2020高考化学一轮复习5.7化学能与电能（5）含离子交换膜电池的应用（过热点）学案（含解析）.docx

第7课时化学能与电能(5)含离子交换膜电池的应用(过热点)近几年全国卷的高考中，涉及离子交换膜的试题较多，且常考常新。离子交换膜是一种含有离子基团的、对溶液中离子具有选择性透过的高分子膜。根据透过的微粒类型，离子交换膜可以分为多种，在高考试题中，主要出现的是阳离子交换膜(如2018全国卷T27、2018全国卷T27)、阴离子交换膜(2014全国卷T27)和质子交换膜(2018全国卷T13、2015全国卷T11)三种，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。重难点拨1离子交换膜的类型和作用2多室电解池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。(1)两室电解池 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：2Cl2e=Cl2，阴极室中的电极反应：2H2O2e=H22OH，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。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)三室电解池利用三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如图所示。阴极的NO被还原为NH：NO5e6H=NHH2O，NH通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的NO被氧化为NO：NO3e2H2O=NO4H，NO通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得电解总反应：8NO7H2O3NH4NO32HNO3，为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3。(3)多室电解池利用“四室电渗析法”制备H3PO2(次磷酸)，其工作原理如图所示。电解稀硫酸的阳极反应：2H2O4e=O24H，产生的H通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2PO穿过阴离子交换膜进入产品室，与H结合生成弱电解质H3PO2；电解NaOH稀溶液的阴极反应：4H2O4e=2H24OH，原料室中的Na通过阳离子交换膜进入阴极室。考法精析应用一用于物质的分离和提纯典例1一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化，其工作原理如图所示，图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示。下列有关说法不正确的是()ACl由中间室移向左室BX气体为CO2C处理后的含NO废水的pH降低D电路中每通过4 mol电子，产生标准状况下X气体的体积为22.4 L解析该电池中，NO得电子发生还原反应，则装置中右边电极是正极，电极反应为2NO10e12H=N26H2O，装置左边电极是负极，负极上有机物失电子发生氧化反应生成X，电极反应C6H10O524e7H2O=6CO224H。放电时，电解质溶液中阴离子Cl移向负极室(左室)，A项正确；X气体为CO2，B项正确；正极反应为2NO10e12H=N26H2O，H参加反应导致溶液酸性减弱，溶液的pH增大，C项错误；根据负极电极反应C6H10O524e7H2O=6CO224H知，电路中每通过4 mol电子，产生标准状况下CO2气体的体积为622.4 Lmol122.4 L，D项正确。答案C备考方略含离子交换膜电化学装置题的解题步骤应用二用于物质的制备类型(一)判断离子的迁移方向典例2(1)(2018全国卷节选)KIO3可采用“电解法”制备，装置如图所示。写出电解时阴极的电极反应式_。电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为_，其迁移方向是_。(2)(2018全国卷节选)制备Na2S2O5可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为_。电解后，_室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。解析(1)该装置为电解池，电解时阴极电解质为KOH，水中氢离子放电，故电极反应式为2H2O2e=2OHH2；电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为K，在电解池中离子移动方向为阳离子移向阴极，故K由a到b。(2)根据题中的图示，左侧为电解池的阳极，右侧为电解池的阴极，离子交换膜均为阳离子交换膜，只允许阳离子通过，阳极的电解质溶液为硫酸，所以阳极的电极反应式为2H2O4e=4HO2，则阳极的氢离子会透过阳离子交换膜进入a室，与a室中的SO2碱吸收液中含有的Na2SO3发生反应生成NaHSO3，所以a室中的NaHSO3浓度增加。答案(1)2H2O2e=2OHH2Ka到b(2)2H2O4e=4HO2a备考方略有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法类型(二)判断离子交换膜的类型典例3四室式电渗析法制备盐酸和NaOH的装置如图所示。a、b、c为阴、阳离子交换膜。已知：阴离子交换膜只允许阴离子透过，阳离子交换膜只允许阳离子透过。下列叙述正确的是()Ab、c分别依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜B通电后室中的Cl透过c迁移至阳极区C、四室中的溶液的pH均升高D电池总反应为4NaCl6H2O4NaOH4HCl2H2O2解析由图中信息可知，左边电极与负极相连为阴极，右边电极为阳极，所以通电后，阴离子向右定向移动，阳离子向左定向移动，阳极上H2O放电生成O2和H，阴极上H2O放电生成H2和OH；H透过c，Cl透过b，二者在b、c之间的室形成盐酸，盐酸浓度变大，所以b、c分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜；Na透过a，NaOH的浓度变大，所以a也是阳离子交换膜，故A、B两项均错误；电解一段时间后，中的溶液的c(OH)升高，pH升高，中为NaCl溶液，pH不变，中有HCl生成，故c(H)增大，pH减小，中H移向，H2O放电生成O2，使水的量减小，c(H)增大，pH减小，C不正确。答案D备考方略离子交换膜类型的判断方法根据电解质溶液呈中性的原则，判断膜的类型，判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余，因该电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向，进而确定离子交换膜的类型，如电解饱和食盐水时，阴极反应式为2H2e=H2，则阴极区域破坏水的电离平衡，OH有剩余，阳极区域的Na穿过离子交换膜进入阴极室，与OH结合生成NaOH，故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。综合训练1(2018浙江11月选考)最近，科学家研发了“全氢电池”，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是()A右边吸附层中发生了还原反应B负极的电极反应是H22e2OH=2H2OC电池的总反应是2H2O2=2H2OD电解质溶液中Na向右移动，ClO向左移动解析：选CA选项，右边吸附层中发生反应：2H2e=H2，为还原反应，正确；B选项，负极的电极反应为H22e2OH=2H2O，正确；C选项，外界未通入氧气，总反应为HClO4NaOH=H2ONaClO4，错误；D选项，由电子移动方向知，阴离子向左移动，阳离子向右移动，正确。2用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的NH，模拟装置如图所示。下列说法正确的是()A阳极室溶液由无色变成棕黄色B阴极的电极反应式为4OH4e=2H2OO2C电解一段时间后，阴极室溶液的pH升高D电解一段时间后，阴极室溶液中的溶质一定是(NH4)3PO4解析：选CFe电极与电源正极相连，则Fe作阳极，电极反应式为Fe2e=Fe2，反应中生成Fe2，溶液由无色变为浅绿色，A错误；阴极上H得电子发生还原反应，电极反应式为2H2e=H2，B错误；电解过程中阴极上消耗H，则阴极室溶液的pH升高，C正确；电解时，(NH4)2SO4溶液中NH向阴极室迁移，故阴极室溶液中的溶质可能为(NH4)3PO4、(NH4)2HPO4、NH4H2PO4等，D错误。3.高铁酸盐(如Na2FeO4)已经被广泛应用在水处理方面，以铁质材料为阳极，在高浓度强碱溶液中利用电解的方式可以制备高铁酸盐，装置如图。下列说法不正确的是()Aa为阳极，电极反应式为Fe6e8OH=FeO4H2OB为防止高铁酸根扩散被还原，则离子交换膜为阳离子交换膜C在电解过程中溶液中的阳离子向a极移动D铁电极上有少量气体产生原因可能是4OH4e=O22H