2024年高考化學(xué)二輪復(fù)習(xí)第一部分新高考選擇題突破專題6化學(xué)反應(yīng)與能量微專題4電化學(xué)中離子交換膜的分析與應(yīng)用

第一部分新高考選擇題突破專題6化學(xué)反應(yīng)與能量微專題4電化學(xué)中離子交換膜的分析與應(yīng)用高考真題·研析知能對(duì)點(diǎn)·突破關(guān)鍵能力·提升高考真題·研析命題角度1單膜在電化學(xué)中的使用1.(2022·山東選考)設(shè)計(jì)如圖裝置回收金屬鈷。保持細(xì)菌所在環(huán)境pH穩(wěn)定，借助其降解乙酸鹽生成CO2，將廢舊鋰離子電池的正極材料LiCoO2(s)轉(zhuǎn)化為Co2＋，工作時(shí)保持厭氧環(huán)境，并定時(shí)將乙室溶液轉(zhuǎn)移至甲室。已知電極材料均為石墨材質(zhì)，右側(cè)裝置為原電池。下列說(shuō)法正確的是(

)DA．裝置工作時(shí)，甲室溶液pH逐漸增大B．裝置工作一段時(shí)間后，乙室無(wú)需補(bǔ)充鹽酸C．乙室電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iCoO2＋2H2O＋e－===Li＋＋Co2＋＋4OH－D．若甲室Co2＋減少200mg，乙室Co2＋增加300mg，則此時(shí)已進(jìn)行過(guò)溶液轉(zhuǎn)移【解析】由于右側(cè)裝置中兩個(gè)電極的電勢(shì)差比左側(cè)裝置大，所以右側(cè)裝置是原電池，左側(cè)裝置是電解池。電池工作時(shí)，左側(cè)裝置中細(xì)菌上乙酸鹽的陰離子失去電子被氧化為CO2氣體，同時(shí)生成H＋，電極反應(yīng)式為CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，H＋通過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)入陰極室，左側(cè)裝置的電極反應(yīng)式為Co2＋＋2e－===Co，因此，左側(cè)裝置溶液pH逐漸減小，A錯(cuò)誤；對(duì)于右側(cè)裝置，正極上LiCoO2得到電子，被還原為Co2＋，同時(shí)得到Li＋，其中的O2－與溶液中的H＋結(jié)合生成H2O，電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iCoO2＋e－＋4H＋===Li＋＋Co2＋＋2H2O，負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)為CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋，負(fù)極產(chǎn)生的H＋通過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)A3.(2021·全國(guó)甲卷)乙醛酸是一種重要的化工中間體，可采用如圖所示的電化學(xué)裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H＋和OH－，并在直流電場(chǎng)作用下分別向兩極遷移。下列說(shuō)法正確的是(

)DA．KBr在上述電化學(xué)合成過(guò)程中只起電解質(zhì)的作用B．陽(yáng)極上的反應(yīng)式為HO－COCOOH＋2H＋＋2e－===HO－COCOH＋H2OC．制得2mol乙醛酸，理論上外電路中遷移了1mol電子D．雙極膜中間層中的H＋在外電場(chǎng)作用下向鉛電極方向遷移【解析】該裝置通電時(shí)，乙二酸被還原為乙醛酸，因此鉛電極為電解池陰極，石墨電極為電解池陽(yáng)極，陽(yáng)極上Br－被氧化為Br2，Br2將乙二醛氧化為乙醛酸，雙極膜中間層的H＋在直流電場(chǎng)作用下移向陰極，OH－移向陽(yáng)極。KBr在上述電化學(xué)合成過(guò)程中除作電解質(zhì)外，同時(shí)還是電解過(guò)程中陽(yáng)極的反應(yīng)物，生成的Br2為乙二醛制備乙醛酸的中間產(chǎn)物，故A錯(cuò)誤；陽(yáng)極上為Br－失去電子生成Br2，Br2將乙二醛氧化為乙醛酸，故B錯(cuò)誤；電解過(guò)程中陰陽(yáng)極均生成乙醛酸，1mol乙二酸生成1mol乙醛酸轉(zhuǎn)移電子為2mol,1mol乙二醛生成1mol乙醛酸轉(zhuǎn)移電子為2mol，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒可知每生成1mol乙醛酸轉(zhuǎn)移電子為1mol，因此制得2mol乙醛酸時(shí)，理論上外電路中遷移了2mol電子，故C錯(cuò)誤；由上述分析可知，雙極膜中間層的H＋在外電場(chǎng)作用下移向陰極，即H＋移向鉛電極，故D正確；故選D。命題角度3多膜在電化學(xué)中的使用4.(2021·湖南選考)鋅/溴液流電池是一種先進(jìn)的水溶液電解質(zhì)電池，廣泛應(yīng)用于再生能源儲(chǔ)能和智能電網(wǎng)的備用電源等。三單體串聯(lián)鋅/溴液流電池工作原理如圖所示：下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A．放電時(shí)，N極為正極B．放電時(shí)，左側(cè)貯液器中ZnBr2的濃度不斷減小C．充電時(shí)，M極的電極反應(yīng)式為Zn2＋＋2e－===ZnD．隔膜允許陽(yáng)離子通過(guò)，也允許陰離子通過(guò)B【解析】由題意結(jié)合裝置圖可知，放電時(shí)，鋅電極(M極)作負(fù)極被氧化，電極反應(yīng)式為Zn－2e－===Zn2＋，Br2活性電極(N極)作正極被還原，電極反應(yīng)式為Br2＋2e－===2Br－。由以上分析可知，放電時(shí)，N極為正極，A項(xiàng)正確；放電時(shí)，溶液中有Zn2＋與Br－生成，通過(guò)循環(huán)回路，左側(cè)貯液器中的ZnBr2濃度逐漸增大，B項(xiàng)錯(cuò)誤；充電時(shí)，M極為陰極，電極反應(yīng)式為Zn2＋＋2e－===Zn，C項(xiàng)正確；結(jié)合裝置圖可知，電池中的隔膜主要作用是防止Br2通過(guò)，造成電池自放電，但可以讓Zn2＋和Br－通過(guò)，D項(xiàng)正確；故選B?！菜季S建?！辰夂x子交換膜電化學(xué)裝置題的步驟知能對(duì)點(diǎn)·突破知能對(duì)點(diǎn)1常見(jiàn)的離子交換膜種類允許通過(guò)的離子及移動(dòng)方向說(shuō)明陽(yáng)離子交換膜陽(yáng)離子→移向電解池的陰極或原電池的正極只允許陽(yáng)離子通過(guò)陰離子交換膜陰離子→移向電解池的陽(yáng)極或原電池的負(fù)極只允許陰離子通過(guò)質(zhì)子交換膜質(zhì)子→移向電解池的陰極或原電池的正極只允許H＋通過(guò)雙

極

膜由水電離出的氫離子和氫氧根離子分別移向兩極只允許H＋和OH－通過(guò)知能對(duì)點(diǎn)2離子交換膜的作用知能對(duì)點(diǎn)3陰、陽(yáng)離子交換膜的判斷①看清圖示，是否在交換膜上標(biāo)注了陰、陽(yáng)離子，是否標(biāo)注了電源的正、負(fù)極，是否標(biāo)注了電子流向、電荷流向等，明確陰、陽(yáng)離子的移動(dòng)方向。②根據(jù)原電池、電解池中陰、陽(yáng)離子的移動(dòng)方向，結(jié)合題意中給出的制備、電解物質(zhì)等信息，找出物質(zhì)生成或消耗的電極區(qū)域、確定移動(dòng)的陰、陽(yáng)離子，從而推知離子交換膜的種類。注意：在多交換膜的電池中，離子遷移遵循電荷守恒，離子的遷移數(shù)目可能不相等。關(guān)鍵能力·提升命題角度1單膜在電化學(xué)中的使用1.(2023·河北邯鄲二模)液流電池儲(chǔ)能壽命長(zhǎng)、安全性高，是大規(guī)模高效儲(chǔ)能首選技術(shù)之一、全釩液流電池、鐵鉻液流電池是使用規(guī)模較大的兩種液流電池，它們的裝置如圖所示。已知鐵鉻液流電池中甲池電解質(zhì)溶液為

Fe2＋/Fe3＋、乙池電解質(zhì)溶液為Cr3＋/Cr2＋；氧化性

：Fe3＋>Cr3＋。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)CA．鐵鉻液流電池充電時(shí)，a電極與電源正極相連，b電極與電源負(fù)極相連B．鐵鉻液流電池放電時(shí)，乙池的電極反應(yīng)式為Cr2＋－e－===Cr3＋C．全釩液流電池中，A、B、C、D分別為V4＋、V5＋、V3＋、V2＋D．放電時(shí)，電路中通過(guò)0.1mol電子，理論上，有0.1NA個(gè)H＋由乙池經(jīng)質(zhì)子交換膜移向甲池【解析】在鐵鉻液流電池中，因?yàn)檠趸裕篎e3＋>Cr3＋，放電時(shí)，甲池為正極，電極反應(yīng)式為Fe3＋＋e－===Fe2＋，乙池為負(fù)極，電極反應(yīng)為Cr2＋－e－===Cr3＋，所以充電時(shí)，甲池接電源的正極，為陽(yáng)極，乙接電源的負(fù)極，為陰極；若換成全釩液流電池，放電時(shí)，甲池為正極，B→A，為V5＋＋e－===V4＋，乙池為負(fù)極，C→D，為V2＋－e－===V3＋。在鐵鉻液流電池中，因?yàn)檠趸裕篎e3＋>Cr3＋，放電時(shí)，甲池為正極反應(yīng)為：Fe3＋＋e－===Fe2＋，乙池為負(fù)極，發(fā)生反應(yīng)為Cr2＋－e－===Cr3＋，所以充電時(shí)，甲池中a接電源的正極，為陽(yáng)極，乙池中b接電源的負(fù)極，為陰極，A正確；根據(jù)以上分析，放電時(shí)乙池為負(fù)極，發(fā)生反應(yīng)為Cr2＋－e－===Cr3＋，B正確；若換成全釩液流電池，放電時(shí)，甲池為正極，B→A，為V5＋＋e－===V4＋，乙池負(fù)極，反應(yīng)為：C→D，為V2＋－e－===V3＋，所以A、B、C、D分別為V4＋、V5＋、V2＋、V3＋，C錯(cuò)誤；放電時(shí)，a為正極，b為負(fù)極，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，所以H＋向甲池移動(dòng)，若電路中通過(guò)0.1mol電子，理論上，有0.1NA個(gè)H＋由乙池經(jīng)質(zhì)子交換膜移向甲池，D正確；故選C。2.(2023·湖南永州二模)我國(guó)科學(xué)家采用單原子Ni和納米Cu作串聯(lián)催化劑，通過(guò)電解法將CO2轉(zhuǎn)化為乙烯，裝置如下圖。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A．電極a電勢(shì)比電極b電勢(shì)低B．通電后陰極區(qū)溶液pH不變C．電極b上發(fā)生反應(yīng)：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑D．若乙烯的電解效率為60%，電路中通過(guò)1mol電子時(shí)，產(chǎn)生0.05mol乙烯B【解析】電極a實(shí)現(xiàn)了CO2→CO→C2H4的轉(zhuǎn)化，C的化合價(jià)由＋4價(jià)變?yōu)椋?價(jià)，化合價(jià)降低，發(fā)生的是還原反應(yīng)，所以電極a為陰極，與電源負(fù)極相連，電極b為陽(yáng)極，與電源正極相連。由物理知識(shí)可知，正極電勢(shì)比負(fù)極高，由以上分析知，電極a為陰極，與電源負(fù)極相連，電極b為陽(yáng)極，與電源正極相連，所以電極a電勢(shì)比電極b電勢(shì)低，故A正確；由圖知納米Cu催化劑上發(fā)生的反應(yīng)為CO轉(zhuǎn)化為乙烯，氫元素由電解質(zhì)溶液中的水提供，則反應(yīng)為2CO＋6H2O＋8e－===C2H4＋8OH－，生成OH－導(dǎo)致溶液的pH會(huì)增大，故B錯(cuò)誤；電極b上發(fā)生氧化反應(yīng)，溶液中的氫氧根離子失電子生成氧氣，電極反應(yīng)為4OH－－4e－===2H2O＋命題角度2雙極膜在電化學(xué)中的使用3.(2023·河北石家莊統(tǒng)考一模)電化學(xué)合成具有反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)試劑純凈和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，利用下圖所示裝置可合成己二腈[NC(CH2)4CN]。充電時(shí)生成己二腈，放電時(shí)生成O2，其中a、b是互為反置的雙極膜，雙極膜中的H2O會(huì)解離出H＋和OH－向兩極移動(dòng)。下列說(shuō)法正確的是(

)CA．N極的電勢(shì)高于M極的電勢(shì)B．放電時(shí)，雙極膜中OH－向M極移動(dòng)C．充電時(shí)，陰極的電極反應(yīng)式為2CH2===CHCN＋2e－＋2H＋===NC(CH2)4CND．若充電時(shí)制得1molNC(CH2)4CN，則放電時(shí)需生成1molO2，才能使左室溶液恢復(fù)至初始狀態(tài)【解析】充電時(shí)生成己二腈，放電時(shí)生成O2，則充電時(shí)，N極發(fā)生還原反應(yīng)，為陰極；放電時(shí)，N極發(fā)生氧化反應(yīng)，為負(fù)極；當(dāng)放電時(shí)，N極發(fā)生氧化反應(yīng)，為負(fù)極，電勢(shì)低于正極M極，A錯(cuò)誤；放電時(shí)，陰離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，則雙極膜中OH－向N極移動(dòng)，B錯(cuò)誤；充電時(shí)，N極為陰極，陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成己二腈，電極反應(yīng)式為2CH2===CHCN＋2e－＋2H＋===NC(CH2)4CN，C正確；若充電時(shí)制得1molNC(CH2)4CN，轉(zhuǎn)移2mol電子，放電時(shí)反應(yīng)為2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，根據(jù)電子守恒可知，需生成0.5molO2，才能使左室溶液恢復(fù)至初始狀態(tài)，D錯(cuò)誤；故選C。4.(2023·遼寧沈陽(yáng)二模)上海交通大學(xué)利用光電催化脫除SO2與制備H2O2相耦合，高效協(xié)同轉(zhuǎn)化過(guò)程如圖

。

(BPM膜可將水解離為

H＋和OH－，向兩極移動(dòng))D命題角度3多膜在電化學(xué)中的使用5.(2023·山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)一模)在直流電源作用下，雙極膜中間層中的H2O解離為H＋和OH－。某技術(shù)人員利用雙極膜(膜c、膜d)和離子交換膜高效制備H2SO4和NaOH，工作原理如圖所示：下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A．電勢(shì)：N電極>M電極B．雙極膜膜c輸出H＋，膜a、膜e為陽(yáng)離子交換膜C．M極電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－===H2＋2OH－D．當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移2mole