2021新高考化學(xué)二輪總復(fù)習(xí)學(xué)案熱點(diǎn)專攻（六）電化學(xué)中的離子交換膜

熱點(diǎn)專攻(六)電化學(xué)中的離子交換膜電化學(xué)的有關(guān)知識(shí)是每年高考必考內(nèi)容,題型有選擇題和非選擇題。命題的角度有電極反應(yīng)式的正誤判斷與書寫,電池反應(yīng)式的書寫,正、負(fù)極的判斷,電池充、放電時(shí)離子移動(dòng)方向的判斷,電極附近離子濃度的變化,電解的應(yīng)用與計(jì)算,金屬的腐蝕與防護(hù)等。交換膜在電化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛,離子交換膜的作用、性質(zhì)已成為高考命題的新動(dòng)向。(一)審題關(guān)注什么1.審題的關(guān)鍵點(diǎn)(1)弄清是原電池還是電解池,判斷電極名稱。(2)根據(jù)電極名稱判斷離子的移動(dòng)方向和交換膜的種類。(3)根據(jù)放電順序?qū)懗鲭姌O反應(yīng)式。(4)根據(jù)電極反應(yīng)式和離子的移動(dòng)方向確定其他反應(yīng)產(chǎn)物。2.防范失分點(diǎn)(1)看清圖示,是否說(shuō)明了交換膜的類型,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)原電池和電解池中陰、陽(yáng)離子的移動(dòng)方向,結(jié)合題目中給出的制備、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類型。(二)題目考什么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陰離子和氣體不能通過(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)極陽(yáng)離子和氣體不能通過(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)2.判斷離子交換膜的類型,判斷離子的遷移方向,書寫電極反應(yīng)式,判斷電極產(chǎn)物如三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如下圖所示,采用惰性電極,ab、cd均為離子交換膜,在直流電場(chǎng)的作用下,兩膜中間的Na+和SO42-可通過(guò)離子交換膜,而兩端隔室中離子被阻擋不能進(jìn)入中間隔室。根據(jù)電解池原理可判斷陰、陽(yáng)離子的移動(dòng)方向,應(yīng)考訓(xùn)練1.(2020山東化學(xué))微生物脫鹽電池是一種高效、經(jīng)濟(jì)的能源裝置,利用微生物處理有機(jī)廢水獲得電能,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)海水淡化?，F(xiàn)以NaCl溶液模擬海水,采用惰性電極,用下圖裝置處理有機(jī)廢水(以含CH3COO的溶液為例)。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A.負(fù)極反應(yīng)為CH3COO+2H2O8e2CO2↑+7H+B.隔膜1為陽(yáng)離子交換膜,隔膜2為陰離子交換膜C.當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1mol電子時(shí),模擬海水理論上除鹽58.5gD.電池工作一段時(shí)間后,正、負(fù)極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為2∶12.(2020廣東湛江五校聯(lián)考)肼(N2H4)堿性燃料電池的原理示意圖如圖所示,電池總反應(yīng)為:N2H4+O2N2+2H2O。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A.電極b發(fā)生還原反應(yīng)B.電流由電極a流出經(jīng)用電器流入電極bC.物質(zhì)Y是NaOH溶液D.電極a的電極反應(yīng)式為N2H4+4OH4eN2↑+4H2O3.(雙選)(2020吉林省吉林市二調(diào)改編)金屬(M)空氣電池具有原料易得、能量密度高等優(yōu)點(diǎn),有望成為新能源汽車和移動(dòng)設(shè)備的電源,該類電池放電的總反應(yīng)方程式為2M+O2+2H2O2M(OH)2。下列說(shuō)法正確的是()(已知:電池的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能)A.電解質(zhì)中的陰離子向金屬M(fèi)方向移動(dòng)B.比較Mg、Al、Zn三種金屬空氣電池,Mg空氣電池的理論比能量最高C.電池放電過(guò)程的負(fù)極反應(yīng)式為2M4e+4OH2M(OH)2D.當(dāng)外電路中轉(zhuǎn)移4mol電子時(shí),多孔電極需要通入空氣22.4L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)4.(2020山東濰坊高三期末)全釩液流儲(chǔ)能電池是利用不同價(jià)態(tài)的含釩離子在酸性條件下發(fā)生反應(yīng),離子方程式為VO2+(黃色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(藍(lán)色)+V3+(綠色)+H2O。采用惰性電極實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)化的工作原理如圖。下列說(shuō)法正確的是(A.充電過(guò)程中,X端接外接電源的負(fù)極B.放電過(guò)程中,正極電極反應(yīng)式為VO2++H2O+eVO2+C.放電過(guò)程中,右罐溶液顏色逐漸由綠色變?yōu)樽仙獶.充電時(shí)若轉(zhuǎn)移電子0.5mol,左罐溶液中n(H+)的變化量為0.5mol5.(雙選)(2020湖北部分重點(diǎn)中學(xué)聯(lián)考改編)硼酸(H3BO3)為一元弱酸,已知H3BO3與足量NaOH溶液反應(yīng)的離子方程式為H3BO3+OHB(OH)4-,H3BO3可以通過(guò)電解的方法制備。其工作原理如下圖所示(陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜分別只允許陽(yáng)離子、陰離子通過(guò))。下列說(shuō)法正確的是(A.當(dāng)電路中通過(guò)1mol電子時(shí),可得到1molH3BO3B.將電源的正、負(fù)極反接,工作原理不變C.陰極室的電極反應(yīng)式為2H2O4eO2+4H+D.B(OH)4-穿過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入陰極室,H6.(2020福建龍巖高三教學(xué)質(zhì)量檢查)三室式電滲析法處理含NH4NO3廢水的原理如圖所示,工作一段時(shí)間后,在兩極區(qū)均得到副產(chǎn)品NH4NO3。下列敘述錯(cuò)誤的是()A.a極為電源負(fù)極,b極為電源正極B.c膜是陽(yáng)離子交換膜,d膜是陰離子交換膜C.陽(yáng)極電極反應(yīng)式為4OH4eO2↑+2H2OD.Ⅱ室溶液的pH保持不變熱點(diǎn)專攻(六)電化學(xué)中的離子交換膜應(yīng)考訓(xùn)練1.B解析本題考查了原電池的工作原理和電極反應(yīng)式的書寫。由圖可知,a極變化為CH3COOCO2,該極的電極反應(yīng)為CH3COO+2H2O8e2CO2+7H+,a極發(fā)生氧化反應(yīng),則a極為負(fù)極,b極為正極,A項(xiàng)正確;由于可實(shí)現(xiàn)海水淡化,結(jié)合原電池原理分析,Cl應(yīng)移向a極,Na+應(yīng)移向b極,故隔膜1為陰離子交換膜,隔膜2為陽(yáng)離子交換膜,B項(xiàng)錯(cuò)誤;當(dāng)轉(zhuǎn)移8mole時(shí),CH3COO減少1mol,同時(shí)H+增加7mol,應(yīng)有8molCl通過(guò)隔膜1,則轉(zhuǎn)移1mol電子時(shí)理論上可除去1molNaCl,所以C項(xiàng)正確;工作一段時(shí)間后,由于正極反應(yīng)式為2H++2eH2↑,故正、負(fù)極生成氣體的物質(zhì)的量之比為2∶1,D項(xiàng)正確。2.B解析題給燃料電池中,通入燃料肼的電極為負(fù)極、通入氧氣的電極為正極,電解質(zhì)溶液呈堿性,則負(fù)極反應(yīng)式為N2H4+4OH4eN2↑+4H2O,正極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e4OH。該燃料電池中通入氧氣的電極b為正極,正極上得電子,發(fā)生還原反應(yīng),故A正確;a為負(fù)極、b為正極,電流從正極b經(jīng)用電器流入負(fù)極a,故B錯(cuò)誤;b電極上生成氫氧根離子,鈉離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入右側(cè),所以Y為NaOH溶液,故C正確;a電極上肼失電子,發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為N2H4+4OH4eN2↑+4H2O,故D正確。3.AC解析原電池中陰離子應(yīng)該向負(fù)極移動(dòng),金屬M(fèi)為負(fù)極,所以電解質(zhì)中的陰離子向金屬M(fèi)方向移動(dòng),故A正確;電池的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能,則單位質(zhì)量的電極材料失去電子的物質(zhì)的量越多則釋放的電能越多,假設(shè)質(zhì)量都是1g時(shí),Mg、Al、Zn三種金屬轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量分別為124×2mol=112mol、127×3mol=19mol、165×2mol=132.5mol,所以Al空氣電池的理論比能量最高,故B錯(cuò)誤;負(fù)極M失電子和OH反應(yīng)生成M(OH)2,則負(fù)極反應(yīng)式為2M4e+4OH2M(OH)2,故C正確;由正極電極反應(yīng)式O2+2H2O+4e4OH可得O2~4OH~4e,當(dāng)外電路中轉(zhuǎn)移4mol電子時(shí),消耗氧氣1mol,1molO2在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為22.4L,但空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)約為21%,所以需要空氣的體積應(yīng)大于4.D解析由VO2+(黃色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(藍(lán)色)+V3+(綠色)+H2O可知,放電時(shí)正極反應(yīng)式為VO2++2H++eVO2++H2O,負(fù)極反應(yīng)式為V2+eV3+,所以充電時(shí),左邊發(fā)生的反應(yīng)為VO2++H2OeVO2++2H+,則左邊為陽(yáng)極,X端接外接電源的正極,右邊為陰極,發(fā)生得電子的還原反應(yīng),即V3++eV2+。由上述分析可知,充電時(shí),X端接外接電源的正極,故A錯(cuò)誤;由VO2+(黃色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(藍(lán)色)+V3+(綠色)+H2O可知,放電時(shí)正極反應(yīng)式為VO2++2H++eVO2++H2O,故B錯(cuò)誤;放電過(guò)程中,右邊為負(fù)極,電極反應(yīng)式為V2+eV3+,則溶液顏色逐漸由紫色變?yōu)榫G色,故C錯(cuò)誤;充電時(shí),左邊發(fā)生的反應(yīng)為VO2++H2OeVO2++2H+,若轉(zhuǎn)移電子0.5mol,生成氫離子為1mol,此時(shí)應(yīng)有0.5molH+通過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入右邊,則左邊溶液中n(H+)的變化量為1mol0.5mol=0.5mol,5.AD解析陽(yáng)極電極反應(yīng)式為2H2O4eO2↑+4H+、陰極電極反應(yīng)式為4H2O+4e2H2↑+4OH,陽(yáng)極室中的氫離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室,B(OH)4-穿過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室,發(fā)生反應(yīng)B(OH)4-+H+H2O+H3BO3。陽(yáng)極發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為2H2O4eO2↑+4H+,電路中通過(guò)1mol電子時(shí)有1molH+生成,硼酸(H3BO3)為一元弱酸,生成1mol硼酸需要1molH+,所以電路中通過(guò)1mol電子時(shí)可得到1molH3BO3,A正確;根據(jù)以上分析可知,如果將電源的正、負(fù)極反接,工作原理發(fā)生變化,B錯(cuò)誤;電解時(shí)陰極發(fā)生得到電子的還原反應(yīng),電極反應(yīng)式為4H2O+4e2H2↑+4OH,C錯(cuò)誤;由上述分析可知,D正確。6.D解析在直流電源的作用下,兩膜中間的NH4+和NO3-均可通過(guò)離子交換膜,工作一段時(shí)間后,在兩極區(qū)均得到副產(chǎn)品NH4NO3,由此可知NH4+向左移動(dòng),NO3-向右移動(dòng);在電解池中,陽(yáng)離子向陰極移動(dòng),則與電源a電極連接的石墨