(新課改省份專版)2022高考化學一輪復習 5.7 化學能與電能(5)含離子交換膜電池的應用(過熱點)學案(含解析)

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1、(新課改省份專版)2022高考化學一輪復習 5.7 化學能與電能(5)含離子交換膜電池的應用(過熱點)學案(含解析) 近幾年全國卷的高考中,涉及離子交換膜的試題較多,且常考常新。離子交換膜是一種含有離子基團的、對溶液中離子具有選擇性透過的高分子膜。根據透過的微粒類型,離子交換膜可以分為多種,在高考試題中,主要出現的是陽離子交換膜(如2018·全國卷ⅠT27、2018·全國卷ⅢT27)、陰離子交換膜(2014·全國卷ⅠT27)和質子交換膜(2018·全國卷ⅠT13、2015·全國卷ⅠT11)三種,其功能是在于選擇性通過某些離子和阻斷某些離子或隔離某些物質,從而制備、分離或提純某些物質。 [重

2、難點撥] 1.離子交換膜的類型和作用 2.多室電解池 多室電解池是利用離子交換膜的選擇透過性,即允許帶某種電荷的離子通過而限制帶相反電荷的離子通過,將電解池分為兩室、三室、多室等,以達到濃縮、凈化、提純及電化學合成的目的。 (1)兩室電解池 ①制備原理:工業(yè)上利用如圖兩室電解裝置制備燒堿 陽極室中電極反應:2Cl--2e-===Cl2↑,陰極室中的電極反應:2H2O+2e-===H2↑+2OH-,陰極區(qū)H+放電,破壞了水的電離平衡,使OH-濃度增大,陽極區(qū)Cl-放電,使溶液中的c(Cl-)減小,為保持電荷守恒,陽極室中的Na+通過陽離子交換膜與陰極室中生成的OH-結合

3、,得到濃的NaOH溶液。利用這種方法制備物質,純度較高,基本沒有雜質。 ②陽離子交換膜的作用 它只允許Na+通過,而阻止陰離子(Cl-)和氣體(Cl2)通過。這樣既防止了兩極產生的H2和Cl2混合爆炸,又避免了Cl2和陰極產生的NaOH反應生成NaClO而影響燒堿的質量。 (2)三室電解池 利用三室電解裝置制備NH4NO3,其工作原理如圖所示。 陰極的NO被還原為NH:NO+5e-+6H+===NH+H2O,NH通過陽離子交換膜進入中間室;陽極的NO被氧化為NO:NO-3e-+2H2O===NO+4H+,NO通過陰離子交換膜進入中間室。根據電路中轉移電子數相等可得電解總反應:8N

4、O+7H2O3NH4NO3+2HNO3,為使電解產物全部轉化為NH4NO3,補充適量NH3可以使電解產生的HNO3轉化為NH4NO3。 (3)多室電解池 利用“四室電滲析法”制備H3PO2(次磷酸),其工作原理如圖所示。 電解稀硫酸的陽極反應:2H2O-4e-===O2↑+4H+,產生的H+通過陽離子交換膜進入產品室,原料室中的H2PO穿過陰離子交換膜進入產品室,與H+結合生成弱電解質H3PO2;電解NaOH稀溶液的陰極反應:4H2O+4e-===2H2↑+4OH-,原料室中的Na+通過陽離子交換膜進入陰極室。 [考法精析] 應用一 用于物質的分離和提純 [典例1] 一種三

5、室微生物燃料電池可用于污水凈化、海水淡化,其工作原理如圖所示,圖中有機廢水中有機物可用C6H10O5表示。下列有關說法不正確的是(  ) A.Cl-由中間室移向左室 B.X氣體為CO2 C.處理后的含NO廢水的pH降低 D.電路中每通過4 mol電子,產生標準狀況下X氣體的體積為22.4 L [解析] 該電池中,NO得電子發(fā)生還原反應,則裝置中右邊電極是正極,電極反應為2NO+10e-+12H+===N2↑+6H2O,裝置左邊電極是負極,負極上有機物失電子發(fā)生氧化反應生成X,電極反應C6H10O5-24e-+7H2O===6CO2↑+24H+。放電時,電解質溶液中陰離子Cl-移向

6、負極室(左室),A項正確;X氣體為CO2,B項正確;正極反應為2NO+10e-+12H+===N2↑+6H2O,H+參加反應導致溶液酸性減弱,溶液的pH增大,C項錯誤;根據負極電極反應C6H10O5-24e-+7H2O===6CO2↑+24H+知,電路中每通過4 mol電子,產生標準狀況下CO2氣體的體積為×6×22.4 L·mol-1=22.4 L,D項正確。 [答案] C [備考方略] 含離子交換膜電化學裝置題的解題步驟 應用二 用于物質的制備 類型(一) 判斷離子的遷移方向 [典例2] (1)(2018·全國卷Ⅲ節(jié)選)KIO3可采用“電解法”制備,裝置如圖所示。

7、①寫出電解時陰極的電極反應式________________________________________________________________________。 ②電解過程中通過陽離子交換膜的離子主要為________,其遷移方向是________。 (2)(2018·全國卷Ⅰ節(jié)選)制備Na2S2O5可采用三室膜電解技術,裝置如圖所示,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。 [解析] (1)①該裝置為電解池,電解時陰極

8、電解質為KOH,水中氫離子放電,故電極反應式為2H2O+2e-===2OH-+H2↑;②電解過程中通過陽離子交換膜的離子主要為K+,在電解池中離子移動方向為陽離子移向陰極,故K+由a到b。(2)根據題中的圖示,左側為電解池的陽極,右側為電解池的陰極,離子交換膜均為陽離子交換膜,只允許陽離子通過,陽極的電解質溶液為硫酸,所以陽極的電極反應式為2H2O-4e-===4H++O2↑,則陽極的氫離子會透過陽離子交換膜進入a室,與a室中的SO2堿吸收液中含有的Na2SO3發(fā)生反應生成NaHSO3,所以a室中的NaHSO3濃度增加。 [答案] (1)①2H2O+2e-===2OH-+H2↑ ②K+ a到

9、b (2)2H2O-4e-===4H++O2↑ a [備考方略] 有“膜”條件下離子定向移動方向的判斷方法 類型(二) 判斷離子交換膜的類型 [典例3] 四室式電滲析法制備鹽酸和NaOH的裝置如圖所示。a、b、c為陰、陽離子交換膜。已知:陰離子交換膜只允許陰離子透過,陽離子交換膜只允許陽離子透過。下列敘述正確的是(  ) A.b、c分別依次為陽離子交換膜、陰離子交換膜 B.通電后Ⅲ室中的Cl-透過c遷移至陽極區(qū) C.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高 D.電池總反應為4NaCl+6H2O4NaOH+4HCl+2H2↑+O2↑ [解析] 由圖中信息可知,左邊電極與

10、負極相連為陰極,右邊電極為陽極,所以通電后,陰離子向右定向移動,陽離子向左定向移動,陽極上H2O放電生成O2和H+,陰極上H2O放電生成H2和OH-;H+透過c,Cl-透過b,二者在b、c之間的Ⅲ室形成鹽酸,鹽酸濃度變大,所以b、c分別為陰離子交換膜和陽離子交換膜;Na+透過a,NaOH的濃度變大,所以a也是陽離子交換膜,故A、B兩項均錯誤;電解一段時間后,Ⅰ中的溶液的c(OH-)升高,pH升高,Ⅱ中為NaCl溶液,pH不變,Ⅲ中有HCl生成,故c(H+)增大,pH減小,Ⅳ中H+移向Ⅲ,H2O放電生成O2,使水的量減小,c(H+)增大,pH減小,C不正確。 [答案] D [備考方略] 離子

11、交換膜類型的判斷方法 根據電解質溶液呈中性的原則,判斷膜的類型,判斷時首先寫出陰、陽兩極上的電極反應,依據電極反應式確定該電極附近哪種離子剩余,因該電極附近溶液呈電中性,從而判斷出離子移動的方向,進而確定離子交換膜的類型,如電解飽和食鹽水時,陰極反應式為2H++2e-===H2↑,則陰極區(qū)域破壞水的電離平衡,OH-有剩余,陽極區(qū)域的Na+穿過離子交換膜進入陰極室,與OH-結合生成NaOH,故電解食鹽水中的離子交換膜是陽離子交換膜。 [綜合訓練] 1.(2018·浙江11月選考)最近,科學家研發(fā)了“全氫電池”,其工作原理如圖所示。下列說法不正確的是(  ) A.右邊吸附層中發(fā)生了還原

12、反應 B.負極的電極反應是H2-2e-+2OH-===2H2O C.電池的總反應是2H2+O2===2H2O D.電解質溶液中Na+向右移動,ClO向左移動 解析:選C A選項,右邊吸附層中發(fā)生反應:2H++2e-===H2↑,為還原反應,正確;B選項,負極的電極反應為H2-2e-+2OH-===2H2O,正確;C選項,外界未通入氧氣,總反應為HClO4+NaOH===H2O+NaClO4,錯誤;D選項,由電子移動方向知,陰離子向左移動,陽離子向右移動,正確。 2.用一種陰、陽離子雙隔膜三室電解槽處理廢水中的NH,模擬裝置如圖所示。下列說法正確的是(  ) A.陽極室溶液由

13、無色變成棕黃色 B.陰極的電極反應式為4OH--4e-===2H2O+O2↑ C.電解一段時間后,陰極室溶液的pH升高 D.電解一段時間后,陰極室溶液中的溶質一定是(NH4)3PO4 解析:選C Fe電極與電源正極相連,則Fe作陽極,電極反應式為Fe-2e-===Fe2+,反應中生成Fe2+,溶液由無色變?yōu)闇\綠色,A錯誤;陰極上H+得電子發(fā)生還原反應,電極反應式為2H++2e-===H2↑,B錯誤;電解過程中陰極上消耗H+,則陰極室溶液的pH升高,C正確;電解時,(NH4)2SO4溶液中NH向陰極室遷移,故陰極室溶液中的溶質可能為(NH4)3PO4、(NH4)2HPO4、NH4H2PO

14、4等,D錯誤。 3.高鐵酸鹽(如Na2FeO4)已經被廣泛應用在水處理方面,以鐵質材料為陽極,在高濃度強堿溶液中利用電解的方式可以制備高鐵酸鹽,裝置如圖。下列說法不正確的是(  ) A.a為陽極,電極反應式為 Fe-6e-+8OH-===FeO+4H2O B.為防止高鐵酸根擴散被還原,則離子交換膜為陽離子交換膜 C.在電解過程中溶液中的陽離子向a極移動 D.鐵電極上有少量氣體產生原因可能是 4OH--4e-===O2↑+2H2O 解析:選C 鐵電極材料為陽極,在高濃度強堿溶液中利用電解的方式可以制備高鐵酸鹽,所以鐵是陽極,電極反應式為Fe-6e-+8OH-===FeO+4H2O,故A正確;陽離子交換膜可以阻止FeO進入陰極區(qū)域,故B正確;在電解過程中溶液中的陽離子向陰極移動,所以陽離子向b極移動,故C錯誤;鐵電極上發(fā)生氧化反應,所以生成的氣體可能是氧氣,電極反應式是4OH--4e-===O2↑+2H2O,故D正確。

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