2023版高三一轮总复习化学鲁科版教案：第5章 题型课6 新型电源、含隔膜的电化学装置应用

1、PAGE PAGE 11 新型电源、含隔膜的电化学装置应用新型化学电源1命题角度分析命题专家命题时，用最新电池的科技成果为情境素材，如新型燃料电池、二次电池和间接电池等。特别关注的命题角度：(1)电极的判断及其电极反应式的书写或判断。(2)两极产物及两极反应类型的判断。(3)两极附近溶液的pH变化。(4)电子、电流、离子移动方向，交换膜的判断。(5)电子守恒的相关计算。(6)设置的特定问题分析。2三类新型电源反应原理示例分析(1)新型燃料电池微生物燃料电池(MFC)为可再生能源的开发和难降解废物的处理提供了一条新途径。电池工作示意图如图所示(假设有机物为乙酸盐)。a极为负极：CH3COO8e2

2、H2O=2CO27Hb极为正极：O24H4e=2H2O总反应为CH3COO2O2H=2CO22H2O(2)新型二次电池2019年诺贝尔化学奖授予约翰古迪纳夫、斯坦利惠廷厄姆与吉野彰这三位被称为“锂电池之父”的科学家，以表彰他们在锂离子电池领域作出的突出贡献。如图是一种最新研制的聚合物锂电池，a极为含有Li、Co、Ni、Mn、O等元素组成的混盐，电解质为一种能传导Li的高分子复合材料，b极为镶嵌金属锂的石墨烯材料，反应原理为LixC6Li3xNiCoMnO6eq o(,sup9(放电),sdo9(充电)C6Li3NiCoMnO6。放电b为负极：LixC6xe=xLiC6；a为正极：Li3xNiC

3、oMnO6xexLi=Li3NiCoMnO6。充电b为阴极：xLiC6xe=LixC6，a为阳极：Li3NiCoMnO6xe=Li3xNiCoMnO6xLi。(3)间接协同电池利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2/MV在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。a极为负极：MVe=MV2，H22MV2eq o(=,sup9(酶)2H2MV，b极为正极：MV2e=MV，N26H6MVeq o(=,sup9(酶)2NH36MV2。间接协同电池的分析a定义：间接电化学反应是以具有“电子传递”功能的物质为媒质(催化剂)，对反应基质进行间接氧化或还原，从而得到目的产物。b原理：媒质也称为

4、“电对”或“介对”，其首先在电极表面失去(或得到)电子，形成氧化态(或还原态)在电解溶液中进一步氧化(或还原)反应基质，最终生成目的产物。其原理如下所示：1(2021浙江6月选考，T22)某全固态薄膜锂离子电池截面结构如图所示，电极A为非晶硅薄膜，充电时Li得电子成为Li嵌入该薄膜材料中；电极B为LiCoO2薄膜；集流体起导电作用。下列说法不正确的是()A充电时，集流体A与外接电源的负极相连B放电时，外电路通过a mol电子时，LiPON薄膜电解质损失a mol LiC放电时，电极B为正极，反应可表示为Li1xCoO2xLixe=LiCoO2D电池总反应可表示为LixSiLi1xCoO2eq

5、o(,sup9(放电),sdo9(充电)SiLiCoO2B由图可知，集流体A与电极A相连，充电时电极A作阴极，故充电时集流体A与外接电源的负极相连，A说法正确；放电时，外电路通过a mol电子时，内电路中有a mol Li通过LiPON薄膜电解质从负极迁移到正极，但是LiPON薄膜电解质没有损失Li，B说法不正确；放电时，电极B为正极，发生还原反应，反应可表示为Li1xCoO2xLixe=LiCoO2，C说法正确；电池放电时，嵌入在非晶硅薄膜中的锂失去电子变成Li，正极上Li1xCoO2得到电子和Li变为LiCoO2，故电池总反应可表示为LixSiLi1xCoO2eq o(,sup9(放电),

6、sdo9(充电)SiLiCoO2，D说法正确。2(2021德州一模)研究发现，在酸性乙醇燃料电池中加入硝酸，可使电池持续大电流放电，其工作原理如图所示。下列说法错误的是()A加入HNO3降低了正极反应的活化能B电池工作时正极区溶液的pH增大C1 mol CH3CH2OH被完全氧化时有1.5 mol O2被还原D正极附近的溶液中会发生反应：4NO3O22H2O=4HNO3C从示意图可以看出HNO3起催化剂作用，降低反应的活化能，A正确；正极区的反应可写为O24e4H=2H2O，c(H)减小，pH增大，B正确；根据电子守恒，1 mol CH3CH2OH变为CO2失去12 mol e，需要3 mol

7、 O2，C错误；D正确。3(2021潍坊模拟)复旦大学研究团队研究PTO和PTO2H之间的可逆转化；二氧化锰在石墨毡上可逆的沉积和溶解，储存、释放电解液中的水合氢离子；设计出能在70 工作的电池，该电池放电时的总反应为PTO2HMnO22H3O=PTOMn24H2O。下列说法错误的是()A放电时，负极反应为PTO2H2e2H2O=PTO2H3OB放电时，H3O移向b电极C充电时，阳极反应为Mn22e6H2O=MnO24H3OD充电时，电路中通过1 mol e，阳极附近电解质溶液质量减少19 gD根据放电时总反应，PTO2H发生氧化反应，则放电时a电极为负极，电极反应为PTO2H2e2H2O=P

8、TO2H3O，A项正确；放电时，H3O移向正极(b电极)，B项正确；充电时阳极反应与放电时正极反应互逆，故充电时阳极上Mn2发生氧化反应，转化为MnO2，电极反应为Mn22e6H2O=MnO24H3O，C项正确；根据阳极反应，电路中通过1 mol e，阳极析出0.5 mol MnO2，有1 mol H3O从阳极向阴极移动，故阳极附近电解质溶液质量减少87 gmol10.5 mol19 gmol11 mol62.5 g，D项错误。含隔膜的电化学装置的原理及应用1隔膜的分类隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分四类：(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H和其他阳离

9、子通过，不允许阴离子通过。(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。(3)质子交换膜，只允许H通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。(4)双极膜又称双极性膜，是特种离子交换膜，它是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H和OH分别通过阴、阳膜，作为H和OH的离子源。2隔膜的作用(1)能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。(2)能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。3离子通过隔膜的定量关系(1)通过隔膜的离子带的电荷数等于电路中电子转移数。(2)离子迁移：依据电荷守恒，

10、通过隔膜的离子数不一定相等。【典例】(2021重庆模考)双极膜在电渗析中应用广泛，它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。如图为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的产物为稀硫酸CBr可从盐室最终进入阳极液中D当阳极产生1 mol气体时，通过阴离子交换膜的Br为4 mol思路点拨原理图分析如下：答案D(1)含离子交换膜电化学装置题的解题步骤(2)在原电池中应用离子交换膜，起到替代盐桥的作用，一方面能起到平衡电荷、导电的作用，另一方面能防止电解质溶液中的离子

11、与电极直接反应，提高电流效率；在电解池中使用选择性离子交换膜的主要目的是限制某些离子(或分子)的定向移动，避免电解质溶液中的离子或分子与电极产物反应，提高产品纯度或防止造成危险等。1(2021衡水中学模拟)Zulema Borjas等设计的一种微生物脱盐池的装置如图所示。下列说法正确的是()A该装置可以在高温下工作BX、Y分别是阳离子交换膜和阴离子交换膜C该装置工作时，电能转化为化学能D负极反应式为CH3COO2H2O8e=2CO27HD根据装置图可知：负极反应为CH3COO8e2H2O=2CO27H，正极反应为O24e2H2O=4OH，根据原电池工作原理，阳离子(Na)移向正极，Y为阳离子交

12、换膜；阴离子(Cl)移向负极，X为阴离子交换膜。高温下，微生物失活。2(双选)我国科学家最近发明了一种ZnPbO2电池，电解质为K2SO4、H2SO4和KOH，通过a和b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，结构示意图如图所示。下列说法正确的是()Ab为阳离子交换膜 BR区域的电解质为H2SO4C放电时，Zn电极反应为Zn2e4OH=Zn(OH)eq oal(2,4)D消耗6.5 g Zn，N区域电解质溶液减少16.0 gCD根据题图可知：负极(Zn)反应：Zn2e4OH=Zn(OH)eq oal(2,4)，正极(PbO2)反应为PbO22e4HSOeq oal(2

13、,4)=PbSO42H2O，可确定M、R、N分别代表KOH、K2SO4、H2SO4，a、b分别为阳离子、阴离子交换膜。消耗6.5 g Zn，转移0.2 mol e，N区消耗0.4 mol H，0.1 mol SOeq oal(2,4)，同时有0.1 mol SOeq oal(2,4)移向R区，则相当于减少0.2 mol H2SO4，同时生成0.2 mol H2O，故N区减少的质量为0.298 g0.218 g16.0 g。3氢碘酸也可以用“电解法”制备，装置如图所示。其中双极膜(BPM)是阴、阳复合膜，在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H和OH；A、B为离子交换膜。(1)B膜最佳

14、应选择_交换膜(填具体离子符号)。(2)阳极的电极反应式是_。(3)少量的I因浓度差通过BPM膜，若撤去A膜，其缺点是_。答案(1)Na(2)2H2O4e=O24H(3)I会在阳极放电，沉积在阳极表面，损伤阳极板1(2020全国卷，T12)科学家近年发明了一种新型ZnCO2水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。下列说法错误的是()A放电时，负极反应为Zn2e4OH=Zn(OH)eq oal(2,4)B放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 molC充电时，电池总反应为2

15、Zn(OH)eq oal(2,4)=2ZnO24OH2H2OD充电时，正极溶液中OH浓度升高D充电时，正极(接电源正极，作阳极)反应为2H2O4e=O24H，c(H)增大，c(OH)减小，D错误。2如图为一种基于gC3N4催化剂的光电化学装置，该装置可实现太阳能到电能的直接转换已知gC3N4eq o(,sup9(h)eh(空穴)。下列说法错误的是()A多孔Ni的电势比碳膜的低B存在反应2H2O2h(空穴)=H2O22HC该电池的总反应为2H2O2=2H2OD碳膜电极总反应式为O24H4e=2H2OC根据H或e移向可确定多孔Ni为负极，发生的反应gC3N4eq o(,sup9(h)eh(空穴)，

16、然后发生2H2O2h(空穴)=H2O22H，H2O22e=O22H，负极总反应为2H2O4e=O24H；碳膜为正极，正极总反应为O24e4H=2H2O，电池无总反应。3(双选)(2021淄博模拟)双极膜是一种阴、阳离子复合膜，在直流电场作用下，可将水离解，在膜两侧分别得到H和OH。利用双极膜电解池可制备乙醛酸，工作原理如图所示。下列说法错误的是()A电解时H向PbO2电极方向迁移B电解时，PbO2电极上的反应为2H2O4e=4HO2，2Br2e=Br2C电解一段时间后，阴极室和阳极室产生的乙醛酸物质的量相等D阳极室生成乙醛酸的反应为OHCCHOH2OBr2=OHCCOOH2Br2HAC根据Ni

17、电极上析出氢气，则Ni电极为阴极，电解时H向Ni电极方向迁移，A项错误；电解时PbO2电极上析出氧气，则PbO2电极为阳极，根据图示，发生反应：2H2O4e=4HO2、2Br2e=Br2，B项正确；阴极室生成乙醛酸的反应为HOOCCOOH2e2H=HOOCCHOH2O，但同时还发生反应：2H2e=H2，阳极生成乙醛酸的反应为OHCCHO2eH2O=HOOCCHO2H，但同时还发生反应2H2O4e=4HO2，根据两电极上转移电子数相同，电解一段时间后，阴极室和阳极室产生的乙醛酸的物质的量可能不相等，C项错误；阳极发生的反应为2Br2e= Br2、OHCCHOBr2H2O=HOOCCHO2Br2H，D项正确。4利用如图所示装置可以实现吸收一定量SO2气体后的钠碱脱硫液(NaOHNa2SO3)的“循环再生”。下列说法正确的是()Am为阴膜B出液1的溶质主要是H2SO3C出液2的pH大于进液2的pHD当电路中转移0.2 mol电子时，a电极产生标准状况下1.12 L气体B进液1中的NaH