2025年高考化学一轮复习 离子交换膜电化学装置 课件

热点强化18 离子交换膜电化学装置 1.常见的离子交换膜 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功能的膜，通常由 特殊高分子材料制成。 离子交换膜分为： (1)阳离子交换膜，只允许阳离子通过，不允许阴离子通过。 (2)阴离子交换膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。 (3)质子交换膜，只允许H+通过，不允许其他阳离子或阴离子通过。 (4)双极隔膜，是一种新型离子交换膜，其膜主体可分为阴离子交换层、阳离子交换 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，水电离产物H+ 和 OH- 可在电场力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。 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，提高产品的 纯度或避免不安全因素。 (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.分析方法 (1)根据膜的性质和离子在溶液中的迁移方向，画出离子透过膜的方向；(2)寻找迁出 室溶液中浓度较大的迁移离子；(3)分析离子在迁入室的浓度增大和在迁出室的浓度 减小，以及带来的实质变化。 氢离子移向正极，正极上氧气和氢离子反应生成水，X 为水，由此分析。电池工 作时，氢离子移向正极，a电极的反应式为O₂+4e-+4H+===2H₂O,a 电极附近 pH 升高，故C、D 不符合题意。 该燃料电池中，乙烯和水发生氧化反应，所 X 以通入乙烯和水的电极是负极，氧气得电子 发生还原反应，所以通入氧气的电极是正极，O₂— 解析 CH₃CHO CH₂=CH₂ H₂O b 电极 由图可知负极上乙烯和水生成乙醛和氢离子， H* H+ 质子 交换膜 a 电极 2.(2021-河北，9)K-O₂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K+通过，不允许O₂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1 Ah电量时，生成KO₂的质量与消耗O₂的质量 有机电解质1 有机电解质2 比值约为2.22 -D.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0.9 g水 解 析 金属性强的钾易与氧气反应，为防止钾与氧气反应， 电池所选择隔膜应允许K+通过，不允许O₂ 通过，故A 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电极应与直流电源的正极相连，作 电解池的阳极，故B正确； 生成1 mol超氧化钾时，消耗1 mol氧气，两者的质量比为(1 mol×71 g.mol-1): (1 mol×32 g.mol-1)≈2.22:1,故C正确； 有机电解质1 有机电解质2 铅酸蓄电池充电时的总反应的化学方程式为2PbSO₄ +2H₂O===PbO₂+Pb+2H₂SO₄, 反应每消耗2 mol 水时，转移2 mol电子，由得失电子守恒可知，消耗 3.9 g钾时，铅酸蓄电池消耗水的质量为 ×18 g.mol-¹=1.8 g,故D错误。 解析 有机电解质1有机电解质2 能，其工作原理如图所示，下列说法错误的是 A.电极电势：Zn/ZnO电极<MoS₂电极 B.Zn/ZnO电极的反应式为Zn-2e-+20H-=== ZnO+H₂O C.电池工作一段时间后，正极区溶液的pH减小 D.电子流向：Zn/ZnO电极→负载→MoS₂电极 NO 负载 H₂O NH₃ H+ Na₂SO₄溶液 OH NO MoS₂电极 双极膜 3.我国科学家开发出了一种Zn-NO电池系统，该电池具有同时合成氨和对外供电的功 Zn/ZnO电极 NaOH溶液 Zn/ZnO电极为负极，MoS₂ 电极为正极，正 极电势高于负极电势，A 正确； 正极区消耗的H+源于双极膜解离出的H+, 且产生的NH₃会部分溶解，所以正极区溶液 的pH 不会减小，C 错误； 电子流向：负极→负载→正极，D 正确。 NO 负载 H₂( NH₃ H* Na₂SO₄溶液 OH NO MoS₂电极 双极膜 -解析 Zn/ZnO 电极 NaOH溶液 题述装置工作时，下列有关说法正确的是 A.乙池电极接电源正极，气体X为H₂ B.Na+由乙池穿过交换膜进入甲池 CNaOH 溶液Z的浓度比NaOH溶液Y的小 D.甲池电极反应为40H--4e-===2H₂O+O₂ 电源 O₂ 气体X NaOH溶液Y -NaOH 溶液Z Na+交换膜 二、含离子交换膜的电解池 4.以纯碱溶液为原料，通过电解的方法可制备小苏打，原理装置图如下： 小苏打(aq) 纯碱(aq) 甲池 乙池 阴极附近水电离出的氢离子放电破坏了水的电离平衡，电极附近氢氧根离子浓 度增大，NaOH 溶液Y的浓度比NaOH溶液Z的 大 ，C 项正确； 甲池电极为阳极，电解质溶液中水电离出的氢氧根离子放电生成氧气，氢离子 浓度增大，碳酸根离子结合氢离子生成碳酸氢根离子，出口为碳酸氢钠溶液， 则电极反应式为4CO3-+2H₂O-4e~===4HCO3+0₂ 个 ，D 项错误。 由甲池放出O₂ 知，乙池电极为电解池的阴 极，和电源负极连接，溶液中水电离出的氢 离子放电生成氢气，A 项错误； 电解池中阳离子移向阴极，B 项错误； NaOH溶液Y +NaOH溶液Z 小苏打(aq) 纯碱(aq) 电源 O₂ 气体X 甲 池 乙池 Nat交换膜 解析 5.(2021·全国甲卷，13)乙醛酸是一种重要的化工中 间体，可采用如图所示的电化学装置合成。图中的 双极膜中间层中的H₂O解离为H+和OH-,并在直 流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是 A.KBr在题述电化学合成过程中只起电解质的作用 电源 Ho-c-c- (乙醛酸) 00 HO-C-C-OH (乙二酸) 饱和乙二酸溶液双极膜乙二醛+KBr溶液 B.阳极上的反应式为： C.制得2 mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1 mol电子 D 奴极膜中间层中的H+在外电场作用下向铅电极方向迁移 00 H-C-C-H (乙二醛) Q Q HO- C-C-H (乙醛酸) 石 墨 电 极 铅 电 极 H++OH OH Br₂ 2Br 解 析 KBr在上述电化学合成过程中除作电解质外， 同时还是电解过程中阳极的反应物，生成的 Br₂与乙二醛反应制备乙醛酸，故A错误； 阳极上Br-失去电子生成Br₂,Br₂将乙二醛氧 化为乙醛酸，故B错误； 电源 H-c-c-H Br₂ (乙醛酸) 00 ( 乙 瞪 酸 ) 饱和乙二酸溶液双极膜乙二醛+KBr溶液 电解过程中阴、阳极均生成乙醛酸，1 mol乙二酸生成1 mol乙醛酸转移的电子为 2 mol,1 mol乙二醛生成1 mol乙醛酸转移的电子为2 mol, 根据转移电子守恒可知 制得2 mol乙醛酸时，理论上外电路中迁移了2 mol电子，故C错误； 由上述分析可知，双极膜中间层的H+在外电场作用下移向阴极，即H+移向铅电 极，故D正确。 HO-c-C-OH (乙二酸) Ho-c-c- HO++H OH 电 极 铅 法正确的是 A.Co电极连接电源负极 B.C采用阴离子交换膜 C.石墨电极的电极反应式为2H₂O+2e- ===20H-+H₂1 D.工作时，原料室中NaH₂PO₂的浓度不变 Co 石墨 B C NaH₂PO₂重NaOH 浓溶液 稀溶液 6.(2023.广东惠州高三联考)次磷酸钴[Co(H₂PO₂)₂ ]广泛应用于化学镀钴，以金属钴和 次磷酸钠为原料，采用四室电渗析槽电解法制备次磷酸钴的装置如图所示。下列说 产品室 原料室 稀硫酸 A 钴，阳极区生成的Co²+和原料室中的H₂PO2 都移向产品室，为了确保产品的纯 度和原料室电荷守恒，原料室中的Na+ 移向阴极区，因此A、B、C 分别采用阳 离子交换膜、阴离子交换膜、阳离子交换膜，工作时原料室中NaH₂PO₂ 的浓度 减小，B 、D 项错误； 石墨电极作阴极，电极反应式为2H₂O+2e-===20H-+H₂ 个 ，C 项正确。 解析 此电解池用金属钴和次磷酸钠制备次 磷酸钴，因此Co电极失去电子作阳极， 与电源的正极相连，A 项错误； 电解池中，阳离子向阴极移动，阴离 子向阳极移动，产品室中得到次磷酸 NaH₂PO₂NaOH 浓溶液 稀溶液 产品室 原料室 石墨 B C Co A 稀硫酸 的作用下，双极膜内中间界面层发生水的解离，生成H+和OH-。下列说法错误的是 A.电极a连接电源的正极 B.B为阳离子交换膜 C.电解质溶液采用Na₂SO₄溶液可避免有害气体 的产生 D.I 口排出的是淡水 7.某科研小组研究采用BMED 膜堆如图所示，模拟以精制浓海水为原料直接制备酸碱。 BMED 膜堆包括阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜(A、D)。已知：在直流电源 解析 根据题干信息确定该装置为电解池，阴离子向 阳极移动，阳离子向阴极移动，所以电极a为 阳极，连接电源的正极，A项正确； 水在双极膜A解离后，H+吸引阴离子透过B膜 到左侧形成酸，B为阴离子交换膜，B项错误；Na₂SO₄溶液H₂O浓海水H₂O Na₂SO₄溶液 电解质溶液采用Na₂SO₄溶液，电解时生成H₂和O₂ ,可避免有害气体的产生，C 项正确 ； 海水中的阴、阳离子透过两侧交换膜向两侧移动，淡水从Ⅱ口排出，D项正确。 本课结束 $$