2024高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí)-考點(diǎn)二十一離子交換膜在電化學(xué)裝置中的應(yīng)用

考點(diǎn)二十一離子交換膜在電化學(xué)裝置中的應(yīng)用1.常見(jiàn)的離子交換膜種類允許通過(guò)的離子及移動(dòng)方向說(shuō)明陽(yáng)離子交換膜陽(yáng)離子→移向電解池的陰極或原電池的正極陰離子和氣體不能通過(guò)陰離子交換膜陰離子→移向電解池的陽(yáng)極或原電池的負(fù)極陽(yáng)離子和氣體不能通過(guò)質(zhì)子交換膜質(zhì)子→移向電解池的陰極或原電池的正極只允許H＋通過(guò)2.離子交換膜的功能(1)選擇性透過(guò)離子，平衡電荷，形成閉合回路(2)隔離某些分子和離子，防止副反應(yīng)——氯堿工業(yè)(3)應(yīng)用于制備物質(zhì)、分離物質(zhì)等【解題模型】三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如下圖所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場(chǎng)的作用下，兩膜中間的Na＋和SOeq\o\al(2－,4)可通過(guò)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。判斷ab、cd是什么交換膜；判斷離子的遷移方向；書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式；判斷電極產(chǎn)物。①弄清是原電池還是電解池，電極有外接電源→電解池；n→陽(yáng)極，m→陰極②根據(jù)電極判斷離子的移動(dòng)方向和交換膜的種類Na＋→通過(guò)ab→陰極?ab是陽(yáng)離子交換膜SOeq\o\al(2－,4)→通過(guò)cd→陽(yáng)極?cd是陰離子交換膜③根據(jù)放電順序?qū)懗鲭姌O反應(yīng)式陰極，陽(yáng)離子競(jìng)爭(zhēng)放電，放電順序：H＋>Na＋，陰極的電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－；陽(yáng)極，陰離子競(jìng)爭(zhēng)放電，放電順序：OH－>SOeq\o\al(2－,4)，陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋。④根據(jù)電極反應(yīng)式和離子移動(dòng)方向確定電極反應(yīng)物陰極H＋放電生成H2，剩余OH－與遷移過(guò)來(lái)的Na＋生成NaOH；陽(yáng)極OH－放電生成O2，剩余H＋與遷移過(guò)來(lái)的SOeq\o\al(2－,4)生成H2SO4。

【典例分析】(2021·河北卷)電池結(jié)構(gòu)如圖，a和b為兩個(gè)電極，其中之一為單質(zhì)鉀片。關(guān)于該電池，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A.隔膜允許通過(guò)，不允許通過(guò)B.放電時(shí)，電流由b電極沿導(dǎo)線流向a電極；充電時(shí)，b電極為陽(yáng)極C.產(chǎn)生1Ah電量時(shí)，生成的質(zhì)量與消耗的質(zhì)量比值約為2.22D.用此電池為鉛酸蓄電池充電，消耗3.9g鉀時(shí)，鉛酸蓄電池消耗0.9g水【答案】D【解析】本題考查電池的工作原理。由題圖可知，自發(fā)的氧化還原反應(yīng)為，所以單質(zhì)鉀片為負(fù)極，即a電極為負(fù)極，且在b極生成，所以隔膜允許通過(guò)，不允許O2通過(guò)，A項(xiàng)正確；放電時(shí)a為負(fù)極，b為正極，電流由b電極沿導(dǎo)線流向a電極，充電時(shí)b電極為陽(yáng)極，B項(xiàng)正確；根據(jù)電池反應(yīng)原理，生成的質(zhì)量與消耗的質(zhì)量比值恒為，C項(xiàng)正確；根據(jù)，消耗3.9g鉀時(shí)，轉(zhuǎn)移0.1mol電子，鉛酸蓄電池反應(yīng)，由得失電子守恒可知，轉(zhuǎn)移0.1mol，電子，鉛酸蓄電池消耗0.1mol水，質(zhì)量為1.8g，D項(xiàng)錯(cuò)誤。2．(2018·全國(guó)卷Ⅰ，13)最近我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種CO2＋H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，下列敘述錯(cuò)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＋SC．石墨烯上的電勢(shì)比ZnO@石墨烯上的低D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需為酸性答案C解析由題中信息可知，石墨烯電極發(fā)生氧化反應(yīng)，為電解池的陽(yáng)極，則ZnO@石墨烯電極為陰極。陽(yáng)極接電源正極，電勢(shì)高，陰極接電源負(fù)極，電勢(shì)低，故石墨烯上的電勢(shì)比ZnO@石墨烯上的高，C項(xiàng)錯(cuò)誤；由題圖可知，電解時(shí)陰極反應(yīng)式為CO2＋2H＋＋2e－=CO＋H2O，A項(xiàng)正確；將陰、陽(yáng)兩極反應(yīng)式合并可得總反應(yīng)式為CO2＋H2S=CO＋H2O＋S，B項(xiàng)正確；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D項(xiàng)正確。3．(2020·安徽省皖南八校高三模擬)微生物燃料電池能將污水中的乙二胺(H2NCH2CH2NH2)氧化成環(huán)境友好的物質(zhì)，示意圖如圖所示，a、b均為石墨電極。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．a(chǎn)電極的電極反應(yīng)為H2NCH2CH2NH2－16e－＋4H2O=2CO2↑＋N2↑＋16H＋B．電池工作時(shí)質(zhì)子通過(guò)交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)C．a(chǎn)電極上的電勢(shì)比b電極上的電勢(shì)低D．電池工作時(shí)b電極附近溶液的pH保持不變答案D解析H2N(CH2)2NH2在負(fù)極a上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氮?dú)?、二氧化碳和H＋，電極反應(yīng)式為H2NCH2CH2NH2－16e－＋4H2O=2CO2↑＋N2↑＋16H＋，A選項(xiàng)正確；原電池中，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，因此，電池工作時(shí)質(zhì)子(H＋)通過(guò)質(zhì)子交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)，B選項(xiàng)正確；a電極為負(fù)極，b電極為正極，故a電極上的電勢(shì)比b電極上的電勢(shì)低，C選項(xiàng)正確；電池工作時(shí)，氧氣在正極b上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O2＋4e－＋4H＋=2H2O，H＋濃度減小，故b電極附近溶液的pH增大，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。4．(1)(2020·北京石景山區(qū)模擬)我國(guó)研制出非貴金屬鎳鉬基高效電催化劑，實(shí)現(xiàn)電解富尿素廢水低能耗制H2，裝置如圖甲，總反應(yīng)：CO(NH2)2＋H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))3H2↑＋N2↑＋CO2↑。①A電極連接電源的______極(填“正”或“負(fù)”)。②A電極的電極反應(yīng)為_(kāi)______________________________。(2)(2020·四川綿陽(yáng)月考)電解制備KMnO4的裝置如圖乙所示。①b與電源的______(填“正”或“負(fù)”)極相連，電解液中最好選擇______(填“陽(yáng)”或“陰”)離子交換膜。②電解時(shí)，陽(yáng)極反應(yīng)式為_(kāi)_________________________________。答案(1)①正②CO(NH2)2＋H2O－6e－=N2↑＋CO2↑＋6H＋(2)①負(fù)陽(yáng)②MnOeq\o\al(2－,4)－e－=MnOeq\o\al(－,4)解析(1)B電極上逸出氫氣，發(fā)生還原反應(yīng)，故B電極為陰極，A電極為陽(yáng)極，電極反應(yīng)為CO(NH2)2＋H2O－6e－=N2↑＋CO2↑＋6H＋。(2)電解K2MnO4溶液制備KMnO4，則左側(cè)惰性電極是陽(yáng)極，a與電源的正