2024屆高考一輪復習 第六章 化學反應與能量 第6講 含交換膜的電化學裝置在生產生活中的應用 課件（共54張）

第6講

含交換膜的電化學裝置在生產生活中的應用(綜合應用課)離子交換膜是一種含離子基團的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。因它對離子具有選擇透過性，且電化學性能優(yōu)良，在涉及電化學的工業(yè)生產中廣泛應用。由于離子交換膜能將工業(yè)生產與化學知識有機的融合，實現(xiàn)資源的最優(yōu)配置，考查學生的學以致用能力，故近幾年的電化學高考試題中年年涉及。主要呈現(xiàn)的是陰、陽離子交換膜，質子交換膜，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，從而制備、分離或提純某些物質，來豐富人們物質需求。解析：由題目信息知，Zn電極為負極，MnO2電極為正極，電池放電時，電解質溶液中陰離子向負極移動，陽離子向正極移動，A項錯誤。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，則鉛電極是電解裝置的陰極，石墨電極發(fā)生氧化反應，反應為2Br－－2e－===Br2，此為陽極反應式，由分析可知，Br－還是陽極反應物，A、B錯誤；制得2mol乙醛酸，實際上是左、右兩側各制得1mol乙醛酸，共轉移2mol電子，故理論上外電路中遷移的電子為2mol，C錯誤；電解裝置中，陽離子移向陰極(即鉛電極)，D正確。答案：D3．(2021·廣東等級考)鈷(Co)的合金材料廣泛應用

于航空航天、機械制造等領域。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，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B．生成1molCo，Ⅰ室溶液質量理論上減少16gC．移除兩交換膜后，石墨電極上發(fā)生的反應不變D．電解總反應：2Co2＋＋2H2O通電,2Co＋O2↑＋4H＋解析：石墨電極為陽極，電極反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，H＋通過陽離子交換膜由Ⅰ室進入Ⅱ室，右側Co電極為陰極，電極反應式為Co2＋＋2e－===Co，Cl－通過陰離子交換膜由Ⅲ室進入Ⅱ室，與H＋結合生成鹽酸。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錯誤；生成1molCo時，轉移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入Ⅱ室，則Ⅰ室溶液質量理論上減少18g，B錯誤；移除兩交換膜后，石墨電極上的電極反應為2Cl－－2e－===Cl2↑，C錯誤；根據(jù)分析可知，電解時生成了O2、Co、H＋，則電解總反應為2Co2＋＋2H2O通電,2Co＋O2↑＋4H＋，D正確。答案：D答案：C1．電化學中的交換膜(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合制成的陰、陽復合膜。該膜特點是在直流電的作用下，陰、陽膜復合層間的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溶液的離子濃度或電荷。(3)交換膜在中學電化學中的作用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：2Cl－－2e－===Cl2↑，陰極室中的電極反應：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－結合，得到濃的NaOH溶液。利用這種方法制備物質，純度較高，基本沒有雜質。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生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和陰極產生的NaOH反應生成NaClO而影響燒堿的質量。(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式。(2)依據(jù)電極反應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的方向。(4)根據(jù)離子移動的方向，確定離子交換膜的類型。4．有“膜”條件下離子定向移動方向的判斷方法題型(一)用于物質的制備

[典例]

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

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

根據(jù)圖示，惰性電極N上，CuCl→CuCl2，發(fā)生氧化反應，N為陽極，則b為正極，a為負極，CuCl→CuCl2時，消耗Cl－，離子交換膜Ⅱ為陰離子交換膜，Cl－由NaCl溶液進入陽極室(N)，為了平衡電荷，Na＋由NaCl溶液進入陰極室(M)，離子交換膜Ⅰ為陽離子交換膜。a為負極，惰性電極M發(fā)生的電極反應為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。隨著電解進行，NaCl溶液需要補充，而NaOH不需要補充。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的制備，具有反應條件溫和、反應試劑純凈和生產效率高等優(yōu)點，電解原理能使許多不能自發(fā)的反應得以實現(xiàn)。工業(yè)上常用多室電解池制備物質，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，以達到濃縮、凈化、提純及電化學合成的目的。[綜合應用訓練]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

述錯誤的是

()A．通電后，陰極室溶液的pH增大B．陽極電極反應式是2H2O－4e－===4H＋＋O2↑C．得到1mol產品HI，陽極室溶液質量減少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，電極反應式為2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，故B正確；根據(jù)陽極電極反應式可知得到1mol產品HI，則轉移1mol電子，陽極室溶液質量減少9g，故C錯誤；通電過程中，原料室中的Na＋移向陰極室，I－移向產品室，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用廣泛，它是由陽離子交換膜和陰離子交換膜復合而成。雙極膜內層為水層，工作時水層中的H2О解離成H＋和OH－，并分別通過離子交換膜向兩側發(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的產物為HBr溶液B．出口5的產物為硫酸溶液C．Br－可從鹽室最終進入陽極液中D．陰極電極反應式為2H＋＋2e－===H2↑解析：電解時，

溶液中的陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動，溶液中的Na＋向陰極移動，與雙極膜提供的氫氧根離子結合，出口2的產物為NaOH溶液，A錯誤；電解時，

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

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

()A．陽極反應式為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑B．通電后陰極區(qū)溶液pH會增大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：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，A項正確；陰極上H2O得電子發(fā)生還原反應：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，陰極區(qū)附近溶液中c(OH－)增大，pH增大，B項；電解時陽離子向陰極移動，故K＋通過陽離子交換膜從陽極區(qū)移向陰極區(qū)，C項錯誤；陰極區(qū)生成KOH，故純凈的KOH溶液從b口導出，D項正確。[答案]

C[題后悟道]利用電解原理來分離、提純物質，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離，帶異性電荷的相互吸引靠近，實現(xiàn)不同離子的定向遷移，從而實現(xiàn)對物質的分離與提純，并由此判斷出離子的移動方向。電解法是實現(xiàn)物質簡單快速分離的一種有效手段，分離物質的同時得到副產物，具有比一般分離方法更實用的優(yōu)勢。[綜合應用訓練]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所示的是實驗中陰極液pH與鎳回收率間的關系。下列說法不正確的是(Ni的相對原子質量為59) ()A．X為直流電源正極，b為陰離子交換膜B．陽極反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋C．當濃縮室中得到1L0.5mol·L－1鹽酸時，陰極回收11.8g鎳單質(濃縮室中溶液體積變化忽略不計)D．pH小于2時，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)此可以判斷右側廢水中的氯離子經過交換膜b(陰離子交換膜)進入濃縮室，左側H2SO4溶液中氫離子經過交換膜a(陽離子交換膜)進入濃縮室，右側惰性電極為陰極，左側惰性電極為陽極。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，實際上陰極除Ni2＋放電外，還存在H＋放電，故陰極回收的鎳單質小于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[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生強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。下列說法錯誤的是

()A．電勢：N電極＞M電極B．陰極電極反應式為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，則參加反應的苯酚和SO2物質的量之比為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，連接電源的負極，N極為陽極，故電勢：N電極＞M電極，選項A正確；M為陰極，陰極上O2得電子生成羥基自由基(·OH)，電極反應式為O2＋2e－＋2H＋===2·OH，選項B正確；1mol苯酚轉化為CO2，轉移28mol電子，每處理9.4g苯酚(即0.1mol)，理論上有2.8mol電子轉移，則有2.8molH＋透過膜b，選項C錯誤；若·OH只與苯酚和SO2反應，轉移電子數(shù)之比為28∶2，則參加反應的苯酚和SO2物質的量之比為1∶14，選項D正確。[答案]C[題后悟道]應用電解的原理處理生產中的廢水，可以直接將廢水中有害物質通過電解形式分別在陽、陰兩極上發(fā)生氧化和還原反應轉化成為無害物質以實現(xiàn)污水凈化；也可采用間接氧化和間接還原方式，即利用電解產生的具有氧化性或還原性的產物與廢水中的有害物質發(fā)生化學反應，生成不溶于水的沉淀物，以達到分離去除的目的。解析：在電解過程中，陽極上鐵發(fā)生氧化反應生成亞鐵離子，電極反應式為Fe－2e－===Fe2＋，故A錯誤；答案：A2．采用電化學方法使Fe2＋與H2O2反應，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)生的電極反應為2H2O－4e－===O2↑＋4H