专题突破25离子交换膜电池高二化学重难点专题突破（人教版2019选择性必修1）

2023-2024学年选择性必修1(人教版2019)第四章化学反应与电能离子交换膜在电化学中的综合应用1.离子交换膜的种类

2．交换膜的功能及工作原理(1)功能：①能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。②能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。3.离子交换膜类型的判断根据电解质溶液呈电中性的原则,判断膜的类型：（1）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2H＋＋2e－===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。（2）根据溶液呈电中性,判断出离子移动的方向,从而确定离子交换膜的类型离子迁移方向的判断①离子从“生成区”移向“消耗区”以电解CO2制HCOOH为例，其原理如图所示。右侧：通入CO2，生成HCOOH，发生还原反应，多孔锡作阴极，电极反应为CO2＋H＋＋2e－===HCOO－，消耗从左侧迁移过来的H＋。左侧“Pt片”作阳极，水电离产生的OH－放电，电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成H＋。离子移动方向：H＋通过阳离子交换膜从左侧移向右侧。

有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法提升1

单膜电解池及分析例1.微生物电解池(MEC)是一种新型的且能兼顾氢气或甲烷回收的废水处理技术,将电化学法和生物还原法有机结合,MEC具有很好的应用前景。微生物电化学产甲烷法的装置如图所示。下列有关说法正确的是(

)A.“产电菌”极的电势比“产甲烷菌”极的低B.该微生物电解池工作时将化学能转化为电能C.阴极的电极反应式为CO2+8e-+8H+===CH4+2H2OD.若产生1molCH4,理论上阳极室生成CO2的体积为44.8L思路导引“产电菌”电极上CH3COO-→CO2,发生氧化反应

该电极为阳极;“产甲烷菌”电极上CO2→CH4,发生还原反应

该电极为阴极。阴极“产甲烷菌”极CO2+8H++8e-===CH4+2H2O阳极“产电菌”极CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+答案

C解析

根据装置示意图可知,“产电菌”极为阳极,“产甲烷菌”极为阴极,电解池中阳极的电势高于阴极的电势,A错误;电解池可将电能转化为化学能,B错误;阴极CO2得电子,并与H+反应生成甲烷和水,电极反应式为CO2+8H++8e-===CH4+2H2O,C正确;根据电极反应式CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+可知,产生1

mol

CH4时转移8

mol电子,理论上,标准状况下阳极室生成CO2的体积为

L,D错误。提升2

多膜电解池及分析例2.用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的,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4OH--4e-===2H2O+O2↑C.电解一段时间后,阴极室溶液中的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答案

C解析

阳极上Fe发生氧化反应,溶液由无色变为浅绿色,A错误;阴极上H+发生还原反应:2H++2e-===H2↑,B错误;阴极消耗H+,电解一段时间后,阴极室溶液pH升高,C正确;电解一段时间后,阴极室溶液pH升高,还能与OH-反应生成NH3·H2O,因此阴极室溶液中溶质除(NH4)3PO4外,还可能有NH3·H2O,D错误。提升3

双极膜电解池及分析例3.为适应可再生能源的波动性和间歇性,我国科学家设计了一种电化学装置,其原理如下图所示。当闭合K1和K3、打开K2时,装置处于蓄电状态;当打开K1和K3、闭合K2时,装置处于放电状态。放电时,双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-并分别向两侧迁移。下列有关该电化学装置工作时的说法不正确的是(

)A.蓄电时,碳锰电极附近溶液pH减小

C.放电时,每消耗1molMnO2,理论上有4molH+由双极膜向碳锰电极迁移D.理论上,该电化学装置运行过程中不需要补充H2SO4和KOH答案

C解析

蓄电时为电解池反应,碳锰电极上Mn2+失电子生成MnO2,电极反应式为Mn2++2H2O-2e-===MnO2+4H+,溶液pH减小,A正确;蓄电时,右侧电解池中ZnO得电子生成Zn,OH-失电子生成O2,总反应为2ZnO2Zn+O2↑,B正确;放电时,碳锰电极为正极,电极反应式为MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2O,每消耗1

mol

MnO2,需要消耗4

mol

H+,但碳锰电极只生成2

mol正电荷,剩余正电荷需要从双极膜间得到,则理论上应有2

mol

H+由双极膜向碳锰电极迁移,C错误;该电化学装置运行过程中H+得电子生成H2,但实际过程为消耗了溶剂水,氢离子浓度增大,OH-失电子生成O2,但实际过程也是消耗了溶剂水,氢氧根离子浓度增大,则不需要补充H2SO4和KOH,D正确。特别提醒(1)含离子交换膜电化学装置题的解题步骤(2)在原电池中应用离子交换膜，起到替代盐桥的作用，一方面能起到平衡电荷、导电的作用，另一方面能防止电解质溶液中的离子与电极直接反应，提高电流效率；在电解池中使用选择性离子交换膜的主要目的是限制某些离子(或分子)的定向移动，避免电解质溶液中的离子或分子与电极产物反应，提高产品纯度或防止造成危险等。(3)定量关系外电路电子转移数=通过隔膜的阴（阳）离子带的负（正）电荷数。练1:KIO3可采用“电解法”制备，装置如图所示。①写出电解时阴极的电极反应式_______________________。②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________。[解析]

①电解法制备KIO3时，H2O在阴极得到电子，发生还原反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。

②电解池中阳离子向阴极移动，即由电极a向电极b迁移，阳离子交换膜只允许阳离子通过，故主要是K＋通过阳离子交换膜。[答案]

①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑

②K＋由a到b

A.ab适宜选用阴离子交换膜

C

练3．Kolbe法制取乙烯的装置如图所示，电极a上的产物为乙烯和碳酸根离子。下列说法正确的是(

)A．该装置将化学能转化为电能B．图中为阳离子交换膜C．阴极周围溶液的pH不断减小D．每生成1mol乙烯，电路中转移2mol电子D

该装置是电解池，将电能转化为化学能，A错误；电极a是阳极，电极反应式为2CH2COO－＋4OH－－2e－===CH2===CH2↑＋2CO32－＋2H2O，阴极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，则右侧阴极区产生的OH－要透过离子交换膜进入左侧，并参与阳极反应，故应是阴离子交换膜，B错误；阴极区周围溶液中c(OH－)逐渐增大，溶液的pH不断增大，C错误；由阳极反应式可知，生成1mol乙烯时，电路中转移2mol电子，D正确。

B

C

练6.（1）可由“水相”制备高纯度单质锰,装置如图所示：①装置中采用________（填“阴离子”或“阳离子”）