2019版高考化学一轮精选教师用书人教通用：第六章化学反应与能量微专题强化突破11　“隔膜”电解池在工业生产中的应用

“隔膜”电解池在工业生产中的应用

1．常见的隔膜

隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类：

(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，不允许阴离子通过。

(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。

(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。

2．隔膜的作用

(1)能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。

(2)能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。

3．“隔膜”电解池的解题步骤

第一步，分清隔膜类型。即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过隔膜。

第二步，写出电极反应式，判断交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，根据电荷平衡判断离子迁移方向。

第三步，分析隔膜作用。在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或避免产物因发生反应而造成危险。

1．工业上可利用下图所示电解装置吸收和转化SO2(A、B均为惰性电极)。下列说法正确的是(　　)

A．A极接电源的正极

B．A极区溶液的碱性逐渐增强

C．本装置中使用的是阴离子交换膜

D．B极的电极反应式为SO2＋2e－＋2H2O===SO＋4H＋

解析：选B。A项，由HSO生成S2O，发生还原反应，A极为阴极，应接电源的负极，错误；B项，阴极的电极反应式为2HSO＋2H＋＋2e－===S2O＋2H2O，碱性增强，正确；C项，阳极的电极反应式为SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋，离子交换膜应使H＋从右向左移动，应为阳离子交换膜，错误；D项，B极为阳极，发生SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋，错误。

2．制备二氧化锰的装置如图，阳极以硫酸锰和硫酸混合液为电解液，阴极以稀硫酸为电解液，电解装置中大箭头表示溶液中阳离子移动的方向。下列说法正确的是(　　)

A．N是电源的负极

B．右侧气孔逸出的气体可能为副产物H2

C．石墨电极的电极反应式为Mn2＋－2e－＋2H2O===MnO2↓＋4H＋

D．电解过程中阳离子交换膜左侧硫酸浓度基本不变，右侧减小

解析：选C。阳离子向阴极移动，说明左侧为阴极，则M为电源负极，N为电源正极，A项错误；右侧为阳极，逸出的气体可能是溶液中的氢氧根离子放电生成的氧气，B项错误；石墨电极为阳极，锰离子失去电子生成二氧化锰，C项正确；电解过程中阳离子向左侧移动，左侧溶液中H＋放电生成H2，硫酸的浓度不变，右侧MnSO4电解生成MnO2和H2SO4，硫酸浓度增大，D项错误。

3．工业上用电解法处理含镍酸性废水并得到单质Ni的原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)

已知：①Ni2＋在弱酸性溶液中发生水解

②氧化性：Ni2＋(高浓度)＞H＋＞Ni2＋(低浓度)

A．碳棒上发生的电极反应：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

B．电解过程中，B室中NaCl溶液的物质的量浓度将不断减小

C．为了提高Ni的产率，电解过程中需要控制废水pH

D．若将图中阳离子膜去掉，将A、B两室合并，则电解反应总方程式发生改变

解析：选B。A项，电极反应式为阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，阴极：Ni2＋＋2e－===Ni，2H＋＋2e－===H2↑，正确；B项，由于C室中Ni2＋、H＋不断减少，Cl－通过阴离子膜从C室移向B室，A室中OH－不断减少，Na＋通过阳离子膜从A室移向B室，所以B室中NaCl溶液的物质的量浓度不断增大，错误；C项，由于H＋的氧化性大于Ni2＋(低浓度)的氧化性，所以为了提高Ni的产率，电解过程需要控制废水的pH，正确；D项，若去掉阳离子膜，在阳极Cl－首先放电生成Cl2，反应总方程式发生改变，正确。

4．用NaOH溶液吸收烟气中的SO2，将所得的Na2SO3溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H2SO4，其原理如图所示(电极材料为石墨)。下列有关叙述不正确的是(　　)

A．图中a极连接电源的负极

B．A口放出的物质是氢气，C口放出的物质是氧气

C．b极电极反应式为SO－2e－＋H2O===SO＋2H＋

D．电解过程中阴极区碱性明显增强

解析：选B。A．由题图可知，钠离子移向a极，所以a极为阴极，连接电源的负极，故A正确；B．a极氢离子发生还原反应，A口放出的物质是氢气，b极SO发生氧化反应生成SO，故B错误；C．亚硫酸根离子在阳极(b极)失去电子发生氧化反应生成硫酸根离子，电极反应式为SO－2e－＋H2O===SO＋2H＋，故C正确；D．在阴极H＋放电生成H2，c(H＋)减小，水的电离平衡H2OH＋＋OH－正向移动，所以电解过程中阴极区碱性明显增强，故D正确。

5．氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制取氯气、氢气、烧碱和氯的含氧酸盐等系列化工产品。下图是离子交换膜法电解食盐水的示意图，图中的离子交换膜只允许阳离子通过。

完成下列填空：

(1)写出电解饱和食盐水的离子方程式：______________________________________。

(2)离子交换膜的作用为__________________________________________________。

(3)精制饱和食盐水从图中________位置补充，氢氧化钠溶液从图中________位置流出。(填“a”“b”“c”或“d”)

(4)KClO3可以和草酸(H2C2O4)、硫酸反应生成高效的消毒杀菌剂ClO2，还生成CO2和KHSO4等物质。写出该反应的化学方程式：____________________________________。

解析：(1)电解饱和食盐水时，溶液中的H＋在阴极得到电子变为H2逸出，使附近的水溶液显碱性，溶液中的Cl－在阳极失去电子，发生氧化反应产生Cl2。反应的离子方程式是2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－。

(2)题图中的离子交换膜只允许阳离子通过，是阳离子交换膜，不能使阴离子和气体通过，这样就可以阻止阳极的Cl－和产生的Cl2进入阴极室，使在阴极区产生的NaOH纯度更高；同时可以阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生反应而爆炸。

(3)随着电解的进行，溶质NaCl不断消耗，所以应该及时补充。精制饱和食盐水从与阳极连接的图中a位置补充，由于阴极H＋不断放电，附近的溶液显碱性，氢氧化钠溶液从图中d位置流出；水不断消耗，所以从b位置不断加入蒸馏水，从c位置流出的是稀的NaCl溶液。

(4)KClO3有氧化性，H2C2O4有还原性，在酸性条件下KClO3可以和草酸(H2C2O4)反应生成高效的消毒杀菌剂ClO2，还生成CO2和KHSO4等物质。根据电子守恒及原子守恒，可得该反应的化学方程式是2KClO3＋H2C2O4＋2H2SO4===2ClO2↑＋2CO2↑＋2KHSO4＋2H2O。

答案：(1)2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－

(2)能得到纯度更高的氢氧化钠溶液　阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生反应而爆炸

(3)a　d

(4)2KClO3＋H2C2O4＋2H2SO4===2ClO2↑＋2CO2↑＋2KHSO4＋2H2O

一、选择题

1．用如图所示装置处理含NO的酸性工业废水，某电极反应式为2NO＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O，则下列说法错误的是(　　)

A．电源正极为A，电解过程中有气体放出

B．电解时H＋从质子交换膜左侧向右侧移动

C．电解过程中，右侧电解液pH保持不变

D．电解池一侧生成5.6 g N2，另一侧溶液质量减少18 g

解析：选C。A．根据电极反应式可知，插入废水中的Pt电极为阴极，B为直流电源的负极，则电源正极为A，电解过程中有气体放出，A项正确；B．左侧电极为阳极，水电离出来的氢氧根离子在阳极放电生成氢离子，氢离子从质子交换膜左侧向右侧移动，B项正确；C．阳极电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，阴极电极反应式为2NO＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O，转移20 mol电子时，阳极生成20 mol氢离子，而阴极消耗24 mol氢离子，氢离子浓度减小，pH增大，C项错误；D．根据电极反应式，阳极电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，阴极电极反应式为2NO＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O，电解池阴极生成5.6 g N2，转移电子的物质的量为5.6 g÷28 g/mol×10＝2 mol；每有2 mol水电解转移4 mol电子，则阳极被电解的水的质量为1 mol×18 g/mol＝18 g，D项正确。

2．高铁酸盐在能源环保领域有广泛用途，用镍(Ni)、铁作电极电解NaOH浓溶液制备高铁酸盐Na2FeO4的装置如图所示。下列说法合理的是(　　)

A．镍电极上的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

B．铁是阳极，电极反应为Fe－2e－＋OH－===Fe(OH)2↓

C．若隔膜为阴离子交换膜，则OH－自右向左移动

D．电解时阳极区pH降低、阴极区pH升高，最终溶液pH不变

解析：选A。A．用镍(Ni)、铁作电极电解NaOH浓溶液制备高铁酸钠(Na2FeO4)，铁失电子生成高铁酸根，则铁作阳极，镍作阴极，溶液中的氢离子在阴极放电生成氢气，则电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，A项正确；B．根据上述分析，铁是阳极，电极反应为Fe＋8OH－－6e－===FeO＋4H2O，B项错误；C．若隔膜为阴离子交换膜，则OH－自左向右移动，C项错误；D．电解时阳极区的电极反应为Fe＋8OH－－6e－===FeO＋4H2O，pH降低，阴极区电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，pH升高，电池的总反应为Fe＋2H2O＋2OH－===FeO＋3H2↑，最终溶液pH降低，D项错误。

3．电解硫酸钠溶液联合生产硫酸和烧碱溶液的装置如图所示，其中阴极和阳极均为惰性电极。测得同温同压下，气体甲与气体乙的体积比约为1∶2，以下说法正确的是(　　)

A．a电极与电源的负极相连

B．产物丙为硫酸

C．离子交换膜d为阴离子交换膜

D．a电极反应式：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

解析：选B。由气体甲与气体乙的体积比约为1∶2可知，甲为氧气，a电极发生反应：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，乙为氢气，b电极发生反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。则a电极与电源的正极相连，产物丙为硫酸，产物丁为氢氧化钠，c为阴离子交换膜，d为阳离子交换膜。

4．因存在浓度差而产生电动势的电池称为浓差电池。利用如图所示装置进行实验，开始先闭合K2，断开Kl，一段时间后，再断开K2，闭合Kl，形成浓差电池，电流计指针偏转(Ag＋浓度越大，氧化性越强)。下列说法不正确的是(　　)

A．闭合K2、断开Kl一段时间后，X电极质量增加

B．闭合K2、断开Kl一段时间后，右池c(AgNO3)增大

C．断开K2，闭合K1，X电极发生氧化反应

D．断开K2，闭合K1，NO从左池向右池移动

解析：选D。A．闭合K2，断开K1后，X为阴极，发生还原反应生成银，质量增加，故A正确；B．闭合K2，断开K1后，阳极金属银被氧化，阴极析出银，NO向阳极移动，右池AgNO3浓度增大，左池AgNO3浓度减小，故B正确；C．断开K2，闭合K1后，X为负极，发生氧化反应，故C正确；D．断开K2，闭合K1后，形成浓差电池，电流计指针偏转(Ag＋浓度越大氧化性越强)，可知Y为正极，X为负极，NO从右池向左池移动，故D错误。

5．已知反应：2CrO(黄)＋2H＋Cr2O(橙)＋H2O，设计图示装置(均为惰性电极)电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7，下列有关叙述正确的是(　　)

A．CrO生成Cr2O的反应为非氧化还原反应，不能通过电解方法获得

B．电源左侧是正极

C．右侧电极的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

D．Na＋从右侧通过Na＋交换膜进入左侧

解析：选D。A．已知反应：2CrO(黄)＋2H＋Cr2O(橙)＋H2O，电解时阳极区水中氢氧根离子失电子，同时生成氢离子，氢离子浓度增大，化学平衡向右移动，CrO生成Cr2O，所以能通过电解方法获得，错误；B．根据图示可知左侧H＋放电，左侧是阴极，所以电源左侧是负极，错误；C．右侧是阳极，发生氧化反应，电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，错误；D．阳离子向阴极移动，左侧为阴极，所以Na＋从右侧通过Na＋交换膜进入左侧，正确。

6．用二甲醚燃料电池做电源，用惰性电极电解饱和K2SO4溶液可制取H2SO4和KOH，实验装置如图所示：

下列说法错误的是(　　)

A．Y为KOH

B．A口导出的物质为H2SO4

C．二甲醚燃料电池的负极反应式为CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋

D．若燃料电池通入CH3OCH3(g)的速率为0.1 mol/min，2 min时，理论上C口收集到气体的体积为26.88 L

解析：选D。根据图示可知D出口处的电极与燃料电池的负极连接，为阴极；A出口处的电极与燃料电池的正极连接，为阳极。电解K2SO4溶液，实质是电解水，在阳极是OH－放电产生O2，附近的水溶液中c(H＋)增大；在阴极是H＋放电产生H2，附近的水溶液中c(OH－)增大，所以A口导出的物质为H2SO4溶液，B是O2；C是H2，D是KOH溶液，Y为KOH；选项A、B正确；在二甲醚燃料电池的负极，二甲醚失去电子变为CO2逸出，负极的电极反应式为CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋，选项C正确；根据负极的电极反应式可知，每有1 mol CH3OCH3发生反应，转移电子12 mol，若燃料电池通入CH3OCH3(g)的速率为0.1 mol/min，2 min时，反应的CH3OCH3的物质的量是n(CH3OCH3)＝0.1 mol/min×2 min＝0.2 mol，则转移电子的物质的量是0.2 mol×12＝2.4 mol，根据电子转移守恒可知，生成氢气的物质的量n(H2)＝2.4 mol÷2＝1.2 mol，其在标准状况下的体积是V(H2)＝1.2 mol×22.4 L/mol＝26.88 L，但是由于没有指明气体所处的环境，因此不能确定气体的体积大小，选项D错误。

二、非选择题

7．H3PO2可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：

(1)写出阳极的电极反应式：_____________________________________。

(2)分析产品室可得到H3PO2的原因：________________________________________。

(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有__________杂质。该杂质产生的原因是__________________________。

解析：(1)阳极为水电离出的OH－放电，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。

(2)阳极室中H＋穿过阳膜进入产品室，原料室中H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2。

(3)在阳极区H2PO或H3PO2可能失电子发生氧化反应，即生成物中会混有PO。

答案：(1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋

(2)阳极室中H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室中H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2

(3)PO　H2PO或H3PO2被氧化