
解析:由題目信息知,Zn電極為負(fù)極,MnO2電極為正極,電池放電時(shí),電解質(zhì)溶液中陰離子向負(fù)極移動(dòng),陽(yáng)離子向正極移動(dòng),A項(xiàng)錯(cuò)誤。答案:A
2.(2021·全國(guó)甲卷)乙醛酸是一種重要的化工中間體,可采用如下圖所示的電化學(xué)裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-,并在直流電場(chǎng)作用下分別向兩極遷移。下列說(shuō)法正確的是( )
解析:由題圖可知,在鉛電極乙二酸變成乙醛酸是去氧的過(guò)程,發(fā)生還原反應(yīng),則鉛電極是電解裝置的陰極,石墨電極發(fā)生氧化反應(yīng),反應(yīng)為2Br--2e-===Br2,此為陽(yáng)極反應(yīng)式,由分析可知,Br-還是陽(yáng)極反應(yīng)物,A、B錯(cuò)誤;制得2 ml 乙醛酸,實(shí)際上是左、右兩側(cè)各制得1 ml乙醛酸,共轉(zhuǎn)移2 ml電子,故理論上外電路中遷移的電子為2 ml,C錯(cuò)誤;電解裝置中,陽(yáng)離子移向陰極(即鉛電極),D正確。答案:D
3.(2021·廣東等級(jí)考)鈷(C)的合金材料廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域。如圖為水溶液中電解制備金屬鈷的裝置示意圖。下列說(shuō)法正確的是( )A.工作時(shí),Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B.生成1 ml C,Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少16 gC.移除兩交換膜后,石墨電極上發(fā)生的反應(yīng)不變D.電解總反應(yīng):2C2++2H2O通電,2C+O2↑+4H+
解析:石墨電極為陽(yáng)極,電極反應(yīng)式為2H2O-4e-===O2↑+4H+,H+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜由Ⅰ室進(jìn)入Ⅱ室,右側(cè)C電極為陰極,電極反應(yīng)式為C2++2e-===C,Cl-通過(guò)陰離子交換膜由Ⅲ室進(jìn)入Ⅱ室,與H+結(jié)合生成鹽酸。由上述分析知,Ⅰ室中水放電使硫酸濃度增大,Ⅱ室中生成鹽酸,故Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均減小,A錯(cuò)誤;生成1 ml C時(shí),轉(zhuǎn)移2 ml電子,Ⅰ室有0.5 ml O2(即16 g)逸出,有2 ml(即2 g)H+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入Ⅱ室,則Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少18 g,B錯(cuò)誤;移除兩交換膜后,石墨電極上的電極反應(yīng)為2Cl--2e-===Cl2↑,C錯(cuò)誤;根據(jù)分析可知,電解時(shí)生成了O2、C、H+,則電解總反應(yīng)為2C2++2H2O通電,2C+O2↑+4H+,D正確。答案:D
1.電化學(xué)中的交換膜(1)離子交換膜的種類(lèi)
(2)交換膜的功能使離子選擇性定向遷移其目的是平衡整個(gè)溶液的離子濃度或電荷。(3)交換膜在中學(xué)電化學(xué)中的作用
2.含膜電解池裝置分析(1)兩室電解池①制備原理:工業(yè)上利用如圖兩室電解裝置制備燒堿陽(yáng)極室中電極反應(yīng):2Cl--2e-===Cl2↑,陰極室中的電極反應(yīng):2H2O+2e-===H2↑+2OH-,陰極區(qū)H+放電,破壞了水的電離平衡,使OH-濃度增大,陽(yáng)極區(qū)Cl-放電,使溶液中的c(Cl-)減小,為保持電荷守恒,陽(yáng)極室中的Na+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜與陰極室中生成的OH-結(jié)合,得到濃的NaOH溶液。利用這種方法制備物質(zhì),純度較高,基本沒(méi)有雜質(zhì)。
②陽(yáng)離子交換膜的作用它只允許Na+通過(guò),而阻止陰離子(Cl-)和氣體(Cl2)通過(guò)。這樣既防止了兩極產(chǎn)生的H2和Cl2混合爆炸,又避免了Cl2和陰極產(chǎn)生的NaOH反應(yīng)生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)量。
3.離子交換膜類(lèi)型的判斷方法(1)首先寫(xiě)出陰、陽(yáng)兩極上的電極反應(yīng)式。(2)依據(jù)電極反應(yīng)式確定該電極附近哪種離子剩余。(3)根據(jù)電極附近溶液呈電中性,從而判斷出離子移動(dòng)的方向。(4)根據(jù)離子移動(dòng)的方向,確定離子交換膜的類(lèi)型。
4.有“膜”條件下離子定向移動(dòng)方向的判斷方法
題型(一) 用于物質(zhì)的制備 [典例] 有機(jī)電化學(xué)合成是目前公認(rèn)的一種綠色可持續(xù)性合成策略,電化學(xué)合成1,2--二氯乙烷的裝置如圖。
下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( )A.a(chǎn)為負(fù)極,離子交換膜Ⅰ為陽(yáng)離子交換膜B.M極發(fā)生反應(yīng)2H2O+2e-===H2↑+2OH-C.電路中每通過(guò)1 ml e-理論上消耗28 g乙烯D.隨電解進(jìn)行NaOH與NaCl需及時(shí)補(bǔ)充
[解析] 根據(jù)圖示,惰性電極N上,CuCl→CuCl2,發(fā)生氧化反應(yīng),N為陽(yáng)極,則b為正極,a為負(fù)極,CuCl→CuCl2時(shí),消耗Cl-,離子交換膜Ⅱ?yàn)殛庪x子交換膜,Cl-由NaCl溶液進(jìn)入陽(yáng)極室(N),為了平衡電荷,Na+由NaCl溶液進(jìn)入陰極室(M),離子交換膜Ⅰ為陽(yáng)離子交換膜。a為負(fù)極,惰性電極M發(fā)生的電極反應(yīng)為2H2O+2e-===H2↑+2OH-。隨著電解進(jìn)行,NaCl溶液需要補(bǔ)充,而NaOH不需要補(bǔ)充。電路中每通過(guò)1 ml e-理論上生成1 ml CuCl2,消耗14 g乙烯。[答案] D
[題后悟道]電解原理常用于物質(zhì)的制備,具有反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)試劑純凈和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn),電解原理能使許多不能自發(fā)的反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)。工業(yè)上常用多室電解池制備物質(zhì),多室電解池是利用離子交換膜的選擇透過(guò)性,即允許帶某種電荷的離子通過(guò)而限制帶相反電荷的離子通過(guò),將電解池分為兩室、三室、多室等,以達(dá)到濃縮、凈化、提純及電化學(xué)合成的目的。
[綜合應(yīng)用訓(xùn)練]1.氫碘酸(HI)可用“四室電滲析法”制備,其工作原理如圖所示(陽(yáng)膜和陰膜分別只允許陽(yáng)離子、陰離子通過(guò))。下列敘述錯(cuò)誤的是 ( )A.通電后,陰極室溶液的pH增大B.陽(yáng)極電極反應(yīng)式是2H2O-4e-===4H++O2↑C.得到1 ml產(chǎn)品HI,陽(yáng)極室溶液質(zhì)量減少8 gD.通電過(guò)程中,NaI的濃度逐漸減小
解析:通電后,陰極電極反應(yīng)式為2H2O+2e-===2OH-+H2↑,則溶液的pH增大,故A正確;陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為2H2O-4e-===4H++O2↑,故B正確;根據(jù)陽(yáng)極電極反應(yīng)式可知得到1 ml產(chǎn)品HI,則轉(zhuǎn)移1 ml電子,陽(yáng)極室溶液質(zhì)量減少9 g,故C錯(cuò)誤;通電過(guò)程中,原料室中的Na+移向陰極室,I-移向產(chǎn)品室,所以NaI的濃度逐漸減小,故D正確。答案:C
2.雙極膜在電滲析中應(yīng)用廣泛,它是由陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜復(fù)合而成。雙極膜內(nèi)層為水層,工作時(shí)水層中的H2О解離成H+和OH-,并分別通過(guò)離子交換膜向兩側(cè)發(fā)生遷移。下圖為NaBr溶液的電滲析裝置示意圖。下列說(shuō)法正確的是( )A.出口2的產(chǎn)物為HBr溶液B.出口5的產(chǎn)物為硫酸溶液C.Br-可從鹽室最終進(jìn)入陽(yáng)極液中D.陰極電極反應(yīng)式為2H++2e-===H2↑
解析:電解時(shí), 溶液中的陽(yáng)離子向陰極移動(dòng),陰離子向陽(yáng)極移動(dòng),溶液中的Na+向陰極移動(dòng),與雙極膜提供的氫氧根離子結(jié)合,出口2的產(chǎn)物為NaOH溶液,A錯(cuò)誤;電解時(shí), 溶液中的陽(yáng)離子向陰極移動(dòng),陰離子向陽(yáng)極移動(dòng),溶液中的Br-向陽(yáng)極移動(dòng),與雙極膜提供的氫離子結(jié)合,故出口4的產(chǎn)物為HBr溶液,鈉離子不能通過(guò)雙極膜,故出口5不是硫酸,B錯(cuò)誤;結(jié)合選項(xiàng)B,Br-不會(huì)從鹽室最終進(jìn)入陽(yáng)極液中,C錯(cuò)誤;電解池陰極處,發(fā)生的反應(yīng)是物質(zhì)得到電子被還原,發(fā)生還原反應(yīng),水解離成H+和OH-,則在陰極處發(fā)生的反應(yīng)為2H++2e-===H2↑,D正確。答案:D
解析:電解池中陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng),陰極發(fā)生還原反應(yīng),由電解裝置圖可知,催化電極a為陽(yáng)極,其電極反應(yīng)式為C2H5OH+Cl--2e-===C2H5OCl+H+,催化電極b為陰極,其電極反應(yīng)式為2H++2e-===H2↑,在電解液中發(fā)生反應(yīng)C2H5OCl―→CH3CHO+Cl-+H+、CH3CHO+2C2H5OH―→C6H14O2+H2O,該裝置內(nèi)的總反應(yīng)為3C2H5OH―→C6H14O2+H2O+H2↑。答案:D
題型(二) 用于物質(zhì)的分離與提純[典例] 用電解法可提純含有某種含氧酸根雜質(zhì)的粗KOH溶液,其工作原理如圖所示。下列有關(guān)說(shuō)法錯(cuò)誤的是 ( )A.陽(yáng)極反應(yīng)式為4OH--4e-===2H2O+O2↑B.通電后陰極區(qū)溶液pH會(huì)增大C.K+通過(guò)交換膜從陰極區(qū)移向陽(yáng)極區(qū)D.純凈的KOH溶液從b口導(dǎo)出
[解析] 陽(yáng)極區(qū)為粗KOH溶液,陽(yáng)極上OH-失電子發(fā)生氧化反應(yīng):4OH--4e-===2H2O+O2↑,A項(xiàng)正確;陰極上H2O得電子發(fā)生還原反應(yīng):2H2O+2e-===H2↑+2OH-,陰極區(qū)附近溶液中c(OH-)增大,pH增大,B項(xiàng);電解時(shí)陽(yáng)離子向陰極移動(dòng),故K+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜從陽(yáng)極區(qū)移向陰極區(qū),C項(xiàng)錯(cuò)誤;陰極區(qū)生成KOH,故純凈的KOH溶液從b口導(dǎo)出,D項(xiàng)正確。[答案] C
[題后悟道]利用電解原理來(lái)分離、提純物質(zhì),如電解精煉銅的過(guò)程中,將粗銅作陽(yáng)極,含Cu2+的溶液為電解液,通直流電,在陽(yáng)極銅及比銅活潑的雜質(zhì)金屬失電子,在陰極只有Cu2+得電子析出,從而提純了銅,也可以通過(guò)離子間帶同種電荷的相互排斥遠(yuǎn)離,帶異性電荷的相互吸引靠近,實(shí)現(xiàn)不同離子的定向遷移,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的分離與提純,并由此判斷出離子的移動(dòng)方向。電解法是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)簡(jiǎn)單快速分離的一種有效手段,分離物質(zhì)的同時(shí)得到副產(chǎn)物,具有比一般分離方法更實(shí)用的優(yōu)勢(shì)。
[綜合應(yīng)用訓(xùn)練]1.某鎳冶煉車(chē)間排放的廢水中含有一定濃度的Ni2+和Cl-,圖1是雙膜三室電沉積法回收廢水中Ni2+的示意圖,圖2所示的是實(shí)驗(yàn)中陰極液pH與鎳回收率間的關(guān)系。
下列說(shuō)法不正確的是(Ni的相對(duì)原子質(zhì)量為59)( )A.X為直流電源正極,b為陰離子交換膜B.陽(yáng)極反應(yīng)式為2H2O-4e-===O2↑+4H+C.當(dāng)濃縮室中得到1 L 0.5 ml·L-1鹽酸時(shí),陰極回收11.8 g鎳單質(zhì)(濃縮室中溶液體積變化忽略不計(jì))D.pH小于2時(shí),鎳的回收率低的主要原因是有較多H2生成
解析:該題的突破口為濃縮室進(jìn)入的是0.1 ml·L-1鹽酸,排出的是0.5 ml·L-1鹽酸,據(jù)此可以判斷右側(cè)廢水中的氯離子經(jīng)過(guò)交換膜b(陰離子交換膜)進(jìn)入濃縮室,左側(cè)H2SO4溶液中氫離子經(jīng)過(guò)交換膜a(陽(yáng)離子交換膜)進(jìn)入濃縮室,右側(cè)惰性電極為陰極,左側(cè)惰性電極為陽(yáng)極。濃縮室中得到1 L 0.5 ml·L-1鹽酸,表明生成了0.4 ml HCl,電路中通過(guò)了0.4 ml e-,若陰極上只有Ni2+放電,則陰極回收0.2 ml鎳即11.8 g,實(shí)際上陰極除Ni2+放電外,還存在H+放電,故陰極回收的鎳單質(zhì)小于11.8 g。答案:C
題型(三) 用于廢水處理及環(huán)境保護(hù)[典例] 在直流電源作用下,雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-,利用雙極膜電解池產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基(·OH),處理含苯酚廢水和含SO2的煙氣的工作原理如圖所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( )
A.電勢(shì):N電極>M電極B.陰極電極反應(yīng)式為O2+2e-+2H+===2·OHC.每處理9.4 g苯酚,理論上有2.8 ml H+透過(guò)膜aD.若·OH只與苯酚和SO2反應(yīng),則參加反應(yīng)的苯酚和SO2物質(zhì)的量之比為1∶14
[解析] M極上O2得電子生成羥基自由基(·OH),說(shuō)明M極為陰極,連接電源的負(fù)極,N極為陽(yáng)極,故電勢(shì):N電極>M電極,選項(xiàng)A正確;M為陰極,陰極上O2得電子生成羥基自由基(·OH),電極反應(yīng)式為O2+2e-+2H+===2·OH,選項(xiàng)B正確;1 ml苯酚轉(zhuǎn)化為CO2,轉(zhuǎn)移28 ml電子,每處理9.4 g苯酚(即0.1 ml),理論上有2.8 ml電子轉(zhuǎn)移,則有2.8 ml H+透過(guò)膜b,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;若·OH只與苯酚和SO2反應(yīng),轉(zhuǎn)移電子數(shù)之比為28∶2,則參加反應(yīng)的苯酚和SO2物質(zhì)的量之比為1∶14,選項(xiàng)D正確。[答案] C
[題后悟道]應(yīng)用電解的原理處理生產(chǎn)中的廢水,可以直接將廢水中有害物質(zhì)通過(guò)電解形式分別在陽(yáng)、陰兩極上發(fā)生氧化和還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化成為無(wú)害物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)污水凈化;也可采用間接氧化和間接還原方式,即利用電解產(chǎn)生的具有氧化性或還原性的產(chǎn)物與廢水中的有害物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成不溶于水的沉淀物,以達(dá)到分離去除的目的。
解析:在電解過(guò)程中,陽(yáng)極上鐵發(fā)生氧化反應(yīng)生成亞鐵離子,電極反應(yīng)式為Fe-2e-===Fe2+,故A錯(cuò)誤;
2.采用電化學(xué)方法使Fe2+與H2O2反應(yīng),可生成非?;顫姷摹H(羥基自由基)中間體用于降解廢水中的有機(jī)污染物,原理如下圖所示。下列說(shuō)法不正確的是( )A.X上發(fā)生的電極反應(yīng)為2H2O-4e-===O2↑+4H+B.可將X電極上產(chǎn)生的O2收集起來(lái),輸送到Y(jié)電極繼續(xù)使用C.根據(jù)裝置推測(cè),Y電極是陽(yáng)極,·OH在該電極側(cè)產(chǎn)生D.起始時(shí),在Y電極附近加入適量Fe2+或Fe3+,均能讓裝置正常工作
解析:據(jù)圖可知Y電極上Fe3+得電子轉(zhuǎn)化為Fe2+,O2得電子結(jié)合氫離子生成H2O2,均發(fā)生還原反應(yīng),所以Y電極為陰極,X電極上H2O失電子生成氧氣,發(fā)生氧化反應(yīng),為陽(yáng)極。據(jù)圖可知X電極上電極反應(yīng)為2H2O-4e-===O2↑+4H+,故A正確;據(jù)圖可知Y電極上的反應(yīng)物有O2,而X電極產(chǎn)生O2,所以將X電極上產(chǎn)生的O2收集起來(lái),輸送到Y(jié)電極繼續(xù)使用,故B正確;根據(jù)分析可知Y為陰極,故C錯(cuò)誤;據(jù)圖可知該裝置工作時(shí)Fe2+與Fe3+循環(huán)轉(zhuǎn)化,所以起始時(shí),在Y電極附近加入適量Fe2+或Fe3+,均能讓裝置正常工作,故D正確。答案:C
解析:由裝置甲中兩電極上的物質(zhì)轉(zhuǎn)化:有機(jī)物→H+,O2→H2O可知,裝置甲中的離子交換膜為質(zhì)子交換膜,A項(xiàng)錯(cuò)誤;甲裝置相當(dāng)于燃料電池,則a電極為燃料電池的負(fù)極,而外加電流的金屬保護(hù)裝置(乙裝置)中,被保護(hù)的金屬接電池負(fù)極,即X電極接M電極,B項(xiàng)錯(cuò)誤;由裝置原理圖可知,a電極上苯酚被氧化生成CO2,C項(xiàng)正確;由電荷守恒可得,b電極上消耗的氣體與M、N電極上生成的氣體體積之和的關(guān)系式:O2~O2+2H2,二者不相等,D項(xiàng)錯(cuò)誤。答案:C
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