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专题五　电化学
电化学中的多室、多池装置
1.交换膜类型及特点
交换膜类型　 阳膜 阴膜 双极膜 特定的
交换膜
允许通过的离子及移动方向 阳离子移向原电池的正极(电解池的阴极) 阴离子移向原电池的负极(电解池的阳极) 中间层中的H2O解离出H+和OH-,H+移向原电池的正极(电解池的阴极),OH-移向原电池的负极(电解池的阳极) 只允许特定的离子或分子通过,如质子交换膜只允许H+通过,氯离子交换膜只允许Cl-通过
通性 无论是原电池还是电解池中,阳离子均移向得电子的一极,阴离子均移向失电子的一极 2.离子交换膜的判断
如:我国科学家研发出一种新型的锌碘单液流电池,其原理如图所示:
分析:
负极:Zn-2e-===Zn2+,阳离子浓度增大,为平衡电荷,Cl-移向A区,M为阴离子交换膜。
正极:I2+2e-===2I-,阴离子浓度增大,为平衡电荷,K+移向B区,N为阳离子交换膜。
3.离子交换膜的作用
(1)三室式电渗析法处理Na2SO4废水。
分析:阴极产生氢气;阳离子Na+通过阳离子交换膜进入阴极区。
阳极产生氧气,阴离子S通过阴离子交换膜进入阳极区。
离子交换膜的作用:平衡电荷,使产品NaOH和H2SO4分开,不反应。
(2)形成浓差电池。
分析:左池为稀AgNO3溶液,右池为浓AgNO3溶液。只有两边AgNO3溶液浓度不同,才能形成浓差电池。
正、负电极均为Ag单质。随着反应进行,左右两池浓度的差值逐渐减小,外电路中电流将减小,电流表指针偏转幅度逐渐变小。当左右两侧离子浓度相等时,电池将停止工作,不再有电流产生,此时溶液中左、右两边硝酸银溶液的物质的量浓度相等。
离子交换膜的作用是不允许Ag+穿过,只允许N通过,所以是阴离子交换膜。负极Ag失电子变成Ag+,为了平衡电荷,正极区的N就通过阴离子交换膜向负极移动。
1.(2025·广东深圳一模)利用多膜装置通过电解法可以制备KNO3,同时获得一定的副产品,其电解装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.Y膜为阳离子交换膜
B.阴极室溶液中OH-浓度逐渐降低
C.理论上每生成1 mol Cl2,阴极室溶液质量增加46g
D.理论上每生成标准状况下22.4 L Cl2,阳极室内溶液质量减少149 g
D　
【解析】NaNO3中N通过Y膜向左移生成KNO3,Y膜为阴离子交换膜,故A错误;阴极室发生反应2 H2O+2e-═2OH-+H2↑,OH-浓度逐渐增加,故B错误;生成1 mol Cl2时,转移2 mol电子,阴极室内生成1 mol H2但补充了2 mol Na+,因此阴极室溶液质量增加44 g,故C错误;生成1 mol Cl2(标准状况下体积为22.4 L)即转移2 mol电子,同时有2 mol K+移向硝酸钾溶液,则阳极室内减少2 mol KCl,即溶液质量减少149 g,D正确。
2.(2025·广东深圳二模)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.电解过程中,产品室1的pH逐渐减小
C.产品室2中反应为H2P+H+═H3PO4
D.双极膜共解离4 mol H2O时,理论上铅蓄电池中生成4 mol Pb SO4
C　
【解析】由分析可知,N为阴离子交换膜,A错误;由分析可知,产品室1生成氢氧化钠,pH逐渐增大,B错误;原料室中磷酸二氢根离子通过N膜进入产品室2,与双极膜产生的氢离子反应生成磷酸,反应为H2+H+═H3PO4,C正确; D.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+2H2SO4═2PbSO4+2H2O,理论上铅蓄电池中生成2 mol PbSO4,D错误。
3.(2025·广东一模)一种厌氧氨氧化菌生物电解池处理生活含氮废水的工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.与导电碳布相连的一极为电源的负极
B.反应一段时间后,阴极区和阳极区溶液的pH均减小
C.理论上每将2 mol N处理为N2,阳极区溶液减少28 g
D.若该电池在高温下工作,其处理废水的效率会下降
C　
【解析】由分析可知,导电碳刷作阳极,故导电碳布是阴极,与导电碳布相连的一极为电源的负极,故A正确;阳极总反应为-6e- ↑+8H+,转移电子数目与迁移到右侧阴极区的H+数目相等,因此随着反应进行,阳极区氢离子浓度增大,pH减小;阴极发生为+e-═,转移电子数目与迁移过来的H+数目相等,因此随着反应进行,阴极区氢离子浓度增大,pH减小,故B正确;理论上每将处理为N2,转移6 mol电子,生成1 mol N2(28 g)逸出,同时有6 mol H+(6 g)迁移到右侧阴极区,因此阳极区溶液质量减少28 g+6 g=34 g,故C错误;若该电池在高温下工作,厌氧氨氧化菌催化效果降低甚至失去活性,其处理废水的效率会下降,故D正确。
4.(2025·广东肇庆二模)利用如图所示的电化学装置可捕捉废气中的CO2,并将其转为CaCO3,同时得到高浓度的盐酸、H2和O2。在直流电源的作用下,双极膜中的H2O可自动解离为H+和OH-。下列说法不正确的是(　　)
A.电极b连接电源正极
B.Ⅱ、Ⅲ室之间为阴离子交换膜
C.Ⅱ室中发生反应:Ca2++C═CaCO3↓
D.理论上,每转移2 mol e-,双极膜上共解离2 mol H2O
D　
【解析】左侧双极膜中H+移向电极a,即电极a为阴极,电极b为阳极,连接电源正极,A正确;右侧双极膜中H+移向Ⅲ室,Ⅱ室中Cl-也移向Ⅲ室,Ⅲ室中才能获得高浓度盐酸,Ⅱ、Ⅲ室之间为阴离子交换膜,B正确;C通过阴离子交换膜移向Ⅱ室,Ⅱ室中发生反应:Ca2++CCaCO3↓,C正确;理论上,每转移2 mol e-,每个双极膜上解离2 mol H2O,两个双极膜上共解离4 mol H2O,D错误。
5.(2024·安徽三模)我国科技工作者研发了一种“酸碱混合硝酸”锌电池,其工作原理如下图所示。图中“双极膜”中间层中的H2O解离为H+和OH-,并在电场作用下分别向两极迁移。下列说法错误的是(　　)
A.催化电极的电势比锌电极的电势高
B.负极的电极反应式为Zn-2e-+4OH-═[Zn(OH)4]2-
C.“双极膜”中间层中的H+在电场作用下移向催化电极
D.催化电极表面产生0.1 mol N时,锌电极质量会减少13 g
D　
【解析】根据题图可知,锌电极为负极,发生氧化反应,电极反应式为Zn-2e-+4OH-═[Zn(OH)4]2-;催化电极为正极,发生还原反应,电极反应式为10H++N+8e-═N+3H2O。锌电极为负极,催化电极为正极,催化电极的电势比锌电极的电势高,A正确;由分析可知,负极的电极反应式为Zn-2e-+4OH-═[Zn(OH)4]2-,B正确;原电池中,阳离子向正极移动,故双极膜中间层中的H+在电场作用下移向催化电极,C正确;由正极和负极反应式可知,产生0.1 mol N转移0.8 mol电子,锌电极质量减少0.4 mol×65 g·mol-1=26 g,D错误。
6.(2024·河池一模)利用燃料电池原理可处理高浓度的氨氮废水,同时电解含有苯酚、乙腈(CH3CN)的水溶液,合成扑热息痛( ),装置如下图所示,其中a、b的电极材料均为石墨。下列说法正确的是(　　)
A.溶液中的H+由甲室向乙室迁移
B.工作一段时间后,甲室溶液pH减小
C.乙室每产生1 mol N2,c电极理论上可产生33.6 L(标准状况下)H2
D.丙室中反应的总方程式为
D　
【解析】由题图可知,左侧装置为燃料电池,右侧装置为电解池;燃料电池甲室中通入空气,故a电极为正极,发生得电子的还原反应,乙室中铵根离子发生失电子的氧化反应生成氮气,故b电极为负极;与燃料电池正极相连的d电极为电解池阳极,与燃料电池负极相连的c电极为电解池阴极。原电池中阳离子由负极移向正极,即溶液中的H+由乙室向甲室迁移,A错误;a电极为燃料电池正极,电极反应式为O2+4e-+4H+═2H2O,溶液pH增大,B错误;乙室每产生1 mol N2,转移6 mol电子,根据得失电子守恒,c电极上可生成3 mol H2,在标准状况下的体积为67.2 L,C错误;丙室中反应的总方程式为 +CH3CN+H2O
+H2↑,D正确。
7.(2024·北京西城一模)双极膜可用于电解葡萄糖(C6H12O6)溶液同时制备山梨醇(C6H14O6)和葡萄糖酸(C6H12O7)。电解原理如图所示(忽略副反应)。
已知:在电场作用下,双极膜可将水解离,在两侧分别得到H+和OH-。
注:R为—C5H11O5。
下列说法不正确的是(　　)
A.右侧的电极与电源的正极相连
B.阴极的电极反应:C6H12O6+2e-+2H+═C6H14O6
C.一段时间后,阳极室的pH增大
D.每生成1 mol山梨醇,理论上同时可生成1 mol葡萄糖酸
C　
【解析】左边电极葡萄糖被还原为山梨醇,为阴极,右边电极溴离子失电子被氧化为溴,为阳极。A.右边电极溴离子失电子被氧化为溴,为阳极,与电源正极相连,正确;B.左边电极为阴极,葡萄糖中的醛基被还原,电极反应式:
C6H12O6+2e-+2H+═C6H14O6,正确;C.阳极室中还发生H2O+Br2+RCHO═RCOOH+2H++2Br-,电解一段时间后,pH减小,错误;D.制备山梨醇的反应为C6H12O6+2e-+2H+═C6H14O6,制备葡萄糖酸的总反应为C6H12O6-2e-+H2O═C6H12O7+2H+,根据得失电子守恒可知每生成1 mol山梨醇,理论上同时可生成1 mol葡萄糖酸,正确。
1.(2025·四川卷)最近,我国科学工作者制备了一种Ni-CuO电催化剂,并将其与金属铝组装成可充电电池,用于还原污水中的N为NH3,其工作原理如图所示。研究证明,电池放电时,水中的氢离子在电催化剂表面获得电子成为氢原子,氢原子再将吸附在电催化表面的N逐步还原为NH3。
下列说法错误的是(　　)
A.放电时,负极区游离的OH-数目保持不变
B.放电时、还原1.0 mol N为NH3,理论上需要8.0 mol氢原子
C.充电时,OH-从阴极区穿过离子交换膜进入阳极区
D.充电时,电池总反应为4[Al(OH)4]-═4Al+6H2O+4OH-+3O2↑
A　
【解析】放电时,负极铝失去电子和氢氧根离子结合生成四羟基合铝酸根:Al-3e-+4OH-,当转移3 mol电子时,消耗4 mol OH-,同时正极区会有3 mol OH-通过OH-离子交换膜进行补充,OH-净消耗1 mol,故负极区游离的OH-数目会减少,故A错误;氢原子将吸附在电催化剂表面的N逐步还原为NH3,还原1为NH3,由化合价变化可知,得到8 mol电子,所以理论上需要8.0 mol氢原子,B正确;充电时,阴离子向阳极移动,所以充电时,OH-从阴极区穿过OH-离子交换膜进入阳极区,C正确;充电时,电池阴极反应式为4[Al]-+12e-═4Al+16OH-,阳极反应式为12OH--12e-═3O2↑+6H2O,总反应为4[Al]-═4Al+6H2O+4OH-+3O2↑,D正确。
2.(2025·云南卷)一种用双极膜电渗析法卤水除硼的装置如图所示,双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。除硼原理:+H+═B(OH)3+H2O。下列说法错误的是(　　)
A.Pt电极反应:4OH--4e-═O2↑+2H2O
B.外加电场可促进双极膜中水的电离
C.Ⅲ室中,X膜、Y膜分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜
D.Ⅳ室每生成1 mol NaOH,同时Ⅱ室最多生成1 mol B(OH)3
C　
【解析】由分析可知,Pt电极为阳极,阳极发生的反应为:4OH--4e-═O2↑+2H2O,A正确;水可微弱地电离出氢离子和氢氧根,在外加电场作用下,使氢离子和氢氧根往两侧移动,降低了浓度,可促进双极膜中水的电离,B正确;由分析可知,Ⅲ室中氯化钠浓度降低了,说明钠离子往阴极方向移动,氯离子往阳极方向移动,即钠离子往右侧移动,通过Y膜,则Y膜为阳离子交换膜,氯离子往左侧移动,通过X膜,则X膜为阴离子交换膜,C错误;Ⅳ室每生成1 mol NaOH,则转移1 mol电子,有1 mol氢离子移到Ⅱ室中,生成1 mol B,D正确。
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,装置如下图所示。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 Br+3H2↑
D.催化阶段反应产物的物质的量之比n(Z)∶n(Br-)=3∶2
B　
【解析】电极b上Br-发生失电子的氧化反应转化成Br,电极b为阳极,电极反应式为Br--6e-+3H2O═Br+6H+;电极a为阴极,电极反应式为2H2O+2e-═H2↑+2OH-,电解总反应式为Br-+3H2O Br+3H2↑,A、C正确;催化循环阶段Br被还原成Br-循环使用的同时还生成O2,实现高效制H2和O2,故Z为O2,电解过程中消耗H2O和Br-,而催化阶段Br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错误;催化阶段,Br元素的化合价由+5价降低至-1价,生成1 mol Br-得到6 mol电子,O元素的化合价由-2价升高至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n(O2)∶n(Br-)=6∶4=3∶2,D正确。
4.(2024·辽宁卷)“绿色零碳”氢能前景广阔。为解决传统电解水制“绿氢”阳极电势高、反应速率缓慢的问题,科技工作者设计耦合HCHO高效制H2的方法,装置如下图所示。部分反应机理为
下列说法错误的是(　　)
A.相同电量下H2理论产量是传统电解水的1.5倍
B.阴极反应:2H2O+2e-═2OH-+H2↑
C.电解时OH-通过阴离子交换膜向b极方向移动
D.阳极反应:2HCHO-2e-+4OH-═2HCOO-+2H2O+H2↑
A　
【解析】该装置为电解池,由反应机理可知,电极b上HCHO转化为HCOO-,发生失电子的氧化反应,电极b为阳极,电极反应为2HCHO-2e-+4OH-═
2HCOO-+2H2O+H2↑,电极a为阴极,电极反应为2H2O+2e-═2OH-+H2↑。传统电解水过程中每转移4 mol电子可制得2 mol H2,耦合HCHO高效制H2过程中每转移4 mol电子,阴、阳极均可产生2 mol H2,故相同电量下H2理论产量是传统电解水的2倍,A错误;由上述分析可知,阴极的电极反应为2H2O+2e-═2OH-+H2↑,B正确;综合题图中的离子交换膜为阴离子交换膜及电解池中阴离子向阳极移动知,OH-通过交换膜向b极方向移动,C正确;由上述分析可知,阳极的电极反应为2HCHO-2e-+4OH-═2HCOO-+2H2O+H2↑,D正
确。

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