電化學的“膜”力在高考試題中的展現

◇ 安徽 呂旭東 廖程和

電化學是每年高考必考的核心理論知識之一,特別是對離子交換膜的考查真可謂是常考常新.離子交換膜是膜狀的離子交換樹脂,可以選擇性透過溶液中的陽離子或陰離子,以達到使離子選擇性定向移動的目的,在提升電池性能、物質的制備和分離提純等方面有著廣泛的應用.按照透過離子的電性,高中階段將離子交換膜分為陽離子交換膜(簡稱“陽膜”)和陰離子交換膜(簡稱“陰膜”).陽膜可以選擇性透過陽離子而阻擋陰離子,陰膜可以選擇性透過陰離子而阻擋陽離子,此外,還有一種只允許氫離子透過的質子交換膜.本文將離子交換膜在近年高考試題中的考查情況進行梳理,以期對大家高考復習起到借鑒作用.

1 離子交換膜在提升電池性能方面的應用

例1(2020年全國卷Ⅲ)一種高性能的堿性硼化釩(VB2)—空氣電池如圖1,其中在VB2電極發生反應:VB2＋16OH－－11e－＝VO3－4＋2B(OH)－4＋4H2O.該電池工作時,下列說法錯誤的是( ).

圖1

A.負載通過0.04mol電子時,有0.224L(標準狀況)O2參與反應

B.正極區溶液的pH降低、負極區溶液的pH升高

C.電池總反應為

4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O＝8B(OH)－4＋4VO3－4

D.電流由復合碳電極經負載、VB2電極、KOH溶液回到復合碳電極

由圖1所示的電池結構和題干信息可知,VB2電極為

解析負極,復合碳電極為正極.正極的電極反應為O2＋4e－＋2H2O＝4OH－,每轉移0.04mol電子時,消耗0.01molO2,在標準狀況下為0.224L.由電極反應式可知,負極消耗OH－使負極區OH－濃度減小,pH降低,而正極生成大量的OH－使正極區pH升高,同時OH－透過離子選擇性膜從正極區移向負極區.電池中,電子由VB2電極經負載流向復合碳電極,電流流向與電子流向相反,由復合碳電極→負載→VB2電極→KOH溶液→復合碳電極.答案為B.

點評

本題考查了在堿性條件下O2得電子的電極反應,放電過程中正、負極區離子濃度的變化以及電池工作時電流的方向.學生需熟練掌握原電池的基本原理,答題時才能輕松應對.

例2(2019年全國卷Ⅲ)為提升電池循環效率和穩定性,科學家近期利用三維多孔海綿狀Zn(3DZn)可以高效沉積ZnO的特點,設計了采用強堿性電解質的3D-Zn—NiOOH二次電池,電池結構如圖2所示.電池反應為

下列說法錯誤的是( ).

圖2

A.三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積,所沉積的ZnO分散度高

B.充電時陽極反應為

C.放電時負極反應為

D.放電過程中OH－通過隔膜從負極區移向正極區

解析

由題干知電解質溶液為堿性,放電時,原電池的負極反應:

正極反應:

充電時,電解池的陽極反應:

陰極反應:

放電時,由于正極區生成OH－,而負極區OH－被消耗,所以,內電路中OH－通過隔膜由正極區移向負極區.答案為D.

點評

本題以新型二次電池的充、放電過程為情境,具體從電池性能、電極反應式、內電路中離子的移動方向方面設置選項,意在同時考查原電池和電解池的原理知識.圖示雖然沒有指明隔膜的類型,但學生通過仔細分析可以判斷它能透過陰離子.

例3(2016年浙江卷)金屬(M)—空氣電池(如圖3)具有原料易得、能量密度高等優點,有望成為新能源汽車和移動設備的電源.該類電池放電的總反應方程式為4M＋nO2＋2nH2O＝4M(OH)n.已知:電池的“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.下列說法不正確的是( ).

A.采用多孔電極的目的是提高電極與電解質溶液的接觸面積,并有利于氧氣擴散至電極表面

B.比較 Mg、Al、Zn三種金屬—空氣電池,Al—空氣電池的理論比能量最高

C.M—空氣電池放電過程的正極反應式:

4Mn＋＋nO2＋2nH2O＋4ne－＝4M(OH)n

D.在 Mg—空氣電池中,為防止負極區沉積Mg(OH)2,宜采用中性電解質及陽離子交換膜

解析

增大反應的接觸面積,可以使氧氣充分反應,加快化學反應速率,提高電池效率.單位質量,失去電子數由多到少依次為Al、Mg、Zn,根據“理論比能量”的概念,Al—空氣電池的理論比能量最高.氧氣在正極得電子,由于有陰離子交換膜,正極反應式為 O2＋2H2O＋4e－＝4OH－,負極反應式為M－ne－＋nOH－＝M(OH)n,OH－由正極區透過陰離子交換膜移向負極區.負極是金屬失去電子生成金屬陽離子,由于 Mg2＋、Al3＋、Zn2＋都可以和OH－反應生成M(OH)n沉淀,說明宜采用中性電解質和陽離子交換膜,防止負極區產生沉淀.

點評

本題以金屬(M)—空氣燃料電池應用為載體,考查學生對原電池基本原理的掌握情況及獲取新信息的能力.題目難度適中,難點是“理論比能量”的概念和離子交換膜的應用.

2 離子交換膜在物質制備方面的應用

例4(2019年全國卷Ⅰ)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成,電池工作時 MV2＋/MV＋在電極與酶之間傳遞電子,如圖4所示.下列說法錯誤的是( ).

圖4

A.相比現有工業合成氨,該方法條件溫和,同時還可提供電能

B.陰極區,在氫化酶作用下發生反應 H2＋2MV2＋＝2H＋＋2MV＋

C.正極區,固氮酶為催化劑,N2發生還原反應生成NH3

D.電池工作時質子通過交換膜由負極區向正極區移動

解析

與工業合成氨相比,此法采用酶作催化劑,在室溫下就可以實現合成氨,故條件溫和.由于合成氨反應放出能量,設計原電池可以把化學能轉化成電能.由圖4可知:左室電極反應式為 MV＋－e－＝MV2＋,發生了氧化反應,所以左邊電極為電池負極(陽極).放電生成的MV2＋在氫化酶的作用下與H2發生反應:H2＋2MV2＋＝2H＋＋2MV＋;MV2＋在正極(陰極)上的電極反應式為 MV2＋＋e－＝MV＋,放電生成的MV＋與N2在固氮酶的作用下發生反應:N2＋6H＋＋6MV＋＝6MV2＋＋2NH3.在電池的內電路中,由于陽離子移向正極方向,所以H＋透過離子交換膜從左向右移動.

點評

本題利用原電池的原理合成氨,情境新穎,知識點考查全面,明確酶的作用是解題的關鍵.

例5(2019年江蘇卷,節選)CO2的資源化利用能有效減少CO2排放,充分利用碳資源.電解法轉化CO2可實現CO2的資源化利用,電解CO2制HCOOH的原理如圖5所示.

(1)寫出陰極CO2還原為HCOO－的電極反應式:_______.

(2)電解一段時間后,陽極區的KHCO3溶液濃度降低,其原因是________.

圖5

解析

(1)CO2轉化為HCOO－發生了還原反應,碳元素化合價從＋4降到＋2,得到2個電子,再根據H元素守恒和電荷守恒可得電極反應式:.

(2)由(1)可知:Sn電極為陰極,Pt電極為陽極.陽極為惰性電極,根據放電順序,電極反應式為:2H2O－4e－＝4H＋＋O2↑,產生的H＋消耗生成CO2,與此同時陽離子K＋透過陽離子交換膜移向右側,故陽極區KHCO3溶液濃度降低.

點評

本題重點考查了電解池的活性電極和惰性電極、電極反應式的書寫、微觀離子的定向移動等.學生需熟練掌握活性電極作陽極材料時,電極本身失去電子發生氧化反應,而本題具有迷惑性,電極材料不參與反應.

例6(2018全國卷Ⅰ,節選)焦亞硫酸鈉(Na2S2O5)在醫藥、橡膠、印染、食品等方面應用廣泛.制備Na2S2O5也可采用三室膜電解技術,裝置如圖6所示,其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3.陽極的電極反應式為________.電解后,________室的NaHSO3濃度增加.將該室溶液進行結晶脫水,可得到Na2S2O5.

圖6

解析

由圖6可知,左邊電極為電解池的陽極,因為放電順序:OH－＞,所以陽極電極反應式為4OH－－4e－＝2H2O＋O2↑(或2H2O－4e－＝4H＋＋O2↑),產生的H＋透過陽離子交換膜移向a室,并結合生成.陰極電極反應式為＋2e－＝＋H2↑,同時,a室中的部分Na＋透過陽離子交換膜移向b室.最終導致a室中NaHSO3濃度增大,b室中Na2SO3濃度增大.

點評

本題以焦亞硫酸鈉的制備為載體,考查了學生利用電解原理知識解決實際問題的能力,難點是電極反應、交換膜的作用、離子的移動方向,易錯點是亞硫酸氫鈉濃度的變化.

3 離子交換膜在分離提純方面的應用

例7(2020年山東卷)微生物脫鹽電池是一種高效、經濟的能源裝置,利用微生物處理有機廢水獲得電能,同時可實現海水淡化.現以NaCl溶液模擬海水,采用惰性電極,用圖7裝置處理有機廢水(以含CH3COO－的溶液為例).下列說法錯誤的是( ).

圖7

A.負極反應為

CH3COO－＋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電子時,模擬海水理論上除鹽58.5g

D.電池工作一段時間后,正、負極產生氣體的物質的量之比為2∶1

解析

根據圖7可知,a電極:CH3COO－→CO2,碳元素化合價升高,失去電子發生氧化反應,是負極,電極反應式為CH3COO－＋2H2O－8e－＝2CO2↑＋7H＋.由于是酸性環境,正極(b電極)反應式為2H＋＋2e－＝H2↑.隨著放電的進行,a極區陰離子減少,同時陽離子增多,b極區陽離子減少,根據電荷守恒,Cl－透過隔膜1(陰膜)向左移動,Na＋透過隔膜2(陽膜)向右移動,從而實現海水的淡化.根據電極反應式,每轉移1mol電子,透過隔膜的Na＋和Cl－分別為1mol,因此消耗NaCl的質量為58.5g.正、負極電子得失始終相等,假若轉移4mol電子,正極生成2molH2,而負極生成1molCO2,氣體物質的量之比為2∶1.

點評

本題是定性和定量、宏觀和微觀的有機結合,重點考查了電極反應式和電池內電路離子定向移動的方向和數目,體現了能力立意和學科素養.

例8(2018年全國卷Ⅰ)最近我國科學家設計了一種CO2＋H2S協同轉化裝置,實現對天然氣中CO2和H2S的高效去除.如圖8所示,其中電極分別為ZnO＠石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯電極區發生反應為:

① EDTA-Fe2＋－e－＝EDTA-Fe3＋;

②2EDTA-Fe3＋＋H2S＝2EDTA-Fe2＋＋2H＋＋S.該裝置工作時,下列敘述錯誤的是( ).

圖8

A.陰極的電極反應:

B.協同轉化總反應:CO2＋H2S＝CO＋H2O＋S

C.石墨烯上的電勢比ZnO＠石墨烯上的低

D.若采用 Fe3＋/Fe2＋取代 EDTA-Fe3＋/EDTAFe2＋,溶液需為酸性

解析

由圖8可知此為電解裝置,題給石墨烯電極區發生①和②反應,兩者相加得:H2S－2e－＝2H＋＋S,石墨烯電極發生氧化反應則為陽極,而ZnO＠石墨烯電極為陰極,由于陽極的電勢高于陰極的電勢,故選項C錯誤.陽極區產生的H＋透過質子交換膜移到陰極區發生反應:CO2＋2H＋＋2e－＝CO＋H2O.陽極區消除 H2S,陰極區消除CO2,協同轉化生成了CO、H2O和S.Fe3＋和Fe2＋均會水解,在堿性和中性條件下易產生沉淀,所以溶液需為酸性.

點評

本題以科研熱點石墨烯材料為電極,實現天然氣除雜,起點高,立意新.在考查學生電解基礎知識的同時,意在考查學生的識圖能力及獲取新信息的能力.

例9(2017年天津卷,節選)某混合物漿液含有Al(OH)3、MnO2和少量Na2CrO4.考慮到膠體的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出,某研究小組利用設計的電解分離裝置(如圖9),使漿液分離成固體混合物和含鉻元素溶液,并回收利用.

采用惰性電極電解時,CrO24－能從漿液中分離出來的原因是________,分離后含鉻元素的粒子是________;陰極室生成的物質為________(寫化學式).

圖9

解析

在直流電場作用下,陽極電極反應式為2H2O－4e－＝4H＋＋O2↑,由于陽極區陽離子增多,根據電荷守恒,漿液中的陰離子透過陰離子交換膜向陽極室移動,脫離漿液.人教版《選修4》教材中介紹了的可逆反應,所以陽極區含鉻元素的離子是和.陰極電極反應式為2H2O＋2e－＝2OH－＋H2↑,漿液中的陽離子Na＋透過陽離子交換膜到陰極室形成NaOH.

點評

本題重點考查了溶液中相關離子濃度變化及移動方向,體現了離子交換膜在物質分離提純方面的重要應用.易錯點是含鉻微粒除了還有.亮點是把電化學內容和化學平衡知識有機結合.

高考真題是高三復習備考的重要參考和導向.由以上內容分析可知,電化學試題呈現出一定的規律性:1)試題立意源于真實情境;2)試題設問形式靈活多樣;3)試題內容重視基本原理和基礎知識;4)試題評價目標指向核心素養.

基于此,復習時建議教師重點強調以下原理知識及答題技巧:1)增強識圖、析圖、判別裝置類型的能力;2)熟練掌握:陽(或負)極→元素化合價升高→失去電子→發生氧化反應,陰(或正)極→元素化合價降低→得到電子→發生還原反應;3)根據電極材料、放電順序、電解質溶液的酸堿性等條件,準確書寫電極反應式;4)根據交換膜的類型,判斷電解質溶液中離子定向移動的方向;5)構建知識模型,建立思維框架,提升運用模型解決問題的能力.