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選擇性必修1(人教版2019)
第四章 化學反應與電能
離子交換膜在電化學中的綜合應用
1.離子交換膜的種類
2．交換膜的功能及工作原理
(1)功能：
①能將兩極區隔離，阻止兩極區產生的物質接觸，防止發生化學反應。
②能選擇性的通過離子，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。
3.離子交換膜類型的判斷
根據電解質溶液呈電中性的原則,判斷膜的類型：
（1）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↑，則陰極區域破壞水的電離平衡，OH－有剩余，陽極區域的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。
（2）根據溶液呈電中性,判斷出離子移動的方向,從而確定離子交換膜的類型
離子遷移方向的判斷
①離子從“生成區”移向“消耗區”
以電解CO2制HCOOH為例，
其原理如圖所示。
右側：通入CO2，生成HCOOH，發生還原反應，多孔錫作陰極，電極反應為CO2＋H＋＋2e－===HCOO－，消耗從左側遷移過來的H＋。
左側“Pt片”作陽極，水電離產生的OH－放電，電極反應為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成H＋。
離子移動方向：H＋通過陽離子交換膜從左側移向右側。
②離子從“原料區”移向“產物區”
以電滲析法制備H3PO2為例，
其原理如圖所示。
離子移動方向及交換膜類型：產品室為陽極，原料室中的陰離子?????????????????????移向產品室，膜1為陰離子交換膜；原料室中的陽離子Na＋移向陰極室，膜2為陽離子交換膜。
陽極：電極反應為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，產生的H＋結合移入的?????????????????????生成H3PO2。
陰極：電極反應為2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，產生的OH－結合移入的Na＋生成NaOH。
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③離子從“濃→稀”的溶液區移出，移向“稀→濃”的溶液區
以電化學制備K2Cr2O7為例，其原理如圖所示，
其中a、b均為石墨電極。
左側：為“稀→濃”的溶液區，則右側的K＋通過K＋交換膜移向左側，a極為陰極，電極反應為2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，產生的OH－結合移入的K＋生成KOH。
右側：b極為陽極，電極反應為2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，促使溶液中的反應?????????????????????????+????????+??????????????????????????＋H2O正向進行，生成K2Cr2O7。
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有“膜”條件下離子定向移動方向的判斷方法
提升1　單膜電解池及分析
例1.微生物電解池(MEC)是一種新型的且能兼顧氫氣或甲烷回收的廢水處理技術,將電化學法和生物還原法有機結合,MEC具有很好的應用前景。微生物電化學產甲烷法的裝置如圖所示。下列有關說法正確的是(　　)
A.“產電菌”極的電勢比“產甲烷菌”極的低
B.該微生物電解池工作時將化學能轉化為電能
C.陰極的電極反應式為CO2+8e-+8H+===CH4+2H2O
D.若產生1 mol CH4,理論上陽極室生成CO2的體積為44.8 L
思路導引“產電菌”電極上CH3COO-→CO2,發生氧化反應 該電極為陽極;
“產甲烷菌”電極上CO2→CH4,發生還原反應 該電極為陰極。
陰極
“產甲烷菌”極
CO2+8H++8e-===CH4+2H2O
陽極
“產電菌”極
CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+
答案 C
解析 根據裝置示意圖可知,“產電菌”極為陽極,“產甲烷菌”極為陰極,電解池中陽極的電勢高于陰極的電勢,A錯誤;電解池可將電能轉化為化學能,B錯誤;陰極CO2得電子,并與H+反應生成甲烷和水,電極反應式為CO2+8H++8e-===CH4+2H2O,C正確;根據電極反應式CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+可知,產生1 mol CH4時轉移8 mol電子,理論上,標準狀況下陽極室生成CO2的體積為44.8 L,D錯誤。
提升2　多膜電解池及分析
例2.用一種陰、陽離子雙隔膜三室電解槽處理廢水中的 ,模擬裝置如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.陽極室溶液由無色變成棕黃色
B.陰極的電極反應式為4OH--4e-===
2H2O+O2↑
C.電解一段時間后,陰極室溶液中的pH
升高
D.電解一段時間后,陰極室溶液中的溶質
一定是(NH4)3PO4
答案 C
解析 陽極上Fe發生氧化反應,溶液由無色變為淺綠色,A錯誤;陰極上H+發生還原反應:2H++2e-===H2↑,B錯誤;陰極消耗H+,電解一段時間后,陰極室溶液pH升高,C正確;電解一段時間后,陰極室溶液pH升高, 還能與OH-反應生成NH3·H2O,因此陰極室溶液中溶質除(NH4)3PO4外,還可能有NH3·H2O,D錯誤。
提升3　雙極膜電解池及分析
例3.為適應可再生能源的波動性和間歇性,我國科學家設計了一種電化學裝置,其原理如下圖所示。當閉合K1和K3、打開K2時,裝置處于蓄電狀態;當打開K1和K3、閉合K2時,裝置處于放電狀態。放電時,雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-并分別向兩側遷移。下列有關該電化學裝置工作時的說法不正確的是(　　)
A.蓄電時,碳錳電極附近溶液pH減小
C.放電時,每消耗1 mol MnO2,理論上有4 mol H+由雙極膜向碳錳電極遷移
D.理論上,該電化學裝置運行過程中不需要補充H2SO4和KOH
答案 C
解析 蓄電時為電解池反應,碳錳電極上Mn2+失電子生成MnO2,電極反應式為Mn2++2H2O-2e-===MnO2+4H+,溶液pH減小,A正確;蓄電時,右側電解池中ZnO得電子生成Zn,OH-失電子生成O2,總反應為2ZnO 2Zn+O2↑,B正確;放電時,碳錳電極為正極,電極反應式為MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2O,每消耗1 mol MnO2,需要消耗4 mol H+,但碳錳電極只生成2 mol正電荷,剩余正電荷需要從雙極膜間得到,則理論上應有2 mol H+由雙極膜向碳錳電極遷移,C錯誤;該電化學裝置運行過程中H+得電子生成H2,但實際過程為消耗了溶劑水,氫離子濃度增大,OH-失電子生成O2,但實際過程也是消耗了溶劑水,氫氧根離子濃度增大,則不需要補充H2SO4和KOH,D正確。
特別提醒
(1)含離子交換膜電化學裝置題的解題步驟
(2)在原電池中應用離子交換膜，起到替代鹽橋的作用，一方面能起到平衡電荷、導電的作用，另一方面能防止電解質溶液中的離子與電極直接反應，提高電流效率；在電解池中使用選擇性離子交換膜的主要目的是限制某些離子(或分子)的定向移動，避免電解質溶液中的離子或分子與電極產物反應，提高產品純度或防止造成危險等。
(3)定量關系
外電路電子轉移數=通過隔膜的陰（陽）離子帶的負（正）電荷數。
練1: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________。
[解析]?、匐娊夥ㄖ苽銴IO3時，H2O在陰極得到電子，發生還原反應：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。
②電解池中陽離子向陰極移動，即由電極a向電極b遷移，陽離子交換膜只允許陽離子通過，故主要是K＋通過陽離子交換膜。
[答案]?、?H2O＋2e－===2OH－＋H2↑　
②K＋　由a到b
練2: 制備????????????????????????????也可采用三室膜電解技術,裝置如圖所示,其中????????????堿吸收液中含有????????????????????????和????????????????????????。陽極的電極反應式為______________。電解后,_____室的????????????????????????濃度增大。將該室溶液進行結晶脫水,可得到????????????????????????????。
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????
?
[解析] 由題圖可知,
陽極:????????????????????????????=?????????++????????↑,
陰極:?????????????????+??????????=??????????????+????????↑,????+通過陽離子交換膜進入????室與?????????????????反應生成?????????????????,????????+通過陽離子交換膜進入????室形成????????????????????????,????室的????????????????????????濃度增大,????室的????????????????????????濃度增大。
?
例4. 學習小組設計如圖所示裝置,進行????????和????????????（假設二者物質的量之比為1:1）的處理并制取硝酸。下列說法正確的是( )
?
A. ab適宜選用陰離子交換膜
B. 該電池工作時,正極區溶液的????????減小
C. 導線中流過?????????????????電子的電量時,有?????????????????離子通過交換膜
D. 負極的電極反應式為????????+???????????????????????=????????????+?????????+
?
C
[解析] 由題圖可知,左邊石墨電極為負極,電極反應式為????????+????????????????????????????=?????????????+?????????+、????????????+??????????????????=?????????????+?????????+;右邊石墨電極為正極,電極反應式為????????+?????????++??????????=?????????????????,則ab適宜選用陽離子交換膜或質子交換膜,A、D項錯誤;
該電池工作時,????????????????溶液濃度減小,溶液????????不變,B項錯誤;
由電荷守恒知,導線中流過?????????????????電子的電量時,有?????????????????????+通過交換膜,C項正確。
?
練3．Kolbe法制取乙烯的裝置如圖所示，電極a上的產物為乙烯和碳酸根離子。下列說法正確的是(　　)
A．該裝置將化學能轉化為電能
B．圖中為陽離子交換膜
C．陰極周圍溶液的pH不斷減小
D．每生成1 mol乙烯，電路中轉移2 mol電子
D
　該裝置是電解池，將電能轉化為化學能，A錯誤；電極a是陽極，電極反應式為2CH2COO－＋4OH－－2e－===CH2===CH2↑＋2CO32－＋2H2O，陰極反應式為2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，則右側陰極區產生的OH－要透過離子交換膜進入左側，并參與陽極反應，故應是陰離子交換膜，B錯誤；陰極區周圍溶液中c(OH－)逐漸增大，溶液的pH不斷增大，C錯誤；由陽極反應式可知，生成1 mol乙烯時，電路中轉移2 mol電子，D正確。
練4. 三室式電滲析法處理含????????????????????????廢水的原理如圖所示,采用惰性電極,????????、????????均為離子交換膜,在直流電場的作用下,兩膜中間的????????+和?????????????????可通過離子交換膜,而兩端隔室中離子被阻擋不能進入中間隔室。下列敘述正確的是( )
?
B
A. 通電后中間隔室的?????????????????向正極區遷移,正極區溶液????????增大
B. 該法在處理含????????????????????????廢水時可以得到????????????????和????????????????????產品
C. 負極區的電極反應為????????????????????????????=????????↑+?????????+,負極區溶液????????減小
D. 當電路中通過?????????????????電子時,會有????.?????????????????的????????生成
?
[解析] A項,正極區發生的反應為????????????????????????????=????????↑+?????????+,由于生成????+,正極區溶液中陽離子增多,故中間隔室的?????????????????向正極區遷移,正極區溶液的????????減小,錯誤;
B項,負極區發生的反應為?????????????????+??????????=????項,陰離子增多,中間隔室的????????+向負極區遷移,故負極區產生????????????????,正極區產生????????????????????,正確;
C項,由B項分析可知,負極區產生?????????,負極區溶液的????????增大,錯誤;
D項,正極區發生的反應為????????????????????????????=????????↑+?????????+,當電路中通過?????????????????電子時,生成????.?????????????????????????????,錯誤。
?
練5. （不定項）利用電化學原理將有機廢水中的乙二胺[????????????(????????????)????????????????]轉化為無毒物質,同時利用該裝置實現鍍銅工藝,示意圖如下所示。當電池工作時,下列說法正確的是( )
?
A. 裝置甲中H+透過質子交換膜由右向左移動
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B. 工作一段時間后,裝置乙中CuSO4溶液濃度減小
C. 當N電極消耗0.5?molO2時Fe電極質量增大64?g
D. M電極反應式為H2N(CH2)2NH2+4?H2O+16?e?=2?CO2↑+N2↑+16?H+
?
C
[解析] 裝置甲是原電池,N電極上氧氣被還原成水,所以N是正極,H+透過質子交換膜由左向右移動,A項錯誤;
裝置乙是電鍍池,CuSO4溶液濃度不變,B項錯誤;
當N電極消耗0.5?molO2時,轉移2?mol電子,鐵電極上發生反應：Cu2++2?e?=Cu,生成1?mol銅,電極質量增大64?g,C項正確;
M電極是負極,失電子發生氧化反應,電極反應式為H2N(CH2)2NH2+4?H2O?16?e?=2?CO2↑+N2↑+16?H+,D項錯誤。
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練6.（1） 可由“水相”制備高純度單質錳,裝置如圖所示：
① 裝置中采用________（填“陰離子”或“陽離子”）交換膜,陰極反應式為_________________________。
陰離子
????????????++??????????=????????
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[解析] 由題圖知,陽極區由稀硫酸制較濃硫酸,則需?????????????????透過交換膜,因此采用陰離子交換膜。
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② 寫出該電解反應的化學方程式：_________________________________
[解析] 陽極的電極反應式為????????????????????????????=????????↑+?????????+,陰極的電極反應式為????????????++??????????=????????,總反應方程式為?????????????????????????+?????????????????=通電?????????????+????????↑+?????????????????????????。
?
① ????膜是___________（填“陰離子”或“陽離子”）交換膜。
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陰離子
② 產品室發生反應的離子方程式為_________________________________。
????++????(????????)?????=????????????????????+????????????
?
③ ????%_______????%(填“=”“＜”或“＞”)。
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＜
④ 陰極反應式為__________________________________。
2?H2O+2?e?=H2↑+2?OH?
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[解析] 陽極發生反應：????????????????????????????=????????↑+?????????+,????+通過????膜進入產品室,陰極發生反應：???????????????+??????????=????????↑+??????????????,原料室中????????+通過????膜進入????室,????(????????)?????通過????膜進入產品室與????+反應生成????????????????????和????????????。
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（2） 現代膜技術可使某種離子具有單向通過能力,常用于電解池、原電池中。電解????????????(????????)????溶液可制備????????????????????,其工作原理如圖。

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