微专题(二)　与工业生产接轨的含“膜”电化学装置

微专题(二)与工业生产接轨的含“膜电化学装置电化学装置中大部分含有交换膜，且一般为离子交换膜。离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液中的离子具有选择透过能力的高分子膜。因它对离子具有选择透过性，且电化学性能优良，在涉及电化学的工业生产中广泛应用。由于离子交换膜能将工业生产与化学知识有机的融合，考查学生的学以致用能力，因此备受高考命题者的青睐。(一)离子交换膜的类型及作用(二)常见含“膜”电化学装置解读1.单膜双室带阳离子交换膜的氯碱工业电解模型(选自教材)：分析如下：此时，阳离子交换膜的作用是平衡电荷，形成闭合回路；防止Cl2和H2混合而引起爆炸；避免Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量；避免Cl－进入阴极区导致制得的NaOH不纯。2.双膜三室水溶液中电解制备金属钴的装置示意图(选自广东卷)。分析如下：判断电极名称书写电极反应检查离子浓度变化确定膜(或离子移动方向)阳极(石墨)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋Ⅰ室c(H＋)增大，即c(阳离子)增大H＋通过阳离子交换膜由Ⅰ室移向Ⅱ室阴极(Co)Co2＋＋2e－===CoⅢ室阴离子电荷数大于阳离子电荷数Cl－通过阴离子交换膜由Ⅲ室移向Ⅱ室3.三膜四室以四室电渗析法制备H3PO2(次磷酸)为例，其工作原理如图所示：分析如下：4.四膜五室海水中除含有钠、氯等元素，还含有钙、镁、钾、硫酸根离子等。现利用“电渗析法”对海水进行淡化，技术原理如图。分析如下：判断电极名称书写电极反应检查离子浓度变化确定膜(或离子移动方向)阳极(甲)2Cl－－2e－===Cl2↑甲室c(Cl－)减小，即c(阴离子)减小Na＋等阳离子通过阳离子交换膜由甲室移向乙室阴极(戊)2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－戊室c(OH－)增大，即c(阴离子)增大OH－等阴离子通过阴离子交换膜由戊室移向丁室5.创新考查中的双极膜分析如下：双极膜是一种新型离子交换膜，其膜主体可分为阴离子选择层、阳离子选择层和中间界面层，水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中。与传统阴、阳离子交换膜不同，双极膜可以大幅度降低内部电阻，同时水电离产生H＋

和OH－可在电场的作用下快速迁移到两侧溶液中，为膜两侧的半反应提供各自理想的pH条件。[典例]

(2023·山东等级考改编)利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法不正确的是(

)A．甲室Cu电极为正极B．隔膜为阴离子膜C．电池总反应为Cu2＋＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋D．NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响[解析]

据图可知，甲室流出液经低温热解得到CuSO4和NH3，则甲室中生成了[Cu(NH3)4]SO4，发生的反应为Cu－2e－＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋，甲室Cu电极为负极，A错误；根据正、负极反应，可知电池总反应为Cu2＋＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋，C正确；NH3能与Cu2＋反应生成[Cu(NH3)4]2＋，因此若NH3扩散到乙室，则乙室Cu2＋浓度减小，对电池电动势有影响，D正确。[答案]

A[思维建模]含膜电池的思路分析答案：C

解析：由题图可知，Ⅱ室：(NH4)2SO4―→(NH4)2S2O8，部分O元素化合价由－2价升高为－1价，化合价升高被氧化，故右侧Pt电极为阳极，b为外接电源正极，a为外接电源负极，左侧Pt电极为阴极。根据分析，a为外接电源负极，A正确；根据分析，阴极上氧气被还原，阳极上硫酸根离子被氧化，电解总反应正确，B正确；根据阳极产物可知，反应需要消耗硫酸根离子，故阴离子交换膜不可用阳离子交换膜替代，C错误；电解池工作时，Ⅰ室溶液中氢离子移向阴极，硫酸根离子移向阳极，消耗硫酸，故Ⅰ室溶液质量理论上逐渐减小，D正确。2．(2023·全国甲卷)用可再生能源电还原CO2时，采用高浓度的K＋抑制酸性电解液中的析氢反应可提高多碳产物(乙烯、乙醇等)的生成率，装置如下图所示。下列说法正确的是(

)A．析氢反应发生在IrOx-Ti电极上B．Cl－从Cu电极迁移到IrOx-Ti电极C．阴极发生的反应有：2CO2＋12H＋＋12e－===C2H4＋4H2OD．每转移1mol电子，阳极生成11.2L气体(标准状况)答案：C

解析：IrOx-Ti电极接电源正极，为阳极，发生失电子的氧化反应，故电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，A错误；质子交换膜只允许H＋通过，故左室H＋从IrOx-Ti电极向Cu电极迁移，B错误；Cu电极接电源负极，为阴极，发生得电子的还原反应，根据图中物质转化关系知CO2可发生反应2CO2＋12H＋＋12e－===C2H4＋4H2O，C正确；由A可知每转移1mol电子，阳极生成0.25mol即5.6L(标准状况)O2，D错误。题点(二)交换膜在分离提纯中的应用3．三室膜电渗析分离硫酸锂并回收酸碱的装置示意图如图，下列说法正确的是(

)A．酸碱的浓度：进等于出B．右侧电极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑C．装置工作一段时间后，n(a)∶n(b)＝2∶1D．右侧离子交换膜为阴离子交换膜答案：B

解析：由题图可知，中间室离子向两侧迁移，右侧得到氢氧化锂、左侧得到硫酸，则右侧电极为阴极，水放电发生还原反应生成氢气和氢氧根离子，左侧电极为阳极，水放电发生氧化反应生成氧气和氢离子。由分析可知，左室有生成的氢离子和迁移过来的硫酸根离子，硫酸浓度变大，右室有生成的氢氧根离子和迁移过来的锂离子，氢氧化锂浓度变大，A错误；右侧电极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，B正确；a为生成的氧气、b为生成的氢气，根据得失电子守恒可知，n(a)∶n(b)＝1∶2，C错误；右侧离子交换膜可以让锂离子通过，为阳离子交换膜，D错误。4．某化学兴趣小组根据电化学原理，设计出利用KCl、NaNO3为原料制取KNO3和NaCl的装置如图。A、C代表不同类别的选择性离子通过膜。下列有关说法正确的是(

)A．C为阳离子交换膜B．M和N均可采用纯铜作为电极材料C．M和N电极产生气体的体积比为2∶1D．电解总反应：KCl＋NaNO3KNO3＋NaCl答案：C

解析：M电极通入KCl溶液，N电极通入NaNO3溶液，该装置为制取KNO3和NaCl，则M电极处Cl－不能放电，故M电极为电解池的阴极，水在阴极得到电子发生还原反应生成氢气和氢氧根离子，电极附近阴离子电荷数大于阳离子，氯离子通过阴离子交换膜C进入左侧产品室A和C之间，导致流入硝酸钠溶液的原料室中的钠离子通过阳离子交换膜A进入左侧产品室A和C之间、硝酸根离子通过阴离子交换膜C进入中间产品室C和A之间，N电极为电解池的阳极，水在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子，电极附近阳离子电荷数大于阴离子，钠离子通过阳离子交换膜A进入右侧产品室C和A之间，导致流入氯化钾溶液的原料室中的钾离子通过阳离子交换膜A进入中间产品室A和C之间、氯离子通过阴离子交换膜C进入右侧产品室C和A之间。电解的总反应为2H2O电解,2H2↑＋O2↑，由得失电子守恒可知，氯化钠溶液的浓度与硝酸钾溶液的浓度相等。根据分析，C为阴离子交换膜，A错误；M为阴极，N为阳极，铜作阳极会放电，故阳极不能用纯铜作为电极材料，B错误；电解的总反应为2H2O电解,2H2↑＋O2↑，M电极生成氢气，N电极生成氧气，产生气体的体积比为2∶1，C正确，D错误。题点(三)交换膜在污水处理中的应用5．(2023·青岛第十七中学模拟)利用双离子交换膜电解法可以从含硝酸铵的工业废水中生产硝酸和氨，原理如图所示。下列叙述正确的是(

)答案：A

N室中硝酸溶液浓度：a%＜b%，故B错误；a、c为阴离子交换膜，b为阳离子交换膜，故C错误；M、N室分别产生氢气和氧气，故D错误。6．(2023·石家庄市部分学校联考)双极膜(BP)可以在电场作用下，使水分子快速解离为OH－和H＋，并透过阴、阳离子膜进入溶液。用此工艺捕获烟道气中的CO2过程如图所示，已知盐室中生成CaCO3实现捕获，下列说法正确的是(

)A．捕获装置中，阴极反应为2H＋＋2e－===H2↑B．溶液中的X为H＋C．交换膜A为阳离子交换膜D．捕获1.12LCO2转化为沉淀，