2021届一轮复习（人教版）离子交换膜在电化学中的应用学案

2021届一轮复习（人教版）离子交换膜在电化学中的应用学案

离子交换膜在电化学中的应用 常见的隔膜及作用 ‎(1)隔膜类型 隔膜又叫离子交换膜,由高分子特殊材料制成。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,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能选择性的通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。‎ ‎【典例】(2018·全国卷Ⅲ节选)KIO3也可采用“电解法”制备,装置如图所示。‎ ‎(1)写出电解时阴极的电极反应式　　　　　　　　　　　　　　　　。 ‎ ‎(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为　　　　,其迁移方向是　　　　。 ‎ ‎【审题流程】隔膜看类型,离子定方向。‎ ‎【解析】(1)该装置为电解池,电解时阴极电解质为KOH,水中氢离子放电,故电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑。‎ ‎(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为K+,在电解池中离子移动方向为阳离子移向阴极,故K+由a到b。‎ 答案: (1)2H2O+2e-2OH-+H2↑　(2)K+　a到b ‎1.三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,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S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。‎ 下列叙述正确的是 (　　)‎ A.通电后中间隔室的S离子向正极迁移,正极区溶液pH增大 B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品 C.负极反应为2H2O-4e-O2+4H+,负极区溶液pH降低 D.当电路中通过1 mol电子的电量时,会有0.5 mol的O2生成 ‎【解析】选B。电解池中阴离子向阳极移动,所以通电后中间隔室的S向正极区迁移,阳极上氢氧根离子放电产生氧气,溶液中氢离子浓度增大,pH减小,A项错误;电解时在负极区生成NaOH,在正极区生成H2SO4,B项正确;‎ 阴极反应是氢离子得到电子生成氢气,溶液中氢氧根离子浓度增大,pH升高,C项错误;当电路中通过1 mol电子的电量时,会有0.25 mol的O2生成,D项错误。‎ ‎2.制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术,装置如图所示,其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　。电解后,　　　　　室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水,可得到Na2S2O5。 ‎ ‎【解析】根据题中的图示,左侧为电解池的阳极,右侧为电解池的阴极,离子交换膜均为阳离子交换膜,只允许阳离子通过,阳极的电解质溶液为稀硫酸,所以阳极的电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,则阳极的氢离子会透过阳离子交换膜进入a室,与a室中的SO2碱吸收液中含有的Na2SO3发生反应生成亚硫酸氢钠,所以a室中的NaHSO3浓度增加。‎ 答案:2H2O-4e-4H++O2↑　 a ‎3.以石墨负极(C)、LiFePO4正极组成的锂离子电池的工作原理如图所示(实际上正负极材料是紧贴在锂离子导体膜两边的)。充放电时,Li+在正极材料上脱嵌或嵌入,随之在石墨中发生了LixC6的生成与解离。下列说法正确的是 (　　)‎ A.锂离子导电膜应有保护成品电池安全性的作用 B.该电池工作过程中Fe元素化合价没有发生变化 C.放电时,负极材料上的反应为6C+xLi++xe-LixC6‎ D.放电时,正极材料上的反应为LiFePO4-xe-Li1-xFePO4 +xLi+‎ ‎【解析】选A。为了防止正负极相互接触,用锂离子导电膜隔开,起到保护成品电池安全性的作用,故A正确;总反应LiFePO4+6CLi1-xFePO4 +LixC6,原电池原理和电解池原理中,都需要发生氧化还原反应,可知铁元素化合价发生变化, B错误;放电时,负极材料上的反应为LixC6-xe-6C+xLi+, C错误;放电时,正极材料上的反应为Li1-xFePO4 +xLi++xe-LiFePO4, D错误。‎ ‎【加固训练】‎ ‎(2020·威海模拟) 电化学在处理环境污染方面发挥了重要的作用。‎ ‎(1)据报道以二氧化碳为原料采用特殊的电极电解强酸性的二氧化碳水溶液可得到多种燃料,其原理如图1所示。电解时其中b极上生成乙烯的电极反应式为______________________________________　。 ‎ ‎(2)利用电解原理可将NO还原为N2,装置见图2,高质子导电性的SCY陶瓷(能传递H+)为介质,金属钯薄膜作电极。‎ 钯电极A为　　　　极,电极反应式为　　　　　　　　　　　　　。 ‎ ‎(3)脱去冶金工业排放烟气中SO2的方法有多种。离子膜电解法:利用硫酸钠溶液吸收SO2,再用惰性电极电解。将阴极区溶液导出,经过滤分离硫黄后,可循环吸收利用,装置如图3所示,则阴极的电极反应式为 　　　　　　　　　　, ‎ 阳极产生的气体的化学式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ‎ ‎【解析】(1)b电极与电源的负极相连为阴极,该极通入了CO2,故在该电极上CO2得电子后结合迁移过来的H+生成乙烯,电极反应式为2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O。(2)因为A电极上NO得电子后生成N2,故A电极为阴极,电极反应式为2NO+4H++4e-N2+2H2O。(3)由于阴极生成了硫黄,则在阴极上SO2得电子后结合H+生成单质硫的同时生成了H2O,电极反应式为SO2+4H++4e-S↓+2H2O;在阳极上OH-失电子生成O2,故产生的气体为O2。‎ 答案:(1)2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O ‎(2)阴　2NO+4H++4e-N2+2H2O ‎(3)SO2+4H++4e-S↓+2H2O(或H2SO3+4H++4e-S↓+3H2O)　O2‎