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熱點專攻(六)電物理中的離子交換膜電物理的有關知識是每年中考必考內容,題型有選擇題和非選擇題。命題的角度有電極反應式的正錯判斷與書寫,電瓶反應式的書寫,正、負極的判定,電瓶充、放電時離子聯通方向的判定,電極附近離子含量的變化,電解的應用與估算,金屬的腐蝕與防護等。交換膜在電物理工業生產中應用非常廣泛,離子交換膜的作用、性質已成為中考命題的新動向。(一)審題關注哪些1.審題的關鍵點(1)弄清是原電瓶還是電解池,判定電極名稱。(2)按照電極名稱判定離子的聯通方向和交換膜的種類。(3)按照放電次序寫出電極反應式。(4)按照電極反應式和離子的聯通方向確定其他反應產物。2.防范失分點(1)認清圖示,是否說明了交換膜的類型,是否標明了電源的正、負極,是否標明了電子流向、電荷流向等,明晰陰、陽離子的聯通方向。(2)按照原電板和電解池中陰、陽離子的聯通方向,結合題目中給出的制備、電解物質等信息,找出物質生成或消耗的電極區域,確定聯通的陰、陽離子,進而推知離子交換膜的類型。(二)題目考哪些1.常見的離子交換膜種類容許通過的離子及聯通方向說明陽離子交換膜陽離子→移向電解池的陰極或原電瓶的負極陰離子和二氧化碳不能通過陰離子交換陰離子→移向電解池的陽極或原電瓶的正極陽離子和二氧化碳不能通過膜質子交換膜質子→移向電解池的陰極或原電瓶的負極只容許H+通過2.判定離子交換膜的類型,判定離子的遷移方向,書寫電極反應式,判定電極產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,在直流電場的作用下,兩膜中間的Na+和SO42-可通過離子交換膜,而兩端隔室中離子被抵擋不能步入中間隔室。
依據電解池原理可判定陰、陽離子的聯通方向,因而確定離子交換膜的類型。之后可書寫電極反應式,判定電極產物。應考訓練1.(2020廣東物理)微生物脫鹽電瓶是一種高效、經濟的能源裝置,借助微生物處理有機廢氣獲得電能,同時可實現海水淡化。現以NaCl堿液模擬海水,采用惰性電極,用右圖裝置處理有機廢氣(以含-的氨水為例)。下述說法錯誤的是()A.正極反應為-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+B.隔膜1為陽離子交換膜,隔膜2為陰離子交換膜C.當電路中轉移1mol電午時,模擬海水理論上除鹽58.5gD.電瓶工作一段時間后,正、負極形成二氧化碳的物質的量之比為2∶12.(2020廣州珠海五校統考)肼(N2H4)酸性燃料電瓶的原理示意圖如圖所示,電瓶總反應為:N2H4+O2N2+2H2O。下述說法錯誤的是()A.電極b發生還原反應B.電壓由電極a流出經用家電流入電極bC.物質Y是NaOH堿液D.電極a的電極反應式為N2H4+4OH--4e-N2↑+4H2O3.(雙選)(2020山東省長春市二調改編)金屬(M)-空氣電板具有原料易得、能量密度高等優點,有望成為新能源車輛和聯通設備的電源,該類電瓶放電的總反應方程式為2M+O2+(OH)2。
下述說法正確的是()(已知:電瓶的“理論比能量”指單位質量的電極材料理論上能釋放出的最大電能)A.電解質中的陰離子向金屬M方向聯通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.電瓶放電過程的正極反應式為2M-4e-+4OH-2M(OH)2D.當外電路中轉移4mol電申時,微孔電極須要通入空氣22.4L(標準狀況)4.(2020河南安陽初一期終)全釩液流儲能電瓶是借助不同價態的含釩離子在堿性條件下發生反應,離子方程式為VO2+(紅色)+V2+(紅色)+2H+VO2+(紅色)+V3+(紅色)+H2O。采用惰性電極實現物理能和電能互相轉化的工作原理如圖。下述說法正確的是()A.充電過程中,X端接外接電源的正極B.放電過程中,負極電極反應式為VO2++H2O+e-VO2++2OH-C.放電過程中,右罐堿液顏色逐步由紅色變為黃色D.充電時若轉移電子0.5mol,左罐氨水中n(H+)的變化量為0.5mol5.(雙選)(2020山東部份重點高中統考改編)硬脂酸(H3BO3)為一元強酸,已知H3BO3與足量NaOH氨水反應的離子方程式為H3BO3+OH-B(OH)4-,H3BO3可以通過電解的方式制備。
其工作原理如右圖所示(陽離子交換膜和陰離子交換膜分別只容許陽離子、陰離子通過)。下述說法正確的是()A.當電路中通過1mol電申時,可得到.將電源的正、負極反接,工作原理不變C.陰極室的電極反應式為2H2O-4e-O2+4H+D.B(OH)4-穿過陰離子交換膜步入陰極室,H+穿過陽離子交換膜步入產品室6.(2020廣東肇慶初一教學質量檢測)四房式電滲析法處理含污水的原理如圖所示,工作一段時間后,在兩極區均得到副產品。下述表述錯誤的是()A.a極為電源正極,b極為電源負極B.c膜是陽離子交換膜,d膜是陰離子交換膜C.陽極電極反應式為4OH--4e-O2↑+2H2OD.Ⅱ室堿液的pH保持不變熱點專攻(六)電物理中的離子交換膜應考訓練1.B解析本題考查了原電瓶的工作原理和電極反應式的書寫。由圖可知,a極變化為-CO2,該極的電極反應為-+2H2O-8e-2CO2+7H+,a極發生氧化反應,則a極為正極,b極為負極,A項正確;因為可實現海水淡化,結合原電瓶原理剖析,Cl-應移向a極,Na+應移向b極,故隔膜1為陰離子交換膜,隔膜2為陽離子交換膜,B項錯誤;當轉移8mole-時,-降低1mol,同時H+降低7mol,應有-通過隔膜1,則轉移1mol電午時理論上可去除,所以C項正確;工作一段時間后,因為負極反應式為2H++2e-H2↑,故正、負極生成二氧化碳的物質的量之比為2∶1,D項正確。
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極,電解質堿液呈酸性,則正極反應式為N2H4+4OH--4e-N2↑+4H2O,負極反應式為O2+2H2O+4e-4OH-。該燃料電瓶圓通入二氧化碳的電極b為負極,負極上得電子電流過大對離子交換膜,發生還原反應,故A正確;a為正極、b為負極,電壓從負極b經用家電流入正極a,故B錯誤;b電極上生成氫氧化鋁離子,鈉離子通過陽離子交換膜步入一側,所以Y為NaOH堿液,故C正確;a電極上肼失電子,發生氧化反應,電極反應式為N2H4+4OH--4e-N2↑+4H2O,故D正確。3.AC解析原電瓶中陰離子應當向正極聯通電流過大對離子交換膜,金屬M為正極,所以電解質中的陰離子向金屬M方向聯通,故A正確;電瓶的“理論比能量”指單位質量的電極材料理論上能釋放出的最大電能,則單位質量的電極材料喪失電子的物質的量越多則釋放的電能越多,假定質量都是1g時,Mg、Al、Zn三種金屬轉移電子的物質的量分別為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錯誤;正極M失電子和OH-反應生成M(OH)2,則正極反應式為2M-4e-+4OH-2M(OH)2,故C正確;由負極電極反應式O2+2H2O+4e-4OH-可得O2~4OH-~4e-,當外電路中轉移4mol電午時,消耗二氧化碳1mol,在標準狀況下的容積為22.4L,但空氣中二氧化碳的容積分數約為21%,所以須要空氣的容積應小于22.4L,故D錯誤。
4.D解析由VO2+(紅色)+V2+(紅色)+2H+VO2+(紅色)+V3+(紅色)+H2O可知,放電時負極反應式為VO2++2H++e-VO2++H2O,正極反應式為V2+-e-V3+,所以充電時,右側發生的反應為VO2++H2O-e-VO2++2H+,則右側為陽極,X端接外接電源的負極,左側為陰極,發生得電子的還原反應,即V3++e-V2+。由上述剖析可知,充電時,X端接外接電源的負極,故A錯誤;由VO2+(紅色)+V2+(紅色)+2H+VO2+(紅色)+V3+(紅色)+H2O可知,放電時負極反應式為VO2++2H++e-VO2++H2O,故B錯誤;放電過程中,左側為正極,電極反應式為V2+-e-V3+,則堿液顏色逐步由紅色變為紅色,故C錯誤;充電時,右側發生的反應為VO2++H2O-e-VO2++2H+,若轉移電子0.5mol,生成氫離子為1mol,此時應有0.5molH+通過質子交換膜步入右側,則右邊堿液中n(H+)的變化量為1mol-0.5mol=0.5mol,故D正確。5.AD解析陽極電極反應式為2H2O-4e-O2↑+4H+、陰極電極反應式為4H2O+4e-2H2↑+4OH-,陽極室中的氫離子通過陽離子交換膜步入產品室,B(OH)4-穿過陰離子交換膜步入產品室,發生反應B(OH)4-+H+H2O+H3BO3。
陽極發生喪失電子的氧化反應,電極反應式為2H2O-4e-O2↑+4H+,電路中通過1mol電寅時有1molH+生成,硬脂酸(H3BO3)為一元強酸,生成1mol硬脂酸須要1molH+,所以電路中通過1mol電寅時可得到,A正確;按照以上剖析可知,倘若將電源的正、負極反接,工作原理發生變化,B錯誤;電解時陰極發生得到電子的還原反應,電極反應式為4H2O+4e-2H2↑+4OH-,C錯誤;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-均可通過離子交換膜,工作一段時間后,在兩極區均得到副產品,由此可知NH4+向左聯通,NO3-往右聯通;在電解池中,陽離子向陰極聯通,則與電源a電極聯接的石墨為陰極,電極反應式為2H++2e-H2↑,Ⅰ室中陽離子降低,NH4+聯通到Ⅰ室與硫酸根產生硫酸銨。a為電源正極,b為電源負極,與b相連的石墨為陽極,電極反應式為4OH--4e-2H2O+O2↑,NO3-聯通到Ⅲ室與銨根產生硫酸銨。由上述剖析可知,A正確;c膜是陽離子交換膜,d膜是陰離子交換膜,故B正確;按照剖析可知陽極的電極反應式為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,隨著電解進行銨根離子步入Ⅰ室,堿液堿性漸漸減小,故D錯誤。
