高考化学二轮复习(新高考版) 第1部分 专题6 题型专训(二) 电化学离子交换膜的分析与应用（含解析）

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题型专训(二)　电化学离子交换膜的分析与应用



类型一　“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：
①EDTA­Fe2＋－e－===EDTA­Fe3＋
②2EDTA­Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA­Fe2＋

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EDTA­Fe3＋/EDTA­Fe2＋，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a到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。
类型二　“双膜”电解池
3．[2018·全国卷Ⅰ，27(3)]制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为__________________________
________________________________________________________________________。
电解后，____________室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。

答案　2H2O－4e－===4H＋＋O2↑　a
解析　阳极上阴离子OH－放电，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，电解过程中H＋透过阳离子交换膜进入a室，故a室中NaHSO3浓度增加。
类型三　“多膜”电解池
4．[2014·新课标全国卷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，在反应中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．(2019·青岛市高三3月教学质量检测)水系锌离子电池是一种新型二次电池，工作原理如下图。该电池以粉末多孔锌电极(锌粉、活性炭及粘结剂等)为负极，V2O5为正极，三氟甲磺酸锌[Zn(CF3SO3)2]为电解液。下列叙述错误的是(　　)

A．放电时，Zn2＋向V2O5电极移动
B．充电时，阳极区电解液的浓度变大
C．充电时，粉末多孔锌电极发生还原反应
D．放电时，V2O5电极上的电极反应式为：V2O5＋xZn2＋＋2xe－===ZnxV2O5
答案　B
解析　放电时，阳离子向正极移动，所以Zn2＋向V2O5电极移动，故A正确；充电时，阳极区发生ZnxV2O5－2xe－===V2O5＋xZn2＋，锌离子通过阳离子交换膜向左移动，所以阳极区Zn(CF3SO3)2的浓度减小，故B错误；充电时，粉末多孔锌电极为阴极，发生还原反应，故C正确；放电时，V2O5电极上的电极反应式为：V2O5＋xZn2＋＋2xe－===ZnxV2O5，故D正确。
2．(2020·日照市高三3月实验班联考)荣获2019年诺贝尔化学奖的吉野彰是最早开发具有商业价值的锂离子电池的日本科学家，他设计的可充电电池的工作原理示意图如图所示。该可充电电池的放电反应为LixCn＋Li(1－x)CoO2===LiCoO2＋nC。NA表示阿伏加德罗常数的值。下列说法错误的是(　　)

A．该电池用于电动汽车可有效减少光化学烟雾污染
B．充电时，阳极反应为LiCoO2－xe－===Li(1－x)CoO2＋xLi＋
C．充电时，Li＋由B极移向A极
D．若初始两电极质量相等，当转移2NA个电子时，两电极质量差为14 g
答案　D
解析　汽车燃烧汽油等化石燃料，排放的汽车尾气含氮的氧化物，大量氮氧化物排放到空气中，在日光照射下二氧化氮能使氧气经过复杂的反应生成臭氧，臭氧与空气中的一些碳氢化合物发生作用后产生了一种有毒的烟雾，就是光化学烟雾，电动汽车可有效减少光化学烟雾污染，故A正确；可充电电池的放电反应为LixCn＋Li(1－x)CoO2===LiCoO2＋nC，则放电时正极反应为Li(1－x)CoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2，充电时，原电池的正极即为电解池的阳极，则反应为LiCoO2－xe－===Li(1－x)CoO2＋xLi＋，故B正确；由图知，A电极为电解池的阴极，B电极为电解池的阳极，充电时，Li＋由B极移向A极，故C正确；若初始两电极质量相等，当转移2NA个电子时，负极减少2 mol Li其质量为14 g，正极有2 mol Li＋迁入，其质量为14 g，两电极质量差为28 g，故D错误。
3．2019年11月《Science》杂志报道了王浩天教授团队发明的制取H2O2的绿色方法，原理如图所示(已知：H2O2H＋＋HO，Ka＝2.4×10－12)。下列说法错误的是(　　)

A．X膜为选择性阳离子交换膜
B．催化剂可促进反应中电子的转移
C．每生成1 mol H2O2电极上流过4 mol e－
D．b极上的电极反应为O2＋H2O＋2e－===HO＋OH－
答案　C
解析　a极发生H2－2e－===2H＋，X膜为选择性阳离子交换膜，让H＋进入中间，故A正确；催化剂可促进反应中电子的转移，加快反应速率，故B正确；氧元素由0价变成－1价，每生成1 mol H2O2电极上流过2 mol e－，故C错误；b为正极，氧气得电子，b极上的电极反应为O2＋H2O＋2e－===HO＋OH－，故D正确。
4．一氧化氮—空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其工作原理如图所示，写出放电过程中负极的电极反应式：__________________，若过程中产生2 mol HNO3，则消耗标准状况下O2的体积为________L。

答案　NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋　33.6
解析　由原电池的工作原理图示可知，左端的铂电极为负极，其电极反应式为NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，当过程中产生2 mol HNO3时转移6 mol e－，而1 mol O2参与反应转移4 mol e－，故需要1.5 mol O2参与反应，标准状况下的体积为33.6 L。
5．电解法也可以对亚硝酸盐污水进行处理(工作原理如下图所示)。通电后，左极区产生浅绿色溶液，随后生成无色气体。当Fe电极消耗11.2 g时，理论上可处理 NaNO2含量为4.6%的污水________g。

答案　100
解析　当铁消耗11.2 g即 mol＝0.2 mol时生成0.2 mol 亚铁离子，与亚硝酸根离子反应生成氮气和铁离子，根据电子守恒分析，消耗亚硝酸根离子物质的量为mol，则可处理污水的质量为 g＝100 g。