新教材适用2024版高考化学二轮总复习第1部分新高考选择题突破专题6化学反应与能量微专题4电化学中离子交换膜的分析与应用课件

这是一份新教材适用2024版高考化学二轮总复习第1部分新高考选择题突破专题6化学反应与能量微专题4电化学中离子交换膜的分析与应用课件，共46页。PPT课件主要包含了高考真题·研析，知能对点·突破，关键能力·提升等内容，欢迎下载使用。
专题6　化学反应与能量
微专题4　电化学中离子交换膜的分析与应用
命题角度1　单膜在电化学中的使用1. (2022·山东选考)设计如图装置回收金属钴。保持细菌所在环境pH稳定，借助其降解乙酸盐生成CO2，将废旧锂离子电池的正极材料LiCO2(s)转化为C2＋，工作时保持厌氧环境，并定时将乙室溶液转移至甲室。已知电极材料均为石墨材质，右侧装置为原电池。下列说法正确的是( 　　)
A．装置工作时，甲室溶液pH逐渐增大B．装置工作一段时间后，乙室无需补充盐酸C．乙室电极反应式为LiCO2＋2H2O＋e－===Li＋＋C2＋＋4OH－D．若甲室C2＋减少200 mg，乙室C2＋增加300 mg，则此时已进行过溶液转移
【解析】由于右侧装置中两个电极的电势差比左侧装置大，所以右侧装置是原电池，左侧装置是电解池。电池工作时，左侧装置中细菌上乙酸盐的阴离子失去电子被氧化为CO2气体，同时生成H＋，电极反应式为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，H＋通过阳膜进入阴极室，左侧装置的电极反应式为C2＋＋2e－===C，因此，左侧装置溶液pH逐渐减小，A错误；对于右侧装置，正极上LiCO2得到电子，被还原为C2＋，同时得到Li＋，其中的O2－与溶液中的H＋结合生成H2O，电极反应式为LiCO2＋e－＋4H＋===Li＋＋C2＋＋2H2O，负极发生的反应为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，负极产生的H＋通过阳膜进
3. (2021·全国甲卷)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是( 　　)
A．KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用B．阳极上的反应式为HO－COCOOH＋2H＋＋2e－===HO－COCOH＋H2OC．制得2 ml乙醛酸，理论上外电路中迁移了1 ml电子D．双极膜中间层中的H＋在外电场作用下向铅电极方向迁移
【解析】该装置通电时，乙二酸被还原为乙醛酸，因此铅电极为电解池阴极，石墨电极为电解池阳极，阳极上Br－被氧化为Br2，Br2将乙二醛氧化为乙醛酸，双极膜中间层的H＋在直流电场作用下移向阴极，OH－移向阳极。KBr在上述电化学合成过程中除作电解质外，同时还是电解过程中阳极的反应物，生成的Br2为乙二醛制备乙醛酸的中间产物，故A错误；阳极上为Br－失去电子生成Br2，Br2将乙二醛氧化为乙醛酸，故B错误；电解过程中阴阳极均生成乙醛酸，1 ml乙二酸生成1 ml乙醛酸转移电子为2 ml,1 ml乙二醛生成1 ml乙醛酸转移电子为2 ml，根据转移电子守恒可知每生成1 ml乙醛酸转移电子为1 ml，因此制得2 ml乙醛酸时，理论上外电路中迁移了2 ml电子，故C错误；由上述分析可知，双极膜中间层的H＋在外电场作用下移向阴极，即H＋移向铅电极，故D正确；故选D。
命题角度3　多膜在电化学中的使用4. (2021·湖南选考)锌/溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池，广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等。三单体串联锌/溴液流电池工作原理如图所示：
下列说法错误的是( 　　)A．放电时，N极为正极B．放电时，左侧贮液器中ZnBr2的浓度不断减小C．充电时，M极的电极反应式为Zn2＋＋2e－===ZnD．隔膜允许阳离子通过，也允许阴离子通过
【解析】由题意结合装置图可知，放电时，锌电极(M极)作负极被氧化，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，Br2活性电极(N极)作正极被还原，电极反应式为Br2＋2e－===2Br－。由以上分析可知，放电时，N极为正极，A项正确；放电时，溶液中有Zn2＋与Br－生成，通过循环回路，左侧贮液器中的ZnBr2浓度逐渐增大，B项错误；充电时，M极为阴极，电极反应式为Zn2＋＋2e－===Zn，C项正确；结合装置图可知，电池中的隔膜主要作用是防止Br2通过，造成电池自放电，但可以让Zn2＋和Br－通过，D项正确；故选B。
〔思维建模〕解含离子交换膜电化学装置题的步骤
知能对点1　常见的离子交换膜
知能对点2　离子交换膜的作用
知能对点3　阴、阳离子交换膜的判断①看清图示，是否在交换膜上标注了阴、阳离子，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、电解池中阴、阳离子的移动方向，结合题意中给出的制备、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种类。注意：在多交换膜的电池中，离子迁移遵循电荷守恒，离子的迁移数目可能不相等。
命题角度1　单膜在电化学中的使用1. (2023·河北邯郸二模)液流电池储能寿命长、安全性高，是大规模高效储能首选技术之一、全钒液流电池、铁铬液流电池是使用规模较大的两种液流电池，它们的装置如图所示。已知铁铬液流电池中甲池电解质溶液为 Fe2＋/Fe3＋、乙池电解质溶液为Cr3＋/Cr2＋；氧化性 ：Fe3＋>Cr3＋。下列说法错误的是( 　　)
A．铁铬液流电池充电时，a电极与电源正极相连，b电极与电源负极相连B．铁铬液流电池放电时，乙池的电极反应式为Cr2＋－e－===Cr3＋C．全钒液流电池中，A、B、C、D分别为V4＋、V5＋、V3＋、V2＋D．放电时，电路中通过0.1 ml电子，理论上，有0.1NA个H＋由乙池经质子交换膜移向甲池
【解析】在铁铬液流电池中，因为氧化性：Fe3＋>Cr3＋，放电时，甲池为正极，电极反应式为Fe3＋＋e－===Fe2＋，乙池为负极，电极反应为Cr2＋－e－===Cr3＋，所以充电时，甲池接电源的正极，为阳极，乙接电源的负极，为阴极；若换成全钒液流电池，放电时，甲池为正极，B→A，为V5＋＋e－===V4＋，乙池为负极，C→D，为V2＋－e－===V3＋。在铁铬液流电池中，因为氧化性：Fe3＋>Cr3＋，放电时，甲池为正极反应为：Fe3＋＋e－===Fe2＋，乙池为负极，发生反应为Cr2＋－e－===Cr3＋，所以充电时，甲池中a接电源的正极，为阳极，乙池中b接电源的负极，为阴极，A正确；根据以上分析，放电时乙池为负极，发生反应为Cr2＋
－e－===Cr3＋，B正确；若换成全钒液流电池，放电时，甲池为正极，B→A，为V5＋＋e－===V4＋，乙池负极，反应为：C→D，为V2＋－e－===V3＋，所以A、B、C、D分别为V4＋、V5＋、V2＋、V3＋，C错误；放电时，a为正极，b为负极，阳离子向正极移动，所以H＋向甲池移动，若电路中通过0.1 ml电子，理论上，有0.1NA个H＋由乙池经质子交换膜移向甲池，D正确；故选C。
2. (2023·湖南永州二模)我国科学家采用单原子Ni和纳米Cu作串联催化剂，通过电解法将CO2转化为乙烯，装置如下图。
下列说法错误的是( 　　)A．电极a电势比电极b电势低B．通电后阴极区溶液pH不变C．电极b上发生反应：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑D．若乙烯的电解效率为60%，电路中通过1 ml电子时，产生0.05 ml乙烯
【解析】电极a实现了CO2→CO→C2H4的转化，C的化合价由＋4价变为－2价，化合价降低，发生的是还原反应，所以电极a为阴极，与电源负极相连，电极b为阳极，与电源正极相连。由物理知识可知，正极电势比负极高，由以上分析知，电极a为阴极，与电源负极相连，电极b为阳极，与电源正极相连，所以电极a电势比电极b电势低，故A正确；由图知纳米Cu催化剂上发生的反应为CO转化为乙烯，氢元素由电解质溶液中的水提供，则反应为2CO＋6H2O＋8e－===C2H4＋8OH－，生成OH－导致溶液的pH会增大，故B错误；电极b上发生氧化反应，溶液中的氢氧根离子失电子生成氧气，电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋
命题角度2　双极膜在电化学中的使用3. (2023·河北石家庄统考一模)电化学合成具有反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等优点，利用下图所示装置可合成己二腈[NC(CH2)4CN]。充电时生成己二腈，放电时生成O2，其中a、b是互为反置的双极膜，双极膜中的H2O会解离出H＋和OH－向两极移动。下列说法正确的是( 　　)
A．N极的电势高于M极的电势B．放电时，双极膜中OH－向M极移动C．充电时，阴极的电极反应式为2CH2===CHCN＋2e－＋2H＋===NC(CH2)4CND．若充电时制得1 ml NC(CH2)4CN，则放电时需生成1 ml O2，才能使左室溶液恢复至初始状态
【解析】充电时生成己二腈，放电时生成O2，则充电时，N极发生还原反应，为阴极；放电时，N极发生氧化反应，为负极；当放电时，N极发生氧化反应，为负极，电势低于正极M极，A错误；放电时，阴离子向负极运动，则双极膜中OH－向N极移动，B错误；充电时，N极为阴极，阴极发生还原反应生成己二腈，电极反应式为2CH2===CHCN＋2e－＋2H＋===NC(CH2)4CN，C正确；若充电时制得1 ml NC(CH2)4CN，转移2 ml电子，放电时反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，根据电子守恒可知，需生成0.5 ml O2，才能使左室溶液恢复至初始状态，D错误；故选C。
4. (2023·辽宁沈阳二模)上海交通大学利用光电催化脱除SO2与制备H2O2相耦合，高效协同转化过程如图 。 (BPM膜可将水解离为 H＋和OH－，向两极移动)
命题角度3　多膜在电化学中的使用5. (2023·山东省实验中学一模)在直流电源作用下，双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－。某技术人员利用双极膜(膜c、膜d)和离子交换膜高效制备H2SO4和NaOH，工作原理如图所示：
下列说法错误的是( 　　)A．电势：N电极>M电极B．双极膜膜c输出H＋，膜a、膜e为阳离子交换膜C．M极电极反应式为2H2O＋2e－===H2＋2OH－D．当电路中转移2 ml e－时，整套装置将制得1 ml H2SO4
为阳极，则电势：N电极>M电极，故A正确；由分析可知，双极膜膜c输出H＋，膜a、膜e为阳离子交换膜，故B正确；由分析可知，M极电极反应式为2H2O＋2e－===H2＋2OH－，故C正确；由分析可知，N极电极方程式为2H2O－4e－===O2＋4H＋，当电路中转移2 ml e－时，N极生成1 ml H2SO4，同时在膜b和膜c之间的区域生成1 ml H2SO4，故D错误；故选D。
6. (2023·重庆二模)双极膜是阴、阳复合膜，在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－，作为H＋和OH－离子源。利用双极膜制取NaOH和H3PO4，其装置如图所示。
已知：产品室1的产品是NaOH，则下列说法正确的是( 　　)A．a为铅蓄电池的正极，电子由b极流出经装置流入a极B．膜1为阴离子交换膜，膜2为阳离子交换膜C．电极Ⅱ的电极反应式为2H2O＋4e－===O2↑＋4H＋D．若要制60 g NaOH，理论上铅蓄电池的负极增重72 g