高考化学二轮复习专项分层特训练21 离子交换膜在电化学中的综合应用 含答案

这是一份高考化学二轮复习专项分层特训练21 离子交换膜在电化学中的综合应用 含答案，共8页。

A.a是电源的负极
B.通电一段时间后，向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出现红色
C.随着电解的进行，CuCl2溶液浓度变大
D.当0.01 ml Fe2O3完全溶解时，至少产生气体336 mL（折合成标准状况下）
2.[2022·全国乙卷]Li­O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好应用前景。近年来，科学家研究了一种光照充电Li­O2电池（如图所示）。光照时，光催化电极产生电子（e－）和空穴（h＋），驱动阴极反应（Li＋＋e－===Li）和阳极反应（Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2）对电池进行充电。下列叙述错误的是 （ ）
A.充电时，电池的总反应Li2O2===2Li＋O2
B.充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C.放电时，Li＋从正极穿过离子交换膜向负极迁移
D.放电时，正极发生反应O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2
3.[2021·湖北卷]Na2Cr2O7的酸性水溶液随着H＋浓度的增大会转化为CrO3。电解法制备CrO3的原理如图所示。下列说法错误的是（ ）
A.电解时只允许H＋通过离子交换膜
B.生成O2和H2的质量比为8∶1
C.电解一段时间后阴极区溶液OH－的浓度增大
D.CrO3的生成反应为Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋2H＋===2CrO3＋H2O
4.[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
C.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
5.[2022·湖南联考]我国科技工作者设计了一种电催化装置（如图所示），装置实现了低电压电解产氢和硫元素的回收利用。下列说法正确的是（ ）
A.通电后阴极区溶液的pH减小
B.离子交换膜b为阴离子交换膜
C.阳极区的电极反应为
xS2－－2（x－1）e－===S eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(x))
D.当电路中转移2 ml e－时，中间隔离室中离子数增加2NA
6.[2022·山东省实验中学诊断]（双选）科学家最近发明了一种Al­PbO2电池，电解质为K2SO4、H2SO4、KOH，通过x和y两种离子交换膜将电解质溶液隔开，形成M、R、N三个电解质溶液区域（a＞b），电池结构示意图如图所示。下列说法错误的是（ ）
A.K＋通过x膜移向M区
B.R区域的电解质浓度逐渐减小
C.放电时，Al电极的电极反应为
Al－3e－＋4OH－===[Al（OH）4]－
D.当消耗1.8 g Al时，N区域电解质溶液的质量减少16.0 g
7.[2022·湖南湘乡第一中学月考]（双选）电解法常用于分离提纯物质，某混合物浆液含Al（OH）3、MnO2和少量Na2CrO4。考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出，某研究小组利用设计的电解分离装置（如图），使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液进行回收利用（已知：2CrO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H＋⇌Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋H2O），下列说法不正确的是（ ）
A.阴极室生成的物质为NaOH和H2
B.阳极发生的电极反应式是
2H2O－4e－===4H＋＋O2↑
C.a离子交换膜为阴离子交换膜
D.当外电路中转移2 ml电子时，阳极室可生成1 ml Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7))
8.[2022·山东济宁二模]1，5­戊二胺（）是生产新型聚酰胺产品的重要原料。利用双极膜（BPM，在直流电场的作用下，双极膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－，并可透过相应的离子交换膜）电渗析产碱技术可将生物发酵液中的1，5­戊二胺硫酸盐（含和SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ）转换为1，5­戊二胺，实现无害化提取，工作原理如图所示。下列说法错误的是（ ）
A.m为阳离子交换膜，n为阴离子交换膜
B.电解过程中，图中两处Na2SO4溶液的溶质种类和物质的量均不变
C.a极区产生22.4 L（标准状况）气体，理论上产生2 ml 1，5­戊二胺
D.该技术实现了酸性和碱性物质的同时生产
9.[2022·广东一模]我国科学家设计了一种电化学装置，其原理如图所示。当闭合K1和K3、打开K2时，装置处于蓄电状态；当打开K1和K3、闭合K2时，装置处于放电状态。放电状态时，双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－并分别向两侧迁移。下列有关说法不正确的是（ ）
A.蓄电时，碳锰电极为阳极
B.蓄电时，图中右侧电解池发生的总反应为2ZnO eq \(=====,\s\up7(通电)) 2Zn＋O2↑
C.放电时，每消耗1 ml MnO2，理论上有2 ml H＋由双极膜向碳锰电极迁移
D.理论上，该电化学装置运行过程中需要不断补充H2SO4和KOH溶液
10.[2022·山东菏泽一模]氢能因其环境友好性被誉为“终极能源”。科学家利用电解原理将氨转化为高纯氢气，其装置如图所示。下列说法错误的是（ ）
A.阳极的电极反应式为
2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O
B.OH－由a电极通过交换膜迁移向b电极
C.电解一段时间后，阴极区的pH不变
D.当电路中转移1 ml电子时，理论上可生成高纯氢气11.2 L（标准状况）
练21 离子交换膜在电化学中的综合应用
1．答案：C
解析：该装置为电解池，通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成，发生氧化反应，为阳极，则b为电源正极，a为电源负极，A项正确；石墨电极Ⅱ上发生的电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，通电一段时间后，电极Ⅱ附近溶液呈酸性，故滴加石蕊溶液，出现红色，B项正确；通电后，石墨电极Ⅰ为阴极，电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，溶液中的Cl－通过阴离子交换膜向阳极移动，故CuCl2溶液浓度变小，C项错误；Fe2O3溶解的离子方程式为Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O，可得关系式：Fe2O3～6H＋～6e－～1.5O2（阳极），如果阴极上Cu2＋消耗完，还可能有H2放出，故当0.01 ml Fe2O3，完全溶解时，至少产生气体0.015 ml，即336 mL（折合成标准状况下），D项正确。
2．答案：C
解析：根据题给电池装置图并结合阴、阳极电极反应可知，充电时，电池的总反应为Li2O2===2Li＋O2，A项正确；由题干中光照时阴、阳极反应可知，充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，B项正确；放电时题给装置为原电池，阳离子（Li＋）向正极迁移，C项错误；根据题给装置图可知，放电时正极上O2得电子并与Li＋结合生成Li2O2，即O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2，D项正确。
3．答案：A
解析：根据图示可知，生成H2的一侧为阴极，电极反应式为4H2O＋4e－===4OH－＋2H2↑，生成O2的一侧为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，由于生成CrO3要求阳极室H＋浓度较高，则H＋不能通过离子交换膜，为了保持溶液的电中性，离子交换膜应仅允许Na＋从阳极室移至阴极室，A错误；根据电极反应式，每生成1 ml O2的同时生成2 ml H2，它们的质量比为32∶4＝8∶1，B正确；根据电极反应式可知电解一段时间后阴极区的c（OH－）增大，C正确；当阳极室的c（H＋）达到一定值时，将发生反应：Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋2H＋===2CrO3＋H2O，D正确。
4．答案：D
解析：根据图示，石墨电极一侧发生反应2Br－－2e－===Br2、OHC—CHO＋Br2＋H2O―→HOOC—CHO＋2HBr，总反应为OHC—CHO－2e－＋H2O===HOOC—CHO＋2H＋，因此石墨电极为阳极，KBr不只是起到电解质的作用，A项错误，B项错误；根据阳极总反应OHC—CHO－2e－＋H2O===HOOC—CHO＋2H＋、阴极反应HOOC—COOH＋2e－＋2H＋===HOOC—CHO＋H2O，可得总反应式为OHC—CHO＋HOOC—COOH===2HOOC—CHO，故制得2 ml乙醛酸，理论上外电路中迁移了2 ml电子，C项错误；根据阴极（铅电极）反应，双极膜中间层中的H＋在外电场作用下向阴极（铅电极）迁移，D项正确。
5．答案：C
解析：由题图可知，H＋得电子生成H2，发生还原反应，阴极反应为2H＋＋2e－===H2↑，阴极区中氢离子浓度减小，溶液的pH增大，故A错误；阳极区的电极反应为xS2－－2（x－1）e－===S eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(x)) ，为维持电荷平衡，钠离子通过离子交换膜b进入中间隔离室，b为阳离子交换膜，故B错误、C正确；当电路中转移2 ml e－时，阳极区有2 ml Na＋进入中间隔离室，阴极区有1 ml SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 进入中间隔离室，则中间隔离室中离子数增加3NA，故D错误。
6．答案：AB
解析：由题图可知，Al转化为[Al（OH）4]－，Al电极上发生失电子的氧化反应，则Al电极为负极，PbO2电极为正极，原电池工作时负极发生的电极反应式为Al－3e－＋4OH－===[Al（OH）4]－，反应消耗OH－，为了维持电荷平衡，且在原电池中阳离子向正极移动，则K＋向正极移动，即向R区移动，A错误，C正确；由A项分析及题给信息可推断，M、R、N区域的电解质分别为KOH、K2SO4、H2SO4，a>b，则PbO2电极的电极反应式为PbO2＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H＋＋2e－===PbSO4＋2H2O，SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 向负极移动，则有SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 向R区域移动，K＋与SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 不断进入R区域，所以R区域的电解质溶液浓度逐渐增大，B错误；消耗1.8 g Al，转移0.2 ml电子，根据电路上转移电子数相等，N区消耗0.4 ml H＋、0.1 ml SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ，同时有0.1 ml SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 移向R区，则N区域中相当于减少0.2 ml H2SO4，同时生成0.2 ml H2O，则R区实际减少的质量为0.2 ml×98 g·ml－1－0.2 ml×18 g·ml－1＝16.0 g，D正确。
7．答案：CD
解析：电解时，阳极上水中的氢氧根离子放电：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，CrO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 通过阴离子交换膜向阳极移动，从而从浆液中分离出来，因存在2CrO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H＋⇌Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋H2O，则分离后含铬元素的粒子是CrO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 、Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ；阴极上水中的氢离子放电：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，混合物浆液中的钠离子通过阳离子交换膜进入阴极区，故阴极室生成氢气和NaOH。根据分析，A、B正确；钠离子通过阳离子交换膜进入阴极区，则a离子交换膜为阳离子交换膜，C错误；电解时，阳极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，转移2 ml电子时，有2 ml H＋在阳极区生成，由于2CrO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H＋⇌Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋H2O是可逆反应，阳极室生成的Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) 小于1 ml，D错误。
8．答案：A
解析：由题图可知，在右侧得到产品1，5­戊二胺，则生物发酵液中的应透过n膜进入产品室中与BPM产生的OH－反应生成，因此n膜为阳离子交换膜，生物发酵液中的SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 透过m膜进入左侧与BPM生成的H＋结合生成硫酸，因此m膜应为阴离子交换膜，故A错误；图中两处Na2SO4溶液中的阴、阳离子均不能透过双极膜，右侧双极膜中生成的H＋在b电极上得电子生成氢气，左侧双极膜生成的OH－在a极上失电子生成氧气和水，因此溶质种类和物质的量均不变，故B正确；a极上发生反应4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，产生22.4 L（标准状况）O2时转移电子4 ml，同时进入产品室中的OH－的物质的量为4 ml，发生反应，消耗4ml OH－产生的1，5­戊二胺为2 ml，故C正确；该技术同时得到了硫酸和1，5­戊二胺，实现了酸性和碱性物质的同时生产，故D正确。
9．答案：D
解析：当闭合K1和K3、打开K2时，装置处于蓄电状态，即为电解池，Mn2＋失电子生成MnO2，碳锰电极为阳极；ZnO得电子生成Zn，则锌电极为阴极；当打开K1和K3、闭合K2时，装置处于放电状态，中间装置为原电池，锌电极为负极，碳锰电极为正极。由分析可知，蓄电时Mn2＋失电子生成MnO2，碳锰电极为阳极，A正确；蓄电时，右侧电解池中ZnO得电子生成Zn，电极反应式为ZnO＋2e－＋H2O===Zn＋2OH－，OH－失电子生成O2，电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，发生的总反应为2ZnO eq \(=====,\s\up7(通电)) 2Zn＋O2↑，B正确；放电时，碳锰电极为正极，电极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O，每消耗1 ml MnO2，转移2 ml电子，消耗4 ml H＋，根据电荷守恒，理论上有2 ml H＋由双极膜向碳锰电极迁移，C正确；该电化学装置运行过程中H＋得电子生成H2，但实际过程中消耗了溶剂水，氢离子浓度增大，OH－失电子生成O2，氢氧根离子浓度同样增大，则不需要不断补充H2SO4和KOH溶液，D错误。
10．答案：C
解析：根据图示，氨气在阳极失电子生成氮气，电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O，故A正确；a极H2O发生还原反应生成H2，a是阴极，b是阳极，阴离子由阴极移向阳极，OH－由a电极通过交换膜迁移向b电极，故B正确；阴极发生反应2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，同时产生的OH－由阴离子交换膜移向阳极区，由于电解过程中消耗水，电解一段时间后，阴极区的pH增大，故C错误；阴极发生反应2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，当电路中转移1 ml电子时，理论上可生成高纯氢气11.2 L（标准状况），故D正确。