2025版新教材高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí)第5章化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化第3節(jié)素養(yǎng)提升12隔膜在電化學(xué)裝置中的應(yīng)用學(xué)案魯科版

PAGE5-素養(yǎng)提升12隔膜在電化學(xué)裝置中的應(yīng)用1．常見(jiàn)的隔膜隔膜又叫離子交換膜，由高分子特別材料制成。離子交換膜分三類(lèi)：(1)陽(yáng)離子交換膜，簡(jiǎn)稱(chēng)陽(yáng)膜，只允許陽(yáng)離子通過(guò)，即允許H＋和其他陽(yáng)離子通過(guò)，不允許陰離子通過(guò)。(2)陰離子交換膜，簡(jiǎn)稱(chēng)陰膜，只允許陰離子通過(guò)，即允許OH－和其他陰離子通過(guò)，不允許陽(yáng)離子通過(guò)。(3)質(zhì)子交換膜，只允許H＋通過(guò)，不允許其他陽(yáng)離子和陰離子通過(guò)。2．隔膜的作用(1)能將兩極區(qū)隔離，阻擋兩極區(qū)產(chǎn)生的物質(zhì)接觸，防止發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。(2)能選擇性地允許離子通過(guò)，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。3．離子交換膜的選擇依據(jù)離子的定向移動(dòng)。4．多室電解池的類(lèi)型多室電解池是利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，即允許帶某種電荷的離子通過(guò)而限制帶相反電荷的離子通過(guò)，將電解池分為兩室、三室等，以達(dá)到濃縮、凈化、提純以及電化學(xué)合成的目的。(1)兩室電解池以惰性電極電解肯定濃度的Na2CO3溶液為例，其原理如圖所示：①電極名稱(chēng)的推斷：依據(jù)“陰陽(yáng)相吸”推斷，Na＋移向的乙電極是陰極；依據(jù)“陽(yáng)極放氧生酸”推斷，左側(cè)有氧氣生成的甲電極是陽(yáng)極。②電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)：右側(cè)陰極區(qū)電解液為稀氫氧化鈉溶液，依據(jù)“陰極放氫生堿”，得4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－，A為氫氣；左側(cè)陽(yáng)極區(qū)電解液為碳酸鈉溶液，依據(jù)“陽(yáng)極放氧生酸”，得H＋會(huì)與COeq\o\al(2－,3)結(jié)合生成HCOeq\o\al(－,3)：4COeq\o\al(2－,3)＋2H2O－4e－=4HCOeq\o\al(－,3)＋O2↑。(2)三室電解池以三室式電滲析法處理含KNO3的廢水得到KOH和HNO3為例，其原理如圖所示：①陰極反應(yīng)及ab膜的推斷：陰極的電極反應(yīng)是4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－(放氫生堿)，生成的帶負(fù)電荷的OH－吸引中間隔離室的K＋向陰極區(qū)遷移，得到KOH溶液，陰極區(qū)溶液的pH增大，ab膜為陽(yáng)離子交換膜。②陽(yáng)極反應(yīng)及cd膜的推斷：陽(yáng)極的電極反應(yīng)是2H2O－4e－=O2↑＋4H＋(放氧生酸)，生成的帶正電荷的H＋吸引中間隔離室的NOeq\o\al(－,3)向陽(yáng)極區(qū)遷移，得到HNO3溶液，陽(yáng)極區(qū)溶液的pH減小，cd膜為陰離子交換膜。(3)四室電解池以四室式電滲析法制備H3PO2(次磷酸)為例，其工作原理如圖所示：電解稀硫酸的陽(yáng)極反應(yīng)是2H2O－4e－=O2↑＋4H＋(放氧生酸)，產(chǎn)生的H＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室，原料室中的H2POeq\o\al(－,2)通過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室，與H＋結(jié)合生成弱電解質(zhì)H3PO2；電解NaOH稀溶液的陰極反應(yīng)是4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－(放氫生堿)，原料室中的Na＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入陰極室。1．SO2和NOx是主要大氣污染物，利用如圖裝置可同時(shí)汲取SO2和NO。下列有關(guān)說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．a(chǎn)極為直流電源的負(fù)極，與其相連的電極發(fā)生還原反應(yīng)B．陰極得到2mol電子時(shí)，通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的H＋為2molC．汲取池中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為2NO＋2S2Oeq\o\al(2－,4)＋2H2O=N2＋4HSOeq\o\al(－,3)D．陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為SO2＋2H2O＋2e－=SOeq\o\al(2－,4)＋4H＋D解析：A項(xiàng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，HSOeq\o\al(－,3)得電子生成S2Oeq\o\al(2－,4)，a是直流電源的負(fù)極，正確；B項(xiàng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為2HSOeq\o\al(－,3)＋2H＋＋2e－=S2Oeq\o\al(2－,4)＋2H2O，陰極得到2mol電子時(shí)，通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的H＋為2mol，正確；C項(xiàng)，汲取池中S2Oeq\o\al(2－,4)與NO發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成N2和HSOeq\o\al(－,3)，離子方程式為2NO＋2S2Oeq\o\al(2－,4)＋2H2O=N2＋4HSOeq\o\al(－,3)，正確；D項(xiàng)，陽(yáng)極發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為SO2＋2H2O－2e－=SOeq\o\al(2－,4)＋4H＋，錯(cuò)誤。2．已知：電流效率＝電路中通過(guò)的電子數(shù)與消耗負(fù)極失去電子總數(shù)之比。現(xiàn)有兩個(gè)電池Ⅰ、Ⅱ，裝置如圖所示。下列說(shuō)法正確的是()A．Ⅰ和Ⅱ的電池反應(yīng)不同B．Ⅰ和Ⅱ的能量轉(zhuǎn)化形式不同C．Ⅰ的電流效率低于Ⅱ的電流效率D．放電一段時(shí)間后，Ⅰ、Ⅱ中都只含1種溶質(zhì)C解析：Ⅰ、Ⅱ裝置中電極材料相同，電解質(zhì)溶液部分相同，電池總反應(yīng)、負(fù)極反應(yīng)和正極反應(yīng)均相同，A項(xiàng)錯(cuò)誤。Ⅰ和Ⅱ裝置的能量轉(zhuǎn)化形式都是化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，B項(xiàng)錯(cuò)誤。Ⅰ裝置中銅與氯化鐵溶液干脆接觸，二者會(huì)在銅極表面發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致部分能量損失(或部分電子沒(méi)有通過(guò)電路)，導(dǎo)致電流效率降低；而Ⅱ裝置采納陰離子交換膜，銅不與氯化鐵溶液干脆接觸，二者不會(huì)在銅極表面發(fā)生反應(yīng)，放電過(guò)程中交換膜左側(cè)負(fù)極的電極反應(yīng)式為Cu－2e－=Cu2＋，陽(yáng)離子增多；右側(cè)正極的電極反應(yīng)式為2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋，Cl－從交換膜右側(cè)向左側(cè)遷移，電流效率高于Ⅰ裝置，C項(xiàng)正確。放電一段時(shí)間后，Ⅰ裝置中生成氯化銅和氯化亞鐵，Ⅱ裝置中交換膜左側(cè)生成氯化銅，右側(cè)生成氯化亞鐵，兩者還可能均含有氯化鐵，D項(xiàng)錯(cuò)誤。3．如圖是用于航天飛行器中的一種全天候太陽(yáng)能電化學(xué)電池在光照時(shí)的工作原理。下列說(shuō)法正確的是()A．該電池與硅太陽(yáng)能電池供電原理相同B．光照時(shí)，H＋由a極室通過(guò)質(zhì)子膜進(jìn)入b極室C．夜間無(wú)光照時(shí)，a電極流出電子D．光照時(shí)，b極反應(yīng)式是VO2＋＋2OH－－e－=VOeq\o\al(＋,2)＋H2OC解析：硅太陽(yáng)能電池是用半導(dǎo)體原理將光能轉(zhuǎn)化為電能，是物理改變，而該電池是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，兩者原理不同，A錯(cuò)誤；光照時(shí)，b極反應(yīng)式為VO2＋＋H2O－e－=VOeq\o\al(＋,2)＋2H＋，產(chǎn)生氫離子，而氫離子由b極室透過(guò)質(zhì)子膜進(jìn)入a極室，B錯(cuò)誤；夜間無(wú)光照時(shí)，相當(dāng)于蓄電池放電，a極的電極反應(yīng)式為V2＋－e－=V3＋，發(fā)生氧化反應(yīng)，是負(fù)極，a電極流出電子，C正確；光照時(shí)，b極是陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)式為VO2＋＋H2O－e－=VOeq\o\al(＋,2)＋2H＋，D錯(cuò)誤。4．電滲析法淡化海水裝置如圖所示，電解槽中陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜交替排列，將電解槽分隔成多個(gè)獨(dú)立的間隔室，海水充溢各個(gè)間隔室。通電后，一個(gè)間隔室的海水被淡化，而其相鄰間隔室的海水被濃縮，從而實(shí)現(xiàn)了淡水和濃縮海水的分別。下列說(shuō)法正確的是()A．離子交換膜b為陽(yáng)離子交換膜B．①③⑤⑦間隔室的排出液為淡水C．通電時(shí)，電極1旁邊溶液的pH比電極2旁邊溶液的pH改變明顯D．淡化過(guò)程中，得到的濃縮海水沒(méi)有任何運(yùn)用價(jià)值B解析：電極2上H＋→H2，所以電極2為陰極，電極1為陽(yáng)極，陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)，陰離子交換膜只允許陰離子通過(guò)，Na＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜向電極2移動(dòng)，則離子交換膜a為陽(yáng)離子交換膜，離子交換膜b為陰離子交換膜，A項(xiàng)錯(cuò)誤；①③⑤⑦中的陰、陽(yáng)離子分別透過(guò)陰、陽(yáng)離子交換膜移向相鄰間隔室，海水被淡化，而相鄰間隔室②④⑥中的海水被濃縮，B項(xiàng)正確；電極1上Cl－放電生成Cl2，電極2上H＋放電生成H2，故電極2旁邊溶液的pH改變明顯，C項(xiàng)錯(cuò)誤；濃縮海水中含有豐富的元素(如Mg2＋、Br－)，有很大的運(yùn)用價(jià)值，D項(xiàng)錯(cuò)誤。5．某原電池裝置如圖所示，電池總反應(yīng)為2Ag＋Cl2=2AgCl。(1)當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移amole－時(shí)，交換膜左側(cè)溶液中約削減_______mol離子。交換膜右側(cè)溶液中c(HCl)________(填“＞”“＜”或“＝”)1mol·L－1(忽視溶液體積改變)。(2)若質(zhì)子交換膜換成陰離子交換膜，其他不變。若有11.2L氯氣(標(biāo)準(zhǔn)狀況)參加反應(yīng)，則必有________mol____________(填離子符號(hào))由交換膜________側(cè)通過(guò)交換膜向________側(cè)遷移。交換膜右側(cè)溶液中c(HCl)________(填“＞”“＜”或“＝”)1mol·L－1(忽視溶液體積改變)。解析：(1)正極的電極反應(yīng)式為Cl2＋2e－=2Cl－，負(fù)極的電極反應(yīng)式為Ag＋Cl－－e－=AgCl，隔膜只允許氫離子通過(guò)，轉(zhuǎn)移amol電子，必有amolCl－沉淀。為了維持電荷平衡，交換膜左側(cè)溶液中必有amolH＋向交換膜右側(cè)遷移，故交換膜左側(cè)共削減2amol離子(amolCl－＋amolH＋)，交換膜右側(cè)溶液中氯化氫濃度增大。(2)n(Cl2)＝0.5mol，n(Cl－)＝1mol。正極的電極反應(yīng)式為Cl2＋2e－=2Cl－，n(e－)＝1mol，負(fù)極的電極反應(yīng)式為Ag＋Cl－－e－=AgCl，交換膜