2025版新教材高考化学一轮复习第5章化学反应与能量转化第3节素养提升12隔膜在电化学装置中的应用学案鲁科版

PAGE5-素养提升12隔膜在电化学装置中的应用1．常见的隔膜隔膜又叫离子交换膜，由高分子特别材料制成。离子交换膜分三类：(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，即允许OH－和其他阴离子通过，不允许阳离子通过。(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。2．隔膜的作用(1)能将两极区隔离，阻挡两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。(2)能选择性地允许离子通过，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。3．离子交换膜的选择依据离子的定向移动。4．多室电解池的类型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、三室等，以达到浓缩、净化、提纯以及电化学合成的目的。(1)两室电解池以惰性电极电解肯定浓度的Na2CO3溶液为例，其原理如图所示：①电极名称的推断：依据“阴阳相吸”推断，Na＋移向的乙电极是阴极；依据“阳极放氧生酸”推断，左侧有氧气生成的甲电极是阳极。②电极反应式的书写：右侧阴极区电解液为稀氢氧化钠溶液，依据“阴极放氢生碱”，得4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－，A为氢气；左侧阳极区电解液为碳酸钠溶液，依据“阳极放氧生酸”，得H＋会与COeq\o\al(2－,3)结合生成HCOeq\o\al(－,3)：4COeq\o\al(2－,3)＋2H2O－4e－=4HCOeq\o\al(－,3)＋O2↑。(2)三室电解池以三室式电渗析法处理含KNO3的废水得到KOH和HNO3为例，其原理如图所示：①阴极反应及ab膜的推断：阴极的电极反应是4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－(放氢生碱)，生成的带负电荷的OH－吸引中间隔离室的K＋向阴极区迁移，得到KOH溶液，阴极区溶液的pH增大，ab膜为阳离子交换膜。②阳极反应及cd膜的推断：阳极的电极反应是2H2O－4e－=O2↑＋4H＋(放氧生酸)，生成的带正电荷的H＋吸引中间隔离室的NOeq\o\al(－,3)向阳极区迁移，得到HNO3溶液，阳极区溶液的pH减小，cd膜为阴离子交换膜。(3)四室电解池以四室式电渗析法制备H3PO2(次磷酸)为例，其工作原理如图所示：电解稀硫酸的阳极反应是2H2O－4e－=O2↑＋4H＋(放氧生酸)，产生的H＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2POeq\o\al(－,2)通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稀溶液的阴极反应是4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－(放氢生碱)，原料室中的Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室。1．SO2和NOx是主要大气污染物，利用如图装置可同时汲取SO2和NO。下列有关说法错误的是()A．a极为直流电源的负极，与其相连的电极发生还原反应B．阴极得到2mol电子时，通过阳离子交换膜的H＋为2molC．汲取池中发生反应的离子方程式为2NO＋2S2Oeq\o\al(2－,4)＋2H2O=N2＋4HSOeq\o\al(－,3)D．阳极的电极反应式为SO2＋2H2O＋2e－=SOeq\o\al(2－,4)＋4H＋D解析：A项，阴极发生还原反应，HSOeq\o\al(－,3)得电子生成S2Oeq\o\al(2－,4)，a是直流电源的负极，正确；B项，阴极发生还原反应，电极反应式为2HSOeq\o\al(－,3)＋2H＋＋2e－=S2Oeq\o\al(2－,4)＋2H2O，阴极得到2mol电子时，通过阳离子交换膜的H＋为2mol，正确；C项，汲取池中S2Oeq\o\al(2－,4)与NO发生氧化还原反应生成N2和HSOeq\o\al(－,3)，离子方程式为2NO＋2S2Oeq\o\al(2－,4)＋2H2O=N2＋4HSOeq\o\al(－,3)，正确；D项，阳极发生失去电子的氧化反应，电极反应式为SO2＋2H2O－2e－=SOeq\o\al(2－,4)＋4H＋，错误。2．已知：电流效率＝电路中通过的电子数与消耗负极失去电子总数之比。现有两个电池Ⅰ、Ⅱ，装置如图所示。下列说法正确的是()A．Ⅰ和Ⅱ的电池反应不同B．Ⅰ和Ⅱ的能量转化形式不同C．Ⅰ的电流效率低于Ⅱ的电流效率D．放电一段时间后，Ⅰ、Ⅱ中都只含1种溶质C解析：Ⅰ、Ⅱ装置中电极材料相同，电解质溶液部分相同，电池总反应、负极反应和正极反应均相同，A项错误。Ⅰ和Ⅱ装置的能量转化形式都是化学能转化成电能，B项错误。Ⅰ装置中铜与氯化铁溶液干脆接触，二者会在铜极表面发生反应，导致部分能量损失(或部分电子没有通过电路)，导致电流效率降低；而Ⅱ装置采纳阴离子交换膜，铜不与氯化铁溶液干脆接触，二者不会在铜极表面发生反应，放电过程中交换膜左侧负极的电极反应式为Cu－2e－=Cu2＋，阳离子增多；右侧正极的电极反应式为2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋，Cl－从交换膜右侧向左侧迁移，电流效率高于Ⅰ装置，C项正确。放电一段时间后，Ⅰ装置中生成氯化铜和氯化亚铁，Ⅱ装置中交换膜左侧生成氯化铜，右侧生成氯化亚铁，两者还可能均含有氯化铁，D项错误。3．如图是用于航天飞行器中的一种全天候太阳能电化学电池在光照时的工作原理。下列说法正确的是()A．该电池与硅太阳能电池供电原理相同B．光照时，H＋由a极室通过质子膜进入b极室C．夜间无光照时，a电极流出电子D．光照时，b极反应式是VO2＋＋2OH－－e－=VOeq\o\al(＋,2)＋H2OC解析：硅太阳能电池是用半导体原理将光能转化为电能，是物理改变，而该电池是化学能转化为电能，两者原理不同，A错误；光照时，b极反应式为VO2＋＋H2O－e－=VOeq\o\al(＋,2)＋2H＋，产生氢离子，而氢离子由b极室透过质子膜进入a极室，B错误；夜间无光照时，相当于蓄电池放电，a极的电极反应式为V2＋－e－=V3＋，发生氧化反应，是负极，a电极流出电子，C正确；光照时，b极是阳极发生氧化反应，反应式为VO2＋＋H2O－e－=VOeq\o\al(＋,2)＋2H＋，D错误。4．电渗析法淡化海水装置如图所示，电解槽中阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列，将电解槽分隔成多个独立的间隔室，海水充溢各个间隔室。通电后，一个间隔室的海水被淡化，而其相邻间隔室的海水被浓缩，从而实现了淡水和浓缩海水的分别。下列说法正确的是()A．离子交换膜b为阳离子交换膜B．①③⑤⑦间隔室的排出液为淡水C．通电时，电极1旁边溶液的pH比电极2旁边溶液的pH改变明显D．淡化过程中，得到的浓缩海水没有任何运用价值B解析：电极2上H＋→H2，所以电极2为阴极，电极1为阳极，阳离子交换膜只允许阳离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，Na＋通过阳离子交换膜向电极2移动，则离子交换膜a为阳离子交换膜，离子交换膜b为阴离子交换膜，A项错误；①③⑤⑦中的阴、阳离子分别透过阴、阳离子交换膜移向相邻间隔室，海水被淡化，而相邻间隔室②④⑥中的海水被浓缩，B项正确；电极1上Cl－放电生成Cl2，电极2上H＋放电生成H2，故电极2旁边溶液的pH改变明显，C项错误；浓缩海水中含有丰富的元素(如Mg2＋、Br－)，有很大的运用价值，D项错误。5．某原电池装置如图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2=2AgCl。(1)当电路中转移amole－时，交换膜左侧溶液中约削减_______mol离子。交换膜右侧溶液中c(HCl)________(填“＞”“＜”或“＝”)1mol·L－1(忽视溶液体积改变)。(2)若质子交换膜换成阴离子交换膜，其他不变。若有11.2L氯气(标准状况)参加反应，则必有________mol____________(填离子符号)由交换膜________侧通过交换膜向________侧迁移。交换膜右侧溶液中c(HCl)________(填“＞”“＜”或“＝”)1mol·L－1(忽视溶液体积改变)。解析：(1)正极的电极反应式为Cl2＋2e－=2Cl－，负极的电极反应式为Ag＋Cl－－e－=AgCl，隔膜只允许氢离子通过，转移amol电子，必有amolCl－沉淀。为了维持电荷平衡，交换膜左侧溶液中必有amolH＋向交换膜右侧迁移，故交换膜左侧共削减2amol离子(amolCl－＋amolH＋)，交换膜右侧溶液中氯化氢浓度增大。(2)n(Cl2)＝0.5mol，n(Cl－)＝1mol。正极的电极反应式为Cl2＋2e－=2Cl－，n(e－)＝1mol，负极的电极反应式为Ag＋Cl－－e－=AgCl，交换膜