2023年高考化学二轮复习（新高考版） 专题12　题型专攻4　电化学离子交换膜的分析与应用

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＋＋H2POH3PO2。

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<。