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高考特训13　离子交换膜　锂电池
1. (2024·南京·盐城二模) “太阳水”电池装置如图所示，该电池由三个电极组成，其中a为TiO2电极，b为Pt电极，c为WO3电极，电解质溶液为pH＝3的Li2SO4-H2SO4溶液。锂离子交换膜将电池分为A、B两个区，A区与大气相通，B区为封闭体系并有N2保护。下列关于该电池的说法错误的是( 　　)
A. 若用导线连接a、c，则a为负极，该电极附近pH减小
B. 若用导线连接a、c，则c极的电极反应式为HxWO3－xe－===WO3＋xH＋
C. 若用导线先连接a、c，再连接b、c，可实现太阳能向电能转化
D. 若用导线连接b、c，b极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
2. 隔膜电解法制备K2FeO4的工作原理如图所示。下列说法不正确的是( 　　)
A. 电解时，电能主要转化为化学能
B. 隔膜为阳离子交换膜
C. Fe电极的反应式为Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4H2O
D. 该方法中KOH可以循环使用，无需另外补充
3. 某浓差电池的原理如图所示，可用该电池从浓缩海水中提取LiCl溶液。下列有关该电池的说法不正确的是( 　　)
A. 该装置可在提取LiCl溶液的同时获得电能
B. 电子由Y极通过外电路移向X极
C. 正极发生的反应：2H＋＋2e－===H2↑
D. Y极每生成22.4 L Cl2，有2 mol Li＋从b区移至a区
4. (2023·南通通州4月模拟)热电池是一种需要达到一定温度才能工作的电池。一种热电池的结构如图所示，电池工作时需用引燃剂引发Fe和KClO4的反应，产生的热量会使LiCl、KCl熔化，电池开始工作。电池放电后有Li7Si3、Fe和Li2S生成。下列说法正确的是( 　　)
A. 该热电池常温下不能工作的原因是LiCl、KCl常温下不含离子
B. Fe和KClO4反应后的产物可能是KCl、FeCl3和O2
C. 放电时Li13Si4电极上所发生反应为3Li13Si4＋11e－===4Li7Si3＋11Li＋
D. 电路上每转移1 mol电子，消耗FeS2的物质的量为0.25 mol
5. 近年来电化学还原二氧化碳的课题吸引了大批研究者的关注，其中将双极膜应用于二氧化碳制备甲醇过程中的电解原理如图所示。已知：双极膜由阳离子交换膜和阴离子交换膜构成，在直流电场的作用下，双极膜间H2O解离成H＋和OH－，并向两极迁移。下列说法错误的是( 　　)
A. a膜为阴离子交换膜
B. 电解过程中KOH溶液的浓度逐渐降低
C. 催化电极上的电极反应式为CO2＋6HCO＋6e－===CH3OH＋6CO＋H2O
D. 双极膜内每消耗18 g水，理论上石墨电极上产生 11.2 L O2(标准状况)
6. (2024·南师附中)锂-硫电池因成本低、比能量高被寄予厚望。一种锂-硫电池的结构如图所示，硫电极采用柔性聚丙烯-石墨烯-硫复合材料。工作时，在硫电极发生反应：S8＋e－===S，S＋e－===S，2Li＋＋S＋2e－===Li2Sx。下列说法正确的是( 　　)
A. 充电时，Li＋从b电极向a电极迁移
B. 放电时，外电路电子流动的方向是a电极→b电极
C. 放电时正极反应为2Li＋＋S8－2e－===Li2Sx
D. 石墨烯的作用是增强硫电极导电性能
7. (2022·扬州中学)科研人员借助太阳能，将H2S转化为可再利用的S和H2的工作原理如图所示。下列叙述错误的是( 　　)
A. 该电池能实现将光能转化为化学能
B. a电极的电极反应：2H＋＋2e－===H2↑
C. 光照后，b电极的电极反应：H2S－2e－===2H＋＋S
D. a电极区溶液的pH不变
8. (2022·苏州期末)利用电解原理制备Ca(H2PO4)2的装置如图所示(M、N均为惰性电极)。下列说法正确的是( 　　)
A. M极与电源负极相连
B. 常温下，电解后N极附近溶液pH减小
C. 膜a、膜c均为阴离子交换膜，膜b为阳离子交换膜
D. 电解时可获得副产物NaOH、H2、Cl2
9. 最近我国科学家以CO2与辛胺为原料实现了甲酸盐和辛腈的高选择性合成，该合成的原理如图所示。
下列说法正确的是( 　　)
A. Ni2P电极与电源负极相连
B. In/In2O3－x电极上可能有副产物O2生成
C. 离子交换膜为阳离子选择性交换膜
D. Ni2P电极上发生的反应为CH3(CH2)7NH2－4e－＋4OH－===CH3(CH2)6CN＋4H2O
10. 一种新型镁硫电池的工作原理如图所示。
下列说法正确的是( 　　)
A. 使用碱性电解质水溶液
B. 放电时，正极反应包括：3Mg2＋＋MgS8－6e－===4MgS2
C. 使用的隔膜是阳离子交换膜
D. 充电时，电子从Mg电极流出
11. 一种锂电池的工作原理如图所示，正极反应液可以在正极区和氧化罐间循环流通，氧化罐中加入的(NH4)2S2O8可以将Fe2＋氧化，自身被还原为SO。下列关于该电池的说法正确的是( 　　)
A. 电池放电时，将电能转化为化学能
B. 放电时Li＋由正极区移向负极区
C. 放电时的负极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋
D. 氧化罐中发生反应的离子方程式：2Fe2＋＋S2O===2Fe3＋＋2SO
12. 锂-空气电池的工作原理如图所示。其中多孔电极材料选用纳米多孔金时，该电池表现出良好的循环性能。电池反应为 2Li＋O2===Li2O2。下列说法错误的是( 　　)
A. 该电池的电解液常用锂盐的有机溶液
B. 电池工作时，外电路中流过0.01 mol电子，负极材料减重0.07 g
C. 电池工作时，正极反应可能经过两个过程：Li＋＋O2＋e－===LiO2；Li＋＋LiO2＋e－===Li2O2
D. 电池充电时间越长，电池中Li2O2越多
13. 一种电化学“大气固碳”电池工作原理如图所示。该电池在充电时，通过催化剂的选择性控制，只有Li2CO3发生氧化，释放出CO2和O2。下列说法正确的是( 　　)
A. 该电池放电时的正极反应为2Li－2e－＋CO===Li2CO3
B. 该电池既可选用含水电解液，也可选用无水电解液　　
C. 充电时阳极发生的反应为C＋2Li2CO3－4e－===3CO2↑＋4Li＋
D. 该电池每放、充4 mol电子一次，理论上能固定1 mol CO2
14. (2024·南通三模)锂电池的研发、使用及废电池的回收具有重要意义。
(1) 比能量是指电池单位质量(或体积)输出的电能。锂金属电池放电时总反应为Li＋MnO2===LiMnO2。下列关于锂金属电池说法正确的是______(填字母)。
A. 放电时Li作负极
B. 比能量高于锌锰干电池
C. 可用稀硫酸作电解质
(2) 钴酸锂(LiCoO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)等锂离子二次电池应用普遍。钴酸锂电池放电时示意图如图所示。放电时，Li＋由LixC6中脱嵌。写出放电至完全时Li1－xCoO2电极的电极反应式：_________________________________________________________________________________。
高考特训13　离子交换膜　锂电池
1. (2024·南京·盐城二模) “太阳水”电池装置如图所示，该电池由三个电极组成，其中a为TiO2电极，b为Pt电极，c为WO3电极，电解质溶液为pH＝3的Li2SO4-H2SO4溶液。锂离子交换膜将电池分为A、B两个区，A区与大气相通，B区为封闭体系并有N2保护。下列关于该电池的说法错误的是(B)
A. 若用导线连接a、c，则a为负极，该电极附近pH减小
B. 若用导线连接a、c，则c极的电极反应式为HxWO3－xe－===WO3＋xH＋
C. 若用导线先连接a、c，再连接b、c，可实现太阳能向电能转化
D. 若用导线连接b、c，b极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
【解析】 连接a、c时，a极上水失去电子生成氧气，发生氧化反应，则a极是负极，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成氢离子，a极附近pH减小，c极是正极，c极的电极反应式为WO3＋xH＋＋xe－===HxWO3，A正确，B错误；先连接a、c，c极是正极，WO3生成HxWO3，将太阳能转化为化学能储存，再连接b、c，b极为阴极，则c极是阳极，实现化学能转化为电能，对外供电，C正确；连接b、c，b极电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，D正确。
2. 隔膜电解法制备K2FeO4的工作原理如图所示。下列说法不正确的是(D)
A. 电解时，电能主要转化为化学能
B. 隔膜为阳离子交换膜
C. Fe电极的反应式为
Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4H2O
D. 该方法中KOH可以循环使用，无需另外补充
【解析】 电解过程中，电能转变为化学能，A正确；由阴极区KOH稀溶液转变为KOH浓溶液可知，在Pt电极上产生OH－，K＋通过隔膜进入阴极区，故隔膜为阳离子交换膜，B正确；Fe电极为阳极，Fe失电子转变为FeO，C正确；阴极电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，结合阳极电极反应式，该电池总反应为Fe＋2H2O＋2KOHK2FeO4＋3H2↑，故需要补充KOH，D错误。
3. 某浓差电池的原理如图所示，可用该电池从浓缩海水中提取LiCl溶液。下列有关该电池的说法不正确的是(D)
A. 该装置可在提取LiCl溶液的同时获得电能
B. 电子由Y极通过外电路移向X极
C. 正极发生的反应：2H＋＋2e－===H2↑
D. Y极每生成22.4 L Cl2，有2 mol Li＋从b区移至a区
【解析】 该装置是原电池，可将化学能转化为电能，A正确；Y极为负极，故电子由Y极通过外电路移向X极，B正确； 根据“浓差电池”可知，浓缩海水中的Li＋由b区传到a区，根据原电池中阳离子向正极移动可知，X电极为正极，在该极上H＋得电子生成H2，C正确；Y极上Cl－失电子生成Cl2，故每生成标准状况下22.4 L Cl2时，才有2 mol Li＋从b区移至a区，未说明是标准状况，Cl2的物质的量无法计算，D错误。
4. (2023·南通通州4月模拟)热电池是一种需要达到一定温度才能工作的电池。一种热电池的结构如图所示，电池工作时需用引燃剂引发Fe和KClO4的反应，产生的热量会使LiCl、KCl熔化，电池开始工作。电池放电后有Li7Si3、Fe和Li2S生成。下列说法正确的是(D)
A. 该热电池常温下不能工作的原因是LiCl、KCl常温下不含离子
B. Fe和KClO4反应后的产物可能是KCl、FeCl3和O2
C. 放电时Li13Si4电极上所发生反应为
3Li13Si4＋11e－===4Li7Si3＋11Li＋
D. 电路上每转移1 mol电子，消耗FeS2的物质的量为0.25 mol
【解析】 该热电池常温下不能工作的原因是LiCl、KCl常温下为固体，离子不能自由移动，不能导电，A错误；KClO4中，K、Cl原子的物质的量之比为1∶1，若KClO4中K元素转化为KCl，则由K、Cl原子守恒知，一定没有FeCl3生成，B错误；放电时，Li13Si4电极上发生的反应为3Li13Si4－11e－===4Li7Si3＋11Li＋，C错误；正极反应式为FeS2＋4e－＋4Li＋===Fe＋2Li2S，电路上每转移1 mol电子，消耗FeS2的物质的量为0.25 mol，D正确。
5. 近年来电化学还原二氧化碳的课题吸引了大批研究者的关注，其中将双极膜应用于二氧化碳制备甲醇过程中的电解原理如图所示。已知：双极膜由阳离子交换膜和阴离子交换膜构成，在直流电场的作用下，双极膜间H2O解离成H＋和OH－，并向两极迁移。下列说法错误的是(D)
A. a膜为阴离子交换膜
B. 电解过程中KOH溶液的浓度逐渐降低
C. 催化电极上的电极反应式为CO2＋6HCO＋6e－===CH3OH＋6CO＋H2O
D. 双极膜内每消耗18 g水，理论上石墨电极上产生 11.2 L O2(标准状况)
【解析】 石墨电极有O2生成，发生氧化反应，催化电极上CO2―→CH3OH，发生还原反应，故石墨电极为阳极，催化电极为阴极，OH－通过a膜移向左室，故a膜为阴离子交换膜，A正确；电解过程中，阳极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，KOH溶液的浓度逐渐降低，B正确；催化电极为阴极，CO2得电子发生还原反应，阴极反应式为CO2＋6HCO＋6e－===CH3OH＋6CO＋H2O，C正确；双极膜内每消耗18 g水，有1 mol OH－移向左室，石墨电极上有1 mol OH－放电，由4OH－－4e－===O2↑＋2H2O知，生成0.25 mol O2，标准状况下，其体积为5.6 L，D错误。
6. (2024·南师附中)锂-硫电池因成本低、比能量高被寄予厚望。一种锂-硫电池的结构如图所示，硫电极采用柔性聚丙烯-石墨烯-硫复合材料。工作时，在硫电极发生反应：S8＋e－===S，S＋e－===S，2Li＋＋S＋2e－===Li2Sx。下列说法正确的是(D)
A. 充电时，Li＋从b电极向a电极迁移
B. 放电时，外电路电子流动的方向是a电极→b电极
C. 放电时正极反应为2Li＋＋S8－2e－===Li2Sx
D. 石墨烯的作用是增强硫电极导电性能
【解析】 充电时，a电极为阳极，b电极为阴极，阳离子向阴极移动，则Li＋从a电极向b电极迁移，A错误；放电时，电子从负极经负载流向正极，则外电路电子流动的方向是b电极→a电极，B错误；放电时为原电池，硫电极为正极，电极反应式为S8＋e－===S，S＋e－===S，2Li＋＋S＋2e－===Li2Sx，C错误；石墨烯存在自由移动的电子，具有较强的导电性，故其作用是增强硫电极导电性能，D正确。
7. (2022·扬州中学)科研人员借助太阳能，将H2S转化为可再利用的S和H2的工作原理如图所示。下列叙述错误的是(C)
A. 该电池能实现将光能转化为化学能
B. a电极的电极反应：2H＋＋2e－===H2↑
C. 光照后，b电极的电极反应：H2S－2e－===2H＋＋S
D. a电极区溶液的pH不变
【解析】 该电池通过光照发生化学反应，形成原电池，能将光能转化为化学能，A正确；由图可知，H＋在a电极上得到电子转化为H2，B正确；由图可知，光照后，Fe2＋在b电极上失去电子转化为Fe3＋，b电极的电极反应：Fe2＋－e－===Fe3＋，C错误；电池工作时，a极区消耗的H＋的量与通过质子交换膜进入a极区的H＋的量相等，故a极区溶液的pH不变，D正确。
8. (2022·苏州期末)利用电解原理制备Ca(H2PO4)2的装置如图所示(M、N均为惰性电极)。下列说法正确的是(D)
A. M极与电源负极相连
B. 常温下，电解后N极附近溶液pH减小
C. 膜a、膜c均为阴离子交换膜，膜b为阳离子交换膜
D. 电解时可获得副产物NaOH、H2、Cl2
【解析】 由于电解过程中生成Ca(H2PO4)2，故Ca2＋通过膜a、H2PO通过膜b进入盛有Ca(H2PO4)2稀溶液的槽内，Na＋通过膜c进入盛有NaOH稀溶液的槽内，故M极为阳极，N极为阴极，电极反应式分别为2Cl－－2e－===Cl2↑(阳极)、2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－(阴极)。M极为阳极，M与电源正极相连，A错误；常温下，电解后N极(阴极)附近溶液pH增大，B错误；膜a、膜c均为阳离子交换膜，膜b为阴离子交换膜，C错误；电解时可获得副产物NaOH、H2、Cl2，D正确。
9. 最近我国科学家以CO2与辛胺为原料实现了甲酸盐和辛腈的高选择性合成，该合成的原理如图所示。
下列说法正确的是(D)
A. Ni2P电极与电源负极相连
B. In/In2O3－x电极上可能有副产物O2生成
C. 离子交换膜为阳离子选择性交换膜
D. Ni2P电极上发生的反应为CH3(CH2)7NH2－4e－＋4OH－===CH3(CH2)6CN＋4H2O
【解析】 Ni2P电极为阳极，与电源正极相连，即b为电源的正极，A错误；In/In2O3－x电极为阴极，阴极主反应为CO＋2e－＋2H2O===HCOO－＋3OH－，同时H2O也可能发生得电子的反应生成H2，不可能生成O2，B错误；由图可得阳极反应式为CH3(CH2)7NH2＋4OH－－4e－===CH3(CH2)6CN＋4H2O，OH－需要从阴极区移向阳极区，故应用阴离子交换膜，C错误，D正确。
10. 一种新型镁硫电池的工作原理如图所示。
下列说法正确的是(C)
A. 使用碱性电解质水溶液
B. 放电时，正极反应包括：
3Mg2＋＋MgS8－6e－===4MgS2
C. 使用的隔膜是阳离子交换膜
D. 充电时，电子从Mg电极流出
【解析】 若使用碱性电解质水溶液，则负极生成的Mg2＋在碱性电解质水溶液中会生成Mg(OH)2沉淀，降低电池效率，A错误；放电时为原电池装置，正极上得电子发生还原反应，包括3Mg2＋＋MgS8＋6e－===4MgS2，B错误；由图可知，Mg2＋要通过隔膜移向正极参与电极反应，故使用的隔膜为阳离子交换膜，C正确；放电时，Mg电极发生氧化反应，充电时，Mg电极发生还原反应，即充电时，电子流入Mg电极，D错误。
11. 一种锂电池的工作原理如图所示，正极反应液可以在正极区和氧化罐间循环流通，氧化罐中加入的(NH4)2S2O8可以将Fe2＋氧化，自身被还原为SO。下列关于该电池的说法正确的是(D)
A. 电池放电时，将电能转化为化学能
B. 放电时Li＋由正极区移向负极区
C. 放电时的负极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋
D. 氧化罐中发生反应的离子方程式：
2Fe2＋＋S2O===2Fe3＋＋2SO
【解析】 电池放电时，化学能转化为电能，A错误；放电时，阳离子(Li＋)由负极区移向正极区，B错误；放电时，负极发生失电子的氧化反应：Li－e－===Li＋，C错误；氧化罐中加入的(NH4)2S2O8可以将Fe2＋氧化，自身被还原为SO，离子方程式为2Fe2＋＋S2O===2Fe3＋＋2SO，D正确。
12. 锂-空气电池的工作原理如图所示。其中多孔电极材料选用纳米多孔金时，该电池表现出良好的循环性能。电池反应为 2Li＋O2===Li2O2。下列说法错误的是(D)
A. 该电池的电解液常用锂盐的有机溶液
B. 电池工作时，外电路中流过0.01 mol电子，负极材料减重0.07 g
C. 电池工作时，正极反应可能经过两个过程：
Li＋＋O2＋e－===LiO2；
Li＋＋LiO2＋e－===Li2O2
D. 电池充电时间越长，电池中Li2O2越多
【解析】 负极材料Li与水反应，故电解质溶液不能是水溶液，该电池的电解液常用锂盐的有机溶液，A正确；负极的电极反应为Li－e－===Li＋，外电路中流过0.01 mol电子，即有0.01 mol Li发生反应，负极材料减重0.07 g，B正确；根据总反应Li最终转化成了Li2O2知，正极可能先生成LiO2，再生成Li2O2，故正极反应可能经过两个过程：Li＋＋O2＋e－===LiO2，Li＋＋LiO2＋e－===Li2O2，C正确；充电时的反应为Li2O22Li＋O2，电池充电时间越长，电池中Li2O2越少，D错误。
13. 一种电化学“大气固碳”电池工作原理如图所示。该电池在充电时，通过催化剂的选择性控制，只有Li2CO3发生氧化，释放出CO2和O2。下列说法正确的是(D)
A. 该电池放电时的正极反应为
2Li－2e－＋CO===Li2CO3
B. 该电池既可选用含水电解液，也可选用无水电解液　　
C. 充电时阳极发生的反应为
C＋2Li2CO3－4e－===3CO2↑＋4Li＋
D. 该电池每放、充4 mol电子一次，理论上能固定1 mol CO2
【解析】 放电时，正极得电子发生还原反应，不是失电子，A错误；负极材料Li与水反应，故电解质溶液不可选用含水电解液，B错误；充电时，只有Li2CO3发生氧化，且产生的气体为CO2和O2，阳极反应式为2Li2CO3－4e－===4Li＋＋2CO2↑＋O2↑，C错误；根据原电池正极反应(3CO2＋4e－＋4Li＋===2Li2CO3＋C)和电解池的阳极反应可知，该电池每放、充4 mol电子一次，理论上能固定1 mol CO2，D正确。
14. (2024·南通三模)锂电池的研发、使用及废电池的回收具有重要意义。
(1) 比能量是指电池单位质量(或体积)输出的电能。锂金属电池放电时总反应为Li＋MnO2===LiMnO2。下列关于锂金属电池说法正确的是AB(填字母)。
A. 放电时Li作负极
B. 比能量高于锌锰干电池
C. 可用稀硫酸作电解质
(2) 钴酸锂(LiCoO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)等锂离子二次电池应用普遍。钴酸锂电池放电时示意图如图所示。放电时，Li＋由LixC6中脱嵌。写出放电至完全时Li1－xCoO2电极的电极反应式：Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2。
【解析】 (1) 由总反应可知，放电时，Li失去电子，作负极，A正确；100 g Li可以失去×1＝14.3 mol电子，100 g Zn可以失去×2＝3.1 mol电子，则锂金属电池比能量高于锌锰干电池，B正确；Li会直接和稀硫酸反应，不能用稀硫酸作电解质，C错误。

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