高考化学专项突破离子交换膜在电化学装置中的应用

1、高考化学专项突破-离子交换膜在电化学装置中的应用一、离子交换膜的功能：使离子有选择性的定向迁移 (目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。二、离子交换膜在电化学中的作用(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C12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)能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。(3)用于物质的制备、分离、提纯等。三、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

2、阳离子 交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜三种。阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳 离子通过，阻止阴离子和气体通过；阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通 过，质子交换膜只允许质子 (H+)通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。可见离子 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。注意：反应物相同，不同的交换膜，迁移的离子种类不同。同种交换膜，转 移相同的电子数，如果离子所带电荷数不同，迁移离子数不同。离子迁移依据电荷 平衡，而离子数目变化量可能不相等。四、离子交换膜类型的判断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

3、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=HT,则阴极区域破坏水的电离平衡，OH有剩余，阳极区域的 Na卡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。五、真题再现1、（2019 全国卷I ）利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成， 电池工作时MV/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是A.相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能B.阴极区，在氢化酶作用下发生反应 H2+2MV2H+2MVC.正极区，固氮酶为催

4、化剂，N2发生还原反应生成NHD.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动【答案】B【解析】【分析】由生物燃料电池的示意图可知，左室电极为燃料电池的负极，MVS负极失电 子发生氧化反应生成 MV+,电极反应式为MV-e = MV+,放电生成的mV在氢化酶的作 用下与H2反应生成H+和MV,反应的方程式为H2+2MV=2H+2MV;右室电极为燃料电池的正极，MV+在正极得电子发生还原反应生成 mV,电极反应式为MV+e = mV,放电生 成的mV与N2在固氮酶的作用下反应生成NH和mU,反应的方程式为 N2+6H+6Ms6MV+NH,电池工作时，氢离子通过交换膜由负极向正极移动。【详解】A项

5、、相比现有工业合成氨，该方法选用酶作催化剂，条件温和，同时利用M口 MV+的相互转化，化学能转化为电能，故可提供电能，故 A正确；B项、左室为负极区，MVfc负极失电子发生氧化反应生成 M0,电极反应式为MV-e = MV+,放电生成的MV+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV,反应的方程式为 H+2MV=2H+2MV,故 B 错误；C项、右室为正极区，MV+在正极得电子发生还原反应生成 MV,电极反应式为M4+e =MV+,放电生成的mVW N2在固氮酶的作用下反应生成 NH和MV+,故C正确； D项、电池工作时，氢离子（即质子）通过交换膜由负极向正极移动，故D正确。故选B。2、（201

6、9 天津）我国科学家研制了一种新型的高比能量锌-碘澳液流电池，具工作原 理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。| 液 ZnBr-I答沌F列叙述不正确的是A.放电时，a电极反应为I2Br2e 2I BrB.放电时，溶液中离子的数目增大C.充电时，b电极每增重0.65g ,溶液中有0.02mol I被氧化D.充电时，a电极接外电源负极【答案】D【解析】【分析】放电时，Zn是负极，负极反应式为Zn-2e- - Zn2+ ,正极反应式为12Br- +2e- =2I-+Br ,充电时，阳极反应式为Br-+2I-2e-=l2Br-、阴极反应式为Zn2 +2e- =Zn,只有 阳离子能穿

7、过交换膜，阴离子不能穿过交换膜，据此分析解答。【详解】A、放电时，a电极为正极，碘得电子变成碘离子，正极反应式为12Br- +2e =2I- +Br-,故A正确；B、放电时，正极反应式为12Br- +2e =2I- +Br-,溶液中离子数目增大，故 B正确；C、充电时，b电极反应式为Zn2+2e=Zn,每土f加0.65g,转移0.02mol电子，阳极反应式为Br- +2I- -2e =l2Br-,有0.02molI -失电子被氧化，故 C正确；口充电时，a是阳极，应与外电源的正极相连，故 D错误；故选D。3、（2019 江苏节选）CQ的资源化利用能有效减少CO非放，充分利用碳资源。 电解法转化

8、C（M实现CO资源化利用。电解CO$UHCOOH原理示意图如下。写出阴极CO还原为HCO-O3电极反应式： 电解一段时间后，阳极区的KHC潞液浓度降低，其原因是。【答案】（2 CG+H+2e-HCO碳 C（2+ hco3 +2e= HCOOco3阳极产生Q, pH减小，HCO3浓度降低；K+部分迁移至阴极区【解析】（2）根据电解原理，阴极上得到电子，化合价降低，CO+ HCO + 2e=HCOO - + CG2-,或CO + H+ + 2e =HCO-O阳极反应式为2HO4e =QT + 4H+,阳极附近pH 减小，4与HCO反应，同时部分/迁移至阴极区，所以电解一段时间后，阳极区的 KHCO

9、S液浓度降低。4、（2018 全国卷I ）最近我国科学家设计了一种 CO+HS协同转化装置，实现对天然气中CO和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO魅墨烯（石墨烯-13 -包裹的ZnQ和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为:2+-3+ EDTA-Fe-e =EDTA-Fe2EDTA-Fe+hlS= 2H+S+2EDTA-Fe该装置工作时，下列叙述错误的是A.阴极的电极反应：CO+2H+2e = CO+2OB.协同转化总反应：CO+HS= CO+2O+SC.石墨烯上的电势比ZnO画墨烯上的低D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe7EDTA-Fe2+,溶液需为酸性【答案】C【解

10、析】该装置属于电解池,CO在ZnO画墨烯电极上转化为CQ发生得到电子的还原反应，为阴极，石墨烯电极为阳极，发生失去电子的氧化反应，据此解答A、CO在ZnO画墨烯电极上转化为 CO发生得到电子的还原反应，为阴极，电极反应式为 CO+Ht +2e =CO+2O, A正确;B、根据石墨烯电极上发生的电极反应可知 +即得到HS 2e = 214 +S,因此总反应式为CO+HS= CO+2O+S B正确;C、石墨烯电极为阳极，与电源的正极相连，因此石墨烯上的电势比ZnO:墨烯电极上的高，C错误；口由于铁离子、亚铁离子均易水解，所以如果采用Fe"/Fe2+取彳t EDTA-F&+ /ED

11、TA-Fe2十 ,溶液需要酸性，D正确。答案选G5、（2018 全国卷I , 丁27（3）制备Na2s205也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稀S6碳吸收液【答案】（3） 2H 2。4e 4H O2 a6、（2018 全国卷田，丁27（3） ） KIO3也可采用“电解法” 制备，装置如图所示。 写出电解时阴极的电极反应式 。 电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为,其迁移方向是。7. 2018年11月浙江选考最近，科学家研发了 “全氢电池”

12、，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是 吸附以需于交操膜吸附层A.右边吸附层中发生了还原反应B.负极的电极反应是 H2-2e +2OIH = 2H2OC.电池的总反应是 2H + Q = 2H2。D.电解质溶液中Na+向右移动，CIO向左移动【答案】C【解析】由电子的流动方向可以得知左边为负极，发生氧化反应；右边为正极，发生还原反应，故选项A、B正确；电池的总反应没有 Q参与，总反应方程式不存在氧气，故C选项不正确；在原电池中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故D选项正确。答案选G8、（2016 全国卷I, Tii）三室式电渗析法处理含 NaSO废水的原理如图所示，采用 惰性电极，ab、

13、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的 Nat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.向正极迁移，正极区溶液pH增大B.该法在处理含NaSO废水时可以得到NaO悌口 H2SO产品C.负极反应为2H2O- 4e =OT +4Hl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。生成【答案】B【解析】直流电场作用一图中的一极和+极就是阴极和阳极 根据电解时，阳离子移向阴极阴离子移向阳极> SO 移向 + 极，Na 移向 一 极 >ab为阳离子父换膜，cd为阴离子交换膜一一

14、“”极反应为2H+ + 2e-=HT, pH增大；“ + ”极 反应为 4OH 4e =OT +2HO, pH减小。【变式训练】(1)ab为(填“阴”或“阳”，下同)离子交换膜，cd为离子交换膜。(2)正极区的电极反应式为正极区的pH变(填“大”或“小”),从平衡角度解释原因 (3)当正极产生0.5 mol气体时，通过cd膜的离子数目为 。【答案】(1)阳阴(2)4OH -4e =OT + 2HO 小 正极区溶液中存在 H2O=HI+ + OH, OH放电, c(OH)减小，上述平衡右移，使 c(H )>c(OH ),且c(H+)逐渐增大，pH减小(3)6.02 X 1023(或 N)集

15、中强化训练1. (2019 保定模拟)用NaSO溶液吸收硫酸工业尾气中的二氧化硫，将所得的混 合液进行电解循环再生，这种新工艺叫再生循环脱硫法。其中阴、阳离子交换膜组合 循环再生机理如图所示，下列有关说法中不正确的是()A. X为直流电源的负极，Y为直流电源的正极B.阳极反应为 4OH 4e=2HO+ QfC.图中的b>aD.该过程中的产品主要为H2SO和H2【答案】B 根据Naf和SO的移向可知Pt( I)为阴极，反应为2H+2e=H,Pt( H)为阳极，反应为 SCO -2e +hlO=SO+ 2H 2 . (2014 全国卷I ,改编)次磷酸(H3PO)可用电渗析法制备。“四室电渗

16、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)左电极为极，电极反应式为(2)阳极室中的通过阳膜进入产品室；原料室中通过阳膜进入阴极室；原料室中通过阴膜进入产品室。(3)产品室中发生的离子反应方程式为 (4)早期采用“三室电渗析法”制备 HPO:将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸 用H3PO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)阳 4OH 4e =2HO+ QT (或 2HO-4e =4H + QT)(2)H + Na+ HPO2(3)H + + HPG=HPO(4)PO3

17、H2PG(或 HPO)被氧化3 .某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag+ Cl2=2AgCl(1)当电路中转移a mol e一时，交换膜左侧溶液中约减少 mol离子。交换 膜右侧溶液中c(HCl)(填 “<”或" =" )1 mol L-(忽略溶液体积变 化)。(2)若质子交换膜换成阴离子交换膜，其他不变。若有 11.2 L氯气(标准状况)参 与反应，则必有 mol(填离子符号)由交换膜侧通过交换膜向 侧迁移。交换膜右侧溶液中c(HCl)(填“>” “<”或")1 molL(忽略溶液体积变化)。【答案】(1)2 a > (2)1 Cl 右左 =【解析】(1)正极的电极反应式为 Cl2 + 2e =2Cl ,负极的电极反应式为 Ag e + Cl =AgCl隔膜只允许氢离子通过，转移 a mol电子，必有a mol Cl 一形成沉淀。 为了维持电荷平衡，交换膜左侧溶液中必有 a mol可向交换膜右侧迁移，故交换膜左 侧共减少2a mol离子(a mol Cl +a mol H