2022年高考化学二轮复习核心素养提升21 电化学中的介质与交换膜 (含解析)

素养说明：在近几年高考中，涉及离子交换膜的应用及电解液介质对电极反应的影响的试题比较多，且常出常新，离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些离子来隔离某些物质，电解液介质主要对电极反应产物进行二次反应。

1.电化学中的交换膜

（1）交换膜的功能

使离子选择性定向迁移（目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷）。

（2）交换膜在中学电化学中的作用

①防止副反应的发生，避免影响所制取产品的质量；防止引发不安全因素。如在电解饱和食盐水中，利用阳离子交换膜，防止阳极产生的氯气进入阴极室与氢氧化钠反应，导致所制产品不纯；防止与阴极产生的氢气混合发生爆炸。

②用于物质的制备、分离、提纯等。

（3）离子交换膜的类型

常见的离子交换膜为：阳离子交换膜、阴离子交换膜、特殊离子交换膜等。

2.电化学中的介质

电化学中常见的五大介质（以CH3OH 、O2 燃料电池为例）

介质一：K2SO4中性溶液

总反应式：2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

（－）负极：2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2＋12H＋

（＋）正极：3O2＋12e－＋6H2O===12OH－

介质二：KOH碱性介质

总反应式：2CH3OH＋ 3O2 ＋4OH－=== 2CO＋6H2O

（－）负极：2CH3OH－12e－＋16OH－===2CO＋12H2O

（＋）正极：3O2＋12e－＋6H2O===12OH－

介质三：H2SO4溶液酸性

总反应式：2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

（－）负极：2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2＋12H＋

（＋）正极：3O2＋12e－＋12H＋===6H2O

介质四：熔融盐介质，如熔融的K2CO3

总反应：2CH3OH＋3O2===2CO2 ＋4H2O

（－）负极：2CH3OH－12e－＋6CO===8CO2＋4H2O

（＋）正极：3O2＋12e－＋6CO2===6CO

介质五：掺杂Y2O3的ZrO3固体电解质，在高温下能传导正极生成的O2－

总反应：2CH3OH＋3O2===2CO2 ＋4H2O

（－）负极：2CH3OH－12e－＋6O2－===2CO2＋4H2O

（＋）正极：3O2＋12e－===6O2－

规律　首先要分析介质是否参与总反应，然后写出总反应方程式，O2在不同介质中的转化关系（O2得电子转化为O2－，碱性（中性）溶液中转化为OH－；酸性溶液中转化为H2O，熔融碳酸盐中转化为CO；固体氧化物转化为O2－），写出正极反应，利用相减法（总反应－正极反应＝负极反应），写出负极反应。

[题型专练]

1.（隔离某些离子或物质）目前电解法制烧碱通常采用离子交换膜法，阳（阴）离子交换膜不允许阴（阳）离子通过。则下列叙述中错误的是（　　）

A.NaOH、H2均在Ⅰ区产生

B. 图中a为阴离子交换膜

C.使用离子交换膜可以有效地隔离NaOH和Cl2，阻止二者之间的反应

D.电解时往Ⅲ区的溶液中滴加几滴甲基橙，溶液先变红后褪色

解析　Ⅰ区是阴极室，H＋（H2O）放电生成氢气，同时促进水的电离，生成氢氧化钠，Ⅱ区Na＋通过a进入I区，故a应该是阳离子交换膜；Ⅲ区和电源的正极相连，为阳极，Cl－放电生成氯气，Ⅱ区Cl－通过b进入Ⅲ区，故b应该是阴离子交换膜；氯气溶于水显酸性，同时次氯酸还具有漂白性，所以滴入甲基橙后溶液先变红后褪色。错误的是B。

答案　B

2.（分离、提纯）用电解法可提纯含有某种含氧酸根杂质的粗KOH溶液，其工作原理如图所示。下列有关说法错误的是（　　）

A.阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

B.通电后阴极区溶液pH会增大

C.K＋通过交换膜从阴极区移向阳极区

D.纯净的KOH溶液从b口导出

解析　阳极区为粗KOH溶液，阳极上OH－失电子发生氧化反应：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，A项正确；阴极上H2O得电子发生还原反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区附近溶液中c（OH－）增大，pH增大，B项正确；电解时阳离子向阴极移动，故K＋通过阳离子交换膜从阳极区移向阴极区，C项错误；阴极区生成KOH，故纯净的KOH溶液从b口导出，D项正确。

答案　C

3.（制备某些物质）H3PO2也可用电渗析法制备。 “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）阳极发生氧化反应，由于OH－的放电性大于SO，则在反应中OH－失去电子，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑。（2）阳极室H2O放电产生

H＋，H＋进入产品室，原料室中的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，两者发生反应：H＋＋H2POH3PO2。（3）如果撤去阳膜，H2PO或H3PO2可能被氧化为PO。

答案　（1）2H2O－4e－===O2↑＋4H＋

（2）阳极室的H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的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

4.（2017·海南化学）一种电化学制备NH3的装置如图所示，图中陶瓷在高温时可以传输H＋。下列叙述错误的是（　　）

A.Pd电极b为阴极

B.阴极的反应式为：N2＋6H＋＋6e－===2NH3

C.H＋由阳极向阴极迁移

D.陶瓷可以隔离N2和H2

解析　A.此装置为电解池，总反应是N2＋3H2===2NH3，Pd电极b上是氢气发生反应，即氢气失去电子化合价升高，Pd电极b为阳极，故A说法错误；B.根据A选项分析，Pd电极a为阴极，反应式为N2＋6H＋＋6e－===2NH3，故B说法正确；C.根据电解池的原理，阳离子在阴极上放电，即由阳极移向阴极，故C说法正确；D.根据装置图，陶瓷隔离N2和H2，故D说法正确。

答案　A

5.用固体氧化物作为电解质的氢氧燃料电池电解Na2SO4溶液，已知固体氧化物在高温下允许氧离子（O2－）在其间通过，其工作原理如图所示（c、d均为惰性电极）。下列有关说法正确的是（　　）

A.电路中电子流向为a→d→c→b

B.电极b为负极，电极反应式为O2＋4e－===2O2－

C.电解后烧杯中溶液pH增大

D.理论上b极消耗气体和c极生成气体质量相等

解析　在溶液中没有电子的移动，只有离子的移动，A项错误；通入O2的一极（电极b）为电池的正极，发生还原反应，B项错误；惰性电极电解Na2SO4溶液实质上是电解水，溶液的pH不变，C项错误；c极生成O2，根据得失电子守恒可知D项正确。

答案　D