能力课时落实(八)　离子交换膜在电化学中的应用

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1．(2021·山东枣庄八中高二月考)已知X、Y均为惰性电极，海水中富含Na＋、Cl－、Ca2＋、Mg2＋、SO等离子，用如图装置模拟海水淡化的过程。下列叙述中不正确的是(　　)

A．N是阴离子交换膜

B．Y电极上产生有色气体

C．X电极区有浑浊产生

D．X电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

D　[隔膜N靠近阳极，阳极上是阴离子放电，所以隔膜N是阴离子交换膜，A正确；通电后Y电极为阳极，阳极的电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，B正确；通电后X电极为阴极，阴极上是氢离子得到电子生成氢气，导致阴极区氢氧根离子浓度增大，OH－与Ca2＋、Mg2＋形成沉淀，C正确；X电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑或2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，D错误。]

2．(2021·山东青岛月考)用多孔石墨电极电解法脱硫不仅可以脱除烟气中的SO2，还可以制得H2SO4，装置如图所示。下列有关说法错误的是(　　)

A．阳极放电的物质是SO2

B．阳极电极反应式为SO2－2e－＋SO===2SO3

C．电解过程电解池中SO数目减少

D．通N2的目的是将电解后的气体转移出来

C　[由示意图可知，阳极上SO2发生失电子的氧化反应生成SO3，电极反应式为SO2－2e－＋SO===2SO3，则阳极放电的物质是SO2,A正确，B正确；电解池中总反应为O2＋2SO2===2SO3，所以电解过程电解池中SO数目不变，C错误；阳极通入性质稳定的氮气，能将电解后的混合气体及时吹出，使之被水吸收生成H2SO4，达到彻底脱硫的目的，D正确。]

3．以石墨负极(C)、LiFePO4正极组成的锂离子电池的工作原理如图所示(实际上正负极材料是紧贴在锂离子导体膜两边的)。充放电时，Li＋在正极材料上脱嵌或嵌入，随之在石墨中发生了LixC6生成与解离。下列说法正确的是(　　)

A．锂离子导电膜应有保护成品电池安全性的作用

B．该电池工作过程中Fe元素化合价没有发生变化

C．放电时，负极材料上的反应为6C＋xLi＋＋xe－===LixC6

D．放电时，正极材料上的反应为LiFePO4 －xe－===Li1－xFePO4 ＋xLi＋

A　[为了防止正负极相互接触，用锂离子导电膜隔开，起到保护成品电池安全性的作用，故A正确；总反应LiFePO4＋6CLi1－xFePO4 ＋LixC6，原电池原理和电解池原理中，都需要发生氧化还原反应，可知铁元素化合价发生变化，B错误；放电时，负极材料上的反应为LixC6－xe－===6C＋xLi＋，C错误；放电时，正极材料上的反应为Li1－xFePO4 ＋xLi＋＋xe－===LiFePO4,D错误。]

4．一种新的低能量电解合成1,2­二氯乙烷的实验装置如下图所示。下列说法正确的是(　　)

A．该装置工作时，化学能转变为电能

B．CuCl2能将C2H4还原为1,2­二氯乙烷

C．X、Y依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜

D．该装置总反应为CH2===CH2＋2H2O＋2NaClH2＋2NaOH＋ClCH2CH2Cl

D　[该装置为电解池，则工作时，电能转变为化学能，A项错误；C2H4中C元素化合价为－2价，ClCH2CH2Cl中C元素化合价为－1价，则CuCl2能将C2H4氧化为1,2­二氯乙烷，B项错误； 该电解池中，阳极发生的电极反应式为CuCl－e－＋Cl－===CuCl2，阳极区需要氯离子参与，则X为阴离子交换膜，而阴极区发生的电极反应式为2H2O ＋ 2e－===H2↑＋ 2OH－，有阴离子生成，为保持电中性，需要电解质溶液中的钠离子，则Y为阳离子交换膜，C项错误；该装置中阳极首先发生反应：CuCl－e－＋Cl－===CuCl2，生成的CuCl2再继续与C2H4反应生成1,2­二氯乙烷和CuCl，在阳极区循环利用，而阴极水中的氢离子放电生成氢气，其总反应方程式为CH2===CH2＋2H2O＋2NaClH2＋2NaOH＋ClCH2CH2Cl,D项正确。]

5．(双选)生产硝酸钙的工业废水常含有NH4NO3，可用电解法净化。其工作原理如图所示。下列有关说法正确的是(　　)

A．a极为电源正极，b极为电源负极

B．装置工作时电子由b极流出，经导线、电解槽流入a极

C．Ⅰ室能得到副产品浓硝酸，Ⅲ室能得到副产品浓氨水

D．阴极的电极反应式为2NO＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O

AC　[根据装置图，Ⅰ室和Ⅱ室之间为阴离子交换膜，即NO从Ⅱ室移向Ⅰ室，同理NH从Ⅱ室移向Ⅲ室，依据电解原理，a为正极，b为负极，A正确；根据电解原理，电解槽中没有电子通过，只有阴阳离子通过，B错误；Ⅰ室为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，得到较浓的硝酸，Ⅲ室为阴极，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，NH与OH－反应生成NH3·H2O，得到较浓的氨水，C正确、D错误。]

6．科学家用氮化镓材料与铜组装成如图所示的人工光合系统，利用该装置成功地实现了以CO2和H2O合成CH4。下列关于该电池叙述错误的是(　　)

A．电池工作时，是将太阳能转化为电能

B．铜电极为正极，电极反应式为CO2＋8e－＋8H＋===CH4＋2H2O

C．电池内部H＋透过质子交换膜从左向右移动

D．为提高该人工光合系统的工作效率，可向装置中加入少量硝酸溶液

D　[A项，根据图示可知，该装置将太阳能转化为电能，正确；B项，根据电子流向知，Cu是正极，正极上CO2得电子和H＋反应生成甲烷，电极反应式为CO2＋8e－＋8H＋===CH4＋2H2O，正确；C项，放电时，电解质溶液中阳离子向正极移动，所以装置中的H＋由左向右移动，正确；D项，由于硝酸易挥发，生成的甲烷中会混有HNO3气体，而且铜电极会溶于硝酸，应加入硫酸，错误。]

7．(2021·湖南长郡中学校级月考)一种阴离子交换膜(AEM)与Ni­Fe析氧催化剂配对设计的电解槽，能高效低成本的电解纯水，原理如图所示。下列叙述正确的是(　　)

A．电解时阳极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

B．电解时OH－由左向右穿过AEM膜

C．右侧电极含有Ni­Fe析氧催化剂

D．理论上两极生成气体的质量比为m(X)∶m(Y)＝1∶8

A　[由图知，直流电源右边为负极，则电解池的右边电极为阴极，发生“放氢生氧”的电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，电源左边电极为正极，则电解池左边电极为阳极，穿过阴离子交换膜(AEM)的氢氧根离子在阳极上失去电子被氧化为氧气：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，A正确；电解时OH－由右向左穿过AEM膜，B错误；阳极析出氧气，所以应该是左侧电极含有Ni­Fe析氧催化剂，C错误；总电解反应为2H2O2H2↑＋O2↑，X是氧气，Y是氢气，理论上两极生成气体的质量比为m(X)∶m(Y)＝32∶4＝8∶1,D错误。]

8．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)，H3BO3可以通过电解的方法制备。其工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)。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)穿过阴膜进入阴极室，Na＋穿过阳膜进入产品室

A　[A项，电解时，左侧石墨电极为阳极，右侧石墨电极为阴极，阳极上H2O失电子生成O2和H＋，即2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阴极上H2O得电子生成H2和OH－，即2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，当电路中通过1 mol电子时，阳极生成1 mol H＋，H＋通过阳膜进入产品室，与通过阴膜进入产品室的B(OH)反应生成1 mol H3BO3，正确；B项，电源正负极反接后，左侧石墨电极为阴极，阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，H＋被消耗，无法移向产品室 ，不能生成H3BO3，错误；C项，由上述分析可知，阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，错误；D项，电解时原料室中Na＋穿过阳膜进入阴极室，B(OH)穿过阴膜进入产品室，错误。]

9．最近有研究人员利用隔膜电解法处理高浓度的乙醛(CH3CHO)废水转化为乙醇和乙酸。实验室以一定浓度的乙醛­Na2SO4溶液为电解质溶液，模拟乙醛废水的处理过程，其装置如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．直流电源a端连接的电极发生氧化反应

B．若以氢氧燃料电池为直流电源，燃料电池的a极应通入H2

C．反应进行一段时间，电极Y附近溶液的酸性减弱

D．电解过程中，阳极区生成乙酸，阴极区生成乙醇

B　[根据H＋、Na＋的移动方向判断，电极X是阳极，电极Y是阴极，则X电极发生氧化反应，A正确；X是阳极，则电源的a极是正极，b极是负极，氢氧燃料电池的负极通入H2，即b极通入H2，B错误；电极Y的电极反应式为CH3CHO＋2H＋＋2e－===CH3CH2OH，反应消耗H＋，电极Y附近溶液的酸性减弱，C正确；乙醛被氧化生成乙酸，乙醛被还原生成乙醇，故阳极区生成乙酸，阴极区生成乙醇，D正确。]

10．用阴离子交换膜控制电解液中OH－的浓度制备纳米Cu2O，反应为2Cu＋H2OCu2O＋H2↑，装置如图。下列说法中正确的是(　　)

A．电解时Cl－通过交换膜向Ti极移动

B．阳极发生的反应为2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O

C．阴极OH－放电，有O2生成

D．Ti电极和Cu电极生成物物质的量之比为2∶1

B　[Cu极与外加电源的正极相连，Cu极为阳极，Ti极为阴极；A项，电解时阴离子向阳极移动，OH－通过阴离子交换膜向Cu极移动，错误；B项，Cu极为阳极，电极反应式为2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O，正确；C项，Ti极为阴极，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极有H2生成，错误；D项，根据电极反应式和阴、阳极得失电子相等，Ti极生成的H2和Cu极生成的Cu2O物质的量之比为1∶1，错误。]

11．用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的NH，模拟装置如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．阳极室溶液由无色变成棕黄色

B．阴极的电极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

C．电解一段时间后，阴极室溶液中的pH升高

D．电解一段时间后，阴极室溶液中的溶质一定是(NH4)3PO4

C　[阳极上Fe发生氧化反应，溶液由无色变为浅绿色，A项错误；阴极上H＋发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，B项错误；根据阴极上电极反应，阴极消耗H＋，电解一段时间后，阴极室溶液pH升高，C项正确；电解一段时间后，阴极室溶液pH升高，NH与OH－反应生成NH3·H2O，因此阴极室溶液中溶质除(NH4)3PO4外，还可能有NH3·H2O，D项错误。]

12．根据下列要求回答问题。

(1)次磷酸钴

[Co(H2PO2)2]广泛用于化学镀钴，以金属钴和次磷酸钠为原料，采用四室电渗析槽电解法制备，原理如图。

则Co的电极反应式为_____________，A、B、C为离子交换膜，其中B为________离子交换膜(填“阳”或“阴”)。

 (2)我国科研人员研制出的可充电“Na­CO2”电池，以钠箔和多壁碳纳米管(MWCNT)为电极材料，总反应方程式为4Na＋3CO22Na2CO3＋C。放电时该电池“吸入”CO2，其工作原理如图所示。

①放电时，正极的电极反应式为_____________________________________

________________________________________________________________。

②若生成的Na2CO3和C全部沉积在正极表面，当正极增加的质量为28 g时，转移电子的物质的量为____________________________________________。

③可选用高氯酸钠­四甘醇二甲醚作电解液的理由是__________________

________________________________________________________________。

(3)用电化学法模拟工业处理SO2。将硫酸工业尾气中的SO2通入如图装置(电极均为惰性材料)进行实验，可用于制备硫酸，同时获得电能：

①M极发生的电极反应式为_______________________________________。

②质子交换膜右侧的溶液在反应后pH________(填“增大”“减小”“不变”)。

③当外电路通过0.2 mol e－时，质子交换膜左侧的溶液质量________(填“增大”或“减小”)________g。

[解析]　(1)以金属钴和次磷酸钠为原料，用电解法制备次磷酸钴[Co(H2PO2)2]，Co的化合价从0价升高到＋2价，则Co的电极反应式为Co－2e－===Co2＋，产品室可得到次磷酸钴的原因是阳极室的Co2＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室的H2PO通过阴离子交换膜进入产品室与Co2＋结合生成Co(H2PO2)2，所以B是阴离子交换膜。(2)①放电时，正极发生得到电子的还原反应，则根据总反应式可知电极反应式为3CO2＋4Na＋＋4e－===2Na2CO3＋C。②根据反应式可知每转移4 mol电子，正极质量增加2×106 g＋12 g＝224 g，所以当正极增加的质量为28 g时，转移电子的物质的量为×4 mol＝0.5 mol。③根据题干信息以及金属钠的化学性质可知可选用高氯酸钠­四甘醇二甲醚作电解液的理由是导电性好、与金属钠不反应，难挥发等。(3)①该装置是原电池，反应原理为二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸，通入氧气的N电极是正极，原电池放电时，氢离子由负极移向正极，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，负极M上，二氧化硫失电子和水反应生成硫酸，电极反应式为SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO。②质子交换膜右侧为正极区，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，溶液中的氢离子浓度减小，pH增大。③质子交换膜左侧为负极区，负极上，二氧化硫失电子和水反应生成硫酸，电极反应式为SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO，当外电路通过0.2 mol e－时，生成0.4 mol H＋，有0.2 mol H＋通过质子交换膜移向右侧，左侧的溶液质量增大64 g/mol×0.1 mol－0.2 mol×1 g/mol＝6.2 g。

[答案]　(1)Co－2e－===Co2＋　阴

(2)①3CO2＋4Na＋＋4e－===2Na2CO3＋C

②0.5 mol　③导电性好、与金属钠不反应、难挥发等(答案合理即可)

(3)①SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋　②增大　③增大　6.2