离子交换膜在电化学中的应用 高考化学一轮复习强化提升课学案新人教版

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离子交换膜在电化学中的应用　近几年高考试题中,涉及隔膜电化学装置的题目比较多,且每年都有变化。隔膜的功能在于选择性地通过某些离子或阻止某些离子来隔离某些物质,进而制备一些特定物质或对物质进行分离,体现了科学探究与创新意识的化学核心素养。 命题角度1:离子交换膜在原电池中的应用【典例1】(2020·山东等级考)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置,利用微生物处理有机废水获得电能,同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水,采用惰性电极,用下图装置处理有机废水(以含CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是              (　　) A.负极反应为CH3COO-+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1 mol电子时,模拟海水理论上除盐58.5 g D.电池工作一段时间后,正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1【解析】选B。据图可知a极上CH3COO-转化为CO2和H+,C元素被氧化,所以a极为该原电池的负极,则b极为正极。a极为负极,CH3COO-失电子被氧化成CO2和H+,结合电荷守恒可得电极反应式为CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,故A正确;为了实现海水的淡化,模拟海水中的氯离子需要移向负极,即a极,则隔膜1为阴离子交换膜,钠离子需要移向正极,即b极,则隔膜2为阳离子交换膜,故B错误;当电路中转移1 mol电子时,根据电荷守恒可知,海水中会有1 mol Cl-移向负极,同时有1 mol Na+移向正极,即除去1 mol NaCl,质量为58.5 g,故C正确;b极为正极,水溶液为酸性,所以氢离子得电子产生氢气,电极反应式为2H++2e-H2↑,所以当转移8 mol电子时,正极产生4 mol气体,根据负极反应式可知负极产生2 mol气体,物质的量之比为4∶2=2∶1,故D正确。 【求同存异·姊妹比对】 利用微生物可将废水中苯酚的化学能直接转化为电能,装置如图所示。电池工作时,下列说法正确的是 (　　) A.a极为正极,发生氧化反应B.b极的电极反应式为2N+12H+-10e-N2↑+6H2OC.中间室的Cl-向左室移动D.左室消耗苯酚(C6H5OH)9.4 g时,用电器流过2.4 mol电子 【解析】选C。由题图可知,在b极上N转化为N2,发生得电子的还原反应,故b极为正极,a极为负极,A项错误;b极的电极反应式为2N+12H++10e-N2↑+6H2O,B项错误;原电池中阴离子向负极移动,故C项正确;左室消耗苯酚的电极反应式为C6H5OH-28e-+11H2O6CO2↑+28H+,9.4 g苯酚的物质的量为0.1 mol,故用电器应流过2.8 mol电子,D项错误。 【归纳总结】交换膜隔离两种电解质溶液,避免了电极产物与能发生反应的电解质溶液直接接触,能提高电流效率。在这种装置中,交换膜起到盐桥作用,且优于盐桥(盐桥需要定时替换或再生)。通过限制离子迁移,指定离子在溶液中定向移动形成闭合回路,完成氧化剂和还原剂在不接触的条件下发生氧化还原反应。 命题角度2:离子交换膜在电解池中的应用【典例2】海水中含有大量Na+、Cl-及少量Ca2+、Mg2+、S,用电渗析法对该海水样品进行淡化处理,如图所示。下列说法正确的是              (　　) A.b膜是阳离子交换膜B.A极室产生气泡并伴有少量沉淀生成C.淡化工作完成后A、B、C三室中pH大小为pHA<pHB<pHCD.B极室产生的气体可使湿润的KI-淀粉试纸变蓝【解析】选A。因为阴极是阳离子反应,所以b膜为阳离子交换膜,选项A正确;A极室Cl-在阳极失电子产生氯气,但不产生沉淀,选项B错误;淡化工作完成后,A室Cl-失电子产生氯气,部分溶于水溶液呈酸性,B室H+得电子产生氢气,OH-浓度增大,溶液呈碱性,C室溶液呈中性,pH大小为pHA<pHC<pHB,选项C错误;B极室H+得电子产生氢气,不能使湿润的KI-淀粉试纸变蓝,选项D错误。【归纳总结】(1)在电解池中使用选择性离子交换膜的主要目的是限制某些离子(或分子)的定向移动,避免电解质溶液中的离子或分子与电极产物反应,提高产品纯度或防止造成危险等。 (2)根据电解质溶液呈中性的原则,判断膜的类型,判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应,依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余,因该电极附近溶液呈电中性,从而判断出离子移动的方向,进而确定离子交换膜的类型,如电解饱和食盐水时,阴极反应式为2H++2e-H2↑,则阴极区域破坏水的电离平衡,OH-有剩余,阳极区域的Na+受电场驱动穿过离子交换膜进入阴极室,与OH-结合生成NaOH,故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。1.离子交换膜的类型和作用:2.多室电解池:多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性,即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过,将电解池分为两室、三室、多室等,以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。(1)两室电解池。①制备原理:工业上利用如图两室电解装置制备烧碱阳极室中电极反应:2Cl--2e-Cl2↑,阴极室中的电极反应:2H2O+2e-H2↑+2OH-,阴极区H+放电,破坏了水的电离平衡,使OH-浓度增大,阳极区Cl-放电,使溶液中的c(Cl-)减小,为保持电荷守恒,阳极室中的Na+通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH-结合,得到浓的NaOH溶液。利用这种方法制备物质,纯度较高,基本没有杂质。②阳离子交换膜的作用它只允许Na+通过,而阻止阴离子(Cl-)和气体(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸,又避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应生成NaClO而影响烧碱的质量。(2)三室电解池。利用三室电解装置制备NH4NO3,其工作原理如图所示。阴极的NO被还原为N:NO+5e-+6H+N+H2O,N通过阳离子交换膜进入中间室;阳极的NO被氧化为N:NO-3e-+2H2ON+4H+,N通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得电解总反应:8NO+7H2O3NH4NO3+2HNO3,为使电解产物全部转化为NH4NO3,补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3。(3)多室电解池。利用“四室电渗析法”制备H3PO2(次磷酸),其工作原理如图所示。电解稀硫酸的阳极反应:2H2O-4e-O2↑+4H+,产生的H+通过阳离子交换膜进入产品室,原料室中的H2P穿过阴离子交换膜进入产品室,与H+结合生成弱电解质H3PO2;电解NaOH稀溶液的阴极反应:4H2O+4e-2H2↑+4OH-,原料室中的Na+通过阳离子交换膜进入阴极室。1.(用于物质的分离和提纯)用电解法可提纯含有某种钾的含氧酸盐杂质(如硫酸钾、碳酸钾等)的粗KOH溶液,其工作原理如图所示。下列说法正确的是 (　　) A.电极N为阳极,电极M上H+发生还原反应B.电极M的电极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑C.d处流进粗KOH溶液,e处流出纯KOH溶液D.b处每产生11.2 L气体,必有1 mol K+穿过阳离子交换膜 【解析】选B。根据图示,K+移向电极N,所以N是阴极,M极是阳极,OH-发生氧化反应生成氧气,电极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑,故A错误、B正确;c处流进粗KOH溶液,f处流出纯KOH溶液,故C错误;N极是阴极,H+发生还原反应生成氢气,非标准状况下11.2 L氢气的物质的量不一定是0.5 mol,故D错误。 2.(用于物质的分离和提纯)一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化,其工作原理如图所示,图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示。下列有关说法不正确的是              (　　) A.Cl-由中间室移向左室B.X气体为CO2C.处理后的含N废水的pH降低D.电路中每通过4 mol电子,产生标准状况下X气体的体积为22.4 L 【解析】选C。该电池中,N得电子发生还原反应,则装置中右边电极是正极,电极反应为2N+10e-+12H+N2↑+6H2O,装置左边电极是负极,负极上有机物失电子发生氧化反应生成X,电极反应C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+。放电时,电解质溶液中阴离子Cl-移向负极室(左室),A项正确;X气体为CO2,B项正确;正极反应为2N+10e-+12H+N2↑+6H2O,H+参加反应导致溶液酸性减弱,溶液的pH增大,C项错误;根据负极电极反应C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+知,电路中每通过4 mol电子,产生标准状况下CO2气体的体积为×6×22.4 L·mol-1=22.4 L,D项正确。 3.(用于物质的制备)利用双离子交换膜电解法可以从含硝酸铵的工业废水中生产硝酸和氨,原理如图所示。下列叙述正确的是              (　　) A.N室中硝酸溶液浓度a%>b%B.a、c为阳离子交换膜,b为阴离子交换膜C.M、N室分别产生氧气和氢气D.产品室发生的反应为N+OH-NH3·H2O【解析】选D。由图可知,电解时M室中石墨电极为阴极,阴极上水得电子生成H2和OH-,反应式为4H2O+4e-2H2↑+4OH-,原料室中的铵根离子通过b膜进入产品室,产品室中OH-和N反应生成NH3·H2O。N室中石墨为阳极,阳极上水失电子生成O2和H+,反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,原料室中的硝酸根离子通过c膜进入N室,N室中H+和N反应生成HNO3。N室中石墨为阳极,阳极上水失电子生成O2和H+,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,生成氢离子,氢离子浓度增加,因此N室中硝酸溶液浓度a%<b%,故A错误;a、c为阴离子交换膜,b为阳离子交换膜,故B错误;M、N室分别产生氢气和氧气,故C错误;产品室发生的反应为N+OH-NH3·H2O,故D正确。4.(用于物质的制备)利用普通电解精炼铜的方法所制备的铜中仍含杂质,利用如图所示的双膜(阴离子交换膜和过滤膜,其中过滤膜可阻止阳极泥及漂浮物进入阴极区)电解装置可制备高纯度的铜。下列有关叙述正确的是              (　　) A.电极a为粗铜,电极b为精铜B.阳极质量减少64 g,则穿过交换膜进入阳极区的阴离子的物质的量为 2 mol C.乙膜为阴离子交换膜,可阻止杂质阳离子进入阴极区D.当电路中通过1 mol电子时,可生成32 g 铜 【解析】选D。电解精炼铜装置中,粗铜作阳极,接电源正极,A项错误;粗铜中含有在通电条件下可溶解的金属杂质,故阳极溶解64 g金属时,转移电子的物质的量不一定是2 mol,则穿过交换膜进入阳极区的阴离子的物质的量无法确定,B项错误;乙膜为过滤膜,对阳极区的阳极泥及漂浮物进行过滤,甲膜为阴离子交换膜,防止阳极溶解的杂质、阳离子进入阴极区,同时N可穿过该膜,以平衡阳极区电荷,C项错误;阴极只有Cu2+放电,故当电路中通过1 mol电子时,生成0.5 mol Cu,D项正确。 【加固训练—拔高】 1.(用于废水处理及环境保护)在电镀车间的含铬酸性废水中,铬的存在形式有Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)两种,其中以Cr(Ⅵ)的毒性最大。电解法处理含铬废水如图,铬最终以Cr(OH)3沉淀除去。下列说法正确的是              (　　) A.Fe为阳极,反应为Fe-2e-Fe2+B.阴极反应为Cr2+7H2O+6e-2Cr(OH)3↓+8OH-C.阳极每转移3 mol电子,可处理Cr(Ⅵ)物质的量为1 mol D.离子交换膜为质子交换膜,只允许H+穿过【解析】选A。在电解过程中,阳极上铁发生氧化反应生成亚铁离子,电极反应式为Fe-2e-Fe2+,故A正确;Cr2在阳极区被Fe2+还原为Cr3+,阴极上水放电生成氢气产生OH-,电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,故B错误;阳极每转移3 mol电子,有1.5 mol Fe2+生成,由离子方程式Cr2+6Fe2++14H+2Cr3++7H2O+6Fe3+可知,1.5 mol Fe2+还原0.25 mol Cr2,即可处理Cr(Ⅵ)物质的量为0.5 mol,故C错误;Cr2在阳极区与Fe2+反应生成Cr3+和Fe3+,阴极区水放电生成氢气产生OH-,Cr3+和Fe3+通过阳离子交换膜进入阴极区,与OH-反应生成氢氧化物沉淀,该离子交换膜不是质子交换膜而是阳离子交换膜,故D错误。 2.(2021·武汉调研)某化学课外活动小组拟用铅蓄电池进行电絮凝净水的实验探究,设计的实验装置如图所示,下列叙述正确的是              (　　) A.Y极的电极反应:Pb-2e-Pb2+B.铅蓄电池工作时S向Y极移动C.电解池中发生的反应仅有2Al+6H2O2Al(OH)3+3H2↑D.每消耗103.5 g Pb,理论上电解池阴极上有0.5 mol H2生成 【解析】选D。根据电解池中Fe电极上H2O转化为H2,发生还原反应,知Fe电极为阴极,故X极为负极,Y极为正极,Y极的电极反应为PbO2+2e-+4H++SPbSO4+2H2O,A项错误;原电池中阴离子向负极移动,因此铅蓄电池工作时S向X极移动,B项错误;根据题图可知Al电极上既有铝离子生成,又有氧气放出,说明铝电极上发生的氧化反应有两个:Al-3e-Al3+、2H2O-4e-O2↑+4H+,因此电解池中发生的反应有2Al+6H2O2Al(OH)3+3H2↑、2H2O2H2↑+O2↑,C项错误;原电池负极发生反应:Pb-2e-+SPbSO4,电解池阴极发生反应:2H2O+2e-H2↑+2OH-,由题图可知原电池和电解池串联,因此各电极上转移电子数相等,由此可得关系式:Pb～H2,每消耗103.5 g Pb,理论上阴极生成H2的物质的量n(H2)=n(Pb)==0.5 mol,D项正确。