专项23膜在电化学中的应用

第三篇化学反应与能量专项23膜在电化学中的应用近年来，新型电化学装置中的“膜”层出不穷，高考试题中往往以此为契入点，考查电化学基础知识。离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。因为一般在应用时主要是利用它透过的离子，所以也称为离子选择透过性膜。隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类：(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。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)能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。1．(2022•全国甲卷)一种水性电解液ZnMnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42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SO42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)42+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Zn2e+4OH=Zn(OH)42，Ⅰ区MnO2为电池的正极，电极反应为MnO2+2e+4H+=Mn2++2H2O；电池在工作过程中，由于两个离子选择隔膜没有指明的阳离子隔膜还是阴离子隔膜，故两个离子隔膜均可以通过阴、阳离子，因此可以得到Ⅰ区消耗H+，生成Mn2+，Ⅱ区的K+向Ⅰ区移动或Ⅰ区的SO42向Ⅱ区移动，Ⅲ区消耗OH，生成Zn(OH)42，Ⅱ区的SO42向Ⅲ区移动或Ⅲ区的K+向Ⅱ区移动。A项，Ⅱ区的K+只能向Ⅰ区移动，A错误；B项，Ⅰ区的SO42向Ⅱ区移动，B正确；C项，MnO2电极的电极反应式为MnO2+2e+4H+=Mn2++2H2O，C正确；D项，电池的总反应为Zn+4OH+MnO2+4H+=Zn(OH)42+Mn2++2H2O，D正确；故选A。2．(2022•山东卷)设计如图装置回收金属钴。保持细菌所在环境pH稳定，借助其降解乙酸盐生成CO2，将废旧锂离子电池的正极材料LiCoO2转化为Co2+，工作时保持厌氧环境，并定时将乙室溶液转移至甲室。已知电极材料均为石墨材质，右侧装置为原电池。下列说法正确的是()A．装置工作时，甲室溶液pH逐渐增大B．装置工作一段时间后，乙室应补充盐酸C．乙室电极反应式为LiCoO2+2H2O+e+4H+=Li++Co2++4OHD．若甲室Co2+减少，乙室Co2+增加，则此时已进行过溶液转移【答案】BD【解析】A项，依据题意右侧装置为原电池，电池工作时，甲室中细菌上乙酸盐的阴离子失去电子被氧化为CO2气体，Co2+在另一个电极上得到电子，被还原产生Co单质，CH3COO失去电子后，Na+通过阳膜进入阴极室，溶液变为NaCl溶液，溶液由碱性变为中性，溶液pH减小，A错误；B项，对于乙室，正极上LiCoO2得到电子，被还原为Co2+，同时得到Li+，其中的O与溶液中的H+结合H2O，因此电池工作一段时间后应该补充盐酸，B正确；C项，电解质溶液为酸性，不可能大量存在OH，乙室电极反应式为：LiCoO2+e+4H+=Li++Co2++2H2O，C错误；D项，若甲室Co2+减少200mg，电子转移物质的量为n(e)=，乙室Co2+增加300mg，转移电子的物质的量为n(e)=，说明此时已进行过溶液转移，D正确；故选BD。3．(2021•全国甲卷)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可果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H2O解离为H+和OH，并在直流电场作用下分别问两极迁移。下列说法正确的是()A．KBr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2mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1mol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】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。A项，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项，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项，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项，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；故选D。4．(2021•辽宁选择性考试)利用(Q)与电解转化法从烟气中分离CO2的原理如图。已知气体可选择性通过膜电极，溶液不能通过。下列说法错误的是()A．a为电源负极 B．溶液中Q的物质的量保持不变C．在M极被还原 D．分离出的从出口2排出【答案】C【解析】由题干信息可知，M极发生的是由Q转化为的过程，该过程是一个还原反应，故M极为阴极，电极反应为：+2H2O+2e=+2OH，故与M极相连的a电极为负极，N极为阳极，电极反应为：2e=+2H+，b极为电源正极。A项，由分析可知，a为电源负极，A正确；B项，由分析可知，根据电子守恒可知，溶液中Q的物质的量保持不变，B正确；C项，由分析可知，整个过程CO2未被还原，CO2在M极发生反应为CO2+OH=HCO3，C错误；D项，由题干信息可知，M极上CO2发生反应为：CO2+OH=HCO3被吸收，HCO3向阳极移动，N极上发生的反应为：HCO3+H+=H2O+CO2↑，故分离出的CO2从出口2排出，D正确；故选C。1.“离子交换膜”电解池的解题思路(1)分清隔膜类型：即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过隔膜；(2)写出电极反应式：判断交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，据电荷平衡判断离子迁移方向；(3)分析隔膜作用：在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或避免产物因发生反应而造成危险；(4)利用定量关系进行计算：外电路电子转移数=通过隔膜的阴、阳离子带的负或正电荷数。2．离子交换膜类型的判断(1)看清图示，是否在交换膜上标注了阴、阳离子，是否标注了电源的正、负极。是否标注了电子流向、电荷流向等，明确阴、阳离子的移动方向。(2)根据电解池中阴、阳离子的移动方向，结合题中给出的已知信息，找出物质生成或消耗的电极区域，确定移动的阴、阳离子，从而推知离子交换膜的种类。3．电解池中某极区溶液质量变化与pH分析。在含有离子交换膜的电解池中，要判断一个极区溶液质量或溶液pH的变化，应综合考虑电极反应引起的溶液质量变化和通过离子交换膜、离子的迁移引起的质量变化。如：下列装置中每通过1mol电子，稀硫酸的变化：(1)b极的电极反应为2H2O4e=O2↑+4H+，通过1mol电子时，有0.5molH2O放电，产生1molH+。(2)通过1mol电子时，有1molH+从稀硫酸中通过阳膜进入产品室。因此通过1mol电子时，稀硫酸中反应消耗0.5molH2O，生成的O2逸出，生成的H+迁移至产品室，则质量减少9g。稀硫酸中H+的物质的量不变，若不考虑溶液体积变化，则溶液pH不变。4．离子交换膜的类型(1)阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过，阻止阴离子和气体通过)以锌铜原电池为例，中间用阳离子交换膜隔开①负极反应式：Zn2e=Zn2＋②正极反应式：Cu2＋＋2e=Cu③Zn2＋通过阳离子交换膜进入正极区④阳离子→透过阳离子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极)(2)阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过，阻止阳离子和气体通过)以Pt为电极电解淀粉­KI溶液，中间用阴离子交换膜隔开①阴极反应式：2H2O＋2e=H2↑＋2OH②阳极反应式：2I_2e=I2③阴极产生的OH移向阳极与阳极产物反应：3I2＋6OH=IO3＋5I＋3H2O④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极(或原电池的负极)(3)质子交换膜(只允许H＋和水分子通过)在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH)，可获得清洁能源H2①阴极反应式：2H＋＋2e=H2↑②阳极反应式：CH3COOH8e＋2H2O=2CO2↑＋8H＋③阳极产生的H＋通过质子交换膜移向阴极④H＋→透过质子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极)(4)电渗析法将含AnBm的废水再生为HnB和A(OH)m的原理：已知A为金属活动顺序表H之前的金属，Bn为含氧酸根离子1．(2023届·江苏省南通市高三期初教学质量调研)一种水性电解液ZnMnO2离子选择双隔膜电池如下图所示。(已知在KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42存在)。下列叙述不正确的是()A．放电时Zn作负极B．a为阳离子交换膜，b为阴离子交换膜C．放电时MnO2电极上发生的反应：MnO2+4H+Mn2++2H2OD．电路中每通过1mol电子，Zn电极的质量减小32.5g【答案】B【解析】根据题意可知，此装置为原电池，Zn为负极，发生氧化反应，电极反应为Zn2e+4OH=Zn(OH)42，负极区K+剩余，通过隔膜迁移到II区；MnO2电极为正极，发生还原反应：MnO2+2e+4H+=Mn2++2H2O，正极区SO42过量，通过隔膜迁移到II区，故II区中K2SO4溶液的浓度增大。A项，Zn为负极，发生氧化反应，电极反应为Zn2e+4OH=Zn(OH)42，故A正确；B项，I区的SO42通过隔膜向Ⅱ区迁移，a为阴离子交换膜，K+从III区通过隔膜迁移到II区，b为阳离子交换膜，故B错误；C项，MnO2电极做正极，电极反应为：MnO2+4H++2e═Mn2++2H2O，故C正确；D项，Zn电极反应式为Zn2e+4OH=Zn(OH)42，所以电路中通过1

mol电子，负极锌溶解的质量为0.5×65=32.5g，故D正确；故选B。2．(2023届·湖南省益阳市高三教学质量调研)锂离子电池具有质量小、体积小、储存和输出能量大等特点，是多种便携式电子设备和交通工具的常用电池。一种锂离子电池的结构及工作原理如图所示，电解质溶液为LiPF6(六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液(无水)。下列说法错误的是()A．放电时电极a为电池的正极，充电时电极b作阳极B．放电时负极反应式为：LixCyxe=xLi++CyC．电池放电时总反应为：LixCy+Li1xCoO2=LiCoO2+CyD．放电充电时，锂离子往返于电池的正极负极之间，完成化学能与电能的相互转化【答案】A【解析】根据图中信息可知，放电时阳离子Li+向电极a移动，则电极a为正极，则电极b为负极，当充电时，电极b为阴极，电解时Li+向阴极移动。A项，根据图中信息可知，放电时阳离子Li+向电极a移动，则电极a为正极，则电极b为负极，当充电时，电极b为阴极，A错误；B项，放电时电极b为负极，负极上LixCy失电子产生Li+和Cy，电极反应式为LixCyxe=xLi++Cy，B正确；C项，电池放电时正极反应式为Li1xCoO2+xe+xLi+=LiCoO2，结合选项B可知，总反应为：LixCy+Li1xCoO2=LiCoO2+Cy，C正确；D项，根据图中信息可知，放电充电时，锂离子往返于电池的正极负极之间，完成化学能与电能的相互转化，D正确；故选A。3．(2023届·辽宁省沈阳市第一二〇中学高三模拟)高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型的消毒剂，以Fe、Ni为电极制取Na2FeO4的原理如图所示。下列叙述错误的是()A．Fe电极的电极反应式为Fe6e＋8OH=FeO42＋4H2OB．离子交换膜b为阴离子交换膜C．通入I室的水中加入少量NaOH，可以加快高铁酸钠的生成D．每生成0.1molNa2FeO4，II室中溶液减少的质量为32.0g【答案】D【解析】该装置以Fe、Ni为电极制取Na2FeO4，为电解池装置，Fe电极为阳极，Ni电极为阴极，阳极电极反应式为Fe6e＋8OH=FeO42＋4H2O，OH移动向Ⅱ室，阴极电极反应式为2H2O+2e=H2↑＋2OH，Na+应移动向I室。A项，Fe电极为阳极，Fe失电子生成FeO42，电极反应式为Fe6e＋8OH=FeO42＋4H2O，故A正确；B项，Fe电极为阳极，Ni电极为阴极，II室中的Na+移动向I室，OH移动向Ⅱ室，故离子交换膜a、b分别为阳离子交换膜、阴离子交换膜，故B正确；C项，通入I室的水中加入少量NaOH，可以增强溶液的导电性，可以加快高铁酸钠的生成，故C正确；D项，每生成0.1molNa2FeO4，外电路中通过0.6mol电子，则II室溶液中减少的NaOH的物质的量为0.6mol，质量为24.0g，故D错误；故选D。4．(2023届·辽宁省鞍山市普通高中第一次质量监测)工业电解丙烯腈(CH2=CHCN)制己二腈[NC(CH2)4CN]的原理如图所示。相关说法正确的是()A．乙室电极反应：2H2O4e=O2↑+4H+B．该生产过程离子交换膜为阴离子交换膜C．甲室碳棒为阳极，工作温度较高电极会有损失D．生产中若收集气体，转移电子【答案】A【解析】根据题意，该装置为电解池装置，依据装置图，乙室中有氧气产生，该电极反应式为2H2O4e=O2↑+4H+，根据电解原理，该电极为阳极，碳棒为阴极。A项，乙室中有氧气产生，根据电解原理，应是OH在该电极放电，即电极反应式为2H2O4e=O2↑+4H+，故A正确；B项，丙烯腈转化成己二腈，其电极反应式为2CH2=CHCN+2H++2e=NC(CH2)4CN，根据电极原理，H+由乙室向甲室移动，因此离子交换膜为质子交换膜，故B错误；C项，根据上述分析，碳棒为阴极，故C错误；D项，题中没有指明是否是标准状况，不能直接运用22.4L/mol进行计算，故D错误；故选A。5．(2023届·安徽省蚌埠市高三第一次教学质量检查)铜基配合物电催化还原CO2的装置原理如图所示，下列说法不正确的是()A．石墨烯为阳极，发生电极反应为CO2+2e+2H+=HCOOHB．Pt电极附近溶液的pH值减小C．每转移2mol电子，阳极室、阴极室溶液质量变化量的差值为28gD．该装置可减少CO2在大气中累积和实现可再生能源有效利用【答案】A【解析】A项，石墨烯为阴极，A错误；B项，Pt电极上H2O失电子转化为O2，电极反应为2H2O4e=4H++O2↑，所以电极附近溶液的pH减小，B正确；C项，每转移2mol电子，由阴极电极反应式可知生成1molHCOOH，所以阴极室溶液|m阴|=46g/mol×1mol=46g；根据阳极室反应可知每转移2mol电子时阳极消耗1mol水，生成0.5mol氧气，同时有2molH+转移至阴极室，所以|m阳|=18g/mol×1mol=18g，所以|m阴||m阳|=46g18g=28g，C正确；D项，该装置可减少CO2在大气中累计和实现可再生能源有效利用，D正确；故选A。6．(2023届·广东省深圳市光明区一模)某科研小组利用下图装置完成乙炔转化为乙烯的同时为用电器供电。其中锌板处发生的反应有：①ZnZn2+；②Zn2++4OH=[Zn((OH)4]2；③Zn[Zn((OH)4]2=ZnO+2OH+H2O。下列说法不正确的是()A．电极a的电势高于电极b的电势B．放电过程中正极区KOH溶液浓度保持不变C．电极a上发生的电极反应式为D．电解足量CuSO4溶液，理论上消耗2.24L(标准状况)C2H2时，生成6.4gCu【答案】B【解析】由题干可知，锌板处Zn失电子生成Zn2+，为原电池负极，则气体扩散电极a为正极。正极上C2H2得电子与水反应生成C2H4。A项，由图可知锌板为负极，所以电极a的电势高于电极b的电势，A正确；B项，放电过程中正极区消耗水，导致KOH溶液浓度增大，B错误；C项，电极a上发生的电极反应式为，C正确；D项，电解硫酸铜时，生成铜的电极反应为，理论上消耗2.24LC2H2(标准状况)，即0.1mol，对应电子转移0.2mol，可生成铜6.4g，D正确；故选B。7．(2023届·湖南省永兴县第一中学高三模拟)一种电解法制备Ca(H2PO4)2并得到NaOH等副产物的示意装置如图，下列说法正确的是()A．与a、b相连的分别是电源的负极、正极B．NaOH溶液中石墨电极上的反应为2H2O+2e=H2↑+2OHC．A膜、C膜均为阴离子交换膜，B膜为阳离子交换膜D．产品室中的Ca2+和原料室的物质的量浓度同等程度增大【答案】B【解析】由图可知，产品Ca(H2PO4)2在产品室生成，左侧石墨作阳极，氯离子放电，电极反应式为2Cl2e=Cl2↑，阳极室的Ca2+透过A膜进入产品室，A膜为阳离子交换膜，H2PO4透过B膜进入产品室与Ca2+结合生成Ca(H2PO4)2，B膜为阴离子交换膜，右侧石墨极为阴极，水放电，电极反应式为2H2O+2e=H2↑+2OH，Na+透过C膜进入阴极室，C膜为阳离子交换膜。A项，左侧电极为阳极，应连接电源正极，即a、b相连的分别是电源的正极、负极，故A错误；B项，右侧石墨极为阴极，水放电，电极反应式为2H2O+2e=H2↑+2OH，故B正确；C项，A膜、C膜为阳离子交换膜，B膜为阴离子交换膜，故C错误；D项，阳极室的Ca2+透过A膜进入产品室，产品室中的Ca2+离子浓度增大，Na+透过C膜进入阴极室，原料室的Na+浓度减小，故D错误；故选B。8．(2023届·湖南省长沙一中高三模拟)双极膜电渗析法制备缩水甘油()的原理：将3氯1，2丙二醇的水溶液通过膜M与双极膜之间的电渗析室，最终得到的缩水甘油纯度很高(几乎不含无机盐)。已知：由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜为双极膜。在直流电场的作用下，双极膜复合层间的H2O解离成OH和H+并分别通过阴膜和阳膜。下列说法正确的是()A．装置工作时，3氯1，2丙二醇被氧化B．通电后，电渗析室内溶液的pH变小C．膜M为阳离子交换膜D．装置工作时，阴极上发生的电极反应：2H++2e=H2↑【答案】D【解析】根据电荷迁移方向确定双极膜中移向3氯1，2丙二醇的水溶液的只能是带负电荷的OH，→+HCl，OH中和H+生成H2O，Cl经过膜M向阳极迁移，产品得以纯化。3氯1，2丙二醇未发生氧化还原反应，通电后，双极膜复合层间的H2O解离成OH和H+，OH中和电渗析室内生成的H+，阴极上H+得到电子生成H2。A项，根据电荷迁移方向确定双极膜中移向3氯1，2丙二醇的水溶液的只能是带负电荷的OH，→+HCl，OH中和H+生成H2O，Cl经过膜M向阳极迁移，产品得以纯化，而3氯1，2丙二醇未发生氧化还原反应，A错误；B项，通电后，双极膜复台层间的H2O解离成OH和H+，电渗析室内→+HCl，OH中和生成的H+，电渗析室内溶液的pH几乎不变，B错误；C项，电渗析室内产生的Cl经过膜M向阳极迁移，膜M为阴离子交换膜，C正确；D项，装置工作时，阴极上发生的电极反应为氢离子得到电子生成氢气，反应为：2H++2e=H2↑，D正确；故选D。9．(2023届·河北省曲阳县第一高级中学高三模拟)目前，应用电渗析法进行海水淡化是解决淡水资源医乏的有效途径之一，该方法是利用电解原理通过多组电渗析膜实现，工作原理如图所示(以NaCl溶液代替海水)，同时获得产品Cl2、H2、NaOH。下列说法正确的是()A．a是直流电源的负极B．阳极区溶液浓度几乎不变C．膜pq、st分别为阳离子交换膜、阴离子交换膜D．出口I、II分别接收NaCl浓溶液、淡水【答案】B【解析】由图可知，N极生成氢气，说明为氢离子放电发生还原反应，为电解池阴极，则M为阳极。A项，a连接阳极，是直流电源的正极，A错误；B项，阳极区反应为2Cl－2e－=Cl2↑，I中氯离子通过阴离子膜pq进入阳极区，溶液浓度几乎不变，B正确；C项，I中氯离子通过阴离子膜pq进入阳极区，钠离子通过阳极膜st进入阴极区，C错误；D项，I中氯离子向左侧运动，钠离子向右侧运动，氯化钠溶液浓度减小，使I口对应区域形成淡水，II口对应区域形成NaCl浓溶液，D错误；故选B。10．(2022·广东省汕头市高三教学质量监测iPON薄膜锂离子电池是目前研究最广泛的全固态薄膜锂离子电池。下图为其工作示意图，LiPON薄膜只允许通过，电池反应为LixSi+Li1xCoO2Si+LiCoO2。下列有关说法正确的是。()A．LiPON薄膜在充放电过程中质量发生变化B．导电介质C可为Li2SO4溶液C．放电时b极为正极，发生反应：Li1xCoO2+xLi++xe═LiCoO2D．充电时，当外电路通过0.2mol电子时，非晶硅薄膜上质量减少1.4g【答案】C【解析】由题干信息中电池总反应可表示为LixSi+Li1xCoO2Si+LiCoO2可知，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，则电极a为阴极，电极反应式为xLi++xe+Si=LixSi，电极b为阳极，电极反应式为LiCoO2xe═Li1xCoO2+xLi+，放电时电极a为负极，电极反应为LixSixe═Si+xLi+，电极b为正极，电极反应式为Li1xCoO2+xLi++xe═LiCoO2。A项，LiPON薄膜在充放电过程中仅仅起到盐桥的作用，并未参与电极反应，故其质量不发生变化，A错误；B项，由于2Li+2H2O=2LiOH+H2↑，故导电介质C中不能有水，则不可为Li2SO4溶液，B错误；C项，放电时b极为正极，发生反应：Li1xCoO2+xLi++xe═LiCoO2，C正确；D项，充电时，电极a为阴极，电极反应式为xLi++xe+Si=LixSi，则当外电路通过0.2mol电子时，非晶硅薄膜上质量增重0.2mol×7g∙mol1=1.4g，D错误；故选C。11．(2022·湖北省新高考高三质量检测)中科院福建物构所YaobingWang团队首次构建了一种可逆水性Zn—CO2电池，实现了CO2和HCOOH之