(教案)第1章 小阶段任务学习 离子交换膜在电化学装置中的应用新型化学电源-【提分教练】2022-2023学年新教材高中化学选择性必修一(鲁科版2019)

离子交换膜在电化学装置中的应用 H3BO3是一种一元弱酸，可通过反应H＋＋B(OH)===H2O＋H3BO3制得。用惰性电极电解法制备硼酸[H3BO3]的工作原理如图所示。 探究1：试分析N、P是阳离子交换膜还是阴离子交换膜？ 提示：N为阴离子交换膜，P为阳离子交换膜。产品室中发生反应H＋＋B(OH)===H2O＋H3BO3，则B(OH)来源于原料室，故N为阴离子交换膜；H＋来源于稀硫酸，故P为阳离子交换膜。 探究2：试判断a、b两电极的类型，并写出两极发生的电极反应。 提示：a极为阴极，阴极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，b极为阳极，阳极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。 探究3：M是阳离子交换膜还是阴离子交换膜？哪种离子透过M导电？电解一段时间后NaOH溶液浓度如何变化？ 提示：M是阳离子交换膜，Na＋从原料室透过M进入NaOH溶液，与电解产生的OH－生成NaOH，因此电解一段时间后NaOH溶液浓度增大。 探究4：当电路中通过2 mol电子时，NaOH溶液和稀硫酸质量如何变化？变化量是多少？ 提示：NaOH溶液中：根据阴极反应2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，当电路中通过2 mol电子时，反应产生1 mol H2，质量减少2 g；还有2 mol Na＋从原料室迁移到NaOH溶液中，增重46 g，因此NaOH溶液增重46 g－2 g＝44 g。 稀硫酸中：根据阳极反应2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，当电路中通过2 mol电子时，反应产生0.5 mol O2，质量减少16 g；同时还有2 mol H＋迁移到产品室中，质量减少2 g，因此稀硫酸中质量减少16 g＋2 g＝18 g。 1．常见离子交换膜的分类和应用 2．离子交换膜的作用 (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)能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。 3．有膜电解池试题的解题思路 (1)确定电解池的阴、阳极：根据外接电源的正负极、电子流向、电极现象等确定电解池的阴、阳极。 (2)根据交换膜的类型确定移动的离子及移动方向： ①阳离子交换膜：只有阳离子由阳极移向阴极； ②阴离子交换膜：只有阴离子由阴极移向阳极； ③质子交换膜：只有氢离子由阳极移向阴极。 (3)根据移动的离子书写判断电极反应式，判断溶液离子浓度、质量、pH的变化，判断电极产物等。 4．离子交换膜类型的判断方法 (1)首先写出阴、阳两极上的电极反应。 (2)依据电极反应确定该电极附近哪种离子剩余。 (3)根据电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向。 (4)根据离子移动的方向，确定离子交换膜的类型。 1．用电解法可提纯含有某种钾的含氧酸盐杂质(如硫酸钾、碳酸钾等)的粗KOH溶液，其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　) A．电极N为阳极，电极M上H＋发生还原反应 B．电极M的电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ C．d处流进粗KOH溶液，e处流出纯KOH溶液 D．b处每产生11.2 L气体，必有1 mol K＋穿过阳离子交换膜 B　解析：根据图示，K＋移向电极N，所以N是阴极，M极是阳极，OH－发生氧化反应生成氧气，电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，故A错误，B正确；c处流进粗KOH溶液，f处流出纯KOH溶液，故C错误；N极是阴极，H＋发生还原反应生成氢气，非标准状况下11.2 L 氢气的物质的量不一定是0.5 mol，故D错误。 2．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，石墨烯电极区发生的反应为 ①EDTA­Fe2＋－e－===EDTA-Fe3＋ ②2EDTA­Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA­Fe2＋ 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＋H2O B．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低 D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA­Fe3＋/EDTA­Fe2＋，溶液需为酸性 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错误。由题图可知，电解时阴极反应为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，A正确。将阴、阳两极反应合并可得总反应为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B正确。Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D正确。 3．三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极