2024屆高考一輪復(fù)習(xí) 第六章 化學(xué)反應(yīng)與能量 第6講 含交換膜的電化學(xué)裝置在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用 課件（共54張）

第6講

含交換膜的電化學(xué)裝置在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用(綜合應(yīng)用課)離子交換膜是一種含離子基團(tuán)的、對(duì)溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。因它對(duì)離子具有選擇透過性，且電化學(xué)性能優(yōu)良，在涉及電化學(xué)的工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。由于離子交換膜能將工業(yè)生產(chǎn)與化學(xué)知識(shí)有機(jī)的融合，實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)配置，考查學(xué)生的學(xué)以致用能力，故近幾年的電化學(xué)高考試題中年年涉及。主要呈現(xiàn)的是陰、陽離子交換膜，質(zhì)子交換膜，雙極膜和氣體膜等，其功能是在于選擇性通過某些離子和阻斷某些離子或隔離某些物質(zhì)，從而制備、分離或提純某些物質(zhì)，來豐富人們物質(zhì)需求。解析：由題目信息知，Zn電極為負(fù)極，MnO2電極為正極，電池放電時(shí)，電解質(zhì)溶液中陰離子向負(fù)極移動(dòng)，陽離子向正極移動(dòng)，A項(xiàng)錯(cuò)誤。答案：A2．(2021·全國甲卷)乙醛酸是一種重要的化工中間體，可采用如下圖所示的電化學(xué)裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H＋和OH－，并在直流電場(chǎng)作用下分別向兩極遷移。下列說法正確的是

()解析：由題圖可知，在鉛電極乙二酸變成乙醛酸是去氧的過程，發(fā)生還原反應(yīng)，則鉛電極是電解裝置的陰極，石墨電極發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)為2Br－－2e－===Br2，此為陽極反應(yīng)式，由分析可知，Br－還是陽極反應(yīng)物，A、B錯(cuò)誤；制得2mol乙醛酸，實(shí)際上是左、右兩側(cè)各制得1mol乙醛酸，共轉(zhuǎn)移2mol電子，故理論上外電路中遷移的電子為2mol，C錯(cuò)誤；電解裝置中，陽離子移向陰極(即鉛電極)，D正確。答案：D3．(2021·廣東等級(jí)考)鈷(Co)的合金材料廣泛應(yīng)用

于航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域。如圖為水溶液

中電解制備金屬鈷的裝置示意圖。下列說法正

確的是

()A．工作時(shí)，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B．生成1molCo，Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少16gC．移除兩交換膜后，石墨電極上發(fā)生的反應(yīng)不變D．電解總反應(yīng)：2Co2＋＋2H2O通電,2Co＋O2↑＋4H＋解析：石墨電極為陽極，電極反應(yīng)式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，H＋通過陽離子交換膜由Ⅰ室進(jìn)入Ⅱ室，右側(cè)Co電極為陰極，電極反應(yīng)式為Co2＋＋2e－===Co，Cl－通過陰離子交換膜由Ⅲ室進(jìn)入Ⅱ室，與H＋結(jié)合生成鹽酸。由上述分析知，Ⅰ室中水放電使硫酸濃度增大，Ⅱ室中生成鹽酸，故Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均減小，A錯(cuò)誤；生成1molCo時(shí)，轉(zhuǎn)移2mol電子，Ⅰ室有0.5molO2(即16g)逸出，有2mol(即2g)H＋通過陽離子交換膜進(jìn)入Ⅱ室，則Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少18g，B錯(cuò)誤；移除兩交換膜后，石墨電極上的電極反應(yīng)為2Cl－－2e－===Cl2↑，C錯(cuò)誤；根據(jù)分析可知，電解時(shí)生成了O2、Co、H＋，則電解總反應(yīng)為2Co2＋＋2H2O通電,2Co＋O2↑＋4H＋，D正確。答案：D答案：C1．電化學(xué)中的交換膜(1)離子交換膜的種類陽離子交換膜只允許陽離子透過，不允許陰離子或某些分子透過陰離子交換膜只允許陰離子透過，不允許陽離子或某些分子透過質(zhì)子交換膜只允許H＋透過，不允許其他陽離子和陰離子透過雙極膜由一張陽膜和一張陰膜復(fù)合制成的陰、陽復(fù)合膜。該膜特點(diǎn)是在直流電的作用下，陰、陽膜復(fù)合層間的H2O解離成H＋和OH－并分別通過陽膜和陰膜，作為H＋和OH－的離子源氣體膜只允許氣體通過，不允許溶液通過續(xù)表(2)交換膜的功能使離子選擇性定向遷移其目的是平衡整個(gè)溶液的離子濃度或電荷。(3)交換膜在中學(xué)電化學(xué)中的作用2．含膜電解池裝置分析(1)兩室電解池①制備原理：工業(yè)上利用如圖兩室電解裝置制備燒堿陽極室中電極反應(yīng)：2Cl－－2e－===Cl2↑，陰極室中的電極反應(yīng)：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，陰極區(qū)H＋放電，破壞了水的電離平衡，使OH－濃度增大，陽極區(qū)Cl－放電，使溶液中的c(Cl－)減小，為保持電荷守恒，陽極室中的Na＋通過陽離子交換膜與陰極室中生成的OH－結(jié)合，得到濃的NaOH溶液。利用這種方法制備物質(zhì)，純度較高，基本沒有雜質(zhì)。②陽離子交換膜的作用它只允許Na＋通過，而阻止陰離子(Cl－)和氣體(Cl2)通過。這樣既防止了兩極產(chǎn)生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和陰極產(chǎn)生的NaOH反應(yīng)生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)量。(2)多室電解池3.離子交換膜類型的判斷方法(1)首先寫出陰、陽兩極上的電極反應(yīng)式。(2)依據(jù)電極反應(yīng)式確定該電極附近哪種離子剩余。(3)根據(jù)電極附近溶液呈電中性，從而判斷出離子移動(dòng)的方向。(4)根據(jù)離子移動(dòng)的方向，確定離子交換膜的類型。4．有“膜”條件下離子定向移動(dòng)方向的判斷方法題型(一)用于物質(zhì)的制備

[典例]

有機(jī)電化學(xué)合成是目前公認(rèn)的一種綠色可持續(xù)性合成策略，電化學(xué)合成1,2--二氯乙烷的裝置如圖。下列說法錯(cuò)誤的是

()A．a(chǎn)為負(fù)極，離子交換膜Ⅰ為陽離子交換膜B．M極發(fā)生反應(yīng)2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－C．電路中每通過1mole－理論上消耗28g乙烯D．隨電解進(jìn)行NaOH與NaCl需及時(shí)補(bǔ)充[解析]

根據(jù)圖示，惰性電極N上，CuCl→CuCl2，發(fā)生氧化反應(yīng)，N為陽極，則b為正極，a為負(fù)極，CuCl→CuCl2時(shí)，消耗Cl－，離子交換膜Ⅱ?yàn)殛庪x子交換膜，Cl－由NaCl溶液進(jìn)入陽極室(N)，為了平衡電荷，Na＋由NaCl溶液進(jìn)入陰極室(M)，離子交換膜Ⅰ為陽離子交換膜。a為負(fù)極，惰性電極M發(fā)生的電極反應(yīng)為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。隨著電解進(jìn)行，NaCl溶液需要補(bǔ)充，而NaOH不需要補(bǔ)充。電路中每通過1mole－理論上生成1molCuCl2，消耗14g乙烯。[答案]

D[題后悟道]電解原理常用于物質(zhì)的制備，具有反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)試劑純凈和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，電解原理能使許多不能自發(fā)的反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)。工業(yè)上常用多室電解池制備物質(zhì)，多室電解池是利用離子交換膜的選擇透過性，即允許帶某種電荷的離子通過而限制帶相反電荷的離子通過，將電解池分為兩室、三室、多室等，以達(dá)到濃縮、凈化、提純及電化學(xué)合成的目的。[綜合應(yīng)用訓(xùn)練]1．氫碘酸(HI)可用“四室電滲析法”制備，

其工作原理如圖所示(陽膜和陰膜分別

只允許陽離子、陰離子通過)。下列敘

述錯(cuò)誤的是

()A．通電后，陰極室溶液的pH增大B．陽極電極反應(yīng)式是2H2O－4e－===4H＋＋O2↑C．得到1mol產(chǎn)品HI，陽極室溶液質(zhì)量減少8gD．通電過程中，NaI的濃度逐漸減小解析：通電后，陰極電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，則溶液的pH增大，故A正確；陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，故B正確；根據(jù)陽極電極反應(yīng)式可知得到1mol產(chǎn)品HI，則轉(zhuǎn)移1mol電子，陽極室溶液質(zhì)量減少9g，故C錯(cuò)誤；通電過程中，原料室中的Na＋移向陰極室，I－移向產(chǎn)品室，所以NaI的濃度逐漸減小，故D正確。答案：C2．雙極膜在電滲析中應(yīng)用廣泛，它是由陽離子交換膜和陰離子交換膜復(fù)合而成。雙極膜內(nèi)層為水層，工作時(shí)水層中的H2О解離成H＋和OH－，并分別通過離子交換膜向兩側(cè)發(fā)生遷移。下圖為NaBr溶液的電滲析裝置示意圖。下列說法正確的是

()A．出口2的產(chǎn)物為HBr溶液B．出口5的產(chǎn)物為硫酸溶液C．Br－可從鹽室最終進(jìn)入陽極液中D．陰極電極反應(yīng)式為2H＋＋2e－===H2↑解析：電解時(shí)，

溶液中的陽離子向陰極移動(dòng)，陰離子向陽極移動(dòng)，溶液中的Na＋向陰極移動(dòng)，與雙極膜提供的氫氧根離子結(jié)合，出口2的產(chǎn)物為NaOH溶液，A錯(cuò)誤；電解時(shí)，

溶液中的陽離子向陰極移動(dòng)，陰離子向陽極移動(dòng)，溶液中的Br－向陽極移動(dòng)，與雙極膜提供的氫離子結(jié)合，故出口4的產(chǎn)物為HBr溶液，鈉離子不能通過雙極膜，故出口5不是硫酸，B錯(cuò)誤；結(jié)合選項(xiàng)B，Br－不會(huì)從鹽室最終進(jìn)入陽極液中，C錯(cuò)誤；電解池陰極處，發(fā)生的反應(yīng)是物質(zhì)得到電子被還原，發(fā)生還原反應(yīng)，水解離成H＋和OH－，則在陰極處發(fā)生的反應(yīng)為2H＋＋2e－===H2↑，D正確。答案：D解析：電解池中陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，由電解裝置圖可知，催化電極a為陽極，其電極反應(yīng)式為C2H5OH＋Cl－－2e－===C2H5OCl＋H＋，催化電極b為陰極，其電極反應(yīng)式為2H＋＋2e－===H2↑，在電解液中發(fā)生反應(yīng)C2H5OCl―→CH3CHO＋Cl－＋H＋、CH3CHO＋2C2H5OH―→C6H14O2＋H2O，該裝置內(nèi)的總反應(yīng)為3C2H5OH―→C6H14O2＋H2O＋H2↑。答案：D題型(二)用于物質(zhì)的分離與提純[典例]

用電解法可提純含有某種含氧酸根雜質(zhì)的粗KOH溶液，其工作原理如圖所示。下列有關(guān)說法錯(cuò)誤的是

()A．陽極反應(yīng)式為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑B．通電后陰極區(qū)溶液pH會(huì)增大C．K＋通過交換膜從陰極區(qū)移向陽極區(qū)D．純凈的KOH溶液從b口導(dǎo)出[解析]

陽極區(qū)為粗KOH溶液，陽極上OH－失電子發(fā)生氧化反應(yīng)：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，A項(xiàng)正確；陰極上H2O得電子發(fā)生還原反應(yīng)：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，陰極區(qū)附近溶液中c(OH－)增大，pH增大，B項(xiàng)；電解時(shí)陽離子向陰極移動(dòng)，故K＋通過陽離子交換膜從陽極區(qū)移向陰極區(qū)，C項(xiàng)錯(cuò)誤；陰極區(qū)生成KOH，故純凈的KOH溶液從b口導(dǎo)出，D項(xiàng)正確。[答案]

C[題后悟道]利用電解原理來分離、提純物質(zhì)，如電解精煉銅的過程中，將粗銅作陽極，含Cu2＋的溶液為電解液，通直流電，在陽極銅及比銅活潑的雜質(zhì)金屬失電子，在陰極只有Cu2＋得電子析出，從而提純了銅，也可以通過離子間帶同種電荷的相互排斥遠(yuǎn)離，帶異性電荷的相互吸引靠近，實(shí)現(xiàn)不同離子的定向遷移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的分離與提純，并由此判斷出離子的移動(dòng)方向。電解法是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)簡(jiǎn)單快速分離的一種有效手段，分離物質(zhì)的同時(shí)得到副產(chǎn)物，具有比一般分離方法更實(shí)用的優(yōu)勢(shì)。[綜合應(yīng)用訓(xùn)練]1．某鎳冶煉車間排放的廢水中含有一定濃度的Ni2＋和Cl－，圖1是雙膜三室電沉積法回收廢水中Ni2＋的示意圖，圖2所示的是實(shí)驗(yàn)中陰極液pH與鎳回收率間的關(guān)系。下列說法不正確的是(Ni的相對(duì)原子質(zhì)量為59) ()A．X為直流電源正極，b為陰離子交換膜B．陽極反應(yīng)式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋C．當(dāng)濃縮室中得到1L0.5mol·L－1鹽酸時(shí)，陰極回收11.8g鎳單質(zhì)(濃縮室中溶液體積變化忽略不計(jì))D．pH小于2時(shí)，鎳的回收率低的主要原因是有較多H2生成解析：該題的突破口為濃縮室進(jìn)入的是0.1mol·L－1鹽酸，排出的是0.5mol·L－1鹽酸，據(jù)此可以判斷右側(cè)廢水中的氯離子經(jīng)過交換膜b(陰離子交換膜)進(jìn)入濃縮室，左側(cè)H2SO4溶液中氫離子經(jīng)過交換膜a(陽離子交換膜)進(jìn)入濃縮室，右側(cè)惰性電極為陰極，左側(cè)惰性電極為陽極。濃縮室中得到1L0.5mol·L－1鹽酸，表明生成了0.4molHCl，電路中通過了0.4mole－，若陰極上只有Ni2＋放電，則陰極回收0.2mol鎳即11.8g，實(shí)際上陰極除Ni2＋放電外，還存在H＋放電，故陰極回收的鎳單質(zhì)小于11.8g。答案：C答案：B答案：D題型(三)用于廢水處理及環(huán)境保護(hù)[典例]

在直流電源作用下，雙極膜中間層中的H2O解離為H＋和OH－，利用雙極膜電解池產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基(·OH)，處理含苯酚廢水和含SO2的煙氣的工作原理如圖所示。下列說法錯(cuò)誤的是

()A．電勢(shì)：N電極＞M電極B．陰極電極反應(yīng)式為O2＋2e－＋2H＋===2·OHC．每處理9.4g苯酚，理論上有2.8molH＋透過膜aD．若·OH只與苯酚和SO2反應(yīng)，則參加反應(yīng)的苯酚和SO2物質(zhì)的量之比為1∶14[解析]M極上O2得電子生成羥基自由基(·OH)，說明M極為陰極，連接電源的負(fù)極，N極為陽極，故電勢(shì)：N電極＞M電極，選項(xiàng)A正確；M為陰極，陰極上O2得電子生成羥基自由基(·OH)，電極反應(yīng)式為O2＋2e－＋2H＋===2·OH，選項(xiàng)B正確；1mol苯酚轉(zhuǎn)化為CO2，轉(zhuǎn)移28mol電子，每處理9.4g苯酚(即0.1mol)，理論上有2.8mol電子轉(zhuǎn)移，則有2.8molH＋透過膜b，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；若·OH只與苯酚和SO2反應(yīng)，轉(zhuǎn)移電子數(shù)之比為28∶2，則參加反應(yīng)的苯酚和SO2物質(zhì)的量之比為1∶14，選項(xiàng)D正確。[答案]C[題后悟道]應(yīng)用電解的原理處理生產(chǎn)中的廢水，可以直接將廢水中有害物質(zhì)通過電解形式分別在陽、陰兩極上發(fā)生氧化和還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化成為無害物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)污水凈化；也可采用間接氧化和間接還原方式，即利用電解產(chǎn)生的具有氧化性或還原性的產(chǎn)物與廢水中的有害物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的沉淀物，以達(dá)到分離去除的目的。解析：在電解過程中，陽極上鐵發(fā)生氧化反應(yīng)生成亞鐵離子，電極反應(yīng)式為Fe－2e－===Fe2＋，故A錯(cuò)誤；答案：A2．采用電化學(xué)方法使Fe2＋與H2O2反應(yīng)，可生成非?；顫姷摹H(羥基自由基)中間體用于降解廢水中的有機(jī)污染物，原理如下圖所示。下列說法不正確的是

()A．X上發(fā)生的電極反應(yīng)為2H2O－4e－===O2↑＋4H