2024届高考一轮复习 第六章 化学反应与能量 第6讲 含交换膜的电化学装置在生产生活中的应用 课件（共54张）

第6讲

含交换膜的电化学装置在生产生活中的应用(综合应用课)离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。因它对离子具有选择透过性，且电化学性能优良，在涉及电化学的工业生产中广泛应用。由于离子交换膜能将工业生产与化学知识有机的融合，实现资源的最优配置，考查学生的学以致用能力，故近几年的电化学高考试题中年年涉及。主要呈现的是阴、阳离子交换膜，质子交换膜，双极膜和气体膜等，其功能是在于选择性通过某些离子和阻断某些离子或隔离某些物质，从而制备、分离或提纯某些物质，来丰富人们物质需求。解析：由题目信息知，Zn电极为负极，MnO2电极为正极，电池放电时，电解质溶液中阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，A项错误。答案：A2．(2021·全国甲卷)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如下图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是

()解析：由题图可知，在铅电极乙二酸变成乙醛酸是去氧的过程，发生还原反应，则铅电极是电解装置的阴极，石墨电极发生氧化反应，反应为2Br－－2e－===Br2，此为阳极反应式，由分析可知，Br－还是阳极反应物，A、B错误；制得2mol乙醛酸，实际上是左、右两侧各制得1mol乙醛酸，共转移2mol电子，故理论上外电路中迁移的电子为2mol，C错误；电解装置中，阳离子移向阴极(即铅电极)，D正确。答案：D3．(2021·广东等级考)钴(Co)的合金材料广泛应用

于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液

中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正

确的是

()A．工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B．生成1molCo，Ⅰ室溶液质量理论上减少16gC．移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变D．电解总反应：2Co2＋＋2H2O通电,2Co＋O2↑＋4H＋解析：石墨电极为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，H＋通过阳离子交换膜由Ⅰ室进入Ⅱ室，右侧Co电极为阴极，电极反应式为Co2＋＋2e－===Co，Cl－通过阴离子交换膜由Ⅲ室进入Ⅱ室，与H＋结合生成盐酸。由上述分析知，Ⅰ室中水放电使硫酸浓度增大，Ⅱ室中生成盐酸，故Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均减小，A错误；生成1molCo时，转移2mol电子，Ⅰ室有0.5molO2(即16g)逸出，有2mol(即2g)H＋通过阳离子交换膜进入Ⅱ室，则Ⅰ室溶液质量理论上减少18g，B错误；移除两交换膜后，石墨电极上的电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，C错误；根据分析可知，电解时生成了O2、Co、H＋，则电解总反应为2Co2＋＋2H2O通电,2Co＋O2↑＋4H＋，D正确。答案：D答案：C1．电化学中的交换膜(1)离子交换膜的种类阳离子交换膜只允许阳离子透过，不允许阴离子或某些分子透过阴离子交换膜只允许阴离子透过，不允许阳离子或某些分子透过质子交换膜只允许H＋透过，不允许其他阳离子和阴离子透过双极膜由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜特点是在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－并分别通过阳膜和阴膜，作为H＋和OH－的离子源气体膜只允许气体通过，不允许溶液通过续表(2)交换膜的功能使离子选择性定向迁移其目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷。(3)交换膜在中学电化学中的作用2．含膜电解池装置分析(1)两室电解池①制备原理：工业上利用如图两室电解装置制备烧碱阳极室中电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区H＋放电，破坏了水的电离平衡，使OH－浓度增大，阳极区Cl－放电，使溶液中的c(Cl－)减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na＋通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH－结合，得到浓的NaOH溶液。利用这种方法制备物质，纯度较高，基本没有杂质。②阳离子交换膜的作用它只允许Na＋通过，而阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应生成NaClO而影响烧碱的质量。(2)多室电解池3.离子交换膜类型的判断方法(1)首先写出阴、阳两极上的电极反应式。(2)依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余。(3)根据电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向。(4)根据离子移动的方向，确定离子交换膜的类型。4．有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法题型(一)用于物质的制备

[典例]

有机电化学合成是目前公认的一种绿色可持续性合成策略，电化学合成1,2-­二氯乙烷的装置如图。下列说法错误的是

()A．a为负极，离子交换膜Ⅰ为阳离子交换膜B．M极发生反应2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－C．电路中每通过1mole－理论上消耗28g乙烯D．随电解进行NaOH与NaCl需及时补充[解析]

根据图示，惰性电极N上，CuCl→CuCl2，发生氧化反应，N为阳极，则b为正极，a为负极，CuCl→CuCl2时，消耗Cl－，离子交换膜Ⅱ为阴离子交换膜，Cl－由NaCl溶液进入阳极室(N)，为了平衡电荷，Na＋由NaCl溶液进入阴极室(M)，离子交换膜Ⅰ为阳离子交换膜。a为负极，惰性电极M发生的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。随着电解进行，NaCl溶液需要补充，而NaOH不需要补充。电路中每通过1mole－理论上生成1molCuCl2，消耗14g乙烯。[答案]

D[题后悟道]电解原理常用于物质的制备，具有反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等优点，电解原理能使许多不能自发的反应得以实现。工业上常用多室电解池制备物质，多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为两室、三室、多室等，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。[综合应用训练]1．氢碘酸(HI)可用“四室电渗析法”制备，

其工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别

只允许阳离子、阴离子通过)。下列叙

述错误的是

()A．通电后，阴极室溶液的pH增大B．阳极电极反应式是2H2O－4e－===4H＋＋O2↑C．得到1mol产品HI，阳极室溶液质量减少8gD．通电过程中，NaI的浓度逐渐减小解析：通电后，阴极电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，则溶液的pH增大，故A正确；阳极上发生氧化反应，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，故B正确；根据阳极电极反应式可知得到1mol产品HI，则转移1mol电子，阳极室溶液质量减少9g，故C错误；通电过程中，原料室中的Na＋移向阴极室，I－移向产品室，所以NaI的浓度逐渐减小，故D正确。答案：C2．双极膜在电渗析中应用广泛，它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层，工作时水层中的H2О解离成H＋和OH－，并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。下图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。下列说法正确的是

()A．出口2的产物为HBr溶液B．出口5的产物为硫酸溶液C．Br－可从盐室最终进入阳极液中D．阴极电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑解析：电解时，

溶液中的阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，溶液中的Na＋向阴极移动，与双极膜提供的氢氧根离子结合，出口2的产物为NaOH溶液，A错误；电解时，

溶液中的阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，溶液中的Br－向阳极移动，与双极膜提供的氢离子结合，故出口4的产物为HBr溶液，钠离子不能通过双极膜，故出口5不是硫酸，B错误；结合选项B，Br－不会从盐室最终进入阳极液中，C错误；电解池阴极处，发生的反应是物质得到电子被还原，发生还原反应，水解离成H＋和OH－，则在阴极处发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑，D正确。答案：D解析：电解池中阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，由电解装置图可知，催化电极a为阳极，其电极反应式为C2H5OH＋Cl－－2e－===C2H5OCl＋H＋，催化电极b为阴极，其电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，在电解液中发生反应C2H5OCl―→CH3CHO＋Cl－＋H＋、CH3CHO＋2C2H5OH―→C6H14O2＋H2O，该装置内的总反应为3C2H5OH―→C6H14O2＋H2O＋H2↑。答案：D题型(二)用于物质的分离与提纯[典例]

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；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[题后悟道]利用电解原理来分离、提纯物质，如电解精炼铜的过程中，将粗铜作阳极，含Cu2＋的溶液为电解液，通直流电，在阳极铜及比铜活泼的杂质金属失电子，在阴极只有Cu2＋得电子析出，从而提纯了铜，也可以通过离子间带同种电荷的相互排斥远离，带异性电荷的相互吸引靠近，实现不同离子的定向迁移，从而实现对物质的分离与提纯，并由此判断出离子的移动方向。电解法是实现物质简单快速分离的一种有效手段，分离物质的同时得到副产物，具有比一般分离方法更实用的优势。[综合应用训练]1．某镍冶炼车间排放的废水中含有一定浓度的Ni2＋和Cl－，图1是双膜三室电沉积法回收废水中Ni2＋的示意图，图2所示的是实验中阴极液pH与镍回收率间的关系。下列说法不正确的是(Ni的相对原子质量为59) ()A．X为直流电源正极，b为阴离子交换膜B．阳极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋C．当浓缩室中得到1L0.5mol·L－1盐酸时，阴极回收11.8g镍单质(浓缩室中溶液体积变化忽略不计)D．pH小于2时，镍的回收率低的主要原因是有较多H2生成解析：该题的突破口为浓缩室进入的是0.1mol·L－1盐酸，排出的是0.5mol·L－1盐酸，据此可以判断右侧废水中的氯离子经过交换膜b(阴离子交换膜)进入浓缩室，左侧H2SO4溶液中氢离子经过交换膜a(阳离子交换膜)进入浓缩室，右侧惰性电极为阴极，左侧惰性电极为阳极。浓缩室中得到1L0.5mol·L－1盐酸，表明生成了0.4molHCl，电路中通过了0.4mole－，若阴极上只有Ni2＋放电，则阴极回收0.2mol镍即11.8g，实际上阴极除Ni2＋放电外，还存在H＋放电，故阴极回收的镍单质小于11.8g。答案：C答案：B答案：D题型(三)用于废水处理及环境保护[典例]

在直流电源作用下，双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，利用双极膜电解池产生强氧化性的羟基自由基(·OH)，处理含苯酚废水和含SO2的烟气的工作原理如图所示。下列说法错误的是

()A．电势：N电极＞M电极B．阴极电极反应式为O2＋2e－＋2H＋===2·OHC．每处理9.4g苯酚，理论上有2.8molH＋透过膜aD．若·OH只与苯酚和SO2反应，则参加反应的苯酚和SO2物质的量之比为1∶14[解析]M极上O2得电子生成羟基自由基(·OH)，说明M极为阴极，连接电源的负极，N极为阳极，故电势：N电极＞M电极，选项A正确；M为阴极，阴极上O2得电子生成羟基自由基(·OH)，电极反应式为O2＋2e－＋2H＋===2·OH，选项B正确；1mol苯酚转化为CO2，转移28mol电子，每处理9.4g苯酚(即0.1mol)，理论上有2.8mol电子转移，则有2.8molH＋透过膜b，选项C错误；若·OH只与苯酚和SO2反应，转移电子数之比为28∶2，则参加反应的苯酚和SO2物质的量之比为1∶14，选项D正确。[答案]C[题后悟道]应用电解的原理处理生产中的废水，可以直接将废水中有害物质通过电解形式分别在阳、阴两极上发生氧化和还原反应转化成为无害物质以实现污水净化；也可采用间接氧化和间接还原方式，即利用电解产生的具有氧化性或还原性的产物与废水中的有害物质发生化学反应，生成不溶于水的沉淀物，以达到分离去除的目的。解析：在电解过程中，阳极上铁发生氧化反应生成亚铁离子，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，故A错误；答案：A2．采用电化学方法使Fe2＋与H2O2反应，可生成非常活泼的·OH(羟基自由基)中间体用于降解废水中的有机污染物，原理如下图所示。下列说法不正确的是

()A．X上发生的电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H