专题八离子交换膜在电化学中的应用-2021-2022学年高二化学期末专题复习（人教版2019选择性必修1）

专题八离子交换膜在电化学中的应用(建议用时：45分钟)1．(2021·山东枣庄八中高二月考)已知X、Y均为惰性电极，海水中富含Na＋、Cl－、Ca2＋、Mg2＋、SOeq\o\al(2－,4)等离子，用如图装置模拟海水淡化的过程。下列叙述中不正确的是()A．N是阴离子交换膜B．Y电极上产生有色气体C．X电极区有浑浊产生D．X电极反应式为4OH－－4e－=O2↑＋2H2O【答案】D【解析】隔膜N靠近阳极，阳极上是阴离子放电，所以隔膜N是阴离子交换膜，A正确；通电后Y电极为阳极，阳极的电极反应为2Cl－－2e－=Cl2↑，B正确；通电后X电极为阴极，阴极上是氢离子得到电子生成氢气，导致阴极区氢氧根离子浓度增大，OH－与Ca2＋、Mg2＋形成沉淀，C正确；X电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑或2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，D错误。2．一种全天候太阳能电化学电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是A.该电池能将太阳能转化为化学能和电能B.光照时，a极周围pH减小C.光照时，H+由a极室透过质子膜进入b极室D.光照时，a极的电极反应式为V3++e=V2+【答案】C【解析】A.根据题给信息可知，该电池能将太阳能转化为化学能和电能，A正确；B.a极上V3+→V2+得电子发生了还原反应，所以a极为正极，氢离子向正极移动，造成正极周围酸性增强，pH减小，B正确；C.a极为正极，氢离子向正极移动，从b极室透过质子膜进入a极室，C错误；D.光照时，a极为正极，发生还原反应，电极反应式为V3++e=V2+，D正确；答案选C。【点睛】原电池中，电子由负极流向正极，电流由正极流向负极，溶液中的阳离子移向正极，阴离子移向负极。3．以石墨负极(C)、LiFePO4正极组成的锂离子电池的工作原理如图所示(实际上正负极材料是紧贴在锂离子导体膜两边的)。充放电时，Li＋在正极材料上脱嵌或嵌入，随之在石墨中发生了LixC6生成与解离。下列说法正确的是()A．锂离子导电膜应有保护成品电池安全性的作用B．该电池工作过程中Fe元素化合价没有发生变化C．放电时，负极材料上的反应为6C＋xLi＋＋xe－=LixC6D．放电时，正极材料上的反应为LiFePO4－xe－=Li1－xFePO4＋xLi＋【答案】A【解析】为了防止正负极相互接触，用锂离子导电膜隔开，起到保护成品电池安全性的作用，故A正确；总反应LiFePO4＋6CLi1－xFePO4＋LixC6，原电池原理和电解池原理中，都需要发生氧化还原反应，可知铁元素化合价发生变化，B错误；放电时，负极材料上的反应为LixC6－xe－=6C＋xLi＋，C错误；放电时，正极材料上的反应为Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－=LiFePO4,D错误。4．．三室式电渗析法处理含乳酸表示乳酸分子，表示乳酸根离子废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，下列说法正确的是

A．负极区电极反应式为B．交换膜cd为阳离子交换膜，从正极区通过交换膜向浓缩室移动C．通过一段时间后浓缩室水的量减少，导致乳酸溶液浓度上升D．当电路中通过电子的电量时，两极共产生标准状况下气体【答案】B【解析】A.负极区即阴极，是氢离子放电得到电子生成氢气，故A错误；B.左边电极是阴极，反应式为，溶液中从左侧通过交换膜ab进入浓缩室，所以ab为阴离子交换膜，氢离子从正极区通过阳离子交换膜即cd膜进入浓缩室，故B正确；C.阳极放电，增大，从阳极通过阳离子交换膜进入浓缩室，通过阴离子交换膜从阴极进入浓缩室，，乳酸浓度增大，故C错误；D.阳极产生氧气，阴极产生氢气，且满足关系式：O2~2H2~4e，则当电路中通过电子时，根据整个闭合回路中电子转移的数目相等可得，氧气的物质的量0.25mol，氢气是0.5mol，标准状况下的体积共计(0.25mol+0.5mol)×22.4L/mol=16.8L，故D错误；故选B。5．如图是质子交换膜氢氧燃料电池，下列叙述正确的是（）A．溶液中透过质子交换膜从右向左迁移B．b极发生氧化反应C．电子从a极流出，经溶液到b极D．该电池在使用过程中，的物质的量保持不变【答案】D【分析】质子交换膜氢氧燃料电池，b极通入的是氧气，氧气在正极得电子发生还原反应，正极的电极反应式为，a极通入的是氢气，氢气在负极失电子发生氧化反应，负极的电极反应式为，电池总反应为，即可解题。【解析】A．原电池放电时，阳离子向正极移动，通入氧气的电极是正极，所以溶液中透过质子交换膜从左向右迁移，故A项错误；B．b极通入的是氧气，氧气在正极得电子发生还原反应，故B项错误；C．原电池中电子从负极经导线流向正极，即从a极经导线流向b极，故C项错误；D．负极的电极反应式为，正极的电极反应式，电池总反应为，所以该电池在使用过程中，的物质的量保持不变，故D项正确；故答案选：D。6．某工厂采用如图装置处理化石燃料开采、加工过程产生的H2S废气，已知电解池中的两个电极均为惰性电极。下列说法不正确的是A．若交换膜为质子交换膜，则NaOH溶液的浓度逐渐变大，需要定期更换B．若交换膜为阳离子交换膜，b电极区会产生红褐色沉淀C．电极a为阳极D．反应池中处理H2S的反应是H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+【答案】A【分析】由装置可知，反应池中的反应物为硫化氢废气与氯化铁溶液发生氧化还原反应生成硫、氯化氢和氯化亚铁，反应的化学方程式为H2S+2FeCl3=2FeCl2+S↓+2HCl，反应生成的氯化亚铁在阳极a电极上失电子发生氧化反应生成氯化铁，生成的氯化铁进入反应池循环使用，电极b为电解池阴极，水在阴极上得电子发生还原反应生成氢气和氢氧根。【解析】A项、若交换膜为质子交换膜，氢离子由左向右移动加入阴极室，与放电生成的氢氧根发生中和反应生成水，阴极室中NaOH溶液的浓度不变，故A错误；B项、若交换膜为阳离子交换膜，三价铁离子由左向右移动加入阴极室，在b电极区与氢氧根反应生成红褐色氢氧化铁沉淀，故B正确；C项、电极a为阳极，氯化亚铁在阳极上失电子发生氧化反应生成氯化铁，生成的氯化铁进入反应池循环使用，故C正确；D项、由装置可知，反应池中的反应物为硫化氢废气与氯化铁溶液发生氧化还原反应生成硫、氯化氢和氯化亚铁，反应的离子方程式为H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+，故D正确；故选A。7．双极膜(BP)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，作为H+和OH离子源。利用双极膜电渗析法电解食盐水可获得淡水、NaOH和HCl，其工作原理如图所示，M、N为离子交换膜。下列说法错误的是（）A．Y电极与电源正极相连，发生的反应为4OH4e=O2+2H2O↑B．M为阴离子交换膜，N为阳离子交换膜C．“双极膜组”电渗析法也可应用于从盐溶液(MX)制备相应的酸(HX)和碱(MOH)D．若去掉双极膜(BP)，电路中每转移1mol电子，两极共得到0.5mol气体【答案】BD【分析】盐室加入NaCl浓溶液，阴离子向Y电极移动，则Y电极为阳极，则氯离子向Y电极移动，则N为阴离子交换膜；则X电极为阴极。【解析】A．分析可知，Y电极为阳极，与电源正极相连，发生的反应为4OH4e=O2+2H2O↑，A说法正确；B．分析可知，M为阳离子交换膜，N为阴离子交换膜，B说法错误；C．“双极膜组”电渗析法利用阴阳离子的定向移动，可应用于从盐溶液(MX)制备相应的酸(HX)和碱(MOH)，C说法正确；D．若去掉双极膜(BP)，电路中每转移1mol电子，两极可产生0.5mol氯气和0.5mol的氢气，共得到1mol气体，D说法错误；答案为BD。8．硼酸(H3BO3)为一元弱酸，已知H3BO3与足量NaOH溶液反应的离子方程式为H3BO3＋OH－=B(OH)eq\o\al(－,4)，H3BO3可以通过电解的方法制备。其工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)。下列说法正确的是()A．当电路中通过1mol电子时，可得到1molH3BO3B．将电源的正负极反接，工作原理不变C．阴极室的电极反应式为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋D．B(OH)eq\o\al(－,4)穿过阴膜进入阴极室，Na＋穿过阳膜进入产品室【答案】A【解析】A项，电解时，左侧石墨电极为阳极，右侧石墨电极为阴极，阳极上H2O失电子生成O2和H＋，即2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，阴极上H2O得电子生成H2和OH－，即2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，当电路中通过1mol电子时，阳极生成1molH＋，H＋通过阳膜进入产品室，与通过阴膜进入产品室的B(OH)eq\o\al(－,4)反应生成1molH3BO3，正确；B项，电源正负极反接后，左侧石墨电极为阴极，阴极反应式为2H＋＋2e－=H2↑，H＋被消耗，无法移向产品室，不能生成H3BO3，错误；C项，由上述分析可知，阴极反应式为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，错误；D项，电解时原料室中Na＋穿过阳膜进入阴极室，B(OH)eq\o\al(－,4)穿过阴膜进入产品室，错误。9．最近有研究人员利用隔膜电解法处理高浓度的乙醛(CH3CHO)废水转化为乙醇和乙酸。实验室以一定浓度的乙醛­Na2SO4溶液为电解质溶液，模拟乙醛废水的处理过程，其装置如图所示。下列说法不正确的是()A．直流电源a端连接的电极发生氧化反应B．若以氢氧燃料电池为直流电源，燃料电池的a极应通入H2C．反应进行一段时间，电极Y附近溶液的酸性减弱D．电解过程中，阳极区生成乙酸，阴极区生成乙醇【答案】B【解析】根据H＋、Na＋的移动方向判断，电极X是阳极，电极Y是阴极，则X电极发生氧化反应，A正确；X是阳极，则电源的a极是正极，b极是负极，氢氧燃料电池的负极通入H2，即b极通入H2，B错误；电极Y的电极反应式为CH3CHO＋2H＋＋2e－=CH3CH2OH，反应消耗H＋，电极Y附近溶液的酸性减弱，C正确；乙醛被氧化生成乙酸，乙醛被还原生成乙醇，故阳极区生成乙酸，阴极区生成乙醇，D正确。10．用阴离子交换膜控制电解液中OH－的浓度制备纳米Cu2O，反应为2Cu＋H2OCu2O＋H2↑，装置如图。下列说法中正确的是()A．电解时Cl－通过交换膜向Ti极移动B．阳极发生的反应为2Cu－2e－＋2OH－=Cu2O＋H2OC．阴极OH－放电，有O2生成D．Ti电极和Cu电极生成物物质的量之比为2∶1【答案】B【解析】Cu极与外加电源的正极相连，Cu极为阳极，Ti极为阴极；A项，电解时阴离子向阳极移动，OH－通过阴离子交换膜向Cu极移动，错误；B项，Cu极为阳极，电极反应式为2Cu－2e－＋2OH－=Cu2O＋H2O，正确；C项，Ti极为阴极，电极反应式为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，阴极有H2生成，错误；D项，根据电极反应式和阴、阳极得失电子相等，Ti极生成的H2和Cu极生成的Cu2O物质的量之比为1∶1，错误。11．用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的NHeq\o\al(＋,4)，模拟装置如图所示。下列说法正确的是()A．阳极室溶液由无色变成棕黄色B．阴极的电极反应式为4OH－－4e－=2H2O＋O2↑C．电解一段时间后，阴极室溶液中的pH升高D．电解一段时间后，阴极室溶液中的溶质一定是(NH4)3PO4【答案】C【解析】阳极上Fe发生氧化反应，溶液由无色变为浅绿色，A项错误；阴极上H＋发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑，B项错误；根据阴极上电极反应，阴极消耗H＋，电解一段时间后，阴极室溶液pH升高，C项正确；电解一段时间后，阴极室溶液pH升高，NHeq\o\al(＋,4)与OH－反应生成NH3·H2O，因此阴极室溶液中溶质除(NH4)3PO4外，还可能有NH3·H2O，D项错误。12．根据下列要求回答问题。(1)次磷酸钴[Co(H2PO2)2]广泛用于化学镀钴，以金属钴和次磷酸钠为原料，采用四室电渗析槽电解法制备，原理如图。则Co的电极反应式为_____________，A、B、C为离子交换膜，其中B为________离子交换膜(填“阳”或“阴”)。(2)我国科研人员研制出的可充电“Na­CO2”电池，以钠箔和多壁碳纳米管(MWCNT)为电极材料，总反应方程式为4Na＋3CO22Na2CO3＋C。放电时该电池“吸入”CO2，其工作原理如图所示。①放电时，正极的电极反应式为______________________________________。②若生成的Na2CO3和C全部沉积在正极表面，当正极增加的质量为28g时，转移电子的物质的量为________。③可选用高氯酸钠­四甘醇二甲醚作电解液的理由是__________________。(3)用电化学法模拟工业处理SO2。将硫酸工业尾气中的SO2通入如图装置(电极均为惰性材料)进行实验，可用于制备硫酸，同时获得电能：①M极发生的电极反应式为_______________________________________。②质子交换膜右侧的溶液在反应后pH________(填“增大”“减小”“不变”)。③当外电路通过0.2mole－时，质子交换膜左侧的溶液质量________(填“增大”或“减小”)________g。【答案】(1)Co－2e－=Co2＋阴(2)①3CO2＋4Na＋＋4e－=2Na2CO3＋C②0.5mol③导电性好、与金属钠不反应、难挥发等(答案合理即可)(3)①SO2＋2H2O－2e－=SOeq\o\al(2－,4)＋4H＋②增大③增大6.2【解析】(1)以金属钴和次磷酸钠为原料，用电解法制备次磷酸钴[Co(H2PO2)2]，Co的化合价从0价升高到＋2价，则Co的电极反应式为Co－2e－=Co2＋，产品室可得到次磷酸钴的原因是阳极室的Co2＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室的H2POeq\o\al(－,2)通过阴离子交换