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微题型21　含“膜”电化学装置的分析与判断
1．(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)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SO通过隔膜向Ⅱ区迁移
C．MnO2电极反应：MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O
D．电池总反应：Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===Zn(OH)＋Mn2＋＋2H2O
2．(2022·山东，13改编)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(s)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。下列说法不正确的是(　　)
A．装置工作时，甲室溶液pH逐渐减小
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－===Li＋＋Co2＋＋4OH－
D．若甲室Co2＋减少200 mg，乙室Co2＋增加300 mg，则此时已进行过溶液转移
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＋O2
B．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
4．(2021·天津，11)如下所示电解装置中，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0.01 mol Fe2O3完全溶解时，至少产生气体336 mL(折合成标准状况下)
5．(2021·全国甲卷，13)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如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向两极迁移。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－―→＋H2O
C．制得2 mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1 mol电子
D．双极膜中间层中的H＋在外电场作用下向铅电极方向迁移
1．离子交换膜的分类
2．离子交换膜的作用
3．带隔膜电化学装置的分析思路
(1)电化学装置的正向设问及分析思路
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1 mol Co，Ⅰ室溶液质量理论上减少16 g
C．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＋＋2H2O2Co＋O2↑＋4H＋
分析思路
(2)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2.4 g氢氧化锂，理论上生成气体A 1.12 L(标准状况下)
分析思路
4．定量关系
(1)阴离子、阳离子、质子交换膜
外电路电子的转移数＝通过隔膜的阴、阳离子带的负或正电荷数。
(2)双极膜
外电路电子的转移数＝双极膜解离的[n(H＋)＋n(OH－)]×。
1．锂/氟化碳电池稳定性很高。电解质为LiClO4的乙二醇二甲醚溶液，总反应为xLi＋CFx===xLiF＋C，放电产物LiF沉积在正极，工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．离子交换膜为阴离子交换膜
B．正极的电极反应式为CFx＋xe－＋xLi＋===xLiF＋C
C．电解质溶液可用LiClO4的乙醇溶液代替
D．a极电势高于b极电势
2．电渗析法淡化海水装置示意图如图，电解槽中阴离子交换膜和阳离子交换膜相间排列，将电解槽分隔成多个独立的间隔室，海水充满在各个间隔室中。通电后，一个间隔室的海水被淡化，而其相邻间隔室的海水被浓缩，从而实现了淡水和浓缩海水的分离。下列说法正确的是(　　)
A．离子交换膜b为阳离子交换膜
B．各间隔室的排出液中，①③⑤⑦为淡水
C．通电时，电极1附近溶液的pH比电极2附近溶液的pH变化明显
D．淡化过程中，得到的浓缩海水没有任何使用价值
3．再生铅行业是我国在重视环境保护和充分利用有色金属再生资源的情况下逐步发展起来的新兴产业。从废旧铅酸蓄电池中回收铅的工艺为
―→
电解原理如图所示：
下列说法正确的是(　　)
A．阴极区电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
B．电解过程中阳极附近pH升高
C．Na2PbCl4浓度下降后，在阴极区加入PbO，可实现电解质溶液的再生使用
D．电路中流经4 mol电子时，阴极可得207 g铅
4．(2022·南京高三期中)一种Zn-PbO2电池工作原理如装置图所示。下列说法正确的是(　　)
A．电池工作时电能转化为化学能
B．放电过程中电极a区溶液的pH增大
C．电池工作一段时间后K2SO4浓度增大
D．b极区的反应为PbO2＋4H＋＋4e－===Pb2＋＋2H2O
5．微生物燃料电池(MFCs)技术以污水中的有机物为电子供体，在微生物的参与下将蕴含在污水中的化学能直接转化为电能，可在常温下运行，且污泥产率远低于活性污泥法，是一种集污水净化和能源转化于一体的新型污水处理与能源回收技术，为有机污水的低成本处理提供了一条新路径。下列关于MFCs的说法错误的是(　　)
A．有机物在阳极微生物作用下被氧化，释放质子和电子
B．将碳纳米材料应用于MFCs可以大幅增加阳极的导电性和比表面积，从而使微生物与阳极之间的电子传递更容易
C．阴极发生的电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O、2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O
D．若该有机物为CH3OH，则当反应32 g CH3OH时，理论上转移4 mol e－
6．(2022·武汉联考)科学家设计了一种电催化装置(如图所示)，实现了CO2在双电极电解体系中，阴、阳两极高效协同合成甲酸盐。双极膜由阴离子交换膜和阳离子交换膜组成，能将水分子解离成H＋和OH－。下列说法正确的是(　　)
A．催化电极M的电势高于催化电极N的电势
B．a膜为阴离子交换膜
C．阳极的电极反应式为CO2＋2e－＋H＋===HCOO－
D．电路中转移电子数为4NA时，生成HCOO－的物质的量为3 mol
7．利用(Q)与(QH2)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．CO2在M极被还原
D．分离出的CO2从出口2排出
微题型21　含“膜”电化学装置的分析与判断
真题示范
1．A　[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)，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SO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)＋Mn2＋＋2H2O，D正确。]
2．C　[由于右侧装置为原电池，所以乙室是原电池，甲室是电解池。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，被还原为Co单质，甲室总反应为CH3COO－＋4Co2＋＋2H2O2CO2↑＋4Co＋7H＋，溶液pH减小，A正确；乙室电解质溶液为酸性，不可能大量存在OH－，乙室电极反应式为LiCoO2＋e－＋4H＋===Li＋＋Co2＋＋2H2O，且消耗H＋，因此电池工作一段时间后应该补充盐酸，B正确、C错误；若甲室Co2＋减少200 mg，转移电子的物质的量为n(e－)＝×2≈0.006 8 mol，乙室Co2＋增加300 mg，转移电子的物质的量为n(e－)＝×1≈0.005 1 mol，说明此时已进行过溶液转移，D正确。]
3．C　[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．C　[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0.01 mol Fe2O3完全溶解时，消耗0.06 mol氢离子，根据阳极电极反应式2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，产生0.015 mol氧气，体积为336 mL (折合成标准状况下)，故D正确。]
5．D　[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与乙二醛反应制备乙醛酸，故A错误；阳极上Br－失去电子生成Br2，Br2将乙二醛氧化为乙醛酸，故B错误；电解过程中阴、阳极均生成乙醛酸，1 mol乙二酸生成1 mol乙醛酸转移2 mol电子，1 mol乙二醛生成1 mol乙醛酸转移2 mol电子，根据转移电子守恒可知制得2 mol乙醛酸时，理论上外电路中迁移了2 mol电子，故C错误；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。]
疑难精讲
例1　D　[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1 mol钴，阳极有1 mol水放电，则Ⅰ室溶液质量减少18 g，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＋＋2H2O2Co＋O2↑＋4H＋，故D正确。]
例2　B
模拟演练
1．B　2.B　3.C　4.C　5.D
6．D　[由题图知，装置左侧发生还原反应，催化电极M为阴极；装置右侧发生甲醇的催化氧化反应，催化电极N为阳极，电解池中阳极的电势比阴极的高，A错误；电解池中，阳离子移向阴极，故a膜为阳离子交换膜，b膜为阴离子交换膜，B错误；电解池阳极的电极反应式为CH3OH－4e－＋5OH－===HCOO－＋4H2O，C错误；电解产物为HCOO－，说明电解质溶液呈碱性，则阴极的电极反应式为CO2＋H2O＋2e－===HCOO－＋OH－，电路中转移4 mol电子时，阴极生成2 mol HCOO－，阳极生成1 mol HCOO－，共生成3 mol HCOO－，D正确。]
7．C　[由题干信息可知，M极发生的是由(Q)转化为 (QH2)的还原反应，故M极为阴极，电极反应式为＋2H2O＋2e－===＋2OH－，故与M极相连的a电极为负极，N极为阳极，电极反应式为－2e－===＋2H＋，b极为电源正极，据此分析解题。由分析可知，溶液中Q的物质的量保持不变，B正确；CO2在M极发生的反应为CO2＋OH－===HCO，C错误；在M极上生成的HCO向阳极移动，N极上发生的反应为HCO＋H＋===H2O＋CO2↑，故分离出的CO2从出口2排出，D正确。]

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