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密 ○ 封 ○ 装 ○ 订 ○ 线 密 ○ 封 ○ 装 ○ 订 ○ 线
密 封 线 内 不 要 答 题
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姓名 班级 考号
密 ○ 封 ○ 装 ○ 订 ○ 线 密 ○ 封 ○ 装 ○ 订 ○ 线
密 封 线 内 不 要 答 题
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高频微专题3 多池、多室电化学装置及
离子交换膜的应用
满分45分,限时30分钟
一、选择题(本题共6小题,每小题5分,共30分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的)
1.以甲烷燃料电池为电源电解Na[B(OH)4]溶液制备H3BO3的工作原理如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.N室中:a%>b%
B.燃料电池通入氧气的电极接电解池的Y电极
C.Ⅰ、Ⅲ膜为阴离子交换膜,Ⅱ膜为阳离子交换膜
D.理论上每生成1 mol产品,需消耗甲烷的体积为2.8 L(标准状况)
2.用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池(如图),可实现大电流催化电解KNO3溶液制氨。工作时,H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH-,有利于电解反应顺利进行。下列说法不正确的是 ( )
A.电解总反应:KNO3+3H2O NH3·H2O+2O2↑+KOH
B.每生成1 mol NH3·H2O,双极膜处有9 mol的H2O解离
C.电解过程中,阳极室中KOH的物质的量不因反应而改变
D.相比于平面结构双极膜,“卯榫”结构可提高氨生成速率
3.在直流电源作用下,双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-。某技术人员利用双极膜(膜c、膜d)电解技术从含葡萄糖酸钠(用GCOONa表示)的溶液中提取NaOH和葡萄糖酸(GCOOH),其工作原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.M为阴极
B.③室和④室所得产物相同
C.膜a为阳离子交换膜,膜b为阴离子交换膜
D.N极电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+
4.聚合硫酸铁{PFS,[Fe4(OH)2n(SO4)(6-n)]m}是一种性能优越的无机高分子混凝剂,利用双极膜(BP)(由一张阳膜和一张阴膜复合制成,在直流电场作用下将水分子解离成OH-和H+,作为H+和OH-离子源)电渗析法制备PFS的装置如图所示,下列说法不正确的是 ( )
A.X极上发生的电极反应为4OH--4e- O2↑+2H2O
B.“室1”和“室3”得到H2SO4和K2SO4的混合液
C.“室2”和“室4”产品为浓PFS
D.双极膜向“室2”和“室4”中提供OH-
5.一种成本低、稳定性好的全碱性多硫化物—空气液流二次电池的工作原理如图所示,下列说法错误的是 ( )
A.膜a为阳离子交换膜,膜b为阴离子交换膜
B.连接负载时,X极的电极反应式为2
C.连接电源时,Ⅰ室中的Na+数目增加
D.连接电源时,电路中每通过0.5 mol电子,生成NaOH的质量为20 g
6.利用细菌处理有机废水产生的电能可以进行脱硫,从而达到废物利用同时有利于环境保护。脱硫原理:利用羟基自由基(·OH,氧元素为-1价)将燃煤中的含硫物质(主要是FeS2)氧化除去,其装置示意图如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.X为阴离子交换膜
B.a为负极,电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O 2CO2↑+7H+
C.理论上处理12.0 g FeS2,b极消耗标准状况下空气(氧气占空气体积分数约为21%)约为42 L
D.利用羟基自由基除去煤中FeS2的离子方程式:FeS2+15·OH Fe3++2S+7H2O+H+
二、非选择题(本题共1小题,共15分)
7.(15分)电化学原理在工农业生产中有重要应用。已知N2H4是一种重要的清洁高能燃料,产物无污染。根据如图所示装置回答下列问题。(C1~C6均为石墨电极,假设各装置在工作过程中溶液体积不变)
(1)甲装置C2电极为 极,C1电极的电极反应式为 。
(2)乙装置中Ag电极上的电极反应式为 ,若乙装置中溶液体积为400 mL,开始时溶液pH为6,当电极上通过0.04 mol电子时溶液pH约为 。
(3)丙装置用于处理含高浓度硫酸钠的废水,同时获得硫酸、烧碱及氢气,膜X为 (填“阳离子”“阴离子”或“质子”)交换膜,当电极上通过0.04 mol电子时,中间硫酸钠废水的质量改变 g(假定水分子不能通过膜X和膜Y)。
(4)电解一段时间后,丁装置中能观察到的现象是 ,丁装置中电解总反应方程式为 。
答案全解全析
1.D【装置分析】据题图可知,石墨X为阳极,阳极上水电离出的OH-放电,电极反应式为2H2O-4e- 4H++O2↑,生成的H+通过Ⅰ膜进入产品室,原料室中的[B(OH)4]-通过Ⅱ膜进入产品室,产品室中生成H3BO3,石墨Y为阴极,阴极上水电离出的H+放电,电极反应式为2H2O+2e- 2OH-+H2↑,原料室中的Na+通过Ⅲ膜进入N室。
电解过程中Na+通过Ⅲ膜进入N室,由上述分析可知,阴极上产生OH-,则NaOH溶液浓度增大,即a%
电解池阴极、阳极的判断方法
2.B【装置分析】利用题图装置实现大电流催化电解KNO3溶液制氨,则电极a处KNO3被还原为NH3,即电极a为阴极,电极反应式为N+8e-+7H2O NH3·H2O+9OH-,电极b为阳极,电极反应式为4OH--4e- O2↑+2H2O,双极膜中水解离出的H+移向电极a,OH-移向电极b。
结合上述分析中的阴、阳极反应式,可得电解总反应为KNO3+3H2O NH3·H2O+2O2↑+KOH,A正确;每生成1 mol NH3·H2O,电路中转移8 mol e-,同时双极膜处有8 mol H+进入阴极室,即有8 mol H2O解离,B错误;电解过程中,阳极上消耗的OH-与通过双极膜进入阳极室的OH-的物质的量相同,则KOH的物质的量不因反应而改变,C正确;相比于平面结构双极膜,“卯榫”结构具有更大的膜面积,有利于H2O被催化解离成H+和OH-,可提高氨生成速率,D正确。
3.B【装置分析】由电解的目标产品和①、⑥室中的电解质溶液可知,电解过程中,①室得到浓NaOH溶液,⑥室得到浓GCOOH溶液,则M极上水放电生成H2和OH-,N极上水放电生成O2和H+,再根据离子移动方向可得下图:
由上述分析可知,M极为阴极,N极为阳极,A正确;③室产生GCOOH,④室产生NaOH,两室所得产物不同,B错误;膜a为阳离子交换膜,膜b为阴离子交换膜,C正确;N极电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,D正确。
思维模型
解答“离子交换膜”题的步骤
4.B【装置分析】据题图可知,稀硫酸进入“室3”,Fe2(SO4)3溶液进入“室4”,且“室3”和“室4”之间有阴膜,说明PFS在“室4”内产生;双极膜产生的H+向“室3”移动,双极膜产生的OH-向“室4”移动;S向“室3”移动,“室3”和“室4”是“室1”和“室2”的重复单元,故H+向“室1”和“室3”移动,OH-向“室2”和“室4”移动,S向“室1”和“室3”移动,故“室1”和“室3”得到H2SO4溶液,“室2”和“室4”得到PFS。
由题图中S的移动方向可知,Y极为阴极,X极为阳极,阳极上双极膜产生的OH-放电产生O2,则X极上发生的电极反应为4OH--4e- O2↑+2H2O,A正确;结合上述分析可知,“室1”和“室3”得到H2SO4溶液,“室2”和“室4”得到PFS,B错误,C正确;OH-向“室2”和“室4”移动,说明双极膜向“室2”和“室4”中提供OH-,D正确。
5.D【装置分析】据图可知,连接负载时为原电池装置,;溶液中Na+通过膜a进入Ⅱ室,电极Y为正极,O2得电子被还原为OH-,OH-通过膜b进入Ⅱ室。连接电源时为电解池装置,与直流电源负极相连的X电极为阴极,Y电极为阳极。
根据上述分析可知,膜a为阳离子交换膜,膜b为阴离子交换膜,A正确;连接负载时为原电池,X极上失电子发生氧化反应生成,电极反应式为2-2e-,B正确;连接电源时,为电解池,Ⅰ室为阴极区,Ⅱ室溶液中的Na+通过膜a进入Ⅰ室,溶液中Na+数目增加,C正确;连接电源时,Ⅱ室溶液中的Na+进入Ⅰ室,OH-通过膜b进入阳极区,Ⅱ室没有生成NaOH,而是消耗NaOH,D错误。
6.C【装置分析】结合图示装置可知,左侧两极区进入的物质为有机物和空气(氧气),右侧两电极均为惰性电极,则左侧装置为原电池,右侧装置为电解池。
电极 电极反应式
原电池 负极 a CH3COO--8e-+2H2O 2CO2↑+7H+
正极 b O2+4e-+2H2O 4OH-
电解池 阳极 石墨1 H2O-e- H++·OH
阴极 石墨2 2H++2e- H2↑
根据上述分析可知,a为负极,海水中的Cl-移向负极,则X为阴离子交换膜,A正确;由上述分析可知,B正确;利用·OH除去煤中FeS2,根据得失电子守恒、电荷守恒、原子守恒可写出该反应的离子方程式为FeS2+15·OH Fe3++2S+7H2O+H+,D正确;根据FeS2+15·OH Fe3++2S+7H2O+H+,可知理论上处理12.0 g FeS2,消耗n(·OH)=×15=1.5 mol,根据阳极反应式H2O-e- H++·OH,可知需转移1.5 mol e-,再结合b极的电极反应式O2+4e-+2H2O 4OH-,可知需消耗标准状况下V(O2)=×22.4 L/mol=8.4 L,则消耗空气的体积约为=40 L,C错误。
思维模型
解答串联电池的流程
7.(除标注外,每空2分)
(1)正(1分) N2H4-4e-+4OH-N2+4H2O
(2)Ag++e-Ag 1
(3)阴离子 2.84
(4)Fe电极逐渐溶解,C6电极上有气泡产生,溶液中出现红褐色沉淀 Fe+2H2OFe(OH)2+H2↑
解析 (1)甲装置为燃料电池,通入N2H4的C1电极为负极,其电极反应式为N2H4-4e-+4OH- N2+4H2O;通入O2的C2电极为正极。(2)乙装置中Ag电极为阴极,Ag+得电子被还原为Ag,电极反应式为Ag++e- Ag;C3电极为阳极,电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,当电极上通过0.04 mol电子时,生成0.04 mol H+,此时溶液中n(H+)=0.04 mol+0.4 L×10-6 mol/L≈0.04 mol,溶液的体积为400 mL,则溶液中c(H+)=0.1 mol/L,溶液的pH=1。(3)丙装置中C4电极为阳极,电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,C5电极为阴极,电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-,要获得硫酸、烧碱和氢气,则Na2SO4废水中的S通过膜X进入阳极区,则膜X为阴离子交换膜;当电极上通过0.04 mol电子时,有0.02 mol S通过膜X进入阳极区,0.04 mol Na+通过膜Y进入阴极区,则中间Na2SO4废水质量减轻0.02 mol×142 g/mol=2.84 g。(4)丁装置中铁为阳极,C6为阴极,电极反应式分别为Fe-2e- Fe2+和2H2O+2e- H2↑+2OH-,OH-和Fe2+反应生成Fe(OH)2,Fe(OH)2易被氧化为Fe(OH)3,故电解一段时间后,丁装置中能观察到Fe电极逐渐溶解,C6电极上有气泡产生,溶液中出现红褐色沉淀,丁装置中电解总反应方程式为Fe+2H2O Fe(OH)2+H2↑。
归纳总结
原电池和电解池的计算常用方法
根据得失电 子守恒计算 用于串联电路的阴阳两极产物、正负两极产物、相同电荷量等类型的计算,其依据是电路中通过的电子数目相等
根据总反 应式计算 先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式,列比例式计算
根据关系 式法计算 根据得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的关系,得出计算所需的关系式
特别需要注意的是在电化学计算中,还常利用Q=I·t(I为电流,t是时间)和Q=n(e-)×NA×1.60×10-19(1.60×10-19为1个电子的电量数值)来计算电路中通过的电荷量。
