1、素养提升突破系列(七)“离子交换膜”在电化学中的应用核心素养核心素养证据推理与模型认知证据推理与模型认知通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系成要素及其相互关系,建立模型。即通过分析多种离子建立模型。即通过分析多种离子交换膜来寻找电化学中电子、离子运动规律。交换膜来寻找电化学中电子、离子运动规律。【真题真题体验素养体验素养】(2018(2018全国卷全国卷节选节选)制备制备NaNa2 2S S2 2O O5 5可采用三室膜电可采用三室膜电解技术解技术,装置如图所示装置如图所示,其中其中SOSO2 2碱吸收液中含有碱吸收液中
2、含有NaHSONaHSO3 3和和NaNa2 2SOSO3 3。阳极的电极反应式为。阳极的电极反应式为_。电解电解后后,_,_室的室的NaHSONaHSO3 3浓度增加。将该室溶液进行结浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水晶脱水,可得到可得到NaNa2 2S S2 2O O5 5。【解析解析】根据题中的图示根据题中的图示,左侧为电解池的阳极左侧为电解池的阳极,右侧右侧为电解池的阴极为电解池的阴极,离子交换膜均为阳离子交换膜离子交换膜均为阳离子交换膜,只允只允许阳离子通过许阳离子通过,阳极的电解质溶液为硫酸阳极的电解质溶液为硫酸,所以阳极的所以阳极的电极反应式为电极反应式为2H2H2 2O-4eO-
3、4e-=4H=4H+O+O2 2,则阳极的氢离子则阳极的氢离子会透过阳离子交换膜进入会透过阳离子交换膜进入a a室室,与与a a室中的室中的SOSO2 2碱吸收液碱吸收液中含有的中含有的NaNa2 2SOSO3 3发生反应生成亚硫酸氢钠发生反应生成亚硫酸氢钠,所以所以a a室中室中的的NaHSONaHSO3 3浓度增加。浓度增加。答案答案:2H2H2 2O-4eO-4e-=4H4H+O+O2 2a a【揭秘揭秘解码素养解码素养】1.1.常见的离子交换膜常见的离子交换膜由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类:(1)(1)阳离子交换膜阳离子交换膜,简称阳膜简称
4、阳膜,只允许阳离子通过只允许阳离子通过,即允即允许许H H+和其他阳离子通过和其他阳离子通过,不允许阴离子通过。不允许阴离子通过。(2)(2)阴离子交换膜阴离子交换膜,简称阴膜简称阴膜,只允许阴离子通过只允许阴离子通过,不允不允许阳离子通过。许阳离子通过。(3)(3)质子交换膜质子交换膜,只允许只允许H H+通过通过,不允许其他阳离子和阴不允许其他阳离子和阴离子通过。离子通过。2.2.离子交换膜的作用离子交换膜的作用(1)(1)能将两极区隔离能将两极区隔离,阻止两极区产生的物质接触阻止两极区产生的物质接触,防止防止发生化学反应。发生化学反应。(2)(2)能选择性通过离子能选择性通过离子,起到平
5、衡电荷、形成闭合回路起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。的作用。3.3.答题三步骤答题三步骤第一步第一步,分清隔膜类型。即交换膜属于阳膜、阴膜或质分清隔膜类型。即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一种子膜中的哪一种,判断允许哪种离子通过隔膜。判断允许哪种离子通过隔膜。第二步第二步,写出电极反应式写出电极反应式,判断交换膜两侧离子变化判断交换膜两侧离子变化,推推断电荷变化断电荷变化,根据电荷平衡判断离子迁移方向。根据电荷平衡判断离子迁移方向。第三步第三步,分析隔膜作用。分析隔膜作用。【训练训练提升素养提升素养】1.(1.(提高电流效率提高电流效率)已知已知:电流效率电流效率=电路中通过的电子电路中
6、通过的电子数与消耗负极失去电子总数之比。现有两个电池数与消耗负极失去电子总数之比。现有两个电池、,装置如图所示。装置如图所示。下列说法正确的是下列说法正确的是()A.A.和和的电池反应不相同的电池反应不相同B.B.能量转化形式不同能量转化形式不同C.C.的电流效率低于的电流效率低于的电流效率的电流效率D.D.放电一段时间后放电一段时间后,、中都只含中都只含1 1种溶质种溶质【解析解析】选选C C。装置。装置中铜与氯化铁直接接触中铜与氯化铁直接接触,会在铜会在铜极表面发生反应极表面发生反应,导致部分能量损失导致部分能量损失(或部分电子没有或部分电子没有通过电路通过电路),),导致电流效率降低。而
7、装置导致电流效率降低。而装置采用阴离子采用阴离子交换膜交换膜,铜与氯化铜接触铜与氯化铜接触,不会发生副反应不会发生副反应,电流效率高电流效率高于装置于装置。放电一段时间后。放电一段时间后,装置装置中生成氯化铜和氯中生成氯化铜和氯化亚铁化亚铁,装置装置中交换膜左侧生成氯化铜中交换膜左侧生成氯化铜,右侧生成了右侧生成了氯化亚铁氯化亚铁,可能含氯化铁。可能含氯化铁。2.(2.(用于物质制备用于物质制备)SO)SO2 2、COCO、COCO2 2、NONOx x是对环境影响较是对环境影响较大的几种气体大的几种气体,对它们的合理控制和治理是优化我们生对它们的合理控制和治理是优化我们生存环境的有效途径。存
8、环境的有效途径。(1)(1)利用电化学原理将利用电化学原理将COCO、SOSO2 2转化为重要化工原料转化为重要化工原料,装装置如图所示置如图所示:若若A A为为CO,BCO,B为为H H2 2,C,C为为CHCH3 3OH,OH,则通入则通入COCO的一极为的一极为_极。极。若若A A为为SOSO2 2,B,B为为O O2 2,C,C为为H H2 2SOSO4 4,则负极的电极反应式为则负极的电极反应式为_。若若A A为为NONO2 2,B,B为为O O2 2,C,C为为HNOHNO3 3,则正极的电极反应式为则正极的电极反应式为_。(2)(2)某研究小组利用下列装置用某研究小组利用下列装置
9、用N N2 2O O4 4生产新型硝化剂生产新型硝化剂N N2 2O O5 5。现以现以H H2 2、O O2 2、熔融盐、熔融盐NaNa2 2COCO3 3组成燃料电池组成燃料电池,采用电解采用电解法制备法制备N N2 2O O5 5,装置如图所示装置如图所示,其中其中Y Y为为COCO2 2。在该电极上同。在该电极上同时还引入时还引入COCO2 2的目的是的目的是_。电解过程中电解过程中,生成生成N N2 2O O5 5的电极反应方程式为的电极反应方程式为_。【解析解析】(1)(1)一氧化碳和氢气反应转化为甲醇的过程一氧化碳和氢气反应转化为甲醇的过程中氢元素的化合价升高中氢元素的化合价升高
10、,碳元素的化合价降低碳元素的化合价降低,因此氢因此氢气被氧化在负极反应气被氧化在负极反应,一氧化碳被还原在正极反应。一氧化碳被还原在正极反应。二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸过程中二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸过程中,硫元素化合硫元素化合价升高价升高,二氧化硫被氧化在负极反应。二氧化氮、氧二氧化硫被氧化在负极反应。二氧化氮、氧气和水反应生成硝酸过程中气和水反应生成硝酸过程中,氧元素的化合价降低氧元素的化合价降低,氧氧气被还原在正极反应。气被还原在正极反应。(2)(2)燃料电池工作时燃料失电子燃料电池工作时燃料失电子,在负极反应在负极反应,因此氢因此氢气在负极反应气在负极反应,失去电子被氧化失去电
11、子被氧化,转化为氢离子转化为氢离子,氢离子氢离子和碳酸根离子结合和碳酸根离子结合,最终转化为二氧化碳和水最终转化为二氧化碳和水,氧气在氧气在正极反应正极反应,得到电子被还原得到电子被还原,转化为氧负离子转化为氧负离子,氧负离子氧负离子和二氧化碳结合和二氧化碳结合,最终转化为碳酸根离子最终转化为碳酸根离子,进而保证了进而保证了电解质熔融盐成分不变。四氧化二氮转化为五氧化电解质熔融盐成分不变。四氧化二氮转化为五氧化二氮二氮,氮元素化合价升高氮元素化合价升高,发生氧化反应。发生氧化反应。答案答案:(1)(1)正正SOSO2 2-2e-2e-+2H+2H2 2O=+4HO=+4H+O O2 2+4e+
12、4e-+4H+4H+=2H=2H2 2O O(2)(2)在电极上与在电极上与O O2 2共同转化为共同转化为 ,保持熔融盐成分保持熔融盐成分不变不变N N2 2O O4 4+2HNO+2HNO3 3-2e-2e-=2N=2N2 2O O5 5+2H+2H+24SO23CO【加固训练加固训练】1.(20191.(2019东莞模拟东莞模拟)碳酸二甲酯碳酸二甲酯(CH(CH3 3O)O)2 2COCO是一种具是一种具有发展前景的有发展前景的“绿色绿色”化工产品化工产品,电化学合成碳酸二甲电化学合成碳酸二甲酯的工作原理如图所示酯的工作原理如图所示(加入两极的物质均是常温常压加入两极的物质均是常温常压下
13、的物质下的物质)。下列说法正确的是。下列说法正确的是()A.HA.H+由石墨由石墨2 2极通过质子交换膜向石墨极通过质子交换膜向石墨1 1极移动极移动B.B.石墨石墨1 1极发生的电极反应为极发生的电极反应为2CH2CH3 3OH+CO-eOH+CO-e-=(CH(CH3 3O)O)2 2CO+HCO+H+C.C.石墨石墨2 2极与直流电源正极相连极与直流电源正极相连D.D.电解一段时间后电解一段时间后,阴极和阳极消耗的气体的物质的量阴极和阳极消耗的气体的物质的量之比为之比为1212【解析解析】选选D D。该装置有外接电源。该装置有外接电源,是电解池是电解池,由图可知由图可知,甲醇和一氧化碳失
14、电子发生氧化反应生成碳酸二甲酯甲醇和一氧化碳失电子发生氧化反应生成碳酸二甲酯,则石墨则石墨1 1极为阳极极为阳极,阳极反应为阳极反应为2CH2CH3 3OH+CO-2eOH+CO-2e-=(CH(CH3 3O)O)2 2CO+2HCO+2H+,石墨石墨2 2极为阴极极为阴极,阳极产生的氢离子通阳极产生的氢离子通过质子交换膜移向阴极过质子交换膜移向阴极,氧气在阴极得电子与氢离子反氧气在阴极得电子与氢离子反应生成水应生成水,电极反应为电极反应为O O2 2+4e+4e-+4H+4H+=2H=2H2 2O O。阳离子移。阳离子移向阴极向阴极,则氢离子由石墨则氢离子由石墨1 1极通过质子交换膜向石墨极
15、通过质子交换膜向石墨2 2极移动极移动,故故A A项错误项错误;阳极上是甲醇和一氧化碳反应失阳极上是甲醇和一氧化碳反应失电子发生氧化反应电子发生氧化反应,电极反应为电极反应为2CH2CH3 3OH+CO-2eOH+CO-2e-=(CH(CH3 3O)O)2 2CO+2HCO+2H+,故故B B项错误项错误;石墨石墨2 2极为阴极极为阴极,阴极与电阴极与电源的负极相连源的负极相连,故故C C项错误项错误;常温常压下甲醇是液体常温常压下甲醇是液体,电电解池工作时转移电子守恒解池工作时转移电子守恒,根据关系式根据关系式2CO2CO4e4e-O O2 2可可知知,阴极消耗的氧气与阳极消耗的一氧化碳物质
16、的量之阴极消耗的氧气与阳极消耗的一氧化碳物质的量之比为比为12,12,故故D D项正确。项正确。2.(2.(限制离子迁移限制离子迁移)室温时室温时,在在FeClFeCl3 3酸性溶液中加少量酸性溶液中加少量锌粒后锌粒后,Fe,Fe3+3+立即被还原成立即被还原成FeFe2+2+,组成的原电池装置如图组成的原电池装置如图所示所示,其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,下列有关叙述正确的是下列有关叙述正确的是()A.A.该原电池的正极反应是该原电池的正极反应是Zn-2eZn-2e-=Zn=Zn2+2+B.B.电池工作一段时间后电池工作一段时间后,甲池的甲
17、池的c(Clc(Cl-)增大增大C.C.一段时间后一段时间后,乙池中溶液的红色逐渐褪去乙池中溶液的红色逐渐褪去D.D.石墨电极上发生氧化反应石墨电极上发生氧化反应【解析解析】选选C C。该电池的总反应为。该电池的总反应为Zn+2FeZn+2Fe3+3+=2Fe=2Fe2+2+ZnZn2+2+,Zn,Zn为负极为负极,电极反应为电极反应为Zn-2eZn-2e-=Zn=Zn2+2+,A,A错误错误;阳阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,两池中两池中c(Clc(Cl-)不变不变,B,B错误错误;由于乙池中的由于乙池中的FeFe3+3+被还原为被还原为FeFe2+2
18、+,所以乙池所以乙池中溶液的红色逐渐褪去中溶液的红色逐渐褪去,C,C正确正确;石墨电极为正极石墨电极为正极,得电得电子子,发生还原反应发生还原反应,D,D错误。错误。3.(3.(分离提纯杂质分离提纯杂质)工业品氢氧化钾溶液中含有某些含工业品氢氧化钾溶液中含有某些含氧酸根杂质氧酸根杂质,可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜有阳离子交换膜,其工作原理如图所示。下列说法中不其工作原理如图所示。下列说法中不正确的是正确的是()A.A.阴极材料可以是阴极材料可以是Fe,Fe,含氧酸根杂质不参与电极反应含氧酸根杂质不参与电极反应B.B.该电解槽的阳极反应式
19、为该电解槽的阳极反应式为4OH4OH-4e-4e-=2H=2H2 2O+OO+O2 2C.C.通电后通电后,该电解槽阴极附近溶液的该电解槽阴极附近溶液的pHpH会逐渐减小会逐渐减小D.D.除去杂质后除去杂质后,氢氧化钾溶液从出口氢氧化钾溶液从出口B B导出来导出来【解析解析】选选C C。电解池反应的实质是电解水。电解池反应的实质是电解水,阴极反应阴极反应是是2H2H+2e+2e-=H=H2 2,pH,pH增大增大,A,A正确正确,C,C错误错误;阳极反应是阳极反应是4OH4OH-4e-4e-=2H=2H2 2O+OO+O2 2,B,B正确正确;K;K+通过阳离子交换膜流通过阳离子交换膜流向阴极与产生的向阴极与产生的OHOH-结合结合,以以KOHKOH溶液的形式从出口溶液的形式从出口B B导导出出,D,D正确。正确。
