2019届一轮复习人教版电化学中的介质与交换膜学案

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2019届一轮复习人教版电化学中的介质与交换膜学案

在近几年高考中,涉及离子交换膜的应用及电解液介质对电极反应的影响的试题 比较多,且常出常新,离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些 离子来隔离某些物质,电解液介质主要对电极反应产物进行二次反应。 增分点 1 电化学中的交换膜 [知识查补] 1.交换膜的功能 使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。 2.交换膜在中学电化学中的作用 (1)防止副反应的发生,避免影响所制取产品的质量;防止引发不安全因素。(如在 电解饱和食盐水中,利用阳离子交换膜,防止阳极产生的氯气进入阴极室与氢氧 化钠反应,导致所制产品不纯;防止与阴极产生的氢气混合发生爆炸)。 (2)用于物质的制备、分离、提纯等。 3.离子交换膜的类型 常见的离子交换膜为:阳离子交换膜、阴离子交换膜、特殊离子交换膜等。 [增分题例] 类型一 隔离某些离子或物质,防止发生反应 【例 1】 目前电解法制烧碱通常采用离子交换膜法,阳(阴)离子交换膜不允许阴 (阳)离子通过。则下列叙述中错误的是(  ) A.NaOH、H2 均在Ⅰ区产生 B. 图中 a 为阴离子交换膜 C.使用离子交换膜可以有效地隔离 NaOH 和 Cl2,阻止二者之间的反应 D.电解时往Ⅲ区的溶液中滴加几滴甲基橙,溶液先变红后褪色 解析 Ⅰ区是阴极室,H+(H2O)放电生成氢气,同时促进水的电离,生成氢氧化 钠,Ⅱ区 Na+通过 a 进入 I 区,故 a 应该是阳离子交换膜;Ⅲ区和电源的正极相 连,为阳极,Cl-放电生成氯气,Ⅱ区 Cl-通过 b 进入Ⅲ区,故 b 应该是阴离子交 换膜;氯气溶于水显酸性,同时次氯酸还具有漂白性,所以滴入甲基橙后溶液先 变红后褪色。错误的是 B。 答案 B 【例 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的电池反应不相同 B.能量转化形式不同 C.Ⅰ的电流效率低于Ⅱ的电流效率 D.5 min 后,Ⅰ、Ⅱ中都只含 1 种溶质 解析 Ⅰ、Ⅱ装置中电极材料相同,电解质溶液部分相同,电池反应,负极反应 和正极反应式相同,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装置中铜与氯化铁直接接触,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装置采用阴离 子交换膜,铜与氯化铜接触,不会发生副反应,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+,负电荷过剩。Cl-从交换膜右侧向左侧迁移,电流效率高于Ⅰ装置, C 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,右侧生成了氯化亚铁,可能含氯化铁,D 项错误。 答案 C 【总结归纳】 交换膜隔离两种电解质溶液,避免负极材料与能发生反应的电解质溶液直接接触, 能提高电流效率。在这种装置中,交换膜起到盐桥作用,且优于盐桥(盐桥需要定 时替换或再生)。通过限制离子迁移,使指定离子在溶液中定向移动形成闭合回路, 完成氧化剂和还原剂在不接触条件下发生氧化还原反应。 类型二 制备某些物质 【例 3】 电解法制取 Na 2FeO4 的总反应为 Fe+2H 2O+2OH - ===== 通电 FeO2-4 + 3H2↑,工作原理如图所示。已知:Na2FeO4 只在强碱性条件下稳定,易被 H2 还 原。下列叙述正确的是(  ) A.铁电极上发生还原反应,生成 FeO2-4 B.通电一段时间后,阳极区 pH 下降 C.通电后 Na+向右移动,阴极区 Na+浓度增大 D.当电路中通过 1 mol 电子时,阴极区有 11.2 L H2 生成 解析 选项 A,根据电解总反应知,铁电极上发生氧化反应生成 FeO2-4 ;选项 B, 电解时,阳极的电极反应式为 Fe-6e-+8OH-===FeO2-4 +4H2O,阴极反应式为 6H2O+6e-===3H2↑+6OH-,电解过程中阳极消耗 OH-,故阳极区 pH 下降; 选项 C,为保障阳极区的强碱性条件,该电解池中离子交换膜只能是阴离子交换 膜;选项 D,未提及标准状况,故错误。 答案 B 【例 4】 加碘食盐中含有碘酸钾(KIO3),现以电解法制备碘酸钾,实验装置如 图所示。先将一定量的碘溶于过量氢氧化钾溶液,发生反应:3I2+6KOH===5KI+ KIO3+3H2O,将该溶液加入阳极区,另将氢氧化钾溶液加入阴极区,开始电解。 下列说法中正确的是(  ) A.电解过程中 OH-从 a 极区通过离子交换膜 c 进入 b 极区 B.随着电解进行,KOH 溶液浓度会逐渐减小 C.a 电极反应式:I--6e-+6OH-=== IO-3 +3H2O,a 极区的 KI 最终转变为 KIO3 D.当阳极有 0.1 mol I-放电时,阴极生成 6.72 L H2 解析 与外加电源正极相连的是电解池的阳极,即 a 电极是阳极,故 b 电极是阴 极;题意知阳极区的物质有:KOH、KI、KIO3、H2O,阳极将发生失电子的氧化 反应,失电子能力:I->OH->IO-3 ,故发生反应 I--6e-+6OH-=== IO-3 +3H2O, 在阴极上 H+(H2O)放电,6H2O+6e-===3H2↑+6OH-,电解总反应为:I-+3H2O ===== 电解 IO-3 +3H2↑,故电解时 KOH 浓度会增大;b 极区 OH-会通过 c 进入 a 极 区,c 应为阴离子交换膜。正确的是 C。 答案 C 增分点 2 电化学中的介质对电极反应的影响 [知识查补] 电化学中常见的五大介质(以 CH3OH 、O2 燃料电池为例) 介质一:K2SO4 中性溶液 总反应式:2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O (-)负极:2CH3OH-12e-+2H2O===2CO2+12H+ (+)正极:3O2+12e-+6H2O===12OH- 介质二:KOH 碱性介质 总反应式:2CH3OH + 3O2 +4OH-=== 2CO2-3 +6H2O (-)负极:2CH3OH-12e-+16OH-===2CO2-3 +12H2O (+)正极:3O2+12e-+6H2O===12OH- 介质三:H2SO4 溶液酸性  总反应式:2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O (-)负极:2CH3OH-12e-+2H2O===2CO2+12H+ (+)正极:3O2+12e-+12H+===6H2O 介质四:熔融盐介质,如熔融的 K2CO3 总反应:2CH3OH+3O2===2CO2 +4H2O (-)负极:2CH3OH-12e-+6CO2-3 ===8CO2+4H2O (+)正极:3O2+12e-+6CO2===6CO2-3 介质五:掺杂 Y2O3 的 ZrO3 固体电解质,在高温下能传导正极生成的 O2- 总反应:2CH3OH+3O2===2CO2 +4H2O (-)负极:2CH3OH-12e-+6O2-===2CO2+4H2O (+)正极:3O2+12e-===6O2- 规律 首先要分析介质是否参与总反应,然后写出总反应方程式,O2 在不同介质 中的转化关系(O2 得电子转化为 O2-,碱性(中性)溶液中转化为 OH-;酸性溶液 中转化为 H2O,熔融碳酸盐中转化为 CO2-3 ;固体氧化物转化为 O2-),写出正极 反应,利用相减法(总反应-正极反应=负极反应),写出负极反应。 [增分题例] 类型一 区分介质“状态”,判断离子流向 【例 5】 某燃料电池以 Ca(HSO4)2 固体为电解质传递 H+ ,其基本结构如图所 示,电池总反应可表示为 2H2+O2===2H2O。 请回答: (1)H+ 由________极通过固体酸电解质传递到另一极(填 a 或 b)。 (2)b 极上发生的电极反应式是____________________________________。 解析 a 极为负极,b 极为正极,电极反应式分别为 负极:2H2-4e- ===4H+ ;正极:O2+4e- +4H+ ===2H2O,其中正极上的 H+ 来自负极生成的 H+ 。 答案 (1)a  (2)O2+4e-+4H+ ===2H2O 类型二 判断介质成分,理清书写思路 【例 6】 一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪,负极上的反应为 CH3CH2OH-4e-+H2O===CH3COOH+4H+ 。下列有关说法正确的是(  ) A.检测时,电解质溶液中的 H+ 向负极移动 B.若有 0.4 mol 电子转移,则在标准状况下消耗 4.48 L 氧气 C.电池反应的化学方程式为 CH3CH2OH+O2===CH3COOH+H2O D.正极上发生的反应为 O2+4e- +2H2O===4OH- 解析  解答本题时审题是关键,反应是在酸性电解质溶液中进行的。在原电池中, 阳离子要向正极移动,故 A 错;因电解质溶液是酸性的,不可能存在 OH- ,故 正极的反应式为 O2+4H+ +4e- ===2H2O,转移 4 mol 电子时消耗 1 mol O2,则 转移 0.4 mol 电子时消耗(标准状况下)2.24 L O2,故 B、D 错;电池反应式即正负 极反应式之和,将两极的反应式相加可知 C 正确。 答案 C 【例 7】 用固体氧化物作为电解质的氢氧燃料电池电解 Na2SO4 溶液,已知固体 氧化物在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过,其工作原理如图所示(c、d 均为惰 性电极)。下列有关说法正确的是(  ) A.电路中电子流向为 a→d→c→b B.电极 b 为负极,电极反应式为 O2+4e-===2O2- C.电解后烧杯中溶液 pH 增大 D.理论上 b 极消耗气体和 c 极生成气体质量相等 解析 在溶液中没有电子的流动,只有离子的流动,A 项错误;通入 O2 的一极(电 极 b)为电池的正极,发生还原反应,B 项错误;惰性电极电解 Na2SO4 溶液实质 上是电解水,溶液的 pH 不变,C 项错误;c 极生成 O2,根据得失电子守恒可知 D 项正确。 答案 D
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