（新課改省份專版）2020高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí) 5.7 化學(xué)能與電能（5）含離子交換膜電池的應(yīng)用（過(guò)熱點(diǎn)）學(xué)案（含解析）.doc

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第7課時(shí)　化學(xué)能與電能(5)——含離子交換膜電池的應(yīng)用(過(guò)熱點(diǎn)) 近幾年全國(guó)卷的高考中，涉及離子交換膜的試題較多，且常考常新。離子交換膜是一種含有離子基團(tuán)的、對(duì)溶液中離子具有選擇性透過(guò)的高分子膜。根據(jù)透過(guò)的微粒類型，離子交換膜可以分為多種，在高考試題中，主要出現(xiàn)的是陽(yáng)離子交換膜(如2018全國(guó)卷ⅠT27、2018全國(guó)卷ⅢT27)、陰離子交換膜(2014全國(guó)卷ⅠT27)和質(zhì)子交換膜(2018全國(guó)卷ⅠT13、2015全國(guó)卷ⅠT11)三種，其功能是在于選擇性通過(guò)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)。 [重難點(diǎn)撥] 1．離子交換膜的類型和作用 2．多室電解池 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、多室等，以達(dá)到濃縮、凈化、提純及電化學(xué)合成的目的。 (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(yáng)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(yáng)極區(qū)Cl－放電，使溶液中的c(Cl－)減小，為保持電荷守恒，陽(yáng)極室中的Na＋通過(guò)陽(yáng)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(méi)有雜質(zhì)。 ②陽(yáng)離子交換膜的作用 它只允許Na＋通過(guò)，而阻止陰離子(Cl－)和氣體(Cl2)通過(guò)。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)三室電解池 利用三室電解裝置制備NH4NO3，其工作原理如圖所示。 陰極的NO被還原為NH：NO＋5e－＋6H＋===NH＋H2O，NH通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入中間室；陽(yáng)極的NO被氧化為NO：NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，NO通過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入中間室。根據(jù)電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等可得電解總反應(yīng)：8NO＋7H2O3NH4NO3＋2HNO3，為使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH4NO3，補(bǔ)充適量NH3可以使電解產(chǎn)生的HNO3轉(zhuǎn)化為NH4NO3。 (3)多室電解池 利用“四室電滲析法”制備H3PO2(次磷酸)，其工作原理如圖所示。 電解稀硫酸的陽(yáng)極反應(yīng)：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，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H2PO穿過(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)：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入陰極室。 [考法精析] 應(yīng)用一　用于物質(zhì)的分離和提純 [典例1]　一種三室微生物燃料電池可用于污水凈化、海水淡化，其工作原理如圖所示，圖中有機(jī)廢水中有機(jī)物可用C6H10O5表示。下列有關(guān)說(shuō)法不正確的是(　　) A．Cl－由中間室移向左室 B．X氣體為CO2 C．處理后的含NO廢水的pH降低 D．電路中每通過(guò)4 mol電子，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下X氣體的體積為22.4 L [解析]　該電池中，NO得電子發(fā)生還原反應(yīng)，則裝置中右邊電極是正極，電極反應(yīng)為2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，裝置左邊電極是負(fù)極，負(fù)極上有機(jī)物失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成X，電極反應(yīng)C6H10O5－24e－＋7H2O===6CO2↑＋24H＋。放電時(shí)，電解質(zhì)溶液中陰離子Cl－移向負(fù)極室(左室)，A項(xiàng)正確；X氣體為CO2，B項(xiàng)正確；正極反應(yīng)為2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，H＋參加反應(yīng)導(dǎo)致溶液酸性減弱，溶液的pH增大，C項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)負(fù)極電極反應(yīng)C6H10O5－24e－＋7H2O===6CO2↑＋24H＋知，電路中每通過(guò)4 mol電子，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2氣體的體積為622.4 Lmol－1＝22.4 L，D項(xiàng)正確。 [答案]　C [備考方略]　含離子交換膜電化學(xué)裝置題的解題步驟 應(yīng)用二　用于物質(zhì)的制備 類型(一)　判斷離子的遷移方向 [典例2]　(1)(2018全國(guó)卷Ⅲ節(jié)選)KIO3可采用“電解法”制備，裝置如圖所示。 ①寫(xiě)出電解時(shí)陰極的電極反應(yīng)式________________________________________________________________________。 ②電解過(guò)程中通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的離子主要為_(kāi)_______，其遷移方向是________。 (2)(2018全國(guó)卷Ⅰ節(jié)選)制備Na2S2O5可采用三室膜電解技術(shù)，裝置如圖所示，其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為_(kāi)___________。電解后，________室的NaHSO3濃度增加。將該室溶液進(jìn)行結(jié)晶脫水，可得到Na2S2O5。 [解析]　(1)①該裝置為電解池，電解時(shí)陰極電解質(zhì)為KOH，水中氫離子放電，故電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑；②電解過(guò)程中通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的離子主要為K＋，在電解池中離子移動(dòng)方向?yàn)殛?yáng)離子移向陰極，故K＋由a到b。(2)根據(jù)題中的圖示，左側(cè)為電解池的陽(yáng)極，右側(cè)為電解池的陰極，離子交換膜均為陽(yáng)離子交換膜，只允許陽(yáng)離子通過(guò)，陽(yáng)極的電解質(zhì)溶液為硫酸，所以陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，則陽(yáng)極的氫離子會(huì)透過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入a室，與a室中的SO2堿吸收液中含有的Na2SO3發(fā)生反應(yīng)生成NaHSO3，所以a室中的NaHSO3濃度增加。 [答案]　(1)①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑?、贙＋　a到b　(2)2H2O－4e－===4H＋＋O2↑　a [備考方略]　有“膜”條件下離子定向移動(dòng)方向的判斷方法 類型(二)　判斷離子交換膜的類型 [典例3]　四室式電滲析法制備鹽酸和NaOH的裝置如圖所示。a、b、c為陰、陽(yáng)離子交換膜。已知：陰離子交換膜只允許陰離子透過(guò)，陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子透過(guò)。下列敘述正確的是(　　) A．b、c分別依次為陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜 B．通電后Ⅲ室中的Cl－透過(guò)c遷移至陽(yáng)極區(qū) C．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高 D．電池總反應(yīng)為4NaCl＋6H2O4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑ [解析]　由圖中信息可知，左邊電極與負(fù)極相連為陰極，右邊電極為陽(yáng)極，所以通電后，陰離子向右定向移動(dòng)，陽(yáng)離子向左定向移動(dòng)，陽(yáng)極上H2O放電生成O2和H＋，陰極上H2O放電生成H2和OH－；H＋透過(guò)c，Cl－透過(guò)b，二者在b、c之間的Ⅲ室形成鹽酸，鹽酸濃度變大，所以b、c分別為陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜；Na＋透過(guò)a，NaOH的濃度變大，所以a也是陽(yáng)離子交換膜，故A、B兩項(xiàng)均錯(cuò)誤；電解一段時(shí)間后，Ⅰ中的溶液的c(OH－)升高，pH升高，Ⅱ中為NaCl溶液，pH不變，Ⅲ中有HCl生成，故c(H＋)增大，pH減小，Ⅳ中H＋移向Ⅲ，H2O放電生成O2，使水的量減小，c(H＋)增大，pH減小，C不正確。 [答案]　D [備考方略]　離子交換膜類型的判斷方法 根據(jù)電解質(zhì)溶液呈中性的原則，判斷膜的類型，判斷時(shí)首先寫(xiě)出陰、陽(yáng)兩極上的電極反應(yīng)，依據(jù)電極反應(yīng)式確定該電極附近哪種離子剩余，因該電極附近溶液呈電中性，從而判斷出離子移動(dòng)的方向，進(jìn)而確定離子交換膜的類型，如電解飽和食鹽水時(shí)，陰極反應(yīng)式為2H＋＋2e－===H2↑，則陰極區(qū)域破壞水的電離平衡，OH－有剩余，陽(yáng)極區(qū)域的Na＋穿過(guò)離子交換膜進(jìn)入陰極室，與OH－結(jié)合生成NaOH，故電解食鹽水中的離子交換膜是陽(yáng)離子交換膜。 [綜合訓(xùn)練] 1．(2018浙江11月選考)最近，科學(xué)家研發(fā)了“全氫電池”，其工作原理如圖所示。下列說(shuō)法不正確的是(　　) A．右邊吸附層中發(fā)生了還原反應(yīng) B．負(fù)極的電極反應(yīng)是H2－2e－＋2OH－===2H2O C．電池的總反應(yīng)是2H2＋O2===2H2O D．電解質(zhì)溶液中Na＋向右移動(dòng)，ClO向左移動(dòng) 解析：選C　A選項(xiàng)，右邊吸附層中發(fā)生反應(yīng)：2H＋＋2e－===H2↑，為還原反應(yīng)，正確；B選項(xiàng)，負(fù)極的電極反應(yīng)為H2－2e－＋2OH－===2H2O，正確；C選項(xiàng)，外界未通入氧氣，總反應(yīng)為HClO4＋NaOH===H2O＋NaClO4，錯(cuò)誤；D選項(xiàng)，由電子移動(dòng)方向知，陰離子向左移動(dòng)，陽(yáng)離子向右移動(dòng)，正確。 2．用一種陰、陽(yáng)離子雙隔膜三室電解槽處理廢水中的NH，模擬裝置如圖所示。下列說(shuō)法正確的是(　　) A．陽(yáng)極室溶液由無(wú)色變成棕黃色 B．陰極的電極反應(yīng)式為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ C．電解一段時(shí)間后，陰極室溶液的pH升高 D．電解一段時(shí)間后，陰極室溶液中的溶質(zhì)一定是(NH4)3PO4 解析：選C　Fe電極與電源正極相連，則Fe作陽(yáng)極，電極反應(yīng)式為Fe－2e－===Fe2＋，反應(yīng)中生成Fe2＋，溶液由無(wú)色變?yōu)闇\綠色，A錯(cuò)誤；陰極上H＋得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為2H＋＋2e－===H2↑，B錯(cuò)誤；電解過(guò)程中陰極上消耗H＋，則陰極室溶液的pH升高，C正確；電解時(shí)，(NH4)2SO4溶液中NH向陰極室遷移，故陰極室溶液中的溶質(zhì)可能為(NH4)3PO4、(NH4)2HPO4、NH4H2PO4等，D錯(cuò)誤。 3.高鐵酸鹽(如Na2FeO4)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在水處理方面，以鐵質(zhì)材料為陽(yáng)極，在高濃度強(qiáng)堿溶液中利用電解的方式可以制備高鐵酸鹽，裝置如圖。下列說(shuō)法不正確的是(　　) A．a(chǎn)為陽(yáng)極，電極反應(yīng)式為 Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4H2O B．為防止高鐵酸根擴(kuò)散被還原，則離子交換膜為陽(yáng)離子交換膜 C．在電解過(guò)程中溶液中的陽(yáng)離子向a極移動(dòng) D．鐵電極上有少量氣體產(chǎn)生原因可能是 4OH－－4e－===O2↑＋2H2O 解析：選C　鐵電極材料為陽(yáng)極，在高濃度強(qiáng)堿溶液中利用電解的方式可以制備高鐵酸鹽，所以鐵是陽(yáng)極，電極反應(yīng)式為Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4H2O，故A正確；陽(yáng)離子交換膜可以阻止FeO進(jìn)入陰極區(qū)域，故B正確；在電解過(guò)程中溶液中的陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)，所以陽(yáng)離子向b極移動(dòng)，故C錯(cuò)誤；鐵電極上發(fā)生氧化反應(yīng)，所以生成的氣體可能是氧氣，電極反應(yīng)式是4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，故D正確。