1、高考资源网() 您身边的高考专家离子交换膜在电化学中的应用 知识必备离子交换膜在原电池和电解池中均有较广泛的应用,且常出常新。1离子交换膜的功能使离子选择性定向迁移,其目的是平衡整个电解质的离子电荷守恒。2交换膜在电化学中的作用(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Cl2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H2混合发生爆炸)。(2)用于物质的分离、提纯等。(3)用于制备纯净的物质。3离子交换膜的类型根据透过的微粒,离子交换膜可以分为多种,在高考试题中主要出现过阳离子交换膜、阴离子交换膜
2、和质子交换膜三种。阳离子交换膜只允许阳离子通过,阻止阴离子和气体通过,阴离子交换膜只允许阴离子通过,质子交换膜只允许质子(H)通过,另外还有特殊离子交换膜,只允许相应的离子通过。4离子交换膜类型的判断根据电解质溶液呈电中性的原则,判断膜的类型:(1)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。(2)根据溶液呈电中性,判断出离子移动的方向,从而确定离子交换膜的类型。(3)在利用电解原理制备物质时,选择离子交换膜的类型,既要考虑阴、阳极电极反应式,同时也要考虑产品室和原料室在装置图中的位置。如:利用电解NaB(OH)4溶液制备H3BO3,装置图如下:阳极室放出O2,消
3、耗OH余出H,则H应向产品室移动,阴极室放出H2,消耗H余出OH,则原料室中的Na应向阴极室移动,B(OH)应向产品室移动,所以a膜、c膜为阳离子交换膜、b膜为阴离子交换膜,选择离子交换膜时产品室和原料室的位置也起到关键性的作用。例1(2018全国,节选)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛,生产Na2S2O5通常是由NaHSO3过饱和溶液经结晶脱水制得。制备Na2S2O5可采用三室膜电解技术,装置如图所示,其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为_。电解后,_室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水,可得到Na2S2O5。解
4、析:阳极发生氧化反应2H2O4e=4HO2,阳极室H向a室迁移,a室中的Na2SO3转化成NaHSO3。阴极发生还原反应,析出H2,OH增多,Na由a室向b室迁移,则b室中Na2SO3浓度增大。答案:2H2O4e=4HO2a例2(2016全国卷)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na和SO可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述正确的是()A通电后中间隔室的SO离子向正极迁移,正极区溶液pH增大B该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品C负极反应为2H2O4e
5、=O24H,负极区溶液pH降低D当电路中通过1 mol电子的电量时,会有0.5 mol的O2生成解析:BA.电解池中阴离子向阳极区移动,因此通电后中间隔室的SO离子向正极迁移;正极区氢氧根放电,产生氢离子,所以正极区溶液pH减小,错误;B.阳极区氢氧根离子放电,产生硫酸,阴极区氢离子放电,产生氢氧化钠,因此该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品,正确;C.负极区氢离子得到电子使溶液中c(H)减小,所以负极区溶液pH升高,错误;D.当电路中通过1 mol电子的电量时,会有0.25 mol的O2生成,错误。对点训练1下图为利用电化学方法处理有机废水的原理示意图。下列说法正确
6、的是()Aa、b极不能使用同种电极材料B工作时,a极的电势低于b极的电势C工作一段时间之后,a极区溶液的pH增大Db极的电极反应式为:CH3COO4H2O8e=2HCO9H解析:DA项:电极a、b上发生的反应不同,因而两极间形成电势差,故电极材料可同可异,A错误;B项:工作时,电极b上CH3COOHCO,碳元素从平均0价失电子升至4 价,电极b是原电池的负极,则电极a是电池的正极,a极的电势高于b极的电势,B错误;C项:电极a(正极)电极反应为H2eCl,正极每得到2 mol电子时,为使溶液电中性,必有2 mol H通过质子交换膜进入a极溶液,同时电极反应消耗1 mol H。故工作一段时间之后
7、,a极区溶液中H浓度增大,pH减小,C错误;D项:据图中物质转化,考虑到质量守恒和电荷守恒关系,电极b(负极)反应为CH3COO4H2O8e=2HCO9H,D正确。2近年来,尿素电氧化法处理富含尿素的工业废水和生活污水得到了广泛关注,该法具有操作简易、处理量大、运行周期长等优点,且该过程在碱性条件下产生无毒的CO2、N2。电池工作时,下列说法错误的是()A负极发生的反应为:CO(NH2)26OH6e=N2CO25H2OB正极附近溶液的pH增大C隔膜只允许阳离子通过D处理掉废水中尿素1.0 g时消耗O2 0.56 L(标准状况)解析:C由电池工作时的图像可知,通尿素的一极为负极,发生氧化反应,电
8、极反应为:CO(NH2)26OH6e=N2CO25H2O;通氧气的一极为正极,发生还原反应,电极反应为:O24e2H2O=4OH,以此解答该题;A.负极发生的反应为:CO(NH2)26OH6e=N2CO25H2O,A正确;B.正极附近发生电极反应O24e2H2O=4OH,产生OH,使溶液的pH增大,B正确;C.为维持溶液的电中性, 正极附近产生的OH通过隔膜进入负极被消耗,隔膜允许阴离子通过,C错误;D.根据电极反应可知负极每消耗尿素1.0 g时转移的电子为 mol,根据正极反应可得消耗的O2为: mol22.4 molL10.56 L,D正确。3(单膜)下图为一定条件下采用多孔惰性电极的储氢
9、电池充电装置(忽略其他有机物)。已知储氢装置的电流效率100%,下列说法不正确的是()A采用多孔电极增大了接触面积,可降低电池能量损失B过程中通过CH键的断裂实现氢的储存C生成目标产物的电极反应式为C6H66e6H=C6H12D若75%,则参加反应的苯为0.8 mol解析:BA.多孔电极可增大电极与电解质溶液接触面积,降低能量损失,A正确;B.该过程苯被还原为环己烷,CH键没有断裂,形成新的CH键,B错误;C.储氢是将苯转化为环己烷,电极反应式为C6H66e6H=C6H12,C正确;D.根据图示,苯加氢发生还原反应生成环己烷,装置中右侧电极为阳极,根据放电顺序,左侧电极反应式为2H2O4e=O
10、24H,生成1.6 mol O2失去的电子量为6.4 mol,根据阴阳得失电子守恒,阴极得到电子总数为6.4 mol,若75%,则生成苯消耗的电子数为6.4 mol75%4.8 mol,苯发生的反应C6H66e6H=C6H12,参加反应的苯的物质的量为4.8 mol/60.8 mol,D正确。4(双膜)氢氧化锂是制取锂和锂的化合物的原料,用电解法制备氢氧化锂的工作原理如图所示。下列叙述不正确的是()Ab极附近溶液的pH增大Ba极发生的反应为2H2O4e=O24HC该法制备LiOH还可得到硫酸和氢气等产品D当电路中通过1 mol电子时,可得到2 mol LiOH解析:DA.阳离子移向阴极,故阴极
11、得电子发生还原反应,则电极反应方程式为2Li2H2O2e=H22LiOH,故b极附近溶液的pH增大,故A正确;B.阴离子移向阳极,故a为阳极失电子发生氧化反应,故a极发生的反应为2H2O4e=O24H,故B正确;C.a极发生的反应为2H2O4e=O24H,SO移向a极可以与H结合生成硫酸,b极反应方程式为2H2O2e=H22OH,则可得到氢气,故该法制备LiOH还可得到硫酸和氢气等产品,故C正确;D.2Li2H2O2e=H22LiOH,故当电路中通过1 mol电子时,可得到1 mol LiOH,故D错误。5(多膜)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_。答案:(1)2H2O4e=O24H(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)POH2PO或H3PO2被氧化- 5 - 版权所有高考资源网