2024版 步步高 考前三个月 化学 新高考第一篇　主题八　选择题17　膜技术在电化学原理中的应用

选择题17 膜技术在电化学原理中的应用1．(2023·湖北，10)我国科学家设计如图所示的电解池，实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变，电解生成氢气的速率为xmol·h－1。下列说法错误的是( )A．b电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－B．离子交换膜为阴离子交换膜C．电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜D．海水为电解池补水的速率为2xmol·h－1答案 D解析 b电极为阴极，发生还原反应，电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故A正确；该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH浓度不变，阳极发生的电极反应为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，为保持OH－浓度不变，则阴极产生的OH－要通过离子交换膜进入阳极室，即离子交换膜应为阴离子交换膜，故B正确；电解时电解槽中不断有水被消耗，海水中的动能高的水可穿过PTFE膜，为电解池补水，故C正确；由电解总反应可知，每生成1molH2要消耗1molH2O，生成H2的速率为xmol·h－1，则补水的速率也应是xmol·h－1，故D错误。2．(2023·辽宁，11)某低成本储能电池原理如图所示。下列说法正确的是( )A．放电时负极质量减小B．储能过程中电能转变为化学能C．放电时右侧H＋通过质子交换膜移向左侧D．充电总反应：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)＋2Fe3＋===PbSO4＋2Fe2＋答案 B解析 放电时，负极上Pb失电子结合硫酸根离子生成PbSO4附着在负极上，负极质量增大，A错误；储能过程中，该装置为电解池，将电能转化为化学能，B正确；放电时，右侧为正极，电解质溶液中的阳离子向正极移动，左侧的H＋通过质子交换膜移向右侧，C错误；充电时，总反应为PbSO4＋2Fe2＋===Pb＋SOeq\o\al(2－,4)＋2Fe3＋，D错误。3．(2022·全国乙卷，12)Li-O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电Li-O2电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子(e－)和空穴(h＋)，驱动阴极反应(Li＋＋e－===Li)和阳极反应(Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是( )A．充电时，电池的总反应为Li2O2===2Li＋O2B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关C．放电时，Li＋从正极穿过离子交换膜向负极迁移D．放电时，正极发生反应：O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2答案 C解析 充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应(Li＋＋e－===Li)和阳极反应(Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2)，则充电时总反应为Li2O2===2Li＋O2，A正确；充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，阴极反应与电子有关，阳极反应与空穴有关，故充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，B正确；放电时，金属Li电极为负极，光催化电极为正极，Li＋从负极穿过离子交换膜向正极迁移，C错误；放电时总反应为2Li＋O2===Li2O2，则正极反应为O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2，D正确。4．(2022·全国甲卷，10)一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH溶液中，Zn2＋以Zn(OH)eq\o\al(2－,4)存在]。电池放电时，下列叙述错误的是( )A．Ⅱ区的K＋通过隔膜向Ⅲ区迁移B．Ⅰ区的SOeq\o\al(2－,4)通过隔膜向Ⅱ区迁移C．MnO2电极反应：MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2OD．电池总反应：Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===Zn(OH)eq\o\al(2－,4)＋Mn2＋＋2H2O答案 A解析 根据图示的电池结构和题目所给信息可知，Ⅲ区Zn为电池的负极，电极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)eq\o\al(2－,4)，Ⅰ区MnO2为电池的正极，电极反应为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O，K＋从Ⅲ区通过隔膜向Ⅱ区迁移，A错误；Ⅰ区的SOeq\o\al(2－,4)通过隔膜向Ⅱ区移动，B正确；MnO2电极的电极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O，C正确；电池的总反应为Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===Zn(OH)eq\o\al(2－,4)＋Mn2＋＋2H2O，D正确。5．(2021·天津，11)如图所示电解装置中，通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成，Fe2O3逐渐溶解，下列判断错误的是( )A．a是电源的负极B．通电一段时间后，向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出现红色C．随着电解的进行，CuCl2溶液浓度变大D．当0.01molFe2O3完全溶解时，至少产生气体336mL(折合成标准状况下)答案 C解析 通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成，Fe2O3逐渐溶解，说明石墨电极Ⅱ为阳极，则b为电源的正极，a为电源的负极，石墨电极Ⅰ为阴极，故A正确；石墨电极Ⅱ为阳极，通电一段时间后，产生氧气和氢离子，所以向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出现红色，故B正确；随着电解的进行，铜离子在阴极得电子生成铜单质，所以CuCl2溶液浓度变小，故C错误；当0.01molFe2O3完全溶解时，消耗0.06mol氢离子，根据阳极电极反应式2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，产生0.015mol氧气，体积为336mL(折合成标准状况下)，故D正确。1．离子交换膜的类别2．离子交换膜的作用3．带隔膜电化学装置的分析思路(1)带隔膜电化学装置的正向设问及分析思路①eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(电极反应分析,离子移动方向))②eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(透膜离子判断,透膜功能分析))③eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(区域变化判断,区域产品分析))例1 (2021·广东，16)钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是( )A．工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B．生成1molCo，Ⅰ室溶液质量理论上减少16gC．移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变D．电解总反应：2Co2＋＋2H2Oeq\o(=====,\s\up7(电解))2Co＋O2↑＋4H＋思路分析答案 D解析 由装置图可知，水放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动，使Ⅱ室中氢离子浓度增大，溶液pH减小，故A错误；阴极生成1mol钴，阳极有1mol水放电，则Ⅰ室溶液质量减少18g，故B错误；若移除离子交换膜，氯离子的放电能力强于水，氯离子会在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气，则移除离子交换膜，石墨电极的电极反应会发生变化，故C错误；电解的总反应的离子方程式为2Co2＋＋2H2Oeq\o(=====,\s\up7(电解))2Co＋O2↑＋4H＋，故D正确。(2)带隔膜电化学装置的逆向设问及分析思路例2 氢氧化锂(LiOH)可用作光谱分析的展开剂、润滑油，其兴趣小组利用三室电解法制备氢氧化锂，同时得到重要工业原料硫酸，其工作原理如图所示。下列说法正确的是( )A．a为负极B．N为阳离子交换膜C．石墨电极Ⅱ的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－D．制备2.4g氢氧化锂，理论上生成气体A1.12L(标准状况下)思路分析答案 B4．定量关系(1)阴离子、阳离子、质子交换膜外电路转移的电子数＝通过隔膜的阴、阳离子带的负或正电荷数。(2)双极膜外电路转移的电子数＝双极膜解离的[n(H＋)＋n(OH－)]×eq\f(1,2)。考向一 膜技术在原电池装置中的应用1．(2023·四川泸州二模)一种高压可充电Zn-PbO2电池工作原理如图所示，通过复合膜ab与复合膜ba反向放置，分隔两室电解液，复合膜间是少量H2O，复合膜ab与ba交界处离子不能通过，复合膜中a膜是阳离子交换膜，b膜是阴离子交换膜。下列说法错误的是( )A．放电时，K＋穿过a膜移向复合膜ab间B．放电时，复合膜ba间发生了H2O解离出H＋和OH－的变化C．充电时的总反应式为PbSO4＋Zn(OH)eq\o\al(2－,4)===Zn＋PbO2＋2H2O＋SOeq\o\al(2－,4)D．充电时的阳极电极反应式为PbSO4＋4OH－－2e－===PbO2＋SOeq\o\al(2－,4)＋2H2O答案 D解析 根据图中信息，锌失去电子，锌为负极，二氧化铅是正极。放电时，原电池“同性相吸”，则K＋穿过阳离子交换膜即a膜移向复合膜ab间，故A正确；放电时，负极不断消耗氢氧根离子，复合膜ba间发生了H2O解离出H＋和OH－，解离出的OH－穿过阴离子交换膜即b膜向负极移动，解离出的H＋穿过阳离子交换膜即a膜向正极移动，故B正确；根据题中信息得到负极是锌失去电子变为Zn(OH)eq\o\al(2－,4)，正极是二氧化铅得到电子变为硫酸铅，则充电时的总反应式为PbSO4＋Zn(OH)eq\o\al(2－,4)===Zn＋PbO2＋2H2O＋SOeq\o\al(2－,4)，故C正确；充电时的阳极电极反应式为PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋SOeq\o\al(2－,4)＋4H＋，故D错误。2．(2023·山东济南一模)我国科学家发现，将纳米级FeF3嵌入电极材料，能大大提高可充电铝离子电池的容量。其中有机离子导体主要含AlxCleq\o\al(n－,y)，隔膜仅允许含铝元素的微粒通过。工作原理如图所示：下列说法正确的是( )A．若FeF3从电极表面脱落，则电池单位质量释放电量减少B．为了提高电导效率，左极室采用酸性AlxCleq\o\al(n－,y)水溶液C．放电时，AlCleq\o\al(－,4)可经过隔膜进入左极室中D．充电时，电池的阳极反应为Al＋7AlCleq\o\al(－,4)－3e－===4Al2Cleq\o\al(－,7)答案 A解析 根据图中电子流动方向知铝电极为负极，FeF3嵌入电极是正极，工作时，铝单质失去电子生成Al3＋，再与AlCleq\o\al(－,4)结合生成Al2Cleq\o\al(－,7)，电极反应式为Al＋7AlCleq\o\al(－,4)－3e－===4Al2Cleq\o\al(－,7)。“将纳米级FeF3嵌入电极材料，能大大提高可充电铝离子电池的容量”，若FeF3从电极表面脱落，电池容量减小，则电池单位质量释放电量减少，A正确；放电时，左边电极为正极，右边电极为负极，阴离子向负极移动，结合分析可知右边负极需要消耗AlCleq\o\al(－,4)，故AlCleq\o\al(－,4)经过隔膜进入右极室中，C错误。3．(2023·安徽淮北一模)一种新型电池装置如图所示。下列叙述错误的是( )A．镍钴电极反应：N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2OB．Ⅱ区的Na＋通过a交换膜向Ⅰ区迁移，Cl－通过b交换膜向Ⅲ区迁移C．该装置工作时总反应：N2H4＋4OH－＋4H＋===N2↑＋4H2OD．该装置工作时还利用了中和能答案 C解析 由图可知，铂电极发生的电极反应为4H＋＋4e－===2H2↑，为原电池的正极，镍钴电极发生的电极反应为N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O，为原电池的负极。原电池中阳离子向正极迁移，阴离子向负极迁移，据分析可知，Ⅱ区的Na＋通过a交换膜向Ⅰ区迁移，Cl－通关注微信公众号《全元高考》领取高中精品资料过b交换膜向Ⅲ区迁移，B正确；据分析可知，正、负极反应式相加得到总反应，则该装置工作时总反应：N2H4===N2↑＋2H2↑，C错误；根据正、负极反应式可知，该装置工作时还利用了中和能，D正确。考向二 膜技术在电解装置中的应用4．(2023·江苏连云港二模)一种电解法制备Na2FeO4的装置如图所示