第09练-以隔膜在电化学中的功能突破电解原理(解析版)

第09练以隔膜在电化学中的功能突破电解原理【知识结构】【思维模型】【解题步骤】1．下列各图所示装置能达到实验目的的是A．图甲，验证铁的吸氧腐蚀 B．图乙，保护水体中的钢铁设备C．图丙，在铁制品表面镀锌 D．图丁，蒸干FeSO4溶液制绿矾晶体【答案】A【解析】【详解】A．由图可知，用食盐水浸泡过的铁钉在中性条件下发生吸氧腐蚀，插入水中的导气管会产生液柱，故A正确；B．由图可知，铁比铜活泼，形成铁铜原电池时，铁做原电池负极发生氧化反应被腐蚀，则不能用此装置保护水体中的钢铁设备，故B错误；C．在铁制品表面镀锌时，锌应做电镀池的阳极，铁制品做阴极，电解质溶液选用硫酸锌溶液，由图可知，电解质溶液为硫酸亚铁溶液，所以不可能在铁制品表面镀锌，故C错误；D．硫酸亚铁具有还原性，蒸干硫酸亚铁溶液时，硫酸亚铁被空气中氧气氧化生成硫酸铁，最终得到硫酸铁，无法制得绿矾晶体，故D错误；故选A。2．铅酸蓄电池的工作原理为：，下列判断错误的是A．K闭合时，c电极反应为B．当电路中转移0.2mol电子时，Ⅰ中消耗的为0.2molC．K闭合时，Ⅱ中向c电极迁移D．K闭合一段时间后，Ⅱ可单独作为原电池，d电极为正极【答案】C【解析】【分析】分析题给装置图，当K闭合时，Ⅰ为原电池，Ⅱ为电解池。结合原电池、电解池原理进行分析判断。【详解】A．K闭合时，Ⅰ为原电池，根据铅蓄电池的工作原理，可知a电极为正极，b电极为负极，则Ⅱ中c电极与b相连为阴极、电极反应为；A项正确；B．按上述总反应式，装置Ⅰ存在~2e-，转移电子的物质的量等于消耗的硫酸的物质的量，当电路中转移0.2mol电子时，Ⅰ中消耗的硫酸的量为0.2mol，B项正确；C．K闭合时，Ⅱ中c电极与Ⅰ中原电池的负极相连，则c电极为阴极，根据电解池原理，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极，则Ⅱ中向d电极迁移，C项错误；D．K闭合一段时间，也就是充电一段时间后Ⅱ可以作为原电池，由于c表面生成Pb，放电时做电源的负极，d表面生成PbO2，做电源的正极，D项正确；答案选C。3．利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产中的应用。下列说法正确的是A．氯碱工业中，X电极上反应式是B．电解精炼铜时，Z溶液中的Cu2+浓度不变C．在铁片上镀铜时，X是纯铜D．制取金属镁时，Z是氯化镁溶液【答案】C【解析】【详解】A．根据图示可知X电极为阳极，在阳极上Cl-失去电子变为Cl2，故阳极的电极反应式为2Cl--2e-=Cl2↑，A错误；B．电解精炼铜时，阳极上Cu及活动性比Cu强的金属变为金属阳离子进入溶液，阴极上只有Cu2+得到电子变为单质Cu，根据同一闭合回路中电子转移数目相等可知Z溶液中的Cu2+浓度会减小，B错误；C．在铁片上镀铜时，阳极X是纯铜，阴极Y是铁片，C正确；D．制取金属镁时，应该使用电解熔融的MgCl2的方法，不能电解MgCl2溶液，D错误；故合理选项是C。4．H3PO2为一元中强酸，可用电渗析法制备。“四室电渗析法”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)。下列说法错误的是A．NaH2PO2溶液一定呈碱性B．电解过程中，会从阳极室穿过阳膜扩散至产品室，Na+会从阴极室扩散至原料室C．若将图中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，合并阳极室与产品室，则产品中会混有H3PO4杂质D．阳极反应为：2H2O-4e-=O2↑+4H+【答案】B【解析】【分析】左侧石墨与电源正极相连，为电解池的阳极，发生反应2H2O-4e-=O2↑+4H+，H+通过阳膜进入产品室；左侧的石墨电极为阴极，2H2O+2e-=2OH-+H2↑，原料室中的Na+透过阳膜进入阴极室；原料室中的通过阴膜进入产品室。【详解】A．H3PO2为一元中强酸，NaOH为强碱，所以NaH2PO2为弱酸强碱盐，溶液一定呈碱性，A正确；B．由分析可知，电解过程中，Na+通过阳膜从原料室扩散至阴极室，B错误；C．若将图中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，则阳极生成的O2会将其氧化为H3PO4，从而使产品中混有H3PO4杂质，C正确；D．由分析可知，在阳极，水失电子生成O2和H+，则阳极反应为：2H2O-4e-=O2↑+4H+，D正确；故选B。5．如图是氯碱工业中的电解装置，下列说法不正确的是A．电解总反应式为：B．阳极电极反应式：2Cl--2e-=Cl2↑C．离子膜可以防止OH-移向阳极D．e处加入饱和食盐水，d处加入纯水【答案】D【解析】【详解】A．电解饱和食盐水，在阳极上Cl-失去电子变为Cl2，在阴极上H2O电离产生的H+得到电子变为H2，溶液中产生的OH-与Na+结合为NaOH，故电解的总反应方程式为：，A正确；B．由于阴离子的放电能力：Cl-＞OH-，所以阴极上发生的电极反应为：2Cl--2e-=Cl2↑，B正确；C．OH-是阴极反应产生的微粒，离子膜可以防止OH-移向阳极，与阳极产生的Cl2发生反应，C正确；D．电解时阳极Cl-放电产生Cl2，阴极产生NaOH溶液，为提高电解质溶液的导电能力，在d处加入精制食盐水，在e处加入稀NaOH溶液，D错误；故合理选项是D。6．水系钠离子电池有望代替锂离子电池和铅酸电池，工作原理如图所示。下列说法错误的是A．放电时，电极N上的电势高于电极M上的电势B．充电时，光电极参与该过程C．该交换膜为阴离子交换膜D．放电时总反应为：【答案】C【解析】【分析】放电时，电极M上在负极上被氧化为，负极电极反应式为，电极N上得电子转化为，正极电极反应式为；【详解】A．由图可知，放电时，电极N上转化为，碘元素的被还原，因此电极N为正极，电极M为负极，电极N上的电势高于电极M上的电势，故A正确；B．充电时在光电极上失电子被氧化为，因此充电时，光电极参与该过程，故B正确；C．由图可知，交换膜允许钠离子自由通过，所以该交换膜为阳离子交换膜，故C错误；D．在负极上被氧化为，电极反应式为，正极电极反应式为，总反应为，故D正确；故选：C。7．近期，天津大学化学团队以CO2与辛胺为原料实现了甲酸和辛腈的高选择性合成，装置工作原理如图。下列说法不正确的是A．Ni2P电极与电源正极相连B．在In/In2O3-x电极上发生的反应为：CO2+H2O+2e-=HCOO-+OH-C．In/In2O3-x电极上可能有副产物H2生成D．一段时间后，右侧电极室内溶液pH显著降低【答案】A【解析】【分析】该装置为电解池，左侧二氧化碳得电子生成甲酸根，电极反应为CO2+H2O+2e-=HCOO-+OH-，左侧电极为阴极，右侧为阳极，接电源正极，电极反应为。【详解】A．左侧电极为阴极，Ni2P电极与电源负极相连，A错误；B．根据分析，在左侧电极发生的反应正确，B正确；C．左侧电极为阴极，水可能得电子生成氢气，故可能有副产物H2生成，C正确；D．右侧电极为阳极，从阳极电极方程式可以看出，当电路中有2mol电子转移时，氢氧根迁移过来的物质的量也是2mol，最终被消耗生成水，辛胺浓度降低，溶液的pH降低，D正确；故选A。8．以锂硫电池(电池的总反应为2Li+xS=Li2Sx)为电源，电解含(NH4)2SO4的废水制备硫酸和化肥的原理如图(不考虑其他杂质离子的反应)。下列说法正确的是A．a为锂硫电池的负极B．电解池中膜1和膜2都是阳离子交换膜C．锂硫电池每消耗2.8g锂，理论上M室产生2.24L气体(标准状况)D．电解一段时间后，原料室中溶液的pH会下降【答案】C【解析】【分析】以锂硫电池为电源，通过电解含(NH4)2SO4的废水制备硫酸和磷酸，M室得到硫酸说明是氢氧根离子放电，电极反应式为2H2O-4e-=4H++O2↑，则a为正极，b为负极；【详解】A．上述分析可知a为正极，为锂硫电池的正极，故A错误；B．电解池中阴离子移向阳极，通过阴膜由原料室移向M室，则膜1为阴离子交换膜，故B错误；C．由锂硫电池2Li+xS═Li2Sx可得负极反应式为2Li+-2e-=Li2Sx，消耗2.8g锂即物质的量为，转移0.4mole-，M室的电极反应式为2H2O-4e-=4H++O2↑，生成0.1mol氧气，标准状况下气体体积为V=nVm=0.1mol×22.4L/mol=2.24L，故C正确；D．N室的电极反应是溶液中氢离子放电生成氢气，M室是氢氧根离子放电生成氧气，本质是电解水，原料室中溶液的pH不变，故D错误；故选：C。9．今年2月我国科研团队在CO2电化学还原反应机理的研究上取得新突破，明确了CO2电化学还原反应的控速步骤为CO2吸附过程。CO2电化学还原法中采用TiO2纳米管作电解池工作电极，惰性电极作辅助电极，以一定流速通入CO2，测得CO2生成CO的产率接近80%。下列说法不正确的是A．辅助电极与电源正极相连B．工作电极上主要发生的电极反应为：CO2+2HCO+2e-=CO+2CO+H2OC．电解一段时间，交换膜左侧溶液的浓度不变D．TiO2纳米管的使用是CO产率较高的关键【答案】C【解析】【分析】该装置为电解池，利用二氧化碳制备一氧化碳，二氧化碳在工作电极处通入，应得电子生成一氧化碳，故工作电极为阴极，与电源负极相连；惰性电极为阳极，与电源正极相连。【详解】A．根据分析，惰性电极为阳极，与电源正极相连，A正确；B．工作电极为阴极，主要发生的电极反应为：CO2+2HCO+2e-=CO+2CO+H2O，B正确；C．阳极发生的电极反应为：，阳极区总反应为：，隔膜为阳离子交换膜，钾离子通过交换膜移向右侧，故左侧碳酸氢钾溶液浓度降低，C错误；D．CO2电化学还原反应的控速步骤为CO2吸附过程，TiO2纳米管的使用可以增大吸附的接触面积，是CO产率较高的关键，D正确；故选C。10．CO2制取ZnC2O4的示意图如图，下列说法错误的是A．n为电源的正极B．电解池工作时，Pb电极上的电极反应式为C．电解池工作时，从右侧电极工作室往左侧电极工作室迁移D．电解池工作时，外电路电流的流动方向为m→电源，电源→n【答案】B【解析】【分析】该装置为电解池，用CO2制取ZnC2O4，则Zn电极为阳极，电极反应式为Zn-2e-=Zn2+，Pb电极为阴极，电极反应式为2CO2+2e-=。【详解】A．由分析可知，Zn电极为阳极，则n为电源的正极，A正确；B．由分析可知，Pb电极为阴极，电极反应式为2CO2+2e-=，B错误；C．电解池工作时，阳离子向阴极移动，Zn2+从右侧电极工作室往左侧电极工作室迁移，C正确；D．n为电源的正极，m为电源的负极，则电解池工作时，外电路电流的流动方向为m→电源，电源→n，D正确；故选B。11．一种基于氯碱工业的分步制氢装置如图所示，乙电极材料为[与(0≤x≤1)]，甲、丙电极为Pt电极，下列说法错误的是A．当开关K拨向b时，Ⅱ室中经过交换膜向左移动B．该过程的，总反应为C．开关K反复拨向a、b电解数次后，Ⅰ室电解质溶液浓度增大，Ⅱ室电解质溶液浓度减小D．当开关K拨向a时，乙电极的电极反应式为(0≤x≤1)【答案】D【解析】【分析】Ⅰ室甲电极中H2O变为H2，化合价由+1价变为0价，得到电子做电解池的阴极与电源的负极相连，则M为负极，N为正极，Ⅱ室变为Cl2，化合价由-1价升高到0价，失去电子做电解池的阳极与电源正极相连，则Q为正极，P为负极，据此答题。【详解】A．当开关K拨向b时，M为负极，N为正极，甲电极的电极反应式为：，阳离子向阴极移动，从右往左移动，则Ⅱ室中经过交换膜向左移动，A项正确；B．甲电极的电极反应式为：，丙电极电极反应式为：，该过程的，总反应为，B项正确；C．当开关K拨向a时，向左移动在M电极会生成NaOH溶液的浓度会增大，当开关K拨向b时，向左移动到中间的极室，丙电极负极会使NaCl的浓度减小，开关K反复拨向a、b电解数次后，Ⅰ室电解质溶液浓度增大，Ⅱ室电解质溶液浓度减小，C项正确；D．当开关K拨向a时，乙电极为阳极，电极反应式为，D项错误；答案选D。12．空间站中的物质循环利用是重要研究课题。关于如下“转化图”，说法正确的是A．Sabatier反应器中反应的氧化剂与还原剂物质的量之比为1∶4B．水电解系统的阳极产物应该输送进入Sabatier反应器C．采用高压和合适催化剂均有利于提高Sabatier反应器中的反应D．由图可知，该系统中H2O的循环利用率为100%【答案】A【解析】【分析】水电解系统产生的氧气被输送到人体，产生的氢气被输送到Sabatier反应器。【详解】A．Sabatier反应器中发生的反应为：4H2+CO2CH4+2H2O氧化剂为CO2，还原剂为H2，则氧化剂与还原剂物质的量之比为1∶4，A项正确；B．水电解系统的阳极产物是O2输送到了人体，阴极产物H2被输送到了Sabatier反应器，B项错误；C．Sabatier反应器中发生的反应是CO2+4H2CH4+2H2O，加压有利于这个反应正向进行且加快反应速率，合适催化剂能够提高反应速率但平衡不移动，C项错误；D．由图可知，Sabatier反应器中CH4在燃料电池后的产物CO2和H2O并没有实现循环利用，D项错误；答案选A。13．利用电解原理，将转化为高纯，其装置如图所示：下列说法正确的是A．电极上的电极反应式为B．放电过程中每消耗转移电子C．电解时阴极区保持不变D．电解过程中从右往左移动【答案】C【解析】【分析】该装置为电解池，由电极B上NH3→N2中N元素化合价升高，可知B为阳极，电极反应式为：，电极A为阴极，电极反应式为：2H2O+2e-=2OH-+H2↑；【详解】A．电极B上NH3→N2中N元素化合价升高，可知B为阳极，发生氧化反应，电极反应式为：，A错误；B．由，每消耗1molNH3转移3mol电子，未指明标准状况，不能计算的物质的量，B错误；C．由电解总反应为2NH3N2+3H2，电解过程中不消耗KOH，因此阴极区保持不变，C正确；D．电解池中阴离子移向阳极，由分析可知B为阳极，A为阴极，则电解过程中从左往右移动，D错误；故选：C。14．使用交替排列的单价选择性阳离子交换膜和阴离子交换膜的电渗析过程如图所示。电渗析分离离子的原理是单价阳离子(例如：Li+、Na+、K+)通过单价选择性阳离子交换膜迁移到浓缩室，而二价阳离子(例如：Ca2+、Mg2+)被阻挡，留在脱盐室，达到富集锂的目的。下列说法错误的是A．电极W连接电源正极，电极N连接电源负极B．X口流出的是富Li+盐水，Y口流出的是贫Li+盐水C．选择性离子交换膜是电渗析技术应用于盐湖卤水提锂的关键D．该电渗析过程总的电解方程式为2H2O2H2↑+O2↑【答案】B【解析】【详解】A．由图可知，Cl-向W电极方向移动，Li+向N电极方向移动，则W极是和电源正极相连的阳极，N极是和电源负极相连的阴极，故A正确；B．X口流出盐水所对应的两个交换膜之间，所含的Li+通过单价选择性阳离子交换膜移向右边隔壁的两个膜之间，则X口流出的是贫Li+盐水，而Y口流出盐水所对应的两个交换膜之间，则多了左边两个膜之间渗透移动过来的Li+，则Y口流出的是富Li+盐水，故B错误；C．通过对图分析，从盐湖卤水提锂，可利用图中的单价选择性阳离子交换膜和阴离子交换膜通过电渗析法使盐湖卤水中所含的锂离子富集起来，然后再提取锂，故C正确；D．从W电极和N电极的产物结合电解池电极离子的放电顺序可知，W电极是OH-放电，N电极是H+放电，而OH-和H+均来自水分子的电离，则整个电渗析过程中，被电解的是水，故D正确；答案B。15．氯碱工业是高耗能产业，将电解池与燃料电池串联组合的新工艺可节能，装置图如图，下列叙述错误的是(注：假定空气中氧气的体积分数为20%)A．A池为电解池，B池为燃料电池B．c>a>bC．X为Cl2，Y为H2D．若生成标准状况下22.4LX，则理论上消耗标准状况下空气28L【答案】D【解析】【分析】由图可知，A池左侧通入的精制饱和氯化钠溶液变为稀氯化钠溶液，则A池为电解池，生成X的一极为电解池的阳极，氯离子在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气，则X为氯气，生成Y的电极为阴极，水在阴极得到电子发生还原反应生成氢气和氢氧根离子，阴极附近氢氧根离子浓度增大，则Y为氢气，氢氧化钠溶液的浓度a%>b%；B池为燃料电池，B池中通入空气的电极为燃料电池的正极，空气中氧气在正极得到电子发生还原反应生成氢氧根离子，电极反应式为O2+4e—+2H2O=4OH—，正极附近氢氧根离子浓度增大，则氢氧化钠溶液的浓度c%>a%，通入氢气的一极为负极，碱性条件下氢气在负极失去电子发生氧化反应生成水，负极附近溶液的氢氧根离子浓度减小。【详解】A．由分析可知，A池为电解池，B池为燃料电池，故A正确；B．由分析可知，氢氧化钠溶液的浓度大小顺序为c%>a%>b%，故B正确；C．由分析可知，X为氯气、Y为氢气，故C正确；D．若生成标准状况下22.4L氯气，假定空气中氧气的体积分数为20%，由得失电子数目守恒可知消耗标准状况下空气的体积为=56L，故D错误；故选D。1．（2021年全国甲卷）乙醛酸是一种重要的化工中间体，可用如下图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的解离为和，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．在上述电化学合成过程中只起电解质的作用B．阳极上的反应式为：+2H++2e-=+H2OC．制得乙醛酸，理论上外电路中迁移了电子D．双极膜中间层中的在外电场作用下向铅电极方向迁移【答案】D【解析】【分析】该装置通电时，乙二酸被还原为乙醛酸，因此铅电极为电解池阴极，石墨电极为电解池阳极，阳极上Br-被氧化为Br2，Br2将乙二醛氧化为乙醛酸，双极膜中间层的H+在直流电场作用下移向阴极，OH-移向阳极。【详解】A．KBr在上述电化学合成过程中除作电解质外，同时还是电解过程中阳极的反应物，生成的Br2为乙二醛制备乙醛酸的中间产物，故A错误；B．阳极上为Br-失去电子生成Br2，Br2将乙二醛氧化为乙醛酸，故B错误；C．电解过程中阴阳极均生成乙醛酸，1mol乙二酸生成1mol乙醛酸转移电子为2mol，1mol乙二醛生成1mol乙醛酸转移电子为2mol，根据转移电子守恒可知每生成1mol乙醛酸转移电子为1mol，因此制得2mol乙醛酸时，理论上外电路中迁移了2mol电子，故C错误；D．由上述分析可知，双极膜中间层的H+在外电场作用下移向阴极，即H+移向铅电极，故D正确；综上所述，说法正确的是D项，故答案为D。2．（2021年全国乙卷）沿海电厂采用海水为冷却水，但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率，为解决这一问题，通常在管道口设置一对惰性电极(如图所示)，通入一定的电流。下列叙述错误的是A．阳极发生将海水中的氧化生成的反应B．管道中可以生成氧化灭杀附着生物的C．阴极生成的应及时通风稀释安全地排入大气D．阳极表面形成的等积垢需要定期清理【答案】D【解析】【分析】海水中除了水，还含有大量的Na+、Cl-、Mg2+等，根据题干信息可知，装置的原理是利用惰性电极电解海水，阳极区溶液中的Cl-会优先失电子生成Cl2，阴极区H2O优先得电子生成H2和OH-，结合海水成分及电解产物分析解答。【详解】A．根据分析可知，阳极区海水中的Cl-会优先失去电子生成Cl2，发生氧化反应，A正确；B．设置的装置为电解池原理，根据分析知，阳极区生成的Cl2与阴极区生成的OH-在管道中会发生反应生成NaCl、NaClO和H2O，其中NaClO具有强氧化性，可氧化灭杀附着的生物，B正确；C．因为H2是易燃性气体，所以阴极区生成的H2需及时通风稀释，安全地排入大气，以排除安全隐患，C正确；D．阴极的电极反应式为：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，会使海水中的Mg2+沉淀积垢，所以阴极表面会形成Mg(OH)2等积垢需定期清理，D错误。故选D。3．（2020年全国1卷）科学家近年发明了一种新型Zn−CO2水介质电池。电池示意图如图，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B．放电时，1molCO2转化为HCOOH，转移的电子数为2molC．充电时，电池总反应为D．充电时，正极溶液中OH−浓度升高【答案】D【分析】由题可知，放电时，CO2转