新高考化学二轮复习学案第1部分 专题突破 专题12 题型专攻4 电化学离子交换膜的分析与应用(含解析)
展开角度一 “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+ 由电极a到电极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。
角度二 “双膜”电解池
3.(2022·全国甲卷,10)一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH溶液中,Zn2+以Zn(OH)存在]。电池放电时,下列叙述错误的是( )
A.Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B.Ⅰ区的SO通过隔膜向Ⅱ区迁移
C.MnO2电极反应:MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O
D.电池总反应:Zn+4OH-+MnO2+4H+===Zn(OH)+Mn2++2H2O
答案 A
解析 根据图示的电池结构和题目所给信息可知,Ⅲ区Zn为电池的负极,电极反应为Zn-2e-+4OH-===Zn(OH),Ⅰ区MnO2为电池的正极,电极反应为MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O,K+从Ⅲ区通过隔膜向Ⅱ区迁移,A错误;Ⅰ区的SO通过隔膜向Ⅱ区迁移,B正确;MnO2电极的电极反应式为MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O,C正确;电池的总反应为Zn+4OH-+MnO2+4H+===Zn(OH)+Mn2++2H2O,D正确。
角度三 “多膜”电解池
4.[2014·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,水中的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++H2POH3PO2。
③如果撤去阳膜,H2PO或H3PO2可能会被氧化。
1.(2021·重庆1月适应性测试,10)双极膜在电渗析中应用广泛,它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层,工作时水层中的H2O解离成H+和OH-,并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。下图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。
下列说法正确的是( )
A.出口2的产物为HBr溶液
B.出口5的产物为硫酸溶液
C.Br-可从盐室最终进入阳极液中
D.阴极反应式为2H++2e-===H2↑
答案 D
解析 电解时,双极膜中的氢氧根离子向阳极移动,进入交换室1,盐室中的Na+向阴极移动,进入交换室1,则出口2的产物为NaOH溶液,A错误;钠离子不能通过双极膜,故出口5不是硫酸,B错误;Br-通过阴离子交换膜进入交换室2,但是不能通过双极膜,所以Br-不会从盐室最终进入阳极液中,C错误;电解池阴极处,发生还原反应,水解离成H+和OH-,则在阴极发生的反应为2H++2e-===H2↑,D正确。
2.[2021·河北1月选考模拟,18(1)(2)(3)(4)(5)]我国科学家最近发明了一种Zn-PbO2电池,电解质为K2SO4、H2SO4和KOH,由a和b两种离子交换膜隔开,形成A、B、C三个电解质溶液区域,结构示意图如下:
回答下列问题:
(1)电池中,Zn为__________极,B区域的电解质为______(填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)。
(2)电池反应的离子方程式为__________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)阳离子交换膜为图中的______(填“a”或“b”)膜。
(4)此电池中,消耗6.5 g Zn,理论上可产生的容量(电量)为________毫安时(mAh)(1 mol电子的电量为1 F,1 F=96 500 C·mol-1,结果保留整数)。
(5)已知E为电池电动势[电池电动势即电池的理论电压,是两个电极电位之差,E=E(+)-E(-)],ΔG为电池反应的自由能变,则该电池与传统铅酸蓄电池相比较,________;____(填“>”或“<”)。
答案 (1)负 K2SO4 (2)PbO2+SO+Zn+2H2O===PbSO4+Zn(OH) (3)a (4)5 361 (5)> <
解析 (1)根据图示可知,Zn电极失去电子生成Zn2+,与溶液中的OH-结合形成Zn(OH),所以Zn电极为负极;在A区域的电解质为KOH,在B区域的电解质为K2SO4,C区域电解质为H2SO4。(2)负极电极反应式为Zn-2e-+4OH-===Zn(OH),正极的电极反应式为PbO2+2e-+4H++SO===PbSO4+2H2O,总反应方程式为PbO2+SO+Zn+2H2O===PbSO4+Zn(OH)。(3)A区域是KOH溶液,OH-发生反应生成Zn(OH),为了维持溶液呈电中性,多余的K+通过交换膜进入到B区域,由于阳离子交换膜只允许阳离子通过,因此a膜为阳离子交换膜。(4)6.5 g Zn的物质的量是n(Zn)==0.1 mol,则转移电子n(e-)=0.2 mol,1 mol电子的电量为1 F,1 F=96 500 C·mol-1,转移0.2 mol电子的电量Q=0.2 mol×96 500 C·
mol-1=19 300 C,则理论上可产生的容量(电量)为mAh≈5 361 mAh。(5)由于Zn比Pb活动性强,正极材料都是PbO2,所以Zn-PbO2的电势差比Pb-PbO2的电势差大,则>;不同电池的电势差越大,电池反应的自由能变就越小,由于Zn-PbO2的电势差比Pb-PbO2的电势差大,所以<。
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