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熱點(diǎn)專(zhuān)攻(六)電物理中的離子交換膜電物理的有關(guān)知識(shí)是每年中考必考內(nèi)容,題型有選擇題和非選擇題。命題的角度有電極反應(yīng)式的正錯(cuò)判斷與書(shū)寫(xiě),電瓶反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě),正、負(fù)極的判定,電瓶充、放電時(shí)離子聯(lián)通方向的判定,電極附近離子含量的變化,電解的應(yīng)用與估算,金屬的腐蝕與防護(hù)等。交換膜在電物理工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛,離子交換膜的作用、性質(zhì)已成為中考命題的新動(dòng)向。(一)審題關(guān)注哪些1.審題的關(guān)鍵點(diǎn)(1)弄清是原電瓶還是電解池,判定電極名稱(chēng)。(2)按照電極名稱(chēng)判定離子的聯(lián)通方向和交換膜的種類(lèi)。(3)按照放電次序?qū)懗鲭姌O反應(yīng)式。(4)按照電極反應(yīng)式和離子的聯(lián)通方向確定其他反應(yīng)產(chǎn)物。2.防范失分點(diǎn)(1)認(rèn)清圖示,是否說(shuō)明了交換膜的類(lèi)型,是否標(biāo)明了電源的正、負(fù)極,是否標(biāo)明了電子流向、電荷流向等,明晰陰、陽(yáng)離子的聯(lián)通方向。(2)按照原電板和電解池中陰、陽(yáng)離子的聯(lián)通方向,結(jié)合題目中給出的制備、電解物質(zhì)等信息,找出物質(zhì)生成或消耗的電極區(qū)域,確定聯(lián)通的陰、陽(yáng)離子,進(jìn)而推知離子交換膜的類(lèi)型。(二)題目考哪些1.常見(jiàn)的離子交換膜種類(lèi)容許通過(guò)的離子及聯(lián)通方向說(shuō)明陽(yáng)離子交換膜陽(yáng)離子→移向電解池的陰極或原電瓶的負(fù)極陰離子和二氧化碳不能通過(guò)陰離子交換陰離子→移向電解池的陽(yáng)極或原電瓶的正極陽(yáng)離子和二氧化碳不能通過(guò)膜質(zhì)子交換膜質(zhì)子→移向電解池的陰極或原電瓶的負(fù)極只容許H+通過(guò)2.判定離子交換膜的類(lèi)型,判定離子的遷移方向,書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式,判定電極產(chǎn)物如四房式電滲析法處理含污水的原理如右圖所示,采用惰性電極,ab、cd均為離子交換膜,在直流電場(chǎng)的作用下,兩膜中間的Na+和SO42-可通過(guò)離子交換膜,而兩端隔室中離子被抵擋不能步入中間隔室。
依據(jù)電解池原理可判定陰、陽(yáng)離子的聯(lián)通方向,因而確定離子交換膜的類(lèi)型。之后可書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式,判定電極產(chǎn)物。應(yīng)考訓(xùn)練1.(2020廣東物理)微生物脫鹽電瓶是一種高效、經(jīng)濟(jì)的能源裝置,借助微生物處理有機(jī)廢氣獲得電能,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)海水淡化。現(xiàn)以NaCl堿液模擬海水,采用惰性電極,用右圖裝置處理有機(jī)廢氣(以含-的氨水為例)。下述說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A.正極反應(yīng)為-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+B.隔膜1為陽(yáng)離子交換膜,隔膜2為陰離子交換膜C.當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1mol電午時(shí),模擬海水理論上除鹽58.5gD.電瓶工作一段時(shí)間后,正、負(fù)極形成二氧化碳的物質(zhì)的量之比為2∶12.(2020廣州珠海五校統(tǒng)考)肼(N2H4)酸性燃料電瓶的原理示意圖如圖所示,電瓶總反應(yīng)為:N2H4+O2N2+2H2O。下述說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A.電極b發(fā)生還原反應(yīng)B.電壓由電極a流出經(jīng)用家電流入電極bC.物質(zhì)Y是NaOH堿液D.電極a的電極反應(yīng)式為N2H4+4OH--4e-N2↑+4H2O3.(雙選)(2020山東省長(zhǎng)春市二調(diào)改編)金屬(M)-空氣電板具有原料易得、能量密度高等優(yōu)點(diǎn),有望成為新能源車(chē)輛和聯(lián)通設(shè)備的電源,該類(lèi)電瓶放電的總反應(yīng)方程式為2M+O2+(OH)2。
下述說(shuō)法正確的是()(已知:電瓶的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能)A.電解質(zhì)中的陰離子向金屬M(fèi)方向聯(lián)通B.比較Mg、Al、Zn三種金屬-空氣電瓶,Mg-空氣電瓶的理論比能量最高C.電瓶放電過(guò)程的正極反應(yīng)式為2M-4e-+4OH-2M(OH)2D.當(dāng)外電路中轉(zhuǎn)移4mol電申時(shí),微孔電極須要通入空氣22.4L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)4.(2020河南安陽(yáng)初一期終)全釩液流儲(chǔ)能電瓶是借助不同價(jià)態(tài)的含釩離子在堿性條件下發(fā)生反應(yīng),離子方程式為VO2+(紅色)+V2+(紅色)+2H+VO2+(紅色)+V3+(紅色)+H2O。采用惰性電極實(shí)現(xiàn)物理能和電能互相轉(zhuǎn)化的工作原理如圖。下述說(shuō)法正確的是()A.充電過(guò)程中,X端接外接電源的正極B.放電過(guò)程中,負(fù)極電極反應(yīng)式為VO2++H2O+e-VO2++2OH-C.放電過(guò)程中,右罐堿液顏色逐步由紅色變?yōu)辄S色D.充電時(shí)若轉(zhuǎn)移電子0.5mol,左罐氨水中n(H+)的變化量為0.5mol5.(雙選)(2020山東部份重點(diǎn)高中統(tǒng)考改編)硬脂酸(H3BO3)為一元強(qiáng)酸,已知H3BO3與足量NaOH氨水反應(yīng)的離子方程式為H3BO3+OH-B(OH)4-,H3BO3可以通過(guò)電解的方式制備。
其工作原理如右圖所示(陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜分別只容許陽(yáng)離子、陰離子通過(guò))。下述說(shuō)法正確的是()A.當(dāng)電路中通過(guò)1mol電申時(shí),可得到.將電源的正、負(fù)極反接,工作原理不變C.陰極室的電極反應(yīng)式為2H2O-4e-O2+4H+D.B(OH)4-穿過(guò)陰離子交換膜步入陰極室,H+穿過(guò)陽(yáng)離子交換膜步入產(chǎn)品室6.(2020廣東肇慶初一教學(xué)質(zhì)量檢測(cè))四房式電滲析法處理含污水的原理如圖所示,工作一段時(shí)間后,在兩極區(qū)均得到副產(chǎn)品。下述表述錯(cuò)誤的是()A.a極為電源正極,b極為電源負(fù)極B.c膜是陽(yáng)離子交換膜,d膜是陰離子交換膜C.陽(yáng)極電極反應(yīng)式為4OH--4e-O2↑+2H2OD.Ⅱ室堿液的pH保持不變熱點(diǎn)專(zhuān)攻(六)電物理中的離子交換膜應(yīng)考訓(xùn)練1.B解析本題考查了原電瓶的工作原理和電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)。由圖可知,a極變化為-CO2,該極的電極反應(yīng)為-+2H2O-8e-2CO2+7H+,a極發(fā)生氧化反應(yīng),則a極為正極,b極為負(fù)極,A項(xiàng)正確;因?yàn)榭蓪?shí)現(xiàn)海水淡化,結(jié)合原電瓶原理剖析,Cl-應(yīng)移向a極,Na+應(yīng)移向b極,故隔膜1為陰離子交換膜,隔膜2為陽(yáng)離子交換膜,B項(xiàng)錯(cuò)誤;當(dāng)轉(zhuǎn)移8mole-時(shí),-降低1mol,同時(shí)H+降低7mol,應(yīng)有-通過(guò)隔膜1,則轉(zhuǎn)移1mol電午時(shí)理論上可去除,所以C項(xiàng)正確;工作一段時(shí)間后,因?yàn)樨?fù)極反應(yīng)式為2H++2e-H2↑,故正、負(fù)極生成二氧化碳的物質(zhì)的量之比為2∶1,D項(xiàng)正確。
2.B解析題給燃料電瓶中,通入燃料肼的電極為正極、通入二氧化碳的電極為負(fù)極,電解質(zhì)堿液呈酸性,則正極反應(yīng)式為N2H4+4OH--4e-N2↑+4H2O,負(fù)極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-4OH-。該燃料電瓶圓通入二氧化碳的電極b為負(fù)極,負(fù)極上得電子電流過(guò)大對(duì)離子交換膜,發(fā)生還原反應(yīng),故A正確;a為正極、b為負(fù)極,電壓從負(fù)極b經(jīng)用家電流入正極a,故B錯(cuò)誤;b電極上生成氫氧化鋁離子,鈉離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜步入一側(cè),所以Y為NaOH堿液,故C正確;a電極上肼失電子,發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為N2H4+4OH--4e-N2↑+4H2O,故D正確。3.AC解析原電瓶中陰離子應(yīng)當(dāng)向正極聯(lián)通電流過(guò)大對(duì)離子交換膜,金屬M(fèi)為正極,所以電解質(zhì)中的陰離子向金屬M(fèi)方向聯(lián)通,故A正確;電瓶的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能,則單位質(zhì)量的電極材料喪失電子的物質(zhì)的量越多則釋放的電能越多,假定質(zhì)量都是1g時(shí),Mg、Al、Zn三種金屬轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量分別為124×2mol=、127×3mol=19mol、165×2mol=132.5mol,所以Al-空氣電瓶的理論比能量最高,故B錯(cuò)誤;正極M失電子和OH-反應(yīng)生成M(OH)2,則正極反應(yīng)式為2M-4e-+4OH-2M(OH)2,故C正確;由負(fù)極電極反應(yīng)式O2+2H2O+4e-4OH-可得O2~4OH-~4e-,當(dāng)外電路中轉(zhuǎn)移4mol電午時(shí),消耗二氧化碳1mol,在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的容積為22.4L,但空氣中二氧化碳的容積分?jǐn)?shù)約為21%,所以須要空氣的容積應(yīng)小于22.4L,故D錯(cuò)誤。
4.D解析由VO2+(紅色)+V2+(紅色)+2H+VO2+(紅色)+V3+(紅色)+H2O可知,放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)式為VO2++2H++e-VO2++H2O,正極反應(yīng)式為V2+-e-V3+,所以充電時(shí),右側(cè)發(fā)生的反應(yīng)為VO2++H2O-e-VO2++2H+,則右側(cè)為陽(yáng)極,X端接外接電源的負(fù)極,左側(cè)為陰極,發(fā)生得電子的還原反應(yīng),即V3++e-V2+。由上述剖析可知,充電時(shí),X端接外接電源的負(fù)極,故A錯(cuò)誤;由VO2+(紅色)+V2+(紅色)+2H+VO2+(紅色)+V3+(紅色)+H2O可知,放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)式為VO2++2H++e-VO2++H2O,故B錯(cuò)誤;放電過(guò)程中,左側(cè)為正極,電極反應(yīng)式為V2+-e-V3+,則堿液顏色逐步由紅色變?yōu)榧t色,故C錯(cuò)誤;充電時(shí),右側(cè)發(fā)生的反應(yīng)為VO2++H2O-e-VO2++2H+,若轉(zhuǎn)移電子0.5mol,生成氫離子為1mol,此時(shí)應(yīng)有0.5molH+通過(guò)質(zhì)子交換膜步入右側(cè),則右邊堿液中n(H+)的變化量為1mol-0.5mol=0.5mol,故D正確。5.AD解析陽(yáng)極電極反應(yīng)式為2H2O-4e-O2↑+4H+、陰極電極反應(yīng)式為4H2O+4e-2H2↑+4OH-,陽(yáng)極室中的氫離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜步入產(chǎn)品室,B(OH)4-穿過(guò)陰離子交換膜步入產(chǎn)品室,發(fā)生反應(yīng)B(OH)4-+H+H2O+H3BO3。
陽(yáng)極發(fā)生喪失電子的氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為2H2O-4e-O2↑+4H+,電路中通過(guò)1mol電寅時(shí)有1molH+生成,硬脂酸(H3BO3)為一元強(qiáng)酸,生成1mol硬脂酸須要1molH+,所以電路中通過(guò)1mol電寅時(shí)可得到,A正確;按照以上剖析可知,倘若將電源的正、負(fù)極反接,工作原理發(fā)生變化,B錯(cuò)誤;電解時(shí)陰極發(fā)生得到電子的還原反應(yīng),電極反應(yīng)式為4H2O+4e-2H2↑+4OH-,C錯(cuò)誤;由上述剖析可知,D正確。6.D解析在直流電源的作用下,兩膜中間的NH4+和NO3-均可通過(guò)離子交換膜,工作一段時(shí)間后,在兩極區(qū)均得到副產(chǎn)品,由此可知NH4+向左聯(lián)通,NO3-往右聯(lián)通;在電解池中,陽(yáng)離子向陰極聯(lián)通,則與電源a電極聯(lián)接的石墨為陰極,電極反應(yīng)式為2H++2e-H2↑,Ⅰ室中陽(yáng)離子降低,NH4+聯(lián)通到Ⅰ室與硫酸根產(chǎn)生硫酸銨。a為電源正極,b為電源負(fù)極,與b相連的石墨為陽(yáng)極,電極反應(yīng)式為4OH--4e-2H2O+O2↑,NO3-聯(lián)通到Ⅲ室與銨根產(chǎn)生硫酸銨。由上述剖析可知,A正確;c膜是陽(yáng)離子交換膜,d膜是陰離子交換膜,故B正確;按照剖析可知陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為4OH--4e-2H2O+O2↑,故C正確;電解前Ⅱ室中存在銨根的酯化使堿液顯堿性,隨著電解進(jìn)行銨根離子步入Ⅰ室,堿液堿性漸漸減小,故D錯(cuò)誤。
