專題講座(六)-介質(zhì)和隔膜在電化學(xué)的作用(精講)-2022年一輪復(fù)習(xí)講練測(cè)(原卷版)

專題講座（六）介質(zhì)和隔膜在電化學(xué)的作用【考情分析】在近幾年高考中,涉及離子交換膜的應(yīng)用及電解質(zhì)溶液介質(zhì)對(duì)電極反應(yīng)影響的試題比較多,且常出常新,離子交換膜的功能在于選擇性地通過(guò)某些離子和阻止某些離子來(lái)隔離某些物質(zhì),電解質(zhì)溶液中的電解質(zhì)可能與電極反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行反應(yīng)。通過(guò)分析、推理等方法認(rèn)識(shí)原電池及電解池原理,明確電解質(zhì)溶液中離子的移動(dòng)方向,兩電極發(fā)生的反應(yīng),根據(jù)離子交換膜的種類(lèi)確定通過(guò)哪些離子,判斷交換膜的作用?！竞诵乃仞B(yǎng)分析】1.證據(jù)推理與模型認(rèn)知：建立介質(zhì)和隔膜的認(rèn)知模型,并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象,揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。2.科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任：關(guān)注與電化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題,具有可持續(xù)發(fā)展意識(shí)和綠色化學(xué)觀念,提升科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的化學(xué)核心素養(yǎng)?！局R(shí)梳理】智能點(diǎn)一電化學(xué)中的隔膜1．常見(jiàn)的離子交換膜離子交換膜又叫隔膜，由高分子特殊材料制成。使離子選擇性定向遷移(目的是平衡整個(gè)溶液的離子濃度或電荷)。2．離子交換膜的作用(1)能將兩極區(qū)隔離，阻止兩極區(qū)產(chǎn)生的物質(zhì)接觸，防止副反應(yīng)的發(fā)生,避免影響所制取產(chǎn)品的質(zhì)量;防止引發(fā)不安全因素。如在電解飽和食鹽水中,利用陽(yáng)離子交換膜,防止陽(yáng)極產(chǎn)生的氯氣進(jìn)入陰極室與氫氧化鈉反應(yīng),導(dǎo)致所制產(chǎn)品不純;防止氯氣與陰極產(chǎn)生的氫氣混合發(fā)生爆炸。(2)能選擇性的通過(guò)離子，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。(3)用于物質(zhì)的制備、分離、提純等。3．離子交換膜的類(lèi)型(1)陽(yáng)離子交換膜(只允許陽(yáng)離子和水分子通過(guò)，阻止陰離子和氣體通過(guò))以鋅銅原電池為例，中間用陽(yáng)離子交換膜隔開(kāi)①負(fù)極反應(yīng)式：Zn－2e－=Zn2＋②正極反應(yīng)式：Cu2＋＋2e－=Cu③Zn2＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入正極區(qū)④陽(yáng)離子→透過(guò)陽(yáng)離子交換膜→原電池正極(或電解池的陰極)(2)陰離子交換膜(只允許陰離子和水分子通過(guò)，阻止陽(yáng)離子和氣體通過(guò))以Pt為電極電解淀粉-KI溶液，中間用陰離子交換膜隔開(kāi)①陰極反應(yīng)式：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－②陽(yáng)極反應(yīng)式：2I－－2e－=I2③陰極產(chǎn)生的OH－移向陽(yáng)極與陽(yáng)極產(chǎn)物反應(yīng)：3I2＋6OH－=IOeq\o\al(－,3)＋5I－＋3H2O④陰離子→透過(guò)陰離子交換膜→電解池陽(yáng)極(或原電池的負(fù)極)(3)質(zhì)子交換膜(只允許H＋和水分子通過(guò))在微生物作用下電解有機(jī)廢水(含CH3COOH)，可獲得清潔能源H2①陰極反應(yīng)式：2H＋＋2e－=H2↑②陽(yáng)極反應(yīng)式：CH3COOH－8e－＋2H2O=2CO2↑＋8H＋③陽(yáng)極產(chǎn)生的H＋通過(guò)質(zhì)子交換膜移向陰極④H＋→透過(guò)質(zhì)子交換膜→原電池正極(或電解池的陰極)(4)電滲析法將含AnBm的廢水再生為HnB和A(OH)m的原理：已知A為金屬活動(dòng)順序表H之前的金屬，Bn－為含氧酸根離子4.離子交換膜選擇的依據(jù)：離子的定向移動(dòng)。5.離子交換膜類(lèi)型的判斷（根據(jù)電解質(zhì)溶液呈中性的原則,判斷交換膜的類(lèi)型）（1）首先寫(xiě)出陰、陽(yáng)兩極上的電極反應(yīng),依據(jù)電極反應(yīng)確定該電極附近哪種離子剩余,（2）根據(jù)溶液呈電中性,從而判斷出離子移動(dòng)的方向,進(jìn)而確定離子交換膜的類(lèi)型。如電解飽和食鹽水時(shí),陰極反應(yīng)為2H++2e-H2↑,則陰極區(qū)域破壞水的電離平衡,OH-有剩余,陽(yáng)極區(qū)域的Na+穿過(guò)離子交換膜進(jìn)入陰極室,與OH-形成NaOH溶液,故電解食鹽水時(shí)的離子交換膜是陽(yáng)離子交換膜。6.“離子交換膜”電解池的解題思路(1)分清隔膜類(lèi)型：即交換膜屬于陽(yáng)膜、陰膜或質(zhì)子膜中的哪一種，判斷允許哪種離子通過(guò)隔膜；(2)寫(xiě)出電極反應(yīng)式：判斷交換膜兩側(cè)離子變化，推斷電荷變化，據(jù)電荷平衡判斷離子遷移方向；(3)分析隔膜作用：在產(chǎn)品制備中，隔膜作用主要是提高產(chǎn)品純度，避免產(chǎn)物之間發(fā)生反應(yīng)，或避免產(chǎn)物因發(fā)生反應(yīng)而造成危險(xiǎn)；(4)利用定量關(guān)系進(jìn)行計(jì)算：外電路電子轉(zhuǎn)移數(shù)＝通過(guò)隔膜的陰、陽(yáng)離子帶的負(fù)或正電荷數(shù)。智能點(diǎn)二隔膜在多室電解池中的應(yīng)用多室電解池是利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，即允許帶某種電荷的離子通過(guò)而限制帶相反電荷的離子通過(guò)，將電解池分為兩室、三室、多室等，以達(dá)到濃縮、凈化、提純及電化學(xué)合成的目的。(1)兩室電解池①制備原理：如工業(yè)上利用如圖兩室電解裝置制備燒堿陽(yáng)極室中電極反應(yīng)：2Cl－－2e－=Cl2↑，陰極室中的電極反應(yīng)：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，陰極區(qū)H＋放電，破壞了水的電離平衡，使OH－濃度增大，陽(yáng)極區(qū)Cl－放電，使溶液中的c(Cl－)減小，為保持電荷守恒，陽(yáng)極室中的Na＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜與陰極室中生成的OH－結(jié)合，得到濃的NaOH溶液。利用這種方法制備物質(zhì)，純度較高，基本沒(méi)有雜質(zhì)。②陽(yáng)離子交換膜的作用：它只允許Na＋通過(guò)，而阻止陰離子(Cl－)和氣體(Cl2)通過(guò)。這樣既防止了兩極產(chǎn)生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和陰極產(chǎn)生的NaOH反應(yīng)生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)量。(2)三室電解池利用三室電解裝置制備N(xiāo)H4NO3，其工作原理如圖所示。陰極的NO被還原為NHeq\o\al(＋,4)：NO＋5e－＋6H＋=NHeq\o\al(＋,4)＋H2O，NHeq\o\al(＋,4)通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入中間室；陽(yáng)極的NO被氧化為NOeq\o\al(－,3)：NO－3e－＋2H2O=NOeq\o\al(－,3)＋4H＋，NOeq\o\al(－,3)通過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入中間室。根據(jù)電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等可得電解總反應(yīng)：8NO＋7H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))3NH4NO3＋2HNO3，為使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH4NO3，補(bǔ)充適量NH3可以使電解產(chǎn)生的HNO3轉(zhuǎn)化為NH4NO3。(3)多室電解池利用“四室電滲析法”制備H3PO2(次磷酸)，其工作原理如圖所示。電解稀硫酸的陽(yáng)極反應(yīng)：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，產(chǎn)生的H＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室，原料室中的H2POeq\o\al(－,2)穿過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室，與H＋結(jié)合生成弱電解質(zhì)H3PO2；電解NaOH稀溶液的陰極反應(yīng)：4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入陰極室。智能點(diǎn)三電化學(xué)中的介質(zhì)1.不同介質(zhì)下電極反應(yīng)式、總反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法1）燃料電池總反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě)

因?yàn)槿剂想姵匕l(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，可根據(jù)燃料燃燒反應(yīng)寫(xiě)出燃料電池的總反應(yīng)方程式，但要注意燃料的種類(lèi)。若是氫氧燃料電池，其電池總反應(yīng)方程式不隨電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性變化而變化，即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其電池總反應(yīng)方程式就與電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有關(guān)，如甲烷燃料電池在酸性電解質(zhì)中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在堿性電解質(zhì)中生成CO32-離子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。2）燃料電池正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)因?yàn)槿剂想姵卣龢O反應(yīng)物一律是氧氣，正極都是氧化劑氧氣得到電子的還原反應(yīng)，所以可先寫(xiě)出正極反應(yīng)式，正極反應(yīng)的本質(zhì)都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是O2＋4e-=2O2-。正極產(chǎn)生O2-離子的存在形式與燃料電池的電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有著密切的關(guān)系。這是非常重要的一步。現(xiàn)將與電解質(zhì)有關(guān)的五種情況歸納如下。⑴電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫酸）

在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨(dú)存在，可供O2-離子結(jié)合的微粒有H+離子和H2O，O2-離子優(yōu)先結(jié)合H+離子生成H2O。這樣，在酸性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為O2＋4H++4e-=2H2O。⑵電解質(zhì)為中性或堿性電解質(zhì)溶液（如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液）在中性或堿性環(huán)境中，O2-離子也不能單獨(dú)存在，O2-離子只能結(jié)合H2O生成OH-離子，故在中性或堿性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為O2＋2H2O+4e-=4OH-。⑶電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽（如LiCO3和Na2CO3熔融鹽混和物）在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O2-離子也不能單獨(dú)存在，O2-離子可結(jié)合CO2生成CO32-離子，則其正極反應(yīng)式為O2＋2CO2+4e-=2CO32-。⑷電解質(zhì)為固體電解質(zhì)（如固體氧化鋯—氧化釔）該固體電解質(zhì)在高溫下可允許O2-離子在其間通過(guò)，故其正極反應(yīng)式應(yīng)為O2＋4e-=2O2-。綜上所述，燃料電池正極反應(yīng)式本質(zhì)都是O2＋4e-=2O2-，在不同電解質(zhì)環(huán)境中，其正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)形式有所不同。因此在書(shū)寫(xiě)正極反應(yīng)式時(shí)，要特別注意所給電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性。3）燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)

燃料電池負(fù)極反應(yīng)物種類(lèi)比較繁多，可為氫氣、水煤氣、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物質(zhì)。不同的可燃物有不同的書(shū)寫(xiě)方式，要想先寫(xiě)出負(fù)極反應(yīng)式相當(dāng)困難。一般燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式都是采用間接方法書(shū)寫(xiě)，即按上述要求先正確寫(xiě)出燃料電池的總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得負(fù)極反應(yīng)式。2.電化學(xué)中常見(jiàn)的六大介質(zhì)(以CH3OH、O2燃料電池為例)(1)中性溶液(如K2SO4溶液)。總反應(yīng):2CH3OH+3O22CO2+4H2O負(fù)極反應(yīng):2CH3OH-12e-+2H2O2CO2↑+12H+正極反應(yīng):3O2+12e-+6H2O12OH-(2)堿性介質(zhì)(如KOH溶液)。總反應(yīng):2CH3OH+3O2+4OH-2CO32?+6H2負(fù)極反應(yīng):2CH3OH-12e-+16OH-2CO32?+12H2正極反應(yīng):3O2+12e-+6H2O12OH-(3)酸性介質(zhì)(如H2SO4溶液)?？偡磻?yīng):2CH3OH+3O22CO2+4H2O負(fù)極反應(yīng):2CH3OH-12e-+2H2O2CO2↑+12H+正極反應(yīng):3O2+12e-+12H+6H2O(4)熔融鹽介質(zhì)(如熔融的K2CO3)?？偡磻?yīng):2CH3OH+3O22CO2+4H2O負(fù)極反應(yīng):2CH3OH-12e-+6CO32?8CO2↑+4H2正極反應(yīng):3O2+12e-+6CO26CO3(5)在高溫下能傳導(dǎo)正極生成的O2-的介質(zhì)(如摻雜Y2O3的ZrO3固體電解質(zhì))?？偡磻?yīng):2CH3OH+3O22CO2+4H2O負(fù)極反應(yīng):2CH3OH-12e-+6O2-2CO2↑+4H2O正極反應(yīng):3O2+12e-6O2-(6)在高溫下能傳導(dǎo)質(zhì)子的固體介質(zhì)總反應(yīng):2CH3OH+3O22CO2+4H2O負(fù)極反應(yīng):2CH3OH-12e-+2H2O2CO2↑+12H+正極反應(yīng):3O2+12e-+12H+6H2O【典例剖析】高頻考點(diǎn)1考查離子交換膜在原電池中的應(yīng)用例1.（2021·平陰縣第一中學(xué)高三月考）一種“全氫電池”的工作原理如圖所示。下列說(shuō)法不正確的是A．電子流向是從吸附層M通過(guò)導(dǎo)線到吸附層NB．Na+從右邊穿過(guò)離子交換膜向左邊移動(dòng)C．離子交換膜可用質(zhì)子交換膜D．負(fù)極的電極反應(yīng)是：H2-2e-+2OH-=2H2O【變式訓(xùn)練】（2021·湖北師范大學(xué)高三月考）我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)的一種光電催化高效脫硫，并同步制備H2O2的裝置如圖所示。其中雙極膜是由陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜組成，兩膜之間的催化劑可將水分子離解成H＋和OH-。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是A．該裝置將電能和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能B．雙極膜中的a膜是陽(yáng)離子交換膜C．陰極區(qū)發(fā)生的電極反應(yīng)為O2+2e-+2H＋=H2O2D．0.5molSO2參與反應(yīng)，生成H2O2的數(shù)目為0.5NA高頻考點(diǎn)2考查離子交換膜在電解池中的應(yīng)用例2.（2021·湖南高三）雙極膜(BP)是陰、陽(yáng)復(fù)合膜，在直流電作用下，陰、陽(yáng)膜復(fù)合層間的H2O解離成H＋和OH-。利用雙極膜電滲析法和惰性電極電解食鹽水可獲得淡水、NaOH溶液和鹽酸，其工作原理如下圖所示，M、N為離子交換膜。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是A．M膜為陰離子交換膜B．出口2的產(chǎn)物是鹽酸C．若去掉雙極膜(BP)，陽(yáng)極室會(huì)有Cl2生成D．電路中每轉(zhuǎn)移1mol電子，兩極共得到0.5mol氣體【變式訓(xùn)練】（化學(xué)-學(xué)科網(wǎng)2021年高三3月大聯(lián)考（新課標(biāo)Ⅱ卷））利用雙極膜制備磷酸和氫氧化鈉的原理如圖所示。已知雙極膜是一種復(fù)合膜，在直流電作用下，雙極膜中間界面內(nèi)水解離為H+和OH?，并實(shí)現(xiàn)其定向通過(guò)。下列說(shuō)法正確的是A．若用鉛蓄電池為電源，則X極與Pb電極相連B．雙極膜中a為H+，b為OH–C．陰極區(qū)溶液pH減小D．M膜為陰離子交換膜，N膜為陽(yáng)離子交換膜高頻考點(diǎn)3考查介質(zhì)在燃燒電池中的應(yīng)用例3．目前，我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫碾娔苤饕€是來(lái)自火力發(fā)電，火力發(fā)電是利用化石燃料燃燒，通過(guò)蒸汽機(jī)將產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，能量利用率低；燃料電池可以將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，能量利用率高。(1)火力發(fā)電廠利用燃煤發(fā)電，其能量轉(zhuǎn)化形式為化學(xué)能→_______→_______→電能。(2)磷酸鹽燃料電池(PAFC)是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展最快的一種燃料電池，以濃磷酸為電解質(zhì)，以貴金屬催化的氣體擴(kuò)散電極為正、負(fù)電極。其優(yōu)點(diǎn)為構(gòu)造簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低。磷酸鹽燃料電池正極的電極反應(yīng)式為_(kāi)______。(3)堿性燃料電池(AFC)是最早進(jìn)入實(shí)用階段的燃料電池之一，也是最早用于車(chē)輛的燃料電池，以KOH、NaOH溶液之類(lèi)的強(qiáng)堿性溶液為電解質(zhì)溶液。其優(yōu)點(diǎn)為性能可靠，具有較高的效率。甲烷堿性燃料電池正極的電極反應(yīng)式為_(kāi)______。(4)固體氧化物型燃料電池(SOFC)，其效率更