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PAGE5-素養(yǎng)提升12隔膜在電化學(xué)裝置中的應(yīng)用1.常見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:(1)陽離子交換膜,簡稱陽膜,只允許陽離子通過,即允許H+和其他陽離子通過,不允許陰離子通過。(2)陰離子交換膜,簡稱陰膜,只允許陰離子通過,即允許OH-和其他陰離子通過,不允許陽離子通過。(3)質(zhì)子交換膜,只允許H+通過,不允許其他陽離子和陰離子通過。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,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。4.多室電解池的類型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電極名稱的推斷:依據(jù)“陰陽相吸”推斷,Na+移向的乙電極是陰極;依據(jù)“陽極放氧生酸”推斷,左側(cè)有氧氣生成的甲電極是陽極。②電極反應(yīng)式的書寫: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)陽極區(qū)電解液為碳酸鈉溶液,依據(jù)“陽極放氧生酸”,得H+會與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膜為陽離子交換膜。②陽極反應(yīng)及cd膜的推斷:陽極的電極反應(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)向陽極區(qū)遷移,得到HNO3溶液,陽極區(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:電解稀硫酸的陽極反應(yīng)是2H2O-4e-=O2↑+4H+(放氧生酸),產(chǎn)生的H+通過陽離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室,原料室中的H2POeq\o\al(-,2)通過陰離子交換膜進(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+通過陽離子交換膜進(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汲取SO2和NO。下列有關(guān)說法錯誤的是()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,通過陽離子交換膜的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,通過陽離子交換膜的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+,錯誤。2.已知:電流效率=電路中通過的電子數(shù)與消耗負(fù)極失去電子總數(shù)之比?,F(xiàn)有兩個電池Ⅰ、Ⅱ,裝置如圖所示。下列說法正確的是()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)錯誤。Ⅰ裝置中銅與氯化鐵溶液干脆接觸,二者會在銅極表面發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致部分能量損失(或部分電子沒有通過電路),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,二者不會在銅極表面發(fā)生反應(yīng),放電過程中交換膜左側(cè)負(fù)極的電極反應(yīng)式為Cu-2e-=Cu2+,陽離子增多;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)錯誤。3.如圖是用于航天飛行器中的一種全天候太陽能電化學(xué)電池在光照時的工作原理。下列說法正確的是()A.該電池與硅太陽能電池供電原理相同B.光照時,H+由a極室通過質(zhì)子膜進(jìn)入b極室C.夜間無光照時,a電極流出電子D.光照時,b極反應(yīng)式是VO2++2OH--e-=VOeq\o\al(+,2)+H2OC解析:硅太陽能電池是用半導(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錯誤;光照時,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極室透過質(zhì)子膜進(jìn)入a極室,B錯誤;夜間無光照時,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,b極是陽極發(fā)生氧化反應(yīng),反應(yīng)式為VO2++H2O-e-=VOeq\o\al(+,2)+2H+,D錯誤。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離子交換膜交替排列,將電解槽分隔成多個獨(dú)立的間隔室,海水充溢各個間隔室。通電后,一個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。下列說法正確的是()A.離子交換膜b為陽離子交換膜B.①③⑤⑦間隔室的排出液為淡水C.通電時,電極1旁邊溶液的pH比電極2旁邊溶液的pH改變明顯D.淡化過程中,得到的濃縮海水沒有任何運(yùn)用價值B解析:電極2上H+→H2,所以電極2為陰極,電極1為陽極,陽離子交換膜只允許陽離子通過,陰離子交換膜只允許陰離子通過,Na+通過陽離子交換膜向電極2移動,則離子交換膜a為陽離子交換膜,離子交換膜b為陰離子交換膜,A項(xiàng)錯誤;①③⑤⑦中的陰、陽離子分別透過陰、陽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)錯誤;濃縮海水中含有豐富的元素(如Mg2+、Br-),有很大的運(yùn)用價值,D項(xiàng)錯誤。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,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)由交換膜________側(cè)通過交換膜向________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,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
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