DAY-7-高考化学之电化学离子交换膜的分析与应用

电化学离子交换膜的分析与应用(1)阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)①负极反应式：Zn－2e－===Zn2＋；②正极反应式：Cu2＋＋2e－===Cu；③Zn2＋通过阳离子交换膜进入正极区；④阳离子→透过阳离子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极)。(2)质子交换膜(只允许H＋和水分子通过)在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH)，可获得清洁能源H2①阴极反应式：2H＋＋2e－===H2↑；②阳极反应式：CH3COOH－8e－＋2H2O===2CO2↑＋8H＋；③阳极产生的H＋通过质子交换膜移向阴极；④H＋→透过质子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极)。(3)阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过)以Pt为电极电解淀粉-KI溶液，中间用阴离子交换膜隔开①阴极反应式：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－；②阳极反应式：2I－－2e－===I2；③阴极产生的OH－移向阳极与阳极产物反应：3I2＋6OH－===IO－3＋5I－＋3H2O；④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极(或原电池的负极)。(4)电渗析法将含AnBm的废水再生为HnB和A(OH)m的原理：已知A为金属活动顺序表H之前的金属，Bn－为含氧酸根离子。类型一“单膜”电解池1．(2018·全国卷Ⅰ，13)昀近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：①EDTA-Fe2＋－e－===EDTA-Fe3＋②2EDTA-Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋该装置工作时，下列叙述错误的是()A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2OB．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋SC．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需为酸性答案C解析由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴极。阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高，C项错误；由题图可知，电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，A项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B项正确；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D项正确。2．[2018·全国卷Ⅲ，27(3)①②]KIO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示。①写出电解时阴极的电极反应式：______________________________________________。②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为________，其迁移方向是_________________。答案①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑②K＋由a到b解析①电解液是KOH溶液，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。②电解过程中阳极反应为I－＋6OH－－6e－===IO－3＋3H2O。阳极的K＋通过阳离子交换膜由电极a迁移到电极b。类型二“双膜”电解池3．[2018·全国卷Ⅰ，27(3)]制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为_______________________________________________________。电解后，____________室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。答案2H2O－4e－===4H＋＋O2↑a解析阳极上阴离子OH－放电，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，电解过程中H＋透过阳离子交换膜进入a室，故a室中NaHSO3浓度增加。类型三“多膜”电解池4．[2014·新课标全国卷Ⅰ，27(4)]H3PO2也可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：①写出阳极的电极反应式：________________________________________。②分析产品室可得到H3PO2的原因：________________________________________。③早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有____________杂质。该杂质产生的原因是___________________________________。答案①2H2O－4e－===O2↑＋4H＋②阳极室的H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H2PO－2穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2③PO3－4H2PO－2或H3PO2被氧化解析①阳极发生氧化反应，在反应中OH－失去电子，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。②H2O放电产生H＋，H＋进入产品室，原料室的H2PO－2穿过阴膜扩散至产品室，二者发生反应：H＋＋H2PO－2H3PO2。③如果撤去阳膜，H2PO－2或H3PO2可能会被氧化。1．(2019·青岛市高三3月教学质量检测)水系锌离子电池是一种新型二次电池，工作原理如下图。该电池以粉末多孔锌电极(锌粉、活性炭及粘结剂等)为负极，V2O5为正极，三氟甲磺酸锌[Zn(CF3SO3)2]为电解液。下列叙述错误的是()A．放电时，Zn2＋向V2O5电极移动B．充电时，阳极区电解液的浓度变大C．充电时，粉末多孔锌电极发生还原反应D．放电时，V2O5电极上的电极反应式为：V2O5＋xZn2＋＋2xe－===ZnxV2O5答案B解析放电时，阳离子向正极移动，所以Zn2＋向V2O5电极移动，故A正确；充电时，阳极区发生ZnxV2O5－2xe－===V2O5＋xZn2＋，锌离子通过阳离子交换膜向左移动，所以阳极区Zn(CF3SO3)2的浓度减小，故B错误；充电时，粉末多孔锌电极为阴极，发生还原反应，故C正确；放电时，V2O5电极上的电极反应式为：V2O5＋xZn2＋＋2xe－===ZnxV2O5，故D正确。2．某新型水系钠离子电池工作原理如下图所示。TiO2光电极能使电池在太阳光照射下充电，充电时Na2S4被还原为Na2S。下列说法错误的是()A．充电时，太阳能转化为电能，又转化为化学能B．放电时，a极的电极反应式为：4S2－－6e－===S2－4C．充电时，阳极的电极反应式为：3I－－2e－===I－3D．M是阴离子交换膜答案D解析TiO2光电极能使电池在太阳光照下充电，所以充电时，太阳能转化为电能，电能又转化为化学能，A正确；充电时Na2S4还原为Na2S，放电和充电互为逆过程，所以a是负极，a极的电极反应式为：4S2－－6e－===S2－4，B正确；在充电时，阳极I－失电子发生氧化反应，电极反应为3I－－2e－===I－3，C正确；通过图示可知，交换膜只允许钠离子自由通过，所以M是阳离子交换膜，D错误。3．用电渗析法可将含硝酸钠的废水再生为硝酸和氢氧化钠，其装置如下图所示。下列叙述不正确的是()A．膜a、膜c分别是阴离子交换膜、阳离子交换膜B．阳极室、阴极室的产品分别是氢氧化钠、硝酸C．阳极的电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑D．该装置工作时，电路中每转移0.2mol电子，两极共生成气体3.36L(标准状况)答案B解析阳极室溶液中氢氧根离子失电子发生氧化反应生成氧气，电极附近氢离子浓度增大，阴极室溶液中氢离子得到电子发生还原反应生成氢气，电极附近氢氧根离子浓度增大，阳极室得到硝酸，阴极室得到氢氧化钠，膜a为阴离子交换膜，膜c为阳离子交换膜，A正确、B错误；阳极是氢氧根离子失电子发生氧化反应，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，C正确；阳极生成氧气：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，阴极生成氢气：2H＋＋2e－===H2↑，该装置工作时，电路中每转移0.2mol电子，生成氧气0.05mol，生成氢气0.1mol，两极共生成气体体积＝(0.05mol＋0.1mol)×22.4L·mol－1＝3.36L(标准状况)，D正确。4．一氧化氮—空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其工作原理如图所示，写出放电过程中负极的电极反应式：____________，若过程中产生2molHNO3，则消耗标准状况下O2的体积为________L。答案NO－3e－＋2H2O===NO－3＋4H＋33.6解析由原电池的工作原理图示可知，左端的铂电极为负极，其电极反应式为NO－3e－＋2H2O===NO－3＋4H＋，当过程中产生2molHNO3时转移6mole－，而1molO2参与反应转移4mole－，故需要1.5molO2参与反应，标准状况下的体积为33.6L。5．电解法也可以对亚硝酸盐污水进行处理(工作原理如下图所示)。通电后，左极区产生浅绿色溶液，随后生成无色气体。当Fe电极消耗11.2g时，理论上可处理NaNO2含量为4.6%的污水________g。答案100解析当铁消耗11.2g即11.256mol＝0.2mol时生成0.2mol亚铁离子，与亚硝酸根离子反应生成氮气和铁离子，根据电子守恒分析，消耗亚硝酸根离子物质的量为0.23mol，则可处理污水的质量为0.23×694.6%＝100g。