隔膜在電化學(xué)中的應(yīng)用

小專題“隔膜”在電化學(xué)中的應(yīng)用

【素養(yǎng)提升】

電化學(xué)在合成工業(yè)、污染治理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,離子交換膜充當(dāng)了重要角色。本專題主要考查離子交換膜在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用,涉及離子交換膜的種類判斷、結(jié)合工業(yè)目的分析其作用、電化學(xué)計算等內(nèi)容,考查了歸納與論證、分析與推測能力,滲透宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。

【必備知識】

離子交換膜是一種選擇性透過膜,允許某些離子通過,離子遷移方向遵循原電池或電解池中離子遷移的規(guī)律。1、功能：促使離子選擇性定向移動,平衡整個溶液的離子濃度或電荷。2、作用：(1)隔離某些物質(zhì),防止陰極產(chǎn)物與陽極產(chǎn)物之間發(fā)生反應(yīng)。(2)用于物質(zhì)的制備,電解后在陰極區(qū)或陽極區(qū)得到所制備的物質(zhì)。(3)用于物質(zhì)分離、提純。3、常見離子交換膜的種類(1)陽離子交換膜(只允許陽離子和水分子通過)：陽離子→透過陽離子交換膜→原電池的正極(或電解池的陰極)。(2)質(zhì)子交換膜(只允許H+和水分子通過)：H+→透過質(zhì)子交換膜→原電池正極(或電解池的陰極)。(3)陰離子交換膜(只允許陰離子和水分子通過)：陰離子→透過陰離子交換膜→電解池的陽極(或原電池的負(fù)極)。(4)雙極膜：雙極膜是一種新型離子交換復(fù)合膜,它一般由陰離子交換層和陽離子交換層及中間界面親水層組成。在直流電場作用下,從膜外滲透入膜間的水分子即刻分解成H+和OH-，可作為H+和OH-的供應(yīng)源。4、考情趨勢(1)“膜”數(shù)量變化：由“單膜”→“雙膜”→“多膜”，進(jìn)行“膜”的數(shù)量變化。(2)“膜”種類變化：由“陰、陽離子交換膜”→“質(zhì)子交換膜”→“高聚物隔膜”→“雙極隔膜”等,進(jìn)行“膜”的種類變化。(3)“膜”作用變化：由“離子交換”→“物質(zhì)制備”→“分離提純”等,進(jìn)行“膜”的作用發(fā)生變化。(4)“膜”參與的計算：穿過隔膜的離子所帶電荷數(shù)與外電路轉(zhuǎn)移電子數(shù)相同。

【思維主線】1、電極反應(yīng)：寫出陰、陽（或正、負(fù)）兩級上的電極反應(yīng)。2、離子穿膜：離子定向移動是否實現(xiàn)工藝目的。3、工藝目標(biāo)：制備產(chǎn)品、提純、污染治理。

【專題例析】例1、(2021·黔東南州檢測)二甲醚(CH3OCH3)燃料電池的工作原理如圖，下列有關(guān)敘述正確的是(

)A．該裝置能實現(xiàn)化學(xué)能100%轉(zhuǎn)化為電能B．電子移動方向為a極→b極→質(zhì)子交換膜→a極C．a(chǎn)電極的電極反應(yīng)式為CH3OCH3＋3H2O＋12e－===2CO2＋12H＋D．當(dāng)b電極消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下22.4LO2時，質(zhì)子交換膜有4molH＋通過例2、(2021·黑龍江哈爾濱檢測)用一種陰、陽離子雙隔膜三室電解槽處理廢水中的NH4＋，模擬裝置如圖所示。下列說法正確的是(

)A．陽極室溶液由無色變成棕黃色B．陰極的電極反應(yīng)式為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑C．電解一段時間后，陰極室溶液中的pH升高D．電解一段時間后，陰極室溶液中的溶質(zhì)一定是(NH4)3PO4例3、我國科學(xué)家研發(fā)了一種水系可逆Zn-CO2電池，將兩組陰離子、陽離子復(fù)合膜反向放置分隔兩室電解液，充電、放電時，復(fù)合膜層間的H2O解離成H+和OH-，工作原理如圖所示。下列說法正確的是（）A．a(chǎn)膜是陰離子交換膜，b膜是陽離子交換膜B．放電時負(fù)極的電極反應(yīng)式為Zn+4OH－－2e－===Zn(OH)42-C．充電時多孔Pd納米片附近pH升高D．充電時Zn與外接直流電源正極相連，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能

【專題精練】1、(2021·安徽合肥質(zhì)檢)利用LiOH和鈷氧化物可制備鋰離子電池正極材料。可用電解LiCl溶液制備LiOH，裝置如下圖所示。下列說法中正確的是(

)A．電極B連接電源正極B．A極區(qū)電解液為LiCl溶液C．陽極反應(yīng)式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－D．每生成1molH2，有1molLi＋通過陽離子交換膜2、(2021·湖南雅禮中學(xué)檢測)NCl3是一種黃色粘稠狀液體，常用于殺菌消毒，工業(yè)上通過惰性電極電解氯化銨和鹽酸的方法制備NCl3，其原理如圖所示。下列說法正確的是(

)A．在b極區(qū)產(chǎn)生的氣體是H2B．a(chǎn)極的電極反應(yīng)式為NH4＋＋4OH－＋3Cl－－6e－===NCl3＋4H2OC．溶液中的Cl－移向b極區(qū)D．若將陰離子交換膜改為陽離子交換膜，NH4Cl的利用率不變3、(2018·全國卷Ⅰ)最近我國科學(xué)家設(shè)計了一種CO2＋H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置，實現(xiàn)對天然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如下所示，其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯電極區(qū)發(fā)生反應(yīng)為：①EDTA-Fe2＋－e－===EDTA-Fe3＋②2EDTA-Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋該裝置工作時，下列敘述錯誤的是(

)A．陰極的電極反應(yīng)：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2OB．協(xié)同轉(zhuǎn)化總反應(yīng)：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S↓C．石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯上的低D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需為酸性4、三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如圖所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場的作用下，兩膜中間的Na＋和SO42－可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進(jìn)入中間隔室。下列敘述正確的是(

)A．通電后中間隔室的SO2－4向正極遷移，正極區(qū)溶液pH增大B．該法在處理含Na2SO4廢水時可以得到NaOH和H2SO4產(chǎn)品C．負(fù)極反應(yīng)為2H2O－4e－===O2＋4H＋，負(fù)極區(qū)溶液pH降低D．當(dāng)電路中通過1mol電子的電量時，會有0.5mol的O2生成5、某科研小組研究采用BMED膜堆(示意圖如下)，模擬以精制濃海水為原料直接制備酸堿。BMED膜堆包括陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極膜(A、D)。已知：在直流電源的作用下，雙極膜內(nèi)中間界面層發(fā)生水的解離，生成H＋和OH－。下列說法錯誤的是(

)A．電極a連接電源的正極B．B為陽離子交換膜C．電解質(zhì)溶液采用Na2SO4溶液可避免有害氣體的產(chǎn)生D．Ⅱ口排出的是淡水6、ZulemaBorjas等設(shè)計的一種微生物脫鹽池的裝置如圖所示，下列說法正確的是(