隔膜在电化学中的应用

小专题“隔膜”在电化学中的应用

【素养提升】

电化学在合成工业、污染治理等领域应用广泛,离子交换膜充当了重要角色。本专题主要考查离子交换膜在化工生产中的应用,涉及离子交换膜的种类判断、结合工业目的分析其作用、电化学计算等内容,考查了归纳与论证、分析与推测能力,渗透宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的学科核心素养。

【必备知识】

离子交换膜是一种选择性透过膜,允许某些离子通过,离子迁移方向遵循原电池或电解池中离子迁移的规律。1、功能：促使离子选择性定向移动,平衡整个溶液的离子浓度或电荷。2、作用：(1)隔离某些物质,防止阴极产物与阳极产物之间发生反应。(2)用于物质的制备,电解后在阴极区或阳极区得到所制备的物质。(3)用于物质分离、提纯。3、常见离子交换膜的种类(1)阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)：阳离子→透过阳离子交换膜→原电池的正极(或电解池的阴极)。(2)质子交换膜(只允许H+和水分子通过)：H+→透过质子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极)。(3)阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过)：阴离子→透过阴离子交换膜→电解池的阳极(或原电池的负极)。(4)双极膜：双极膜是一种新型离子交换复合膜,它一般由阴离子交换层和阳离子交换层及中间界面亲水层组成。在直流电场作用下,从膜外渗透入膜间的水分子即刻分解成H+和OH-，可作为H+和OH-的供应源。4、考情趋势(1)“膜”数量变化：由“单膜”→“双膜”→“多膜”，进行“膜”的数量变化。(2)“膜”种类变化：由“阴、阳离子交换膜”→“质子交换膜”→“高聚物隔膜”→“双极隔膜”等,进行“膜”的种类变化。(3)“膜”作用变化：由“离子交换”→“物质制备”→“分离提纯”等,进行“膜”的作用发生变化。(4)“膜”参与的计算：穿过隔膜的离子所带电荷数与外电路转移电子数相同。

【思维主线】1、电极反应：写出阴、阳（或正、负）两级上的电极反应。2、离子穿膜：离子定向移动是否实现工艺目的。3、工艺目标：制备产品、提纯、污染治理。

【专题例析】例1、(2021·黔东南州检测)二甲醚(CH3OCH3)燃料电池的工作原理如图，下列有关叙述正确的是(

)A．该装置能实现化学能100%转化为电能B．电子移动方向为a极→b极→质子交换膜→a极C．a电极的电极反应式为CH3OCH3＋3H2O＋12e－===2CO2＋12H＋D．当b电极消耗标准状况下22.4LO2时，质子交换膜有4molH＋通过例2、(2021·黑龙江哈尔滨检测)用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的NH4＋，模拟装置如图所示。下列说法正确的是(

)A．阳极室溶液由无色变成棕黄色B．阴极的电极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑C．电解一段时间后，阴极室溶液中的pH升高D．电解一段时间后，阴极室溶液中的溶质一定是(NH4)3PO4例3、我国科学家研发了一种水系可逆Zn-CO2电池，将两组阴离子、阳离子复合膜反向放置分隔两室电解液，充电、放电时，复合膜层间的H2O解离成H+和OH-，工作原理如图所示。下列说法正确的是（）A．a膜是阴离子交换膜，b膜是阳离子交换膜B．放电时负极的电极反应式为Zn+4OH－－2e－===Zn(OH)42-C．充电时多孔Pd纳米片附近pH升高D．充电时Zn与外接直流电源正极相连，将电能转化为化学能

【专题精练】1、(2021·安徽合肥质检)利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。可用电解LiCl溶液制备LiOH，装置如下图所示。下列说法中正确的是(

)A．电极B连接电源正极B．A极区电解液为LiCl溶液C．阳极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－D．每生成1molH2，有1molLi＋通过阳离子交换膜2、(2021·湖南雅礼中学检测)NCl3是一种黄色粘稠状液体，常用于杀菌消毒，工业上通过惰性电极电解氯化铵和盐酸的方法制备NCl3，其原理如图所示。下列说法正确的是(

)A．在b极区产生的气体是H2B．a极的电极反应式为NH4＋＋4OH－＋3Cl－－6e－===NCl3＋4H2OC．溶液中的Cl－移向b极区D．若将阴离子交换膜改为阳离子交换膜，NH4Cl的利用率不变3、(2018·全国卷Ⅰ)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：①EDTA­Fe2＋－e－===EDTA­Fe3＋②2EDTA­Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA­Fe2＋该装置工作时，下列叙述错误的是(

)A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2OB．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S↓C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA­Fe3＋/EDTA­Fe2＋，溶液需为酸性4、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SO42－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SO2－4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2H2O－4e－===O2＋4H＋，负极区溶液pH降低D．当电路中通过1mol电子的电量时，会有0.5mol的O2生成5、某科研小组研究采用BMED膜堆(示意图如下)，模拟以精制浓海水为原料直接制备酸碱。BMED膜堆包括阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜(A、D)。已知：在直流电源的作用下，双极膜内中间界面层发生水的解离，生成H＋和OH－。下列说法错误的是(

)A．电极a连接电源的正极B．B为阳离子交换膜C．电解质溶液采用Na2SO4溶液可避免有害气体的产生D．Ⅱ口排出的是淡水6、ZulemaBorjas等设计的一种微生物脱盐池的装置如图所示，下列说法正确的是(