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攻难点(二)　电化学中膜的应用
核心考点 三年考情 命题预测
新型电池 2024河北T13,可充电Mg-CO2电池 [命题特点] 多以选择题的形式考查电极的判断、电极反应式的书写、电极附近溶液性质的变化、电子(或离子)移动方向的判断、利用守恒关系进行相关计算等。 [创新考法] 装置与原理呈现创新性、前沿性的趋势,如以新概念、新反应为载体等;考点的融合性增强,如结合反应机理图像、晶胞结构、化学实验等。
2023辽宁T11,储能电池; 2023山东T11,利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生
2022全国甲卷T10,水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池; 2022全国乙卷T12,充电Li-O2电池; 2022湖南T8,锂-海水电池
电解应用 2024广东T16,氯碱工业; 2024湖北T14,双位点PbCu电催化剂,用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸; 2024黑吉辽T12,耦合HCHO高效制H2
2023广东T16,“卯榫”结构双极膜电解池; 2023湖北T10,海水直接制备氢气技术; 2023浙江T13,氯碱工业
2022山东T15,利用电解原理和原电池原理回收金属钴
　
1.(2024·广东卷)一种基于氯碱工艺的新型电解池(如图),可用于湿法冶铁的研究。电解过程中,下列说法不正确的是(　　)
A.阳极反应:2Cl--2e-Cl2↑
B.阴极区溶液中OH-浓度逐渐升高
C.理论上每消耗1 mol Fe2O3,阳极室溶液减少213 g
D.理论上每消耗1 mol Fe2O3,阴极室物质最多增加138 g
2.(2023·辽宁卷)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+S+2Fe3+PbSO4+2Fe2+
3.(2023·河北卷)我国科学家发明了一种以和MnO2为电极材料的新型电池,其内部结构如图所示,其中①区、②区、③区电解质溶液的酸碱性不同。放电时,电极材料转化为。下列说法错误的是(　　)
A.充电时,b电极上发生还原反应
B.充电时,外电源的正极连接b电极
C.放电时,①区溶液中的向②区迁移
D.放电时,a电极的电极反应式为MnO2+4H++2e-Mn2++2H2O
　　交换膜装置的题很多,重点在避免副反应、分离提纯、提高电池效率、定量分析计算、反应物再生、工业制备等方面进行命题,且从单膜到多膜,单室到多室,渐趋复杂。
1.常见的离子交换膜
种类 允许通过的离子及移动方向 说明
阳离子 交换膜 阳离子→移向电解池的阴极或原电池的正极 阴离子和气体不能通过
阴离子 交换膜 阴离子→移向电解池的阳极或原电池的负极 阳离子和气体不能通过
质子 交换膜 质子→移向电解池的阴极或原电池的正极 只允许H+通过
2.离子交换膜的作用
(1)平衡左、右两侧电荷,得到稳定电流。
甲池中发生反应:Zn-2e-Zn2+,导致c(Zn2+)增大,乙池中发生反应:Cu2++2e-Cu,导致c(Cu2+)减小,而阳离子交换膜只允许阳离子通过,故要得到稳定的电流,甲池中的Zn2+通过阳离子交换膜进入乙池,保持溶液中的电荷平衡,而阴离子并不通过交换膜,所以c(S)保持不变。
(2)阻隔某些离子或分子,防止某些副反应的发生。
氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制Cl2、H2、NaOH和氯的含氧酸盐等系列化工产品,利用阳离子交换膜将电解槽隔成阳极室和阴极室;只允许阳离子通过,能阻止阴离子和气体通过;既能阻止H2和Cl2混合爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成的NaClO影响烧碱质量。
(3)制备某些特定产品。
用NaOH溶液吸收烟气中的SO2,将所得的Na2SO3溶液进行电解,可循环再生NaOH,同时得到H2SO4,其原理如图所示。
图中离子移动的方向是Na+(阳离子)穿过阳离子交换膜向左池移动,左池为阴极室,a为阴极;S(阴离子)穿过阴离子交换膜向右池移动,右池为阳极室,b为阳极,左池中阴极电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,导致阴极区域c(OH-)增大,放置阳离子交换膜可让Na+向阴极定向移动,从而产生高浓度的NaOH溶液。右池中阳极电极反应式为S-2e-+H2OS+2H+,阳极室中阴离子交换膜可使S移向阳极,而发生上述反应,故在阳极区产生高浓度的硫酸。
3.离子交换膜类型的判断
首先判断隔膜的用途是制取物质还是避免电极产物之间发生反应,然后根据电解质溶液呈电中性的原则,判断膜的类型。方法如下:先明确电极产物,写出阴、阳两极上的电极反应;再依据电极反应式判断该电极附近哪种离子有剩余,结合溶液呈电中性的原则,判断离子移动的方向,确定离子交换膜的类型。
例如,确定电解饱和食盐水装置(如图)中离子交换膜类型可使用如下方法。
阴极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,则阴极区域破坏了水的电离平衡,OH-浓度增大,阳极区域的Na+穿过离子交换膜进入阴极室,与OH-结合生成NaOH,故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜
由图可知,阳极加入饱和食盐水,出去的是淡盐水并生成Cl2,故阳极反应式为2Cl--2e-Cl2↑,根据溶液呈电中性原则,阳极区Na+多于Cl-,则Na+向阴极区移动,故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜
真题例析
[例]　(2024·湖北卷)我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂,用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸,原理如图,双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中,甲醛转化为HOCH2O-,存在平衡HOCH2O-+OH-[OCH2O]2-+H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-HCOO-+H·。下列说法错误的是(　　)
A.电解一段时间后阳极区c(OH-)减小
B.理论上生成1 mol H3N+CH2COOH双极膜中有4 mol H2O解离
C.阳极总反应式为2HCHO+4OH--2e-2HCOO-+H2↑+2H2O
D.阴极区存在反应H2C2O4+2H++2e-CHOCOOH+H2O
[试题分析]　在KOH溶液中HCHO转化为HOCH2O-:HCHO+OH-HOCH2O-,存在平衡HOCH2O-+OH-[OCH2O]2-+H2O,Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-HCOO-+H·,H·结合成H2,Cu电极为阳极;PbCu电极为阴极,首先HOOC—COOH在Pb上发生得电子的还原反应转化为OHC—COOH:H2C2O4+2e-+2H+OHC—COOH+H2O,OHC—COOH与HO—N+H3反应生成HOOC—CHN—OH:OHC—COOH+HO—N+H3HOOC—CHN—OH+H2O+H+,HOOC—CHN—OH发生得电子的还原反应转化成H3N+CH2COOH:HOOC—CHN—OH+4e-+5H+H3N+CH2COOH+H2O。
[听课记录]
1.(2024·长春质检)我国科学家开发出一种双极制氢系统,在低电池电压下的KOH介质中,可将醛类物质电催化转化为相应的羧酸盐和氢气,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.泡沫铜与直流电源的正极相连
B.制得1 mol氢气,理论上外电路中迁移了2 mol电子
C.高电压下不能实现双极制氢的原因可能是Cu被氧化从而使催化剂失活
D.泡沫铜电极上发生的反应可能为2R—CHO+4OH--2e-2R—COO-+H2↑+2H2O
2.中科院大连化物所储能技术研究部提出了一种基于Br-辅助MnO2放电的混合型液流电池,装置如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.充电时,H+向电极A迁移
B.放电时,在该环境下的氧化性:Cr2+>Mn3+
C.充电时,电极B上还可能发生反应:2Br--2e-Br2
D.放电过程中,可利用Br-及时清除电极B上的“死锰”(MnO2),提高充放电过程的可逆性
3.微生物脱盐电池既可以处理废水中的乙酸和铵盐,又可以实现海水淡化,原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.离子交换膜a为阳离子交换膜,b为阴离子交换膜
B.出口R处一定为纯水
C.生成CO2的电极反应式为CH3COOH+2H2O-8e-2CO2↑+8H+
D.M极每生成0.1 mol CO2,理论上可以从模拟海水中除去117 g NaCl
4.羟基自由基(·OH)具有很强的氧化性,能将苯酚氧化为CO2和H2O。我国科学家开发出如图所示装置,能实现制备氢气、处理含苯酚废水二位一体。下列说法正确的是(　　)
A.d电极的电极反应式:H2O-e-·OH+H+
B.再生池中发生的反应为V2++H+V3++H2
C.a为电源负极,m为阴离子交换膜,Na2SO4能增强导电性
D.气体X与Y在相同条件下的体积比为3∶7
5.(2024·保定模拟)用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废液中的,实现其回收利用。a、b分别是一类离子选择透过膜,模拟装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.电路中转移1 mol电子时,有11.2 L H2生成
B.a是阳离子选择透过膜
C.最终的处理产物中可能有(NH4)3PO4
D.电解一段时间后,阴极室溶液中的pH先升高后降低
6.(2024·肇庆质检)双极膜是一种复合膜,在直流电作用下,能把中间界面内的H2O解离为H+和OH-,并使离子定向通过。
以铅酸蓄电池为电源(放电时总反应为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O),利用双极膜电解获得NaOH与H3PO4的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.N膜为阳离子交换膜
B.产品室2中溶液pH逐渐增大
C.产品室1中反应为H2+2OH-+2H2O
D.双极膜共解离4 mol H2O时,理论上铅酸蓄电池中生成2 mol PbSO4
7.(2024·邯郸二调)羟基自由基(·OH)是自然界中氧化性仅次于氟的氧化剂。我国科学家设计了一种能将苯酚氧化为CO2和H2O的原电池—电解池组合装置,实现了发电、环保两位一体。下列说法错误的是(　　)
A.a是正极,c是阴极
B.氧化1 mol苯酚,理论上NaCl溶液中减少的离子为20NA
C.电池工作时,b极电极反应为C6H5OH-28e-+11H2O6CO2↑+28H+
D.d极电极反应为H2O-e-H++·OH
8.(2023·湖北卷)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x mol·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2x mol·h-1
攻难点2
真题体验
1.C　解析　左侧电极Fe2O3在碱性条件下转化为Fe,为阴极,右侧电极为阳极,阳极反应为2Cl--2e-Cl2↑,A项正确;阴极反应为Fe2O3+6e-+3H2O2Fe+6OH-,消耗水产生OH-,阴极区溶液中OH-浓度逐渐升高,B项正确;理论上每消耗1 mol Fe2O3转移6 mol电子,产生3 mol Cl2,同时有6 mol Na+由阳极转移至阴极,则阳极室溶液减少3×71 g+6×23 g=351 g,C项错误;理论上每消耗1 mol Fe2O3转移6 mol电子,有6 mol Na+由阳极转移至阴极,阴极室物质最多增加6×23 g=138 g,D项正确。
2.B　解析　该储能电池放电时,Pb为负极,失电子结合硫酸根离子生成PbSO4,则多孔碳电极为正极,正极上Fe3+得电子转化为Fe2+;充电时,多孔碳电极为阳极,Fe2+失电子生成Fe3+,PbSO4电极为阴极,PbSO4得电子生成Pb和S。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项错误;储能过程中,该装置为电解池,将电能转化为化学能,B项正确;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项错误;充电时,总反应为PbSO4+2Fe2+Pb+S+2Fe3+,D项错误。
3.B　解析　放电时,电极材料转化为,电极反应-2ne-+2nK+,是原电池的负极,阳离子增多需要通过阳离子交换膜进入②区,即b电极为负极;MnO2得到电子变成Mn2+,是原电池的正极,电极反应MnO2+4H++2e-Mn2++2H2O,阳离子减少,多余的阴离子需要通过阴离子交换膜进入②区,即a电极为正极;③区为碱性溶液,b电极是电极,①区为酸性溶液,a电极是二氧化锰电极。充电时,b电极上得到电子,发生还原反应,A项正确;充电时,外电源的正极连接a电极,电极失去电子,电极反应为Mn2++2H2O-2e-MnO2+4H+,B项错误;放电时,①区溶液中多余的向②区迁移,C项正确;放电时,a电极的电极反应式为MnO2+4H++2e-Mn2++2H2O,D项正确。
真题例析
例　B　解析　电解过程中,阳极区消耗OH-、同时生成H2O,故电解一段时间后阳极区c(OH-)减小,A项正确;阴极区的总反应为H2C2O4+HO—N+H3+6e-+6H+H3N+CH2COOH+3H2O,1 mol H2O解离成1 mol H+和1 mol OH-,故理论上生成1 mol H3N+CH2COOH双极膜中有6 mol H2O解离,B项错误;结合装置图,阳极总反应为2HCHO-2e-+4OH-2HCOO-+H2↑+2H2O,C项正确;阴极区的Pb上发生反应H2C2O4+2e-+2H+OHC—COOH+H2O,D项正确。
典题演练
1.B　解析　泡沫铜上醛基转化为羧基,发生氧化反应,所以泡沫铜为阳极,与电源的正极相连,A项正确;阳极反应为2R—CHO+4OH--2e-2R—COO-+H2↑+2H2O,阴极反应为2H2O+2e-2OH-+ H2↑,制得1 mol氢气,则阳极、阴极各产生0.5 mol氢气,转移1 mol电子,B项错误;铜为金属,作为阳极,若电压过高,Cu会被氧化,使催化剂失活,C项正确;泡沫铜上醛基转化为羧基,失电子被氧化,羧酸盐在碱性环境中稳定存在,根据电子守恒、元素守恒可得电极反应为2R—CHO+4OH--2e-2R—COO-+H2↑+2H2O,D项正确。
2.B　解析　由装置图可知充电时电极A上发生反应Cr2++2e-Cr,发生还原反应,所以电极A为阴极,H+向阴极移动,A项正确;放电时总反应方程式为2Mn3++CrCr2++2Mn2+,所以氧化性Mn3+>Cr2+,B项错误;充电时电极B上发生氧化反应,所以电极B还可能发生反应2Br--2e-Br2,C项正确;MnO2沉积在电极B上,会影响充放电进行,Br-具有还原性,可将MnO2还原为Mn2+,提高充放电过程的可逆性,D项正确。
3.C　解析　该装置为原电池,废水中的CH3COOH转化为CO2,发生氧化反应,则电极M为负极,电极N为正极;原电池工作时,阴离子移向负极,阳离子移向正极,即海水中的Na+通过阳离子交换膜b移向N极,Cl-通过阴离子交换膜a移向M极,可实现海水淡化,出口R为淡水。a为阴离子交换膜,b为阳离子交换膜,A项错误;出口R处为淡水,B项错误;废水中的CH3COOH失去电子生成CO2,电极反应式为CH3COOH+2H2O-8e-2CO2↑+8H+,C项正确;M电极反应式为CH3COOH+2H2O-8e-2CO2↑+8H+,M极每生成0.1 mol CO2的同时转移0.4 mol e-,则有0.4 mol Cl-移向M极,可从海水中除去0.4 mol NaCl,其质量为23.4 g,D项错误。
4.A　解析　c电极发生反应V3++e-V2+,得电子被还原,所以c是阴极,a是负极,b是正极,d是阳极,结合图示,电极反应中产生羟基自由基(·OH)和H+,没有生成氧气,电极反应为H2O-e-·OH+H+,A项正确;反应未配平,B项错误;a为电源负极,Na2SO4比起纯水,能增强溶液的导电性,d电极的电极反应式为H2O-e-·OH+H+,产生的H+经阳离子交换膜移向阴极,故 m为阳离子交换膜,C项错误; 根据反应2V2++2H+2V3++H2↑,产生1 mol气体H2,需要消耗V2+ 2 mol,对应c电极发生反应V3++e-V2+,则转移电子数为2 mol,根据反应H2O-e-·OH+H+,则产生的·OH为2 mol,根据反应28·OH+C6H5OH6CO2↑+17H2O,生成CO2为 mol,所以两种气体体积比为1∶=7∶3,D项错误。
5.C　解析　C为阴极,电极方程式为2H++2e-H2↑,则当电路中通过1 mol电子的电量时,阴极有0.5 mol的气体生成,题干未说是标准状况下,无法计算其体积,A项错误;Fe为阳极,阳极上Fe失电子发生氧化反应生成Fe2+,电极反应式为Fe-2e-Fe2+,该电极装置处理废液中的N,则N通过阳离子交换膜进入阴极区,S通过阴离子交换膜进入阳极区,因此a是阴离子选择透过膜,B项错误;电解时,溶液中N向阴极室移动,H+放电生成H2,溶液中OH-和N结合生成电解质NH3·H2O,NH3·H2O可以和磷酸反应生成(NH4)3PO4或NH4H2PO4、(NH4)2HPO4,C项正确;电解时阴极区电极方程式为2H++2e-H2↑,氢离子浓度减少,pH增大,D项错误。
6.D　解析　由题图可知,电解池工作时阳离子向阴极迁移,由于H+向电极a移动,即电极a为阴极,那么电极b为阳极, M膜为阳离子交换膜,原料室中Na+通过M膜进入产品室1得到NaOH,N膜为阴离子交换膜,原料室中H2P通过N膜进入产品室2,与双极膜产生的氢离子反应生成磷酸,产品室2中溶液pH逐渐减小,A、B两项错误;原料室中钠离子通过M膜进入产品室1得到NaOH,C项错误;双极膜共解离4 mol H2O,即电极a、b处各解离2 mol H2O,电极a的电极反应式为2H++2e-H2↑,解离2 mol H2O得到2 mol H+,转移电子数为2 mol,结合反应Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O,理论上铅蓄电池中生成2 mol PbSO4,D项正确。
7.B　解析　题图中装置,左边为原电池,a上铬元素由+6价变为+3价,得电子发生还原反应,a是正极,b是负极,右边是电解池,c是阴极,d是阳极,A项正确;原电池工作时,a极上Cr2得电子生成Cr(OH)3,发生反应Cr2+6e-+7H2O2Cr(OH)3↓+8OH-,b极电极反应为C6H5OH-28e-+11H2O6CO2↑+28H+,1 mol C6H5OH参与反应转移28 mol电子,理论上a极有28 mol OH-、b极有28 mol H+进入氯化钠溶液中生成水,NaCl溶液中离子数几乎不变,B项错误;原电池工作时,a极Cr2得电子生成Cr(OH)3,发生反应Cr2+6e-+7H2O2Cr(OH)3↓+8OH-,b极电极反应为C6H5OH-28e-+11H2O6CO2↑+28H+, C项正确;结合题干信息,·OH是水在d电极上失电子生成的,所以d极电极反应为H2O-e-H++·OH,D项正确。
8.D　解析　由题图可知,该装置为电解水制取氢气的装置,a电极与电源正极相连,为电解池的阳极,b电极与电源负极相连,为电解池的阴极,阴极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,阳极反应为4OH--4e-O2↑+2H2O,电池总反应为2H2O2H2↑+O2↑,据此解答。b电极为阴极,发生还原反应,电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,A项正确;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,B项正确;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,C项正确;由电解总反应可知,每生成1 mol H2要消耗1 mol H2O,生成H2的速率为x mol·h-1,则补水的速率也应是x mol·h-1,D项错误。专题四　电化学
微专题1　原电池原理及应用
　
1.(2024·江苏卷)碱性锌锰电池的总反应为Zn+2MnO2+H2OZnO+2MnOOH,电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A.电池工作时,MnO2发生氧化反应
B.电池工作时,OH-通过隔膜向正极移动
C.环境温度过低,不利于电池放电
D.反应中每生成1 mol MnOOH,转移电子数为2×6.02×1023
2.(2024·新课标卷)一种可植入体内的微型电池工作原理如图所示,通过CuO催化消耗血糖发电,从而控制血糖浓度。当传感器检测到血糖浓度高于标准,电池启动。血糖浓度下降至标准,电池停止工作。(血糖浓度以葡萄糖浓度计)
电池工作时,下列叙述错误的是(　　)
A.电池总反应为2C6H12O6+O22C6H12O7
B.b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖,理论上a电极有0.4 mmol电子流入
D.两电极间血液中的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a
3.(2024·河北卷)我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg-CO2电池,以Mg(TFSI)2为电解质,电解液中加入1,3 丙二胺(PDA)以捕获CO2,使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍,同时改善了Mg2+的溶剂化环境,提高了电池充放电循环性能。
下列说法错误的是(　　)
A.放电时,电池总反应为2CO2+MgMgC2O4
B.充电时,多孔碳纳米管电极与电源正极连接
C.充电时,电子由Mg电极流向阳极,Mg2+向阴极迁移
D.放电时,每转移1 mol电子,理论上可转化1 mol CO2
4.(2024·安徽卷)我国学者研发出一种新型水系锌电池,其示意图如图。该电池分别以Zn-TCPP(局部结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和Zn为电极,以ZnSO4和KI混合液为电解质溶液。下列说法错误的是(　　)
A.标注框内所示结构中存在共价键和配位键
B.电池总反应为+ZnZn2++3I-
C.充电时,阴极被还原的Zn2+主要来自Zn-TCPP
D.放电时,消耗0.65 g Zn,理论上转移0.02 mol电子
1.图解原电池工作原理
2.原电池正、负极的判断方法
3.电极反应式的书写
4.可充电电池题目的解答思路
1.(2024·全国甲卷)科学家使用δ-MnO2研制了一种MnO2-Zn可充电电池(如图所示)。电池工作一段时间后,MnO2电极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列叙述正确的是(　　)
A.充电时,Zn2+向阳极方向迁移
B.充电时,会发生反应Zn+2MnO2ZnMn2O4
C.放电时,正极反应有MnO2+H2O+e-MnOOH+OH-
D.放电时,Zn电极质量减少0.65 g,MnO2电极生成了0.020 mol MnOOH
2.(2024·长春质检)某研究团队发现向锂空气电池(2Li+O2Li2O2)的有机电解液中添加LiNO3,充电时可发生如图转化(图中所示不完全)而使充电过程更稳定。下列说法错误的是(　　)
A.电极Li与反应生成和Li2O
B.充电时,阳极区域涉及反应:Li2O2+2NO22Li++O2+2
C.充电时,每转移1 mol电子,阳极质量增加23 g
D.放电时,Li+由a极移至b极
3.(2024·东北三省三校三模)甲酸燃料电池装置如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.物质A是H2SO4
B.半透膜是阳离子交换膜
C.a极电极反应式为HCOO-+2e-+2H++H2O
D.Fe3+可以看作是该反应的催化剂,可以循环利用
4.(2024·石家庄质检)高性能钠型电池工作原理如图所示,电池反应为Cx(PF6)+NaSnCx+Sn+NaPF6。下列说法正确的是(　　)
A.放电时,a为正极
B.充电时,阴极反应为Sn+Na++e-NaSn
C.放电时,Sn在很大程度上被腐蚀
D.充电时,当电路中通过1 mol e-,理论上有1 mol P从石墨烯中脱嵌并向左迁移
微专题1
真题体验
1.C　解析　电池工作时,MnO2为正极,得到电子,发生还原反应,A项错误;电池工作时,OH-通过隔膜向负极移动,B项错误;环境温度过低,化学反应速率下降,不利于电池放电,C项正确;由电极反应式MnO2+e-+H2OMnOOH+OH-可知,反应中每生成1 mol MnOOH,转移电子数为6.02×1023,D项错误。
2.C　解析　由题中信息可知,当电池开始工作时,a电极为电池正极,血液中的O2在a电极上得电子生成OH-,电极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-;b电极为电池负极,Cu2O在b电极上失电子转化成CuO,电极反应式为Cu2O-2e-+2OH-2CuO+H2O,然后葡萄糖被CuO氧化为葡萄糖酸,CuO被还原为Cu2O,则电池总反应为2C6H12O6+O22C6H12O7,A项正确;b电极上CuO将葡萄糖氧化为葡萄糖酸后被还原为Cu2O,Cu2O在b电极上失电子转化成CuO,在这个过程中CuO的质量和化学性质保持不变,因此,CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用,B项正确;根据反应2C6H12O6+O22C6H12O7可知,1 mol C6H12O6参加反应时转移2 mol电子,18 mg C6H12O6的物质的量为0.1 mmol,则消耗18 mg葡萄糖时,理论上a电极有0.2 mmol电子流入,C项错误;原电池中阳离子从负极移向正极迁移,故Na+迁移方向为b→a,D项正确。
3.C　解析　放电时正极反应式为Mg2++2CO2+2e-MgC2O4,负极反应式为Mg-2e-Mg2+,将放电时正、负电极反应式相加,可得放电时电池总反应Mg+2CO2MgC2O4,A项正确;充电时,多孔碳纳米管电极上发生失电子的氧化反应,则多孔碳纳米管在充电时是阳极,与电源正极连接,B项正确;充电时,Mg电极为阴极,电子从电源负极经外电路流向Mg电极,同时Mg2+向阴极迁移,C项错误;根据放电时的电极反应式Mg2++2CO2+2e-MgC2O4可知,每转移2 mol电子,有2 mol CO2参与反应,因此每转移1 mol电子,理论上可转化1 mol CO2,D项正确。
4.C　解析　标注框内所示结构属于配合物,配位体中存在碳碳单键、碳碳双键、碳氮单键、碳氮双键和碳氢键等多种共价键,还有由N原子提供孤电子对、Zn2+提供空轨道形成的配位键,A项正确;由图中信息可知,该新型水系锌电池的负极是锌、正极是超分子材料,负极的电极反应式为Zn-2e-Zn2+,正极电极反应为+2e-3I-,则电池总反应为+ZnZn2++3I-,B项正确;充电时,阴极电极反应式为Zn2++2e-Zn,被还原的Zn2+主要来自电解质溶液,C项错误;放电时,负极的电极反应式为Zn-2e-Zn2+,因此消耗0.65 g Zn(物质的量为0.01 mol),理论上转移0.02 mol电子,D项正确。
典题演练
1.C　解析　充电时该装置为电解池,电解池中阳离子向阴极迁移,即Zn2+向阴极方向迁移,A项不正确;电池的总反应为Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+2OH-+Zn2+(主要),Zn+2MnO2ZnMn2O4,充电时会发生ZnMn2O4Zn+2MnO2,B项不正确;放电时MnO2电极为正极,正极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4,则正极上主要发生的电极反应是MnO2+H2O+e-MnOOH+OH-,C项正确;放电时,Zn电极质量减少0.65 g(物质的量为0.010 mol),电路中转移0.020 mol电子,由正极的主要反应MnO2+H2O+e-MnOOH+OH-可知,若正极上只有MnOOH生成,则生成MnOOH的物质的量为0.020 mol,但是正极上还有ZnMn2O4生成,因此,MnOOH的物质的量小于0.020 mol,D项不正确。
2.C　解析　电解液中的由Li与反应得来,故电极Li与发生反应2Li+Li2O+,A项正确;由题图可知,充电时,发生反应:-e-NO2和Li2O2+2NO22Li++O2+2,即在阳极区产生氧气,B项正确;充电时,阳极反应式为Li2O2-2e-2Li++O2↑,每转移1 mol电子,阳极消耗0.5 mol Li2O2,质量减少23 g,C项错误;由上述分析可知,充电时b为阳极,a为阴极,则放电时a为负极,b为正极,Li+由负极(a极)移至正极(b极),D项正确。
3.C　解析　铁的两种离子存在环境为酸性,且生成物为K2SO4,故物质A为H2SO4,A项正确;装置中K+由负极流向正极,则半透膜是阳离子交换膜,B项正确;a电极上HCOOH被氧化为HC,其电极反应式为HCOO--2e-+2OH-+H2O,C项错误;Fe3+先被还原为Fe2+,Fe2+又被O2氧化生成Fe3+,Fe3+可以循环,可看作是该反应的催化剂,D项正确。
4.B　解析　根据电池反应可知,放电时,NaSn电极为负极,失电子生成Na+和Sn,即a电极为负极,A项错误;充电时,NaSn电极为阴极,Na+得电子与Sn反应生成NaSn,电极反应式正确,B项正确;放电时,NaSn电极为负极,失电子生成Na+和Sn,Sn未被腐蚀,C项错误;充电时,阳极上失电子结合Cx生成Cx(PF6),电极反应式为-e-+CxCx(PF6),当电路中通过1 mol电子时,理论上有1 mol 失电子向阳极移动,并嵌入石墨烯中,D项错误。微专题2　电解原理及应用
　
1.(2024·湖南卷)在KOH水溶液中,电化学方法合成高能物质K4C6N16时,伴随少量O2生成,电解原理如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.电解时,OH-向Ni电极移动
B.生成C6的电极反应:2C3N8H4+8OH--4e-C6+8H2O
C.电解一段时间后,溶液pH升高
D.每生成1 mol H2的同时,生成0.5 mol K4C6N16
2.(2024·甘肃卷)某固体电解池工作原理如图所示,下列说法错误的是(　　)
A.电极1的多孔结构能增大与水蒸气的接触面积
B.电极2是阴极,发生还原反应:O2+4e-2O2-
C.工作时O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2
D.理论上电源提供2 mol e-能分解1 mol H2O
3.(2024·山东卷)以不同材料修饰的Pt为电极,一定浓度的NaBr溶液为电解液,采用电解和催化相结合的循环方式,可实现高效制H2和O2,装置如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.电极a连接电源负极
B.加入Y的目的是补充NaBr
C.电解总反应式为Br-+3H2O+3H2↑
D.催化阶段反应产物的物质的量之比为n(Z)∶n(Br-)=3∶2
1.图解电解池的工作原理
2.解答电解类问题的一般步骤
分析电解过程的思维程序:
(1)首先判断阴、阳极,分析阳极材料是惰性电极还是活性电极。
(2)再分析电解质水溶液的组成,找全离子并分阴、阳两组(不要忘记水溶液中的H+和OH-)。
(3)然后排出阴、阳两极的放电顺序。
电解池阴、阳两极的放电顺序
3.电解计算破题“3方法”
1.(2023·浙江1月选考)在熔融盐体系中,通过电解TiO2和SiO2获得电池材料(TiSi),电解装置如图,下列说法正确的是(　　)
A.石墨电极为阴极,发生氧化反应
B.电极A的电极反应:8H++TiO2+SiO2+8e-TiSi+4H2O
C.该体系中,石墨优先于Cl-参与反应
D.电解时,阳离子向石墨电极移动
2.氮气电解催化装置可以实现同时制备铵盐和硝酸盐,利用双极膜(M、N)将水解离成H+、OH-,还可以浓缩溶液(图中进、出气通道及部分反应均省略)。下列说法正确的是(　　)
A.a端的电势比b端高
B.M、N分别为阴、阳离子交换膜
C.相同时间内X、Y电极上消耗的氮气质量比为5∶3
D.阴极室的总反应为N2+6e-+6H2O2NH3+6OH-
3.(2024·T8联考)先在涂有活性银纳米颗粒和特殊配体的阴极断裂成自由基和,再与CO2反应可转化为相应的羧酸,这就是自由基电解法,其装置如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.左侧电极的电极反应式有+CO2+e-+H+
B.相同条件下,阴、阳两极消耗的或生成的气体体积之比为2∶1
C.活性银纳米颗粒和特殊配体阻止了H+得电子生成H2
D.该装置在使用过程中,稀硫酸的浓度变大
微专题2
真题体验
1.B　解析　由电解原理图可知,Ni电极产生氢气,为阴极,Pt电极为阳极,电解过程中,阴离子向阳极移动,即OH-向Pt电极移动,A项错误;Pt电极上C3N8H4失去电子生成C6,电解质溶液为KOH水溶液,电极反应为2C3N8H4+8OH--4e-C6+8H2O,B项正确;阳极主要反应为2C3N8H4-4e-+8OH-C6+8H2O,阴极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,则电解过程中发生的总反应主要为2C3N8H4+4OH-C6+4H2O+2H2↑,反应消耗OH-,生成H2O,电解一段时间后,溶液pH降低,C项错误;根据电解总反应2C3N8H4+4OH-C6+4H2O+2H2↑可知,每生成1 mol H2,生成0.5 mol K4C6N16,但Pt电极伴随少量O2生成,发生电极反应4OH--4e-O2↑+2H2O,则生成1 mol H2时得到的部分电子是由OH-放电产生O2提供,所以生成的K4C6N16小于0.5 mol,D项错误。
2.B　解析　电极1的多孔结构能增大电极的表面积,增大与水蒸气的接触面积,A项正确;多孔电极2上O2-发生失电子的氧化反应转化成O2(g),多孔电极2为阳极,发生氧化反应2O2--4e-O2↑,B项错误;工作时,阴离子O2-向阳极移动,即O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2,C项正确;多孔电极1上H2O(g)发生得电子的还原反应转化成H2(g),多孔电极1为阴极,电极反应为2H2O+4e-2H2+2O2-,多孔电极2为阳极,电极反应为2O2--4e-O2,电解总反应为2H2O(g)2H2+O2,分解2 mol H2O转移4 mol电子,则理论上电源提供2 mol电子能分解1 mol H2O,D项正确。
3.B　解析　电极b上Br-发生失电子的氧化反应转化成,电极b为阳极,电极反应为Br--6e-+3H2O+6H+;则电极a为阴极,电极a的电极反应为6H++6e-3H2↑;电解总反应式为Br-+3H2O+3H2↑;催化循环阶段被还原成Br-循环使用,同时生成O2,实现高效制H2和O2,即Z为O2。电极a为阴极,连接电源负极,A项正确;电解过程中消耗H2O和Br-,而催化阶段被还原成Br-循环使用,故加入Y的目的是补充H2O,维持NaBr溶液为一定浓度,B项错误;电解总反应式为Br-+3H2O+3H2↑,C项正确;催化阶段,Br元素的化合价由+5价降至-1价,生成1 mol Br-得到6 mol电子,O元素的化合价由-2价升至0价,生成1 mol O2失去4 mol电子,根据得失电子守恒,反应产物的物质的量之比为n(O2)∶n(Br-)=6∶4=3∶2,D项正确。
典题演练
1.C　解析　由图可知,电解时,石墨电极上C转化为CO,发生氧化反应,为阳极,与电源正极相连,则电极A作阴极,TiO2和SiO2获得电子产生电池材料(TiSi),电极反应为TiO2+SiO2+8e-TiSi+4O2-。石墨电极为阳极,A项错误;电极A的电极反应为TiO2+SiO2+8e-TiSi+4O2-,B项错误;根据图中信息可知,该体系中,石墨优先于Cl-参与反应,C项正确;电解池中石墨电极为阳极,阳离子向阴极(电极A)移动,D项错误。
2.C　解析　由图可知,X极氮气发生还原反应,即X为阴极,a与电源负极相连,所以a端电势比b端低,A项错误;根据题干信息可推知,左侧制备铵盐,所以H+透过M膜进入阴极室,故M为阳离子交换膜,同理可得N为阴离子交换膜,B项错误;X极上氮元素从0价降低至-3价,Y极上氮元素从0价升高至+5价,由得失电子守恒可得,X、Y电极上消耗的氮气质量比为5∶3,C项正确;阴极室发生的总反应中应有生成,D项错误。
3.B　解析　阴极电极反应式为+2CO2+2H++2e-+,其中+CO2+H++e-,+CO2+e-+H+,而阳极电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,A项正确;阴极电极反应式为+2CO2+2H++2e-+,阳极电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,相同条件下,两极转移一样多的电子,如转移4 mol电子时,阴极消耗4 mol二氧化碳、阳极生成1 mol氧气,所以阴、阳两极消耗的或生成的气体体积之比为4∶1,B项错误;活性银纳米颗粒和特殊配体阻止了H+得电子生成H2,故自由基和二氧化碳得电子生成羧酸,C项正确;阴极反应消耗H+与阳极电极反应生成H+的个数相等,溶液中H+总数不变,反应消耗了水,使溶液体积减小,则硫酸浓度变大,D项正确。(共30张PPT)
专题四
电化学
高
考
专
题
攻
略
微专题1　原电池原理及应用
专题四　电化学
1.(2024·江苏卷)碱性锌锰电池的总反应
为Zn+2MnO2+H2O===ZnO+2MnOOH，
电池构造示意图如图所示。下列有关说
法正确的是(　　)
A.电池工作时，MnO2发生氧化反应
B.电池工作时，OH-通过隔膜向正极移动
C.环境温度过低，不利于电池放电
D.反应中每生成1 mol MnOOH，转移电子数为2×6.02×1023
电池工作时，MnO2为正极，得到电子，发生还原反应，A项错误;电池工作时，OH-通过隔膜向负极移动，B项错误；环境温度过
低，化学反应速率下降，不利于电池放电，C项正确；由电极反应式MnO2+e-+H2O===MnOOH+OH-可知，反应中每生成1 mol MnOOH，转移电子数为6.02×1023，D项错误。
解析
2.(2024·新课标卷)一种可植入体内的微型电池工作原理如图所示，通过CuO催化消耗血糖发电，从而控制血糖浓度。当传感器检测到血糖浓度高于标准，电池启动。血糖浓度下降至标准，电池停止工作。(血糖浓度以葡萄糖浓度计)
电池工作时，下列叙述错误的是(　　)
A.电池总反应为2C6H12O6+O2===2C6H12O7
B.b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖，理论上a电极有0.4 mmol电子流入
D.两电极间血液中的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a
由题中信息可知，当电池开始工作时，a电极为电池正极，血液中的O2在a电极上得电子生成OH-，电极反应式为O2+4e-+2H2O===
4OH-；b电极为电池负极，Cu2O在b电极上失电子转化成CuO，电极反应式为Cu2O-2e-+2OH-===2CuO+H2O，然后葡萄糖被CuO氧化为葡萄糖酸，CuO被还原为Cu2O，则电池总反应为2C6H12O6+
O2===2C6H12O7，A项正确；b电极上CuO将葡萄糖氧化为葡萄糖酸后被还原为Cu2O，Cu2O在b电极上失电子转化成CuO，在这个
解析
过程中CuO的质量和化学性质保持不变，因此，CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用，B项正确；根据反应2C6H12O6+O2
===2C6H12O7可知，1 mol C6H12O6参加反应时转移2 mol电子，18 mg C6H12O6的物质的量为0.1 mmol，则消耗18 mg葡萄糖时，理论上a电极有0.2 mmol电子流入，C项错误；原电池中阳离子从负极移向正极迁移，故Na+迁移方向为b→a，D项正确。
解析
3.(2024·河北卷)我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg-CO2电池，以Mg(TFSI)2为电解质，电解液中加入1，3-丙二胺(PDA)以捕获CO2，使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍，同时改善了Mg2+的溶剂化环境，提高了电池充放电循环性能。
下列说法错误的是(　　)
A.放电时，电池总反应为2CO2+Mg===MgC2O4
B.充电时，多孔碳纳米管电极与电源正极连接
C.充电时，电子由Mg电极流向阳极，Mg2+向阴极迁移
D.放电时，每转移1 mol电子，理论上可转化1 mol CO2
放电时正极反应式为Mg2++2CO2+2e-===MgC2O4，负极反应式为Mg-2e-===Mg2+，将放电时正、负电极反应式相加，可得放电时电池总反应Mg+2CO2===MgC2O4，A项正确；充电时，多孔碳纳米管电极上发生失电子的氧化反应，则多孔碳纳米管在充电时是阳极，与电源正极连接，B项正确；充电时，Mg电极为阴极，电子从电源负极经外电路流向Mg电极，同时Mg2+向阴极迁移，C项错
解析
误；根据放电时的电极反应式Mg2++2CO2+2e-===MgC2O4可知，每转移2 mol电子，有2 mol CO2参与反应，因此每转移1 mol电子,理论上可转化1 mol CO2，D项正确。
解析
4.(2024·安徽卷)我国学者研发出一种新型水系锌电池，其示意图如图。该电池分别以Zn-TCPP(局部结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和Zn为电极，以ZnSO4和KI混合液为电解质溶液。下列说法错误的是(　　)
A.标注框内所示结构中存在共价键和配位键
B.电池总反应为+Zn Zn2++3I-
C.充电时，阴极被还原的Zn2+主要来自Zn-TCPP
D.放电时，消耗0.65 g Zn，理论上转移0.02 mol电子
标注框内所示结构属于配合物，配位体中存在碳碳单键、碳碳双键、碳氮单键、碳氮双键和碳氢键等多种共价键，还有由N原子提供孤电子对、Zn2+提供空轨道形成的配位键，A项正确；由图中
解析
信息可知，该新型水系锌电池的负极是锌、正极是超分子材料，负极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+，正极电极反应为+2e-===3I-,则电池总反应为+Zn Zn2++3I-，B项正确；充电时，阴极电
极反应式为Zn2++2e-===Zn，被还原的Zn2+主要来自电解质溶液，C项错误；放电时，负极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+，因此消耗0.65 g Zn(物质的量为0.01 mol)，理论上转移0.02 mol电子，D项正确。
解析
1.图解原电池工作原理
2.原电池正、负极的判断方法
3.电极反应式的书写
4.可充电电池题目的解答思路
1.(2024·全国甲卷)科学家使用δ-MnO2研制了一种MnO2-Zn可充电电池(如图所示)。电池工作一段时间后，MnO2电极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列叙述正确的是(　　)
A.充电时，Zn2+向阳极方向迁移
B.充电时，会发生反应Zn+2MnO2===ZnMn2O4
C.放电时，正极反应有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.放电时，Zn电极质量减少0.65 g，MnO2电极生成了0.020 mol MnOOH
充电时该装置为电解池，电解池中阳离子向阴极迁移，即Zn2+向阴极方向迁移，A项不正确；电池的总反应为Zn+2MnO2+2H2O
2MnOOH+2OH-+Zn2+(主要)，Zn+2MnO2 ZnMn2O4，充电时会发生ZnMn2O4===Zn+2MnO2，B项不正确；放电时MnO2电极为正极，正极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4，则正极上主要发生的电极反应是MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-，C项正确；放电
解析
时，Zn电极质量减少0.65 g(物质的量为0.010 mol)，电路中转移0.020 mol电子，由正极的主要反应MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-可知，若正极上只有MnOOH生成，则生成MnOOH的物质的量为0.020 mol，但是正极上还有ZnMn2O4生成，因此，MnOOH的物质的量小于0.020 mol，D项不正确。
解析
2.(2024·长春质检)某研究团队发现向锂空气电池(2Li+O2 Li2O2)的有机电解液中添加LiNO3，充电时可发生如图转化(图中所示不完全)而使充电过程更稳定。下列说法错误的是(　　)
A.电极Li与反应生成和Li2O
B.充电时，阳极区域涉及反应：Li2O2+2NO2===2Li++O2+2
C.充电时，每转移1 mol电子，阳极质量增加23 g
D.放电时，Li+由a极移至b极
电解液中的由Li与反应得来，故电极Li与发生反应2Li+===Li2O+，A项正确；由题图可知，充电时，发生
解析
反应：-e-===NO2和Li2O2+2NO2===2Li++O2+2，即在阳极区产生氧气，B项正确；充电时，阳极反应式为Li2O2-2e-===2Li+
+O2↑，每转移1 mol电子，阳极消耗0.5 mol Li2O2，质量减少23 g,
C项错误；由上述分析可知，充电时b为阳极，a为阴极，则放电时a为负极，b为正极，Li+由负极(a极)移至正极(b极)，D项正确。
解析
3.(2024·东北三省三校三模)甲酸燃料电池装置如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.物质A是H2SO4
B.半透膜是阳离子交换膜
C.a极电极反应式为HCOO-+2e-+2H+===+H2O
D.Fe3+可以看作是该反应的催化剂，可以循环利用
铁的两种离子存在环境为酸性，且生成物为K2SO4，故物质A为H2SO4，A项正确；装置中K+由负极流向正极，则半透膜是阳离子交换膜，B项正确；a电极上HCOOH被氧化为HC，其电极反应式为HCOO--2e-+2OH-===+H2O，C项错误；Fe3+先被还原为Fe2+，Fe2+又被O2氧化生成Fe3+，Fe3+可以循环，可看作是该反应的催化剂，D项正确。
解析
4.(2024·石家庄质检)高性能钠型电池工作
原理如图所示，电池反应为Cx(PF6)+NaSn
Cx+Sn+NaPF6。下列说法正确的是
(　　)
A.放电时，a为正极
B.充电时，阴极反应为Sn+Na++e-===NaSn
C.放电时，Sn在很大程度上被腐蚀
D.充电时，当电路中通过1 mol e-，理论上有1 mol P从石墨烯中脱嵌并向左迁移
根据电池反应可知，放电时，NaSn电极为负极，失电子生成Na+和Sn，即a电极为负极，A项错误；充电时，NaSn电极为阴极，Na+得电子与Sn反应生成NaSn，电极反应式正确，B项正确；放电时，NaSn电极为负极，失电子生成Na+和Sn，Sn未被腐蚀，C项错误；充电时，阳极上失电子结合Cx生成Cx(PF6)，电极反应式为-e-+Cx===Cx(PF6)，当电路中通过1 mol电子时，理论上有1 mol 失电子向阳极移动，并嵌入石墨烯中，D项错误。
解析(共24张PPT)
专题四
电化学
高
考
专
题
攻
略
微专题2　电解原理及应用
专题四　电化学
1.(2024·湖南卷)在KOH水溶液中，电化学方法合成高能物质K4C6N16时，伴随少量O2生成，电解原理如图所示，下列说法正确的是(　　)
A.电解时，OH-向Ni电极移动
B.生成C6的电极反应：2C3N8H4+8OH--4e-===C6+8H2O
C.电解一段时间后，溶液pH升高
D.每生成1 mol H2的同时，生成0.5 mol K4C6N16
由电解原理图可知，Ni电极产生氢气，为阴极，Pt电极为阳极，电解过程中，阴离子向阳极移动，即OH-向Pt电极移动，A项错误;
Pt电极上C3N8H4失去电子生成C6，电解质溶液为KOH水溶液,电极反应为2C3N8H4+8OH--4e-===C6+8H2O，B项正确；阳极
解析
主要反应为2C3N8H4-4e-+8OH-===C6+8H2O，阴极反应为2H2O
+2e-===H2↑+2OH-，则电解过程中发生的总反应主要为2C3N8H4+
4OH-===C6+4H2O+2H2↑，反应消耗OH-，生成H2O，电解一段时间后，溶液pH降低，C项错误；根据电解总反应2C3N8H4+4OH-===C6+4H2O+2H2↑可知，每生成1 mol H2，生成0.5 mol K4C6N16，但Pt电极伴随少量O2生成，发生电极反应4OH--4e-===
O2↑+2H2O，则生成1 mol H2时得到的部分电子是由OH-放电产生O2提供，所以生成的K4C6N16小于0.5 mol，D项错误。
解析
2.(2024·甘肃卷)某固体电解池工作原理如图所示，下列说法错误的是(　　)
A.电极1的多孔结构能增大与水蒸
气的接触面积
B.电极2是阴极，发生还原反应：
O2+4e-===2O2-
C.工作时O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2
D.理论上电源提供2 mol e-能分解1 mol H2O
电极1的多孔结构能增大电极的表面积，增大与水蒸气的接触面积,
A项正确；多孔电极2上O2-发生失电子的氧化反应转化成O2(g)，多孔电极2为阳极，发生氧化反应2O2--4e-===O2↑，B项错误；工作时,阴离子O2-向阳极移动，即O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2，C项正确；多孔电极1上H2O(g)发生得电子的还原反应转化成H2(g)，多孔电极1为阴极，电极反应为2H2O+4e-===2H2+2O2-，多孔电极2为
解析
阳极，电极反应为2O2--4e-===O2，电解总反应为2H2O(g) 2H2
+O2，分解2 mol H2O转移4 mol电子，则理论上电源提供2 mol电子能分解1 mol H2O，D项正确。
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3.(2024·山东卷)以不同材料修饰的Pt为电极，一定浓度的NaBr溶液为电解液，采用电解和催化相结合的循环方式，可实现高效制H2和O2，装置如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.电极a连接电源负极
B.加入Y的目的是补充NaBr
C.电解总反应式为Br-+3H2O +3H2↑
D.催化阶段反应产物的物质的量之比为n(Z)∶n(Br-)=3∶2
电极b上Br-发生失电子的氧化反应转化成，电极b为阳极，电极反应为Br--6e-+3H2O===+6H+；则电极a为阴极，电极a的电极反应为6H++6e-===3H2↑；电解总反应式为Br-+3H2O +
3H2↑；催化循环阶段被还原成Br-循环使用，同时生成O2，实现高效制H2和O2，即Z为O2。电极a为阴极，连接电源负极，A项正确；电解过程中消耗H2O和Br-，而催化阶段被还原成Br-循
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环使用，故加入Y的目的是补充H2O，维持NaBr溶液为一定浓度,
B项错误；电解总反应式为Br-+3H2O +3H2↑，C项正确；催化阶段，Br元素的化合价由+5价降至-1价，生成1 mol Br-得到6 mol电子，O元素的化合价由-2价升至0价，生成1 mol O2失去4 mol电子，根据得失电子守恒，反应产物的物质的量之比为n(O2)∶
n(Br-)=6∶4=3∶2，D项正确。
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1.图解电解池的工作原理
2.解答电解类问题的一般步骤
分析电解过程的思维程序：
(1)首先判断阴、阳极，分析阳极材料是惰性电极还是活性电极。
(2)再分析电解质水溶液的组成，找全离子并分阴、阳两组(不要忘记水溶液中的H+和OH-)。
(3)然后排出阴、阳两极的放电顺序。
电解池阴、阳两极的放电顺序
3.电解计算破题“3方法”
1.(2023·浙江1月选考)在熔融盐体系中，
通过电解TiO2和SiO2获得电池材料(TiSi)，
电解装置如图，下列说法正确的是(　　)
A.石墨电极为阴极，发生氧化反应
B.电极A的电极反应：8H++TiO2+SiO2+8e-
===TiSi+4H2O
C.该体系中，石墨优先于Cl-参与反应
D.电解时，阳离子向石墨电极移动
由图可知，电解时，石墨电极上C转化为CO，发生氧化反应，为阳极，与电源正极相连，则电极A作阴极，TiO2和SiO2获得电子产生电池材料(TiSi)，电极反应为TiO2+SiO2+8e-===TiSi+4O2-。石墨电极为阳极，A项错误；电极A的电极反应为TiO2+SiO2+8e-===
TiSi+4O2-，B项错误；根据图中信息可知，该体系中，石墨优先于Cl-参与反应，C项正确；电解池中石墨电极为阳极，阳离子向阴极(电极A)移动，D项错误。
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2.氮气电解催化装置可以实现同时制备
铵盐和硝酸盐，利用双极膜(M、N)将
水解离成H+、OH-，还可以浓缩溶液
(图中进、出气通道及部分反应均省略)。
下列说法正确的是(　　)
A.a端的电势比b端高
B.M、N分别为阴、阳离子交换膜
C.相同时间内X、Y电极上消耗的氮气质量比为5∶3
D.阴极室的总反应为N2+6e-+6H2O===2NH3+6OH-
由图可知，X极氮气发生还原反应，即X为阴极，a与电源负极相连，所以a端电势比b端低，A项错误；根据题干信息可推知，左侧制备铵盐，所以H+透过M膜进入阴极室，故M为阳离子交换膜，同理可得N为阴离子交换膜，B项错误；X极上氮元素从0价降低至-3价，Y极上氮元素从0价升高至+5价，由得失电子守恒可得，X、Y电极上消耗的氮气质量比为5∶3，C项正确；阴极室发生的总反应中应有生成，D项错误。
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解析(共50张PPT)
攻难点
专题四 电化学
(二)　电化学中膜的应用
核心考点 三年考情 命题预测
新型电池 2024河北T13，可充电Mg-CO2电池 [命题特点]
多以选择题的形式考查电极的判断、电极反应式的书写、电极附近溶液性质的变化、电子(或离子)移动方向的判断、利用守恒关系进行相关计算等。
[创新考法]
装置与原理呈现创新性、前沿性的趋势，如以新概念、新反应为载体等；考点的融合性增强，如结合反应机理图像、晶胞结构、化学实验等。
2023辽宁T11，储能电池； 2023山东T11，利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生
2022全国甲卷T10，水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池； 2022全国乙卷T12，充电Li-O2电池； 2022湖南T8，锂-海水电池
电解应用 2024广东T16，氯碱工业； 2024湖北T14，双位点PbCu电催化剂，用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸； 2024黑吉辽T12，耦合HCHO高效制H2
2023广东T16，“卯榫”结构双极膜电解池； 2023湖北T10，海水直接制备氢气技术； 2023浙江T13，氯碱工业
2022山东T15，利用电解原理和原电池原理回收金属钴
1.(2024·广东卷)一种基于氯碱工艺的新型电解池(如图)，可用于湿法冶铁的研究。电解过程中，下列说法不正确的是(　　)
A.阳极反应：2Cl--2e-===Cl2↑
B.阴极区溶液中OH-浓度逐渐升高
C.理论上每消耗1 mol Fe2O3，阳极室溶液减少213 g
D.理论上每消耗1 mol Fe2O3，阴极室物质最多增加138 g
左侧电极Fe2O3在碱性条件下转化为Fe，为阴极，右侧电极为阳极,阳极反应为2Cl--2e-===Cl2↑，A项正确；阴极反应为Fe2O3+6e-+3H2O===2Fe+6OH-，消耗水产生OH-，阴极区溶液中OH-浓度逐渐升高，B项正确；理论上每消耗1 mol Fe2O3转移6 mol电子，产生3 mol Cl2，同时有6 mol Na+由阳极转移至阴极，则阳极室溶液减少3×71 g+6×23 g=351 g，C项错误；理论上每消耗1 mol Fe2O3转移6 mol电子，有6 mol Na+由阳极转移至阴极，阴极室物质最多增加6×23 g=138 g，D项正确。
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2.(2023·辽宁卷)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+S+2Fe3+===PbSO4+2Fe2+
该储能电池放电时，Pb为负极，失电子结合硫酸根离子生成PbSO4，则多孔碳电极为正极，正极上Fe3+得电子转化为Fe2+；充电时，多孔碳电极为阳极，Fe2+失电子生成Fe3+，PbSO4电极为阴极，PbSO4得电子生成Pb和S。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项错误；储能过程中，该装置为电解池，将电能转化为化学能，B项正确；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项错误；充电时，总反应为PbSO4+2Fe2+===Pb+S+2Fe3+，D项错误。
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A.充电时，b电极上发生还原反应
B.充电时，外电源的正极连接b电极
C.放电时，①区溶液中的向②区迁移
D.放电时，a电极的电极反应式为MnO2+4H+
+2e-===Mn2++2H2O
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　　交换膜装置的题很多，重点在避免副反应、分离提纯、提高电池效率、定量分析计算、反应物再生、工业制备等方面进行命题，且从单膜到多膜，单室到多室，渐趋复杂。
1.常见的离子交换膜
种类 允许通过的离子及移动方向 说明
阳离子 交换膜 阳离子→移向电解池的阴极或原电池的正极 阴离子和气体不能通过
阴离子 交换膜 阴离子→移向电解池的阳极或原电池的负极 阳离子和气体不能通过
质子 交换膜 质子→移向电解池的阴极或原电池的正极 只允许H+通过
2.离子交换膜的作用
(1)平衡左、右两侧电荷，得到稳定电流。
甲池中发生反应：Zn-2e-===Zn2+，导致c(Zn2+)增大，乙池中发生反应：Cu2++2e-===Cu，导致c(Cu2+)减小，而阳离子交换膜只允许阳离子通过，故要得到稳定的电流，甲池中的Zn2+通过阳离子交换膜进入乙池，保持溶液中的电荷平衡，而阴离子并不通过交换膜，所以c(S)保持不变。
(2)阻隔某些离子或分子，防止某些副反应的发生。
氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制Cl2、H2、NaOH和氯的含氧酸盐等系列化工产品，利用阳离子交换膜将电解槽隔成阳极室和阴极室；只允许阳离子通过，能阻止阴离子和气体通过；既能阻止H2和Cl2混合爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成的NaClO影响烧碱质量。
(3)制备某些特定产品。
用NaOH溶液吸收烟气中的SO2，将所得的Na2SO3溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H2SO4，其原理如图所示。
图中离子移动的方向是Na+(阳离子)穿过阳离子交换膜向左池移动，左池为阴极室，a为阴极；S(阴离子)穿过阴离子交换膜向右池移动，右池为阳极室，b为阳极，左池中阴极电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-，导致阴极区域c(OH-)增大，放置阳离子交换膜可让Na+向阴极定向移动，从而产生高浓度的NaOH溶液。右池中阳极电极反应式为S-2e-+H2O===S+2H+，阳极室中阴离子交换膜可使S移向阳极，而发生上述反应，故在阳极区产生高浓度的硫酸。
3.离子交换膜类型的判断
首先判断隔膜的用途是制取物质还是避免电极产物之间发生反应，然后根据电解质溶液呈电中性的原则，判断膜的类型。方法如下：先明确电极产物，写出阴、阳两极上的电极反应；再依据电极反应式判断该电极附近哪种离子有剩余，结合溶液呈电中性的原则，判断离子移动的方向，确定离子交换膜的类型。
例如，确定电解饱和食盐水装置(如图)中离子交换膜类型可使用如下方法。
方法一 阴极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-，则阴极区域破坏了水的电离平衡，OH-浓度增大，阳极区域的Na+穿过离子交换膜进入阴极室，与OH-结合生成NaOH，故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜
方法二 由图可知，阳极加入饱和食盐水，出去的是淡盐水并生成Cl2，故阳极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑，根据溶液呈电中性原则，阳极区Na+多于Cl-，则Na+向阴极区移动，故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜
[例]　(2024·湖北卷)我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂，用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸，原理如图，双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中，甲醛转化为HOCH2O-，存在平衡HOCH2O-+OH- [OCH2O]2-+H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-===HCOO-+H·。下列说法错误的是(　　)
A.电解一段时间后阳极区c(OH-)减小
B.理论上生成1 mol H3N+CH2COOH双极膜中有4 mol H2O解离
C.阳极总反应式为2HCHO+4OH--2e-===2HCOO-+H2↑+2H2O
D.阴极区存在反应H2C2O4+2H++2e-===CHOCOOH+H2O
电解过程中，阳极区消耗OH-、同时生成H2O，故电解一段时间后阳极区c(OH-)减小，A项正确；阴极区的总反应为H2C2O4+HO—N+H3+6e-+6H+===H3N+CH2COOH+3H2O，1 mol H2O解离成1 mol H+和1 mol OH-，故理论上生成1 mol H3N+CH2COOH双极膜中有6 mol H2O解离，B项错误；结合装置图，阳极总反应为2HCHO-2e-+4OH-===2HCOO-+H2↑+2H2O，C项正确；阴极区的Pb上发生反应H2C2O4+2e-+2H+===OHC—COOH+H2O，D项正确。
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1.(2024·长春质检)我国科学家开发出一种双极制氢系统，在低电池电压下的KOH介质中，可将醛类物质电催化转化为相应的羧酸盐和氢气，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.泡沫铜与直流电源的正极相连
B.制得1 mol氢气，理论上外电路中迁移了2 mol电子
C.高电压下不能实现双极制氢的原因可能是Cu被氧化从而使催化剂失活
D.泡沫铜电极上发生的反应可能为2R—CHO+4OH--2e-===2R—COO-+H2↑+2H2O
泡沫铜上醛基转化为羧基，发生氧化反应，所以泡沫铜为阳极，与电源的正极相连，A项正确；阳极反应为2R—CHO+4OH--2e-===2R—COO-+H2↑+2H2O，阴极反应为2H2O+2e-===2OH-+ H2↑，制得1 mol氢气，则阳极、阴极各产生0.5 mol氢气，转移1 mol电子，B项错误；铜为金属，作为阳极，若电压过高，Cu会被氧化,使催化剂失活，C项正确；泡沫铜上醛基转化为羧基，失电子被氧化，羧酸盐在碱性环境中稳定存在，根据电子守恒、元素守恒可得电极反应为2R—CHO+4OH--2e-===2R—COO-+H2↑+2H2O，D项正确。
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2.中科院大连化物所储能技术研究部提出了一种基于Br-辅助MnO2放电的混合型液流电池，装置如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.充电时，H+向电极A迁移
B.放电时，在该环境下的氧化性：Cr2+>Mn3+
C.充电时，电极B上还可能发生反应：2Br--2e-===Br2
D.放电过程中，可利用Br-及时清除电极B上的“死锰”(MnO2)，提高充放电过程的可逆性
由装置图可知充电时电极A上发生反应Cr2++2e-===Cr，发生还原反应，所以电极A为阴极，H+向阴极移动，A项正确；放电时总反应方程式为2Mn3++Cr===Cr2++2Mn2+，所以氧化性Mn3+>Cr2+，B项错误；充电时电极B上发生氧化反应，所以电极B还可能发生反应2Br--2e-===Br2，C项正确；MnO2沉积在电极B上，会影响充放电进行，Br-具有还原性，可将MnO2还原为Mn2+，提高充放电过程的可逆性，D项正确。
解析
3.微生物脱盐电池既可以处理废水中的乙酸和铵盐，又可以实现海水淡化，原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.离子交换膜a为阳离子交换膜，
b为阴离子交换膜
B.出口R处一定为纯水
C.生成CO2的电极反应式为CH3COOH+2H2O-8e-===2CO2↑+8H+
D.M极每生成0.1 mol CO2，理论上可以从模拟海水中除去117 g NaCl
该装置为原电池，废水中的CH3COOH转化为CO2，发生氧化反应,则电极M为负极，电极N为正极；原电池工作时，阴离子移向负
极，阳离子移向正极，即海水中的Na+通过阳离子交换膜b移向N极，Cl-通过阴离子交换膜a移向M极，可实现海水淡化，出口R为淡水。a为阴离子交换膜，b为阳离子交换膜，A项错误；出口R处为淡水，B项错误；废水中的CH3COOH失去电子生成CO2，电极
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反应式为CH3COOH+2H2O-8e-===2CO2↑+8H+，C项正确；M电极反应式为CH3COOH+2H2O-8e-===2CO2↑+8H+，M极每生成0.1 mol CO2的同时转移0.4 mol e-，则有0.4 mol Cl-移向M极，可从海水中除去0.4 mol NaCl，其质量为23.4 g，D项错误。
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4.羟基自由基(·OH)具有很强的氧化性，能将苯酚氧化为CO2和
H2O。我国科学家开发出如图所示装置，能实现制备氢气、处理
含苯酚废水二位一体。下列说法正确的是(　　)
A.d电极的电极反应式：H2O-e-===·OH+H+
B.再生池中发生的反应为V2++H+ V3++H2
C.a为电源负极，m为阴离子交换膜，Na2SO4能增强导电性
D.气体X与Y在相同条件下的体积比为3∶7
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5.(2024·保定模拟)用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废液中的，实现其回收利用。a、b分别是一类离子选择透过膜，模拟装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.电路中转移1 mol电子时，有11.2 L H2生成
B.a是阳离子选择透过膜
C.最终的处理产物中可能有(NH4)3PO4
D.电解一段时间后，阴极室溶液中的pH先升高后降低
C为阴极，电极方程式为2H++2e-===H2↑，则当电路中通过1 mol电子的电量时，阴极有0.5 mol的气体生成，题干未说是标准状况下,无法计算其体积，A项错误；Fe为阳极，阳极上Fe失电子发生氧
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化反应生成Fe2+，电极反应式为Fe-2e-===Fe2+，该电极装置处理废
液中的N，则N通过阳离子交换膜进入阴极区，S通过阴离子交换膜进入阳极区，因此a是阴离子选择透过膜，B项错误；电解时，溶液中N向阴极室移动，H+放电生成H2，溶液中OH-和N结合生成电解质NH3·H2O，NH3·H2O可以和磷酸反应生成(NH4)3PO4或NH4H2PO4、(NH4)2HPO4，C项正确；电解时阴极区电极方程式为2H++2e-===H2↑，氢离子浓度减少，pH增大，D项错误。
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6.(2024·肇庆质检)双极膜是一种复合膜，在直流电作用下，能把中间界面内的H2O解离为H+和OH-，并使离子定向通过。
以铅酸蓄电池为电源(放电时总反应为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+
2H2O)，利用双极膜电解获得NaOH与H3PO4的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.N膜为阳离子交换膜
B.产品室2中溶液pH逐渐增大
C.产品室1中反应为H2+2OH-===+2H2O
D.双极膜共解离4 mol H2O时，理论上铅酸蓄电池中生成2 mol PbSO4
由题图可知，电解池工作时阳离子向阴极迁移，由于H+向电极a移动，即电极a为阴极，那么电极b为阳极， M膜为阳离子交换膜，原料室中Na+通过M膜进入产品室1得到NaOH，N膜为阴离子交换膜，原料室中H2P通过N膜进入产品室2，与双极膜产生的氢离子反应生成磷酸，产品室2中溶液pH逐渐减小，A、B两项错误；原料室中钠离子通过M膜进入产品室1得到NaOH，C项错误；双
解析
极膜共解离4 mol H2O，即电极a、b处各解离2 mol H2O，电极a的电极反应式为2H++2e-===H2↑，解离2 mol H2O得到2 mol H+，转移电子数为2 mol，结合反应Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O，理论上铅蓄电池中生成2 mol PbSO4，D项正确。
解析
7.(2024·邯郸二调)羟基自由基(·OH)是自然界中氧化性仅次于氟的氧化剂。我国科学家设计了一种能将苯酚氧化为CO2和H2O的原电池—电解池组合装置，实现了发电、环保两位一体。下列说法错误的是(　　)
A.a是正极，c是阴极
B.氧化1 mol苯酚，理论上NaCl溶液中减少的离子为20NA
C.电池工作时，b极电极反应为C6H5OH-28e-+11H2O===6CO2↑+28H+
D.d极电极反应为H2O-e-===H++·OH
题图中装置，左边为原电池，a上铬元素由+6价变为+3价，得电子发生还原反应，a是正极，b是负极，右边是电解池，c是阴极，d是阳极，A项正确；原电池工作时，a极上Cr2得电子生成Cr(OH)3，发生反应Cr2+6e-+7H2O===2Cr(OH)3↓+8OH-，b极电
解析
极反应为C6H5OH-28e-+11H2O===6CO2↑+28H+，1 mol C6H5OH参与反应转移28 mol电子，理论上a极有28 mol OH-、b极有28 mol H+进入氯化钠溶液中生成水，NaCl溶液中离子数几乎不变，B项错误；原电池工作时，a极Cr2得电子生成Cr(OH)3，发生反应Cr2+6e-+7H2O===2Cr(OH)3↓+8OH-，b极电极反应为C6H5OH-28e-+11H2O===6CO2↑+28H+， C项正确；结合题干信息，·OH是水在d电极上失电子生成的，所以d极电极反应为H2O-e-===H++
·OH，D项正确。
解析
8.(2023·湖北卷)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x mol·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2x mol·h-1
由题图可知，该装置为电解水制取氢气的装置，a电极与电源正极相连，为电解池的阳极，b电极与电源负极相连，为电解池的阴极,阴极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-，阳极反应为4OH--4e-===O2↑+
2H2O，电池总反应为2H2O 2H2↑+O2↑，据此解答。b电极为阴极，发生还原反应，电极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-，A项正确;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
解析
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，B项正确；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，C项正确；由电解总反应可知，每生成1 mol H2要消耗1 mol H2O，生成H2的速率为x mol·h-1，则补水的速率也应是x mol·h-1，D项错误。
解析

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