2024高考化学一轮复习-考点二十一离子交换膜在电化学装置中的应用

考点二十一离子交换膜在电化学装置中的应用1.常见的离子交换膜种类允许通过的离子及移动方向说明阳离子交换膜阳离子→移向电解池的阴极或原电池的正极阴离子和气体不能通过阴离子交换膜阴离子→移向电解池的阳极或原电池的负极阳离子和气体不能通过质子交换膜质子→移向电解池的阴极或原电池的正极只允许H＋通过2.离子交换膜的功能(1)选择性透过离子，平衡电荷，形成闭合回路(2)隔离某些分子和离子，防止副反应——氯碱工业(3)应用于制备物质、分离物质等【解题模型】三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如下图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SOeq\o\al(2－,4)可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。判断ab、cd是什么交换膜；判断离子的迁移方向；书写电极反应式；判断电极产物。①弄清是原电池还是电解池，电极有外接电源→电解池；n→阳极，m→阴极②根据电极判断离子的移动方向和交换膜的种类Na＋→通过ab→阴极⇒ab是阳离子交换膜SOeq\o\al(2－,4)→通过cd→阳极⇒cd是阴离子交换膜③根据放电顺序写出电极反应式阴极，阳离子竞争放电，放电顺序：H＋>Na＋，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－；阳极，阴离子竞争放电，放电顺序：OH－>SOeq\o\al(2－,4)，阳极的电极反应式为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋。④根据电极反应式和离子移动方向确定电极反应物阴极H＋放电生成H2，剩余OH－与迁移过来的Na＋生成NaOH；阳极OH－放电生成O2，剩余H＋与迁移过来的SOeq\o\al(2－,4)生成H2SO4。

【典例分析】(2021·河北卷)电池结构如图，a和b为两个电极，其中之一为单质钾片。关于该电池，下列说法错误的是()A.隔膜允许通过，不允许通过B.放电时，电流由b电极沿导线流向a电极；充电时，b电极为阳极C.产生1Ah电量时，生成的质量与消耗的质量比值约为2.22D.用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗3.9g钾时，铅酸蓄电池消耗0.9g水【答案】D【解析】本题考查电池的工作原理。由题图可知，自发的氧化还原反应为，所以单质钾片为负极，即a电极为负极，且在b极生成，所以隔膜允许通过，不允许O2通过，A项正确；放电时a为负极，b为正极，电流由b电极沿导线流向a电极，充电时b电极为阳极，B项正确；根据电池反应原理，生成的质量与消耗的质量比值恒为，C项正确；根据，消耗3.9g钾时，转移0.1mol电子，铅酸蓄电池反应，由得失电子守恒可知，转移0.1mol，电子，铅酸蓄电池消耗0.1mol水，质量为1.8g，D项错误。2．(2018·全国卷Ⅰ，13)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：①EDTA-Fe2＋－e－=EDTA-Fe3＋②2EDTA-Fe3＋＋H2S=2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋该装置工作时，下列叙述错误的是()A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－=CO＋H2OB．协同转化总反应：CO2＋H2S=CO＋H2O＋SC．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需为酸性答案C解析由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴极。阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高，C项错误；由题图可知，电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋2e－=CO＋H2O，A项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S=CO＋H2O＋S，B项正确；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D项正确。3．(2020·安徽省皖南八校高三模拟)微生物燃料电池能将污水中的乙二胺(H2NCH2CH2NH2)氧化成环境友好的物质，示意图如图所示，a、b均为石墨电极。下列说法错误的是()A．a电极的电极反应为H2NCH2CH2NH2－16e－＋4H2O=2CO2↑＋N2↑＋16H＋B．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动C．a电极上的电势比b电极上的电势低D．电池工作时b电极附近溶液的pH保持不变答案D解析H2N(CH2)2NH2在负极a上失电子发生氧化反应，生成氮气、二氧化碳和H＋，电极反应式为H2NCH2CH2NH2－16e－＋4H2O=2CO2↑＋N2↑＋16H＋，A选项正确；原电池中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，因此，电池工作时质子(H＋)通过质子交换膜由负极区向正极区移动，B选项正确；a电极为负极，b电极为正极，故a电极上的电势比b电极上的电势低，C选项正确；电池工作时，氧气在正极b上得电子发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋=2H2O，H＋浓度减小，故b电极附近溶液的pH增大，D选项错误。4．(1)(2020·北京石景山区模拟)我国研制出非贵金属镍钼基高效电催化剂，实现电解富尿素废水低能耗制H2，装置如图甲，总反应：CO(NH2)2＋H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))3H2↑＋N2↑＋CO2↑。①A电极连接电源的______极(填“正”或“负”)。②A电极的电极反应为_______________________________。(2)(2020·四川绵阳月考)电解制备KMnO4的装置如图乙所示。①b与电源的______(填“正”或“负”)极相连，电解液中最好选择______(填“阳”或“阴”)离子交换膜。②电解时，阳极反应式为__________________________________。答案(1)①正②CO(NH2)2＋H2O－6e－=N2↑＋CO2↑＋6H＋(2)①负阳②MnOeq\o\al(2－,4)－e－=MnOeq\o\al(－,4)解析(1)B电极上逸出氢气，发生还原反应，故B电极为阴极，A电极为阳极，电极反应为CO(NH2)2＋H2O－6e－=N2↑＋CO2↑＋6H＋。(2)电解K2MnO4溶液制备KMnO4，则左侧惰性电极是阳极，a与电源的正