摘 要:結合高考題對含離子交換膜電池的應用進行了分析.
關鍵詞:交換膜;離子;電池;高中化學
中圖分類號:G632 ? ? ?文獻標識碼:A ? ? ?文章編號:1008-0333(2020)10-0092-03
收稿日期:2020-01-05
作者簡介:王曉波(1981.4-),男,內蒙古赤峰市人,碩士,中學一級教師,從事高中化學教學研究.
近幾年全國卷的高考中,涉及離子交換膜的試題較多,且??汲P?離子交換膜是一種含有離子基團的、對溶液中離子具有選擇性透過的高分子膜.根據透過的微粒類型,離子交換膜可以分為多種,在高考試題中,主要出現的是陽離子交換膜(如2018·全國卷ⅠT27、2018·全國卷ⅢT27)、陰離子交換膜和質子交換膜(2018·全國卷ⅠT13、)三種,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.
一、重難點撥
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.
(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)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+4:NO+5e-+6H+NH+4+H2O,NH+4通過陽離子交換膜進入中間室;陽極的NO被氧化為NO-3:NO-3e-+2H2ONO-3+4H+,NO-3通過陰離子交換膜進入中間室.根據電路中轉移電子數相等可得電解總反應:8NO+7H2O通電3NH4NO3+2HNO3,為使電解產物全部轉化為NH4NO3,補充適量NH3可以使電解產生的HNO3轉化為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.
電解稀硫酸的陽極反應:2H2O-4e-O2↑+4H+,產生的H+通過陽離子交換膜進入產品室,原料室中的H2PO-2穿過陰離子交換膜進入產品室,與H+結合生成弱電解質H3PO2;電解NaOH稀溶液的陰極反應:4H2O+4e-2H2↑+4OH-,原料室中的Na+通過陽離子交換膜進入陰極室.
二、考法精析
應用一 用于物質的分離和提純
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,圖中有機廢水中有機物可用C6H10O5表示.下列有關說法不正確的是( ?).
A.Cl-由中間室移向左室
B.X氣體為CO2
C.處理后的含NO-3廢水的pH降低
D.電路中每通過4 mol電子,產生標準狀況下X氣體的體積為22.4 L
解析 該電池中,NO-3得電子發(fā)生還原反應,則裝置中右邊電極是正極,電極反應為2NO-3+10e-+12H+N2↑+6H2O,裝置左邊電極是負極,負極上有機物失電子發(fā)生氧化反應生成X,電極反應C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+.放電時,電解質溶液中陰離子Cl-移向負極室(左室),A項正確;X氣體為CO2,B項正確;正極反應為2NO-3+10e-+12H+N2↑+6H2O,H+參加反應導致溶液酸性減弱,溶液的pH增大,C項錯誤;根據負極電極反應C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+知,電路中每通過4 mol電子,產生標準狀況下CO2氣體的體積為4 mol24×6×22.4 L·mol-1=22.4 L,D項正確.答案:C
備考方略 含離子交換膜電化學裝置題的解題步驟(如圖所示).
應用二 用于物質的制備
類型一 判斷離子的遷移方向
典例2 (1)(2018·全國卷Ⅲ節(jié)選)KIO3可采用“電解法”制備,裝置如圖所示.
①寫出電解時陰極的電極反應式
.
②電解過程中通過陽離子交換膜的離子主要為,其遷移方向是
.
(2)(2018·全國卷Ⅰ節(jié)選)制備Na2S2O5可采用三室膜電解技術,裝置如圖所示,其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3.陽極的電極反應式為.電解后,室的NaHSO3濃度增加.將該室溶液進行結晶脫水,可得到Na2S2O5.
解析 (1)①該裝置為電解池,電解時陰極電解質為KOH,水中氫離子放電,故電極反應式為2H2O+2e-2OH-+H2↑;②電解過程中通過陽離子交換膜的離子主要為K+,在電解池中離子移動方向為陽離子移向陰極,故K+由a到b.(2)根據題中的圖示,左側為電解池的陽極,右側為電解池的陰極,離子交換膜均為陽離子交換膜,只允許陽離子通過,陽極的電解質溶液為硫酸,所以陽極的電極反應式為2H2O-4e-4H++O2↑,則陽極的氫離子會透過陽離子交換膜進入a室,與a室中的SO2堿吸收液中含有的Na2SO3發(fā)生反應生成NaHSO3,所以a室中的NaHSO3濃度增加.
答案:(1)①2H2O+2e-2OH-+H2↑ ②K+ a到b (2)2H2O-4e-4H++O2↑ a
備考方略 有“膜”條件下離子定向移動方向的判斷方法(如圖所示).
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、陽離子交換膜.已知:陰離子交換膜只允許陰離子透過,陽離子交換膜只允許陽離子透過.下列敘述正確的是( ?).
A.b、c分別依次為陽離子交換膜、陰離子交換膜
B.通電后Ⅲ室中的Cl-透過c遷移至陽極區(qū)
C.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高
D.電池總反應為4NaCl+6H2O通電4NaOH+4HCl+2H2↑+O2↑
解析 由圖中信息可知,左邊電極與負極相連為陰極,右邊電極為陽極,所以通電后,陰離子向右定向移動,陽離子向左定向移動,陽極上H2O放電生成O2和H+,陰極上H2O放電生成H2和OH-;H+透過c,Cl-透過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離子交換膜;Na+透過a,NaOH的濃度變大,所以a也是陽離子交換膜,故A、B兩項均錯誤;電解一段時間后,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:
根據電解質溶液呈中性的原則,判斷膜的類型,判斷時首先寫出陰、陽兩極上的電極反應,依據電極反應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的方向,進而確定離子交換膜的類型,如電解飽和食鹽水時,陰極反應式為2H++2e-H2↑,則陰極區(qū)域破壞水的電離平衡,OH-有剩余,陽極區(qū)域的Na+穿過離子交換膜進入陰極室,與OH-結合生成NaOH,故電解食鹽水中的離子交換膜是陽離子交換膜.
參考文獻:
[1]王曉波.化學反應原理綜合應用[J].數理化解題研究,2019(25):86-87.
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