專題突破25離子交換膜電池高二化學重難點專題突破（人教版2019選擇性必修1）

2023-2024學年選擇性必修1(人教版2019)第四章化學反應與電能離子交換膜在電化學中的綜合應用1.離子交換膜的種類

2．交換膜的功能及工作原理(1)功能：①能將兩極區(qū)隔離，阻止兩極區(qū)產生的物質接觸，防止發(fā)生化學反應。②能選擇性的通過離子，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。3.離子交換膜類型的判斷根據(jù)電解質溶液呈電中性的原則,判斷膜的類型：（1）首先寫出陰、陽兩極上的電極反應，依據(jù)電極反應式確定該電極附近哪種離子剩余，因該電極附近溶液呈電中性，從而判斷出離子移動的方向，進而確定離子交換膜的類型，如電解飽和食鹽水時，陰極反應式為2H＋＋2e－===H2↑，則陰極區(qū)域破壞水的電離平衡，OH－有剩余，陽極區(qū)域的Na＋穿過離子交換膜進入陰極室，與OH－結合生成NaOH，故電解食鹽水中的離子交換膜是陽離子交換膜。（2）根據(jù)溶液呈電中性,判斷出離子移動的方向,從而確定離子交換膜的類型離子遷移方向的判斷①離子從“生成區(qū)”移向“消耗區(qū)”以電解CO2制HCOOH為例，其原理如圖所示。右側：通入CO2，生成HCOOH，發(fā)生還原反應，多孔錫作陰極，電極反應為CO2＋H＋＋2e－===HCOO－，消耗從左側遷移過來的H＋。左側“Pt片”作陽極，水電離產生的OH－放電，電極反應為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成H＋。離子移動方向：H＋通過陽離子交換膜從左側移向右側。

有“膜”條件下離子定向移動方向的判斷方法提升1

單膜電解池及分析例1.微生物電解池(MEC)是一種新型的且能兼顧氫氣或甲烷回收的廢水處理技術,將電化學法和生物還原法有機結合,MEC具有很好的應用前景。微生物電化學產甲烷法的裝置如圖所示。下列有關說法正確的是(

)A.“產電菌”極的電勢比“產甲烷菌”極的低B.該微生物電解池工作時將化學能轉化為電能C.陰極的電極反應式為CO2+8e-+8H+===CH4+2H2OD.若產生1molCH4,理論上陽極室生成CO2的體積為44.8L思路導引“產電菌”電極上CH3COO-→CO2,發(fā)生氧化反應

該電極為陽極;“產甲烷菌”電極上CO2→CH4,發(fā)生還原反應

該電極為陰極。陰極“產甲烷菌”極CO2+8H++8e-===CH4+2H2O陽極“產電菌”極CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+答案

C解析

根據(jù)裝置示意圖可知,“產電菌”極為陽極,“產甲烷菌”極為陰極,電解池中陽極的電勢高于陰極的電勢,A錯誤;電解池可將電能轉化為化學能,B錯誤;陰極CO2得電子,并與H+反應生成甲烷和水,電極反應式為CO2+8H++8e-===CH4+2H2O,C正確;根據(jù)電極反應式CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+可知,產生1

mol

CH4時轉移8

mol電子,理論上,標準狀況下陽極室生成CO2的體積為

L,D錯誤。提升2

多膜電解池及分析例2.用一種陰、陽離子雙隔膜三室電解槽處理廢水中的,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一定是(NH4)3PO4答案

C解析

陽極上Fe發(fā)生氧化反應,溶液由無色變?yōu)闇\綠色,A錯誤;陰極上H+發(fā)生還原反應:2H++2e-===H2↑,B錯誤;陰極消耗H+,電解一段時間后,陰極室溶液pH升高,C正確;電解一段時間后,陰極室溶液pH升高,還能與OH-反應生成NH3·H2O,因此陰極室溶液中溶質除(NH4)3PO4外,還可能有NH3·H2O,D錯誤。提升3

雙極膜電解池及分析例3.為適應可再生能源的波動性和間歇性,我國科學家設計了一種電化學裝置,其原理如下圖所示。當閉合K1和K3、打開K2時,裝置處于蓄電狀態(tài);當打開K1和K3、閉合K2時,裝置處于放電狀態(tài)。放電時,雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-并分別向兩側遷移。下列有關該電化學裝置工作時的說法不正確的是(

)A.蓄電時,碳錳電極附近溶液pH減小

C.放電時,每消耗1molMnO2,理論上有4molH+由雙極膜向碳錳電極遷移D.理論上,該電化學裝置運行過程中不需要補充H2SO4和KOH答案

C解析

蓄電時為電解池反應,碳錳電極上Mn2+失電子生成MnO2,電極反應式為Mn2++2H2O-2e-===MnO2+4H+,溶液pH減小,A正確;蓄電時,右側電解池中ZnO得電子生成Zn,OH-失電子生成O2,總反應為2ZnO2Zn+O2↑,B正確;放電時,碳錳電極為正極,電極反應式為MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2O,每消耗1

mol

MnO2,需要消耗4

mol

H+,但碳錳電極只生成2

mol正電荷,剩余正電荷需要從雙極膜間得到,則理論上應有2

mol

H+由雙極膜向碳錳電極遷移,C錯誤;該電化學裝置運行過程中H+得電子生成H2,但實際過程為消耗了溶劑水,氫離子濃度增大,OH-失電子生成O2,但實際過程也是消耗了溶劑水,氫氧根離子濃度增大,則不需要補充H2SO4和KOH,D正確。特別提醒(1)含離子交換膜電化學裝置題的解題步驟(2)在原電池中應用離子交換膜，起到替代鹽橋的作用，一方面能起到平衡電荷、導電的作用，另一方面能防止電解質溶液中的離子與電極直接反應，提高電流效率；在電解池中使用選擇性離子交換膜的主要目的是限制某些離子(或分子)的定向移動，避免電解質溶液中的離子或分子與電極產物反應，提高產品純度或防止造成危險等。(3)定量關系外電路電子轉移數(shù)=通過隔膜的陰（陽）離子帶的負（正）電荷數(shù)。練1:KIO3可采用“電解法”制備，裝置如圖所示。①寫出電解時陰極的電極反應式_______________________。②電解過程中通過陽離子交換膜的離子主要為________，其遷移方向是________。[解析]

①電解法制備KIO3時，H2O在陰極得到電子，發(fā)生還原反應：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。

②電解池中陽離子向陰極移動，即由電極a向電極b遷移，陽離子交換膜只允許陽離子通過，故主要是K＋通過陽離子交換膜。[答案]

①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑

②K＋由a到b

A.ab適宜選用陰離子交換膜

C

練3．Kolbe法制取乙烯的裝置如圖所示，電極a上的產物為乙烯和碳酸根離子。下列說法正確的是(

)A．該裝置將化學能轉化為電能B．圖中為陽離子交換膜C．陰極周圍溶液的pH不斷減小D．每生成1mol乙烯，電路中轉移2mol電子D

該裝置是電解池，將電能轉化為化學能，A錯誤；電極a是陽極，電極反應式為2CH2COO－＋4OH－－2e－===CH2===CH2↑＋2CO32－＋2H2O，陰極反應式為2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，則右側陰極區(qū)產生的OH－要透過離子交換膜進入左側，并參與陽極反應，故應是陰離子交換膜，B錯誤；陰極區(qū)周圍溶液中c(OH－)逐漸增大，溶液的pH不斷增大，C錯誤；由陽極反應式可知，生成1mol乙烯時，電路中轉移2mol電子，D正確。

B

C

練6.（1）可由“水相”制備高純度單質錳,裝置如圖所示：①裝置中采用________（填“陰離子”或“陽離子”）