盐污水进行处理(工作原理如下图所示)。通电后，左极区产生浅绿色溶液，随后生成无色气体。当Fe电极消耗11.2 g时，理论上可处理 NaNO2含量为4.6%的污水________g。

答案　100

解析　当铁消耗11.2 g即 mol＝0.2 mol时生成0.2 mol 亚铁离子，与亚硝酸根离子反应生成氮气和铁离子，根据电子守恒分析，消耗亚硝酸根离子物质的量为mol，则可处理污水的质量为 g＝100 g。