2023年高考化学二轮复习（全国版）专题11题型专攻2电化学离子交换膜的分析与应用(教师版)

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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
详解 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
详解 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－===IOeq \\al(－,3)＋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)eq \\al(2－,4)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SOeq \\al(2－,4)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)eq \\al(2－,4)＋Mn2＋＋2H2O
答案 A
详解 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)eq \\al(2－,4)，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SOeq \\al(2－,4)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)eq \\al(2－,4)＋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H2POeq \\al(－,2)穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2
③POeq \\al(3－,4) H2POeq \\al(－,2)或H3PO2被氧化
详解 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H2POeq \\al(－,2)穿过阴膜扩散至产品室，二者发生反应：H＋＋H2POeq \\al(－,2)H3PO2。
③如果撤去阳膜，H2POeq \\al(－,2)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
详解 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 ml电子的电量为1 F,1 F＝96 500 C·ml－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， SKIPIF 1 < 0 _______ SKIPIF 1 < 0 ； SKIPIF 1 < 0 ____ SKIPIF 1 < 0 (填“>”或“<”)。
答案 (1)负 K2SO4 (2)PbO2＋SOeq \\al(2－,4)＋Zn＋2H2O===PbSO4＋Zn(OH)eq \\al(2－,4) (3)a (4)5 361
(5)＞ ＜
详解 (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)eq \\al(2－,4)，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)eq \\al(2－,4)，正极的电极反应式为PbO2＋2e－＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)===PbSO4＋2H2O，总反应方程式为PbO2＋SOeq \\al(2－,4)＋Zn＋2H2O===PbSO4＋Zn(OH)eq \\al(2－,4)。(3)A区域是KOH溶液，OH－发生反应生成Zn(OH)eq \\al(2－,4)，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)＝eq \f(6.5 g,65 g·ml－1)＝0.1 ml，则转移电子n(e－)＝
0.2 ml,1 ml电子的电量为1 F,1 F＝96 500 C·ml－1，转移0.2 ml电子的电量Q＝0.2 ml×96 500 C·ml－1＝19 300 C，则理论上可产生的容量(电量)为eq \f(19 300×103,3 600)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 SKIPIF 1 < 0 > SKIPIF 1 < 0 ；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 SKIPIF 1 < 0 < SKIPIF 1 < 0 。