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热点专攻(六)电物理中的离子交换膜电物理的有关知识是每年中考必考内容,题型有选择题和非选择题。命题的角度有电极反应式的正错判断与书写,电瓶反应式的书写,正、负极的判定,电瓶充、放电时离子联通方向的判定,电极附近离子含量的变化,电解的应用与估算,金属的腐蚀与防护等。交换膜在电物理工业生产中应用非常广泛,离子交换膜的作用、性质已成为中考命题的新动向。(一)审题关注哪些1.审题的关键点(1)弄清是原电瓶还是电解池,判定电极名称。(2)按照电极名称判定离子的联通方向和交换膜的种类。(3)按照放电次序写出电极反应式。(4)按照电极反应式和离子的联通方向确定其他反应产物。2.防范失分点(1)认清图示,是否说明了交换膜的类型,是否标明了电源的正、负极,是否标明了电子流向、电荷流向等,明晰阴、阳离子的联通方向。(2)按照原电板和电解池中阴、阳离子的联通方向,结合题目中给出的制备、电解物质等信息,找出物质生成或消耗的电极区域,确定联通的阴、阳离子,进而推知离子交换膜的类型。(二)题目考哪些1.常见的离子交换膜种类容许通过的离子及联通方向说明阳离子交换膜阳离子→移向电解池的阴极或原电瓶的负极阴离子和二氧化碳不能通过阴离子交换阴离子→移向电解池的阳极或原电瓶的正极阳离子和二氧化碳不能通过膜质子交换膜质子→移向电解池的阴极或原电瓶的负极只容许H+通过2.判定离子交换膜的类型,判定离子的迁移方向,书写电极反应式,判定电极产物如四房式电渗析法处理含污水的原理如右图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和SO42-可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被抵挡不能步入中间隔室。
依据电解池原理可判定阴、阳离子的联通方向,因而确定离子交换膜的类型。之后可书写电极反应式,判定电极产物。应考训练1.(2020广东物理)微生物脱盐电瓶是一种高效、经济的能源装置,借助微生物处理有机废气获得电能,同时可实现海水淡化。现以NaCl碱液模拟海水,采用惰性电极,用右图装置处理有机废气(以含-的氨水为例)。下述说法错误的是()A.正极反应为-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+B.隔膜1为阳离子交换膜,隔膜2为阴离子交换膜C.当电路中转移1mol电午时,模拟海水理论上除盐58.5gD.电瓶工作一段时间后,正、负极形成二氧化碳的物质的量之比为2∶12.(2020广州珠海五校统考)肼(N2H4)酸性燃料电瓶的原理示意图如图所示,电瓶总反应为:N2H4+O2N2+2H2O。下述说法错误的是()A.电极b发生还原反应B.电压由电极a流出经用家电流入电极bC.物质Y是NaOH碱液D.电极a的电极反应式为N2H4+4OH--4e-N2↑+4H2O3.(双选)(2020山东省长春市二调改编)金属(M)-空气电板具有原料易得、能量密度高等优点,有望成为新能源车辆和联通设备的电源,该类电瓶放电的总反应方程式为2M+O2+(OH)2。
下述说法正确的是()(已知:电瓶的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能)A.电解质中的阴离子向金属M方向联通B.比较Mg、Al、Zn三种金属-空气电瓶,Mg-空气电瓶的理论比能量最高C.电瓶放电过程的正极反应式为2M-4e-+4OH-2M(OH)2D.当外电路中转移4mol电申时,微孔电极须要通入空气22.4L(标准状况)4.(2020河南安阳初一期终)全钒液流储能电瓶是借助不同价态的含钒离子在碱性条件下发生反应,离子方程式为VO2+(红色)+V2+(红色)+2H+VO2+(红色)+V3+(红色)+H2O。采用惰性电极实现物理能和电能互相转化的工作原理如图。下述说法正确的是()A.充电过程中,X端接外接电源的正极B.放电过程中,负极电极反应式为VO2++H2O+e-VO2++2OH-C.放电过程中,右罐碱液颜色逐步由红色变为黄色D.充电时若转移电子0.5mol,左罐氨水中n(H+)的变化量为0.5mol5.(双选)(2020山东部份重点高中统考改编)硬脂酸(H3BO3)为一元强酸,已知H3BO3与足量NaOH氨水反应的离子方程式为H3BO3+OH-B(OH)4-,H3BO3可以通过电解的方式制备。
其工作原理如右图所示(阳离子交换膜和阴离子交换膜分别只容许阳离子、阴离子通过)。下述说法正确的是()A.当电路中通过1mol电申时,可得到.将电源的正、负极反接,工作原理不变C.阴极室的电极反应式为2H2O-4e-O2+4H+D.B(OH)4-穿过阴离子交换膜步入阴极室,H+穿过阳离子交换膜步入产品室6.(2020广东肇庆初一教学质量检测)四房式电渗析法处理含污水的原理如图所示,工作一段时间后,在两极区均得到副产品。下述表述错误的是()A.a极为电源正极,b极为电源负极B.c膜是阳离子交换膜,d膜是阴离子交换膜C.阳极电极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2OD.Ⅱ室碱液的pH保持不变热点专攻(六)电物理中的离子交换膜应考训练1.B解析本题考查了原电瓶的工作原理和电极反应式的书写。由图可知,a极变化为-CO2,该极的电极反应为-+2H2O-8e-2CO2+7H+,a极发生氧化反应,则a极为正极,b极为负极,A项正确;因为可实现海水淡化,结合原电瓶原理剖析,Cl-应移向a极,Na+应移向b极,故隔膜1为阴离子交换膜,隔膜2为阳离子交换膜,B项错误;当转移8mole-时,-降低1mol,同时H+降低7mol,应有-通过隔膜1,则转移1mol电午时理论上可去除,所以C项正确;工作一段时间后,因为负极反应式为2H++2e-H2↑,故正、负极生成二氧化碳的物质的量之比为2∶1,D项正确。
2.B解析题给燃料电瓶中,通入燃料肼的电极为正极、通入二氧化碳的电极为负极,电解质碱液呈酸性,则正极反应式为N2H4+4OH--4e-N2↑+4H2O,负极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。该燃料电瓶圆通入二氧化碳的电极b为负极,负极上得电子电流过大对离子交换膜,发生还原反应,故A正确;a为正极、b为负极,电压从负极b经用家电流入正极a,故B错误;b电极上生成氢氧化铝离子,钠离子通过阳离子交换膜步入一侧,所以Y为NaOH碱液,故C正确;a电极上肼失电子,发生氧化反应,电极反应式为N2H4+4OH--4e-N2↑+4H2O,故D正确。3.AC解析原电瓶中阴离子应当向正极联通电流过大对离子交换膜,金属M为正极,所以电解质中的阴离子向金属M方向联通,故A正确;电瓶的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能,则单位质量的电极材料丧失电子的物质的量越多则释放的电能越多,假定质量都是1g时,Mg、Al、Zn三种金属转移电子的物质的量分别为124×2mol=、127×3mol=19mol、165×2mol=132.5mol,所以Al-空气电瓶的理论比能量最高,故B错误;正极M失电子和OH-反应生成M(OH)2,则正极反应式为2M-4e-+4OH-2M(OH)2,故C正确;由负极电极反应式O2+2H2O+4e-4OH-可得O2~4OH-~4e-,当外电路中转移4mol电午时,消耗二氧化碳1mol,在标准状况下的容积为22.4L,但空气中二氧化碳的容积分数约为21%,所以须要空气的容积应小于22.4L,故D错误。
4.D解析由VO2+(红色)+V2+(红色)+2H+VO2+(红色)+V3+(红色)+H2O可知,放电时负极反应式为VO2++2H++e-VO2++H2O,正极反应式为V2+-e-V3+,所以充电时,右侧发生的反应为VO2++H2O-e-VO2++2H+,则右侧为阳极,X端接外接电源的负极,左侧为阴极,发生得电子的还原反应,即V3++e-V2+。由上述剖析可知,充电时,X端接外接电源的负极,故A错误;由VO2+(红色)+V2+(红色)+2H+VO2+(红色)+V3+(红色)+H2O可知,放电时负极反应式为VO2++2H++e-VO2++H2O,故B错误;放电过程中,左侧为正极,电极反应式为V2+-e-V3+,则碱液颜色逐步由红色变为红色,故C错误;充电时,右侧发生的反应为VO2++H2O-e-VO2++2H+,若转移电子0.5mol,生成氢离子为1mol,此时应有0.5molH+通过质子交换膜步入右侧,则右边碱液中n(H+)的变化量为1mol-0.5mol=0.5mol,故D正确。5.AD解析阳极电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+、阴极电极反应式为4H2O+4e-2H2↑+4OH-,阳极室中的氢离子通过阳离子交换膜步入产品室,B(OH)4-穿过阴离子交换膜步入产品室,发生反应B(OH)4-+H+H2O+H3BO3。
阳极发生丧失电子的氧化反应,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,电路中通过1mol电寅时有1molH+生成,硬脂酸(H3BO3)为一元强酸,生成1mol硬脂酸须要1molH+,所以电路中通过1mol电寅时可得到,A正确;按照以上剖析可知,倘若将电源的正、负极反接,工作原理发生变化,B错误;电解时阴极发生得到电子的还原反应,电极反应式为4H2O+4e-2H2↑+4OH-,C错误;由上述剖析可知,D正确。6.D解析在直流电源的作用下,两膜中间的NH4+和NO3-均可通过离子交换膜,工作一段时间后,在两极区均得到副产品,由此可知NH4+向左联通,NO3-往右联通;在电解池中,阳离子向阴极联通,则与电源a电极联接的石墨为阴极,电极反应式为2H++2e-H2↑,Ⅰ室中阳离子降低,NH4+联通到Ⅰ室与硫酸根产生硫酸铵。a为电源正极,b为电源负极,与b相连的石墨为阳极,电极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑,NO3-联通到Ⅲ室与铵根产生硫酸铵。由上述剖析可知,A正确;c膜是阳离子交换膜,d膜是阴离子交换膜,故B正确;按照剖析可知阳极的电极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑,故C正确;电解前Ⅱ室中存在铵根的酯化使碱液显碱性,随着电解进行铵根离子步入Ⅰ室,碱液碱性渐渐减小,故D错误。
