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选择性必修1(人教版2019)
第四章 化学反应与电能
离子交换膜在电化学中的综合应用
1.离子交换膜的种类
2．交换膜的功能及工作原理
(1)功能：
①能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。
②能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3.离子交换膜类型的判断
根据电解质溶液呈电中性的原则,判断膜的类型：
（1）首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余，因该电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向，进而确定离子交换膜的类型，如电解饱和食盐水时，阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，则阴极区域破坏水的电离平衡，OH－有剩余，阳极区域的Na＋穿过离子交换膜进入阴极室，与OH－结合生成NaOH，故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。
（2）根据溶液呈电中性,判断出离子移动的方向,从而确定离子交换膜的类型
离子迁移方向的判断
①离子从“生成区”移向“消耗区”
以电解CO2制HCOOH为例，
其原理如图所示。
右侧：通入CO2，生成HCOOH，发生还原反应，多孔锡作阴极，电极反应为CO2＋H＋＋2e－===HCOO－，消耗从左侧迁移过来的H＋。
左侧“Pt片”作阳极，水电离产生的OH－放电，电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成H＋。
离子移动方向：H＋通过阳离子交换膜从左侧移向右侧。
②离子从“原料区”移向“产物区”
以电渗析法制备H3PO2为例，
其原理如图所示。
离子移动方向及交换膜类型：产品室为阳极，原料室中的阴离子?????????????????????移向产品室，膜1为阴离子交换膜；原料室中的阳离子Na＋移向阴极室，膜2为阳离子交换膜。
阳极：电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，产生的H＋结合移入的?????????????????????生成H3PO2。
阴极：电极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，产生的OH－结合移入的Na＋生成NaOH。
?
③离子从“浓→稀”的溶液区移出，移向“稀→浓”的溶液区
以电化学制备K2Cr2O7为例，其原理如图所示，
其中a、b均为石墨电极。
左侧：为“稀→浓”的溶液区，则右侧的K＋通过K＋交换膜移向左侧，a极为阴极，电极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，产生的OH－结合移入的K＋生成KOH。
右侧：b极为阳极，电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，促使溶液中的反应?????????????????????????+????????+??????????????????????????＋H2O正向进行，生成K2Cr2O7。
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有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法
提升1　单膜电解池及分析
例1.微生物电解池(MEC)是一种新型的且能兼顾氢气或甲烷回收的废水处理技术,将电化学法和生物还原法有机结合,MEC具有很好的应用前景。微生物电化学产甲烷法的装置如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A.“产电菌”极的电势比“产甲烷菌”极的低
B.该微生物电解池工作时将化学能转化为电能
C.阴极的电极反应式为CO2+8e-+8H+===CH4+2H2O
D.若产生1 mol CH4,理论上阳极室生成CO2的体积为44.8 L
思路导引“产电菌”电极上CH3COO-→CO2,发生氧化反应 该电极为阳极;
“产甲烷菌”电极上CO2→CH4,发生还原反应 该电极为阴极。
阴极
“产甲烷菌”极
CO2+8H++8e-===CH4+2H2O
阳极
“产电菌”极
CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+
答案 C
解析 根据装置示意图可知,“产电菌”极为阳极,“产甲烷菌”极为阴极,电解池中阳极的电势高于阴极的电势,A错误;电解池可将电能转化为化学能,B错误;阴极CO2得电子,并与H+反应生成甲烷和水,电极反应式为CO2+8H++8e-===CH4+2H2O,C正确;根据电极反应式CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+可知,产生1 mol CH4时转移8 mol电子,理论上,标准状况下阳极室生成CO2的体积为44.8 L,D错误。
提升2　多膜电解池及分析
例2.用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的 ,模拟装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.阳极室溶液由无色变成棕黄色
B.阴极的电极反应式为4OH--4e-===
2H2O+O2↑
C.电解一段时间后,阴极室溶液中的pH
升高
D.电解一段时间后,阴极室溶液中的溶质
一定是(NH4)3PO4
答案 C
解析 阳极上Fe发生氧化反应,溶液由无色变为浅绿色,A错误;阴极上H+发生还原反应:2H++2e-===H2↑,B错误;阴极消耗H+,电解一段时间后,阴极室溶液pH升高,C正确;电解一段时间后,阴极室溶液pH升高, 还能与OH-反应生成NH3·H2O,因此阴极室溶液中溶质除(NH4)3PO4外,还可能有NH3·H2O,D错误。
提升3　双极膜电解池及分析
例3.为适应可再生能源的波动性和间歇性,我国科学家设计了一种电化学装置,其原理如下图所示。当闭合K1和K3、打开K2时,装置处于蓄电状态;当打开K1和K3、闭合K2时,装置处于放电状态。放电时,双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-并分别向两侧迁移。下列有关该电化学装置工作时的说法不正确的是(　　)
A.蓄电时,碳锰电极附近溶液pH减小
C.放电时,每消耗1 mol MnO2,理论上有4 mol H+由双极膜向碳锰电极迁移
D.理论上,该电化学装置运行过程中不需要补充H2SO4和KOH
答案 C
解析 蓄电时为电解池反应,碳锰电极上Mn2+失电子生成MnO2,电极反应式为Mn2++2H2O-2e-===MnO2+4H+,溶液pH减小,A正确;蓄电时,右侧电解池中ZnO得电子生成Zn,OH-失电子生成O2,总反应为2ZnO 2Zn+O2↑,B正确;放电时,碳锰电极为正极,电极反应式为MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2O,每消耗1 mol MnO2,需要消耗4 mol H+,但碳锰电极只生成2 mol正电荷,剩余正电荷需要从双极膜间得到,则理论上应有2 mol H+由双极膜向碳锰电极迁移,C错误;该电化学装置运行过程中H+得电子生成H2,但实际过程为消耗了溶剂水,氢离子浓度增大,OH-失电子生成O2,但实际过程也是消耗了溶剂水,氢氧根离子浓度增大,则不需要补充H2SO4和KOH,D正确。
特别提醒
(1)含离子交换膜电化学装置题的解题步骤
(2)在原电池中应用离子交换膜，起到替代盐桥的作用，一方面能起到平衡电荷、导电的作用，另一方面能防止电解质溶液中的离子与电极直接反应，提高电流效率；在电解池中使用选择性离子交换膜的主要目的是限制某些离子(或分子)的定向移动，避免电解质溶液中的离子或分子与电极产物反应，提高产品纯度或防止造成危险等。
(3)定量关系
外电路电子转移数=通过隔膜的阴（阳）离子带的负（正）电荷数。
练1:KIO3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________。
[解析]　①电解法制备KIO3时，H2O在阴极得到电子，发生还原反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。
②电解池中阳离子向阴极移动，即由电极a向电极b迁移，阳离子交换膜只允许阳离子通过，故主要是K＋通过阳离子交换膜。
[答案]　①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑　
②K＋　由a到b
练2: 制备????????????????????????????也可采用三室膜电解技术,装置如图所示,其中????????????碱吸收液中含有????????????????????????和????????????????????????。阳极的电极反应式为______________。电解后,_____室的????????????????????????浓度增大。将该室溶液进行结晶脱水,可得到????????????????????????????。
?
????
?
[解析] 由题图可知,
阳极:????????????????????????????=?????????++????????↑,
阴极:?????????????????+??????????=??????????????+????????↑,????+通过阳离子交换膜进入????室与?????????????????反应生成?????????????????,????????+通过阳离子交换膜进入????室形成????????????????????????,????室的????????????????????????浓度增大,????室的????????????????????????浓度增大。
?
例4. 学习小组设计如图所示装置,进行????????和????????????（假设二者物质的量之比为1:1）的处理并制取硝酸。下列说法正确的是( )
?
A. ab适宜选用阴离子交换膜
B. 该电池工作时,正极区溶液的????????减小
C. 导线中流过?????????????????电子的电量时,有?????????????????离子通过交换膜
D. 负极的电极反应式为????????+???????????????????????=????????????+?????????+
?
C
[解析] 由题图可知,左边石墨电极为负极,电极反应式为????????+????????????????????????????=?????????????+?????????+、????????????+??????????????????=?????????????+?????????+;右边石墨电极为正极,电极反应式为????????+?????????++??????????=?????????????????,则ab适宜选用阳离子交换膜或质子交换膜,A、D项错误;
该电池工作时,????????????????溶液浓度减小,溶液????????不变,B项错误;
由电荷守恒知,导线中流过?????????????????电子的电量时,有?????????????????????+通过交换膜,C项正确。
?
练3．Kolbe法制取乙烯的装置如图所示，电极a上的产物为乙烯和碳酸根离子。下列说法正确的是(　　)
A．该装置将化学能转化为电能
B．图中为阳离子交换膜
C．阴极周围溶液的pH不断减小
D．每生成1 mol乙烯，电路中转移2 mol电子
D
　该装置是电解池，将电能转化为化学能，A错误；电极a是阳极，电极反应式为2CH2COO－＋4OH－－2e－===CH2===CH2↑＋2CO32－＋2H2O，阴极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，则右侧阴极区产生的OH－要透过离子交换膜进入左侧，并参与阳极反应，故应是阴离子交换膜，B错误；阴极区周围溶液中c(OH－)逐渐增大，溶液的pH不断增大，C错误；由阳极反应式可知，生成1 mol乙烯时，电路中转移2 mol电子，D正确。
练4. 三室式电渗析法处理含????????????????????????废水的原理如图所示,采用惰性电极,????????、????????均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的????????+和?????????????????可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述正确的是( )
?
B
A. 通电后中间隔室的?????????????????向正极区迁移,正极区溶液????????增大
B. 该法在处理含????????????????????????废水时可以得到????????????????和????????????????????产品
C. 负极区的电极反应为????????????????????????????=????????↑+?????????+,负极区溶液????????减小
D. 当电路中通过?????????????????电子时,会有????.?????????????????的????????生成
?
[解析] A项,正极区发生的反应为????????????????????????????=????????↑+?????????+,由于生成????+,正极区溶液中阳离子增多,故中间隔室的?????????????????向正极区迁移,正极区溶液的????????减小,错误;
B项,负极区发生的反应为?????????????????+??????????=????项,阴离子增多,中间隔室的????????+向负极区迁移,故负极区产生????????????????,正极区产生????????????????????,正确;
C项,由B项分析可知,负极区产生?????????,负极区溶液的????????增大,错误;
D项,正极区发生的反应为????????????????????????????=????????↑+?????????+,当电路中通过?????????????????电子时,生成????.?????????????????????????????,错误。
?
练5. （不定项）利用电化学原理将有机废水中的乙二胺[????????????(????????????)????????????????]转化为无毒物质,同时利用该装置实现镀铜工艺,示意图如下所示。当电池工作时,下列说法正确的是( )
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A. 装置甲中H+透过质子交换膜由右向左移动
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B. 工作一段时间后,装置乙中CuSO4溶液浓度减小
C. 当N电极消耗0.5?molO2时Fe电极质量增大64?g
D. M电极反应式为H2N(CH2)2NH2+4?H2O+16?e?=2?CO2↑+N2↑+16?H+
?
C
[解析] 装置甲是原电池,N电极上氧气被还原成水,所以N是正极,H+透过质子交换膜由左向右移动,A项错误;
装置乙是电镀池,CuSO4溶液浓度不变,B项错误;
当N电极消耗0.5?molO2时,转移2?mol电子,铁电极上发生反应：Cu2++2?e?=Cu,生成1?mol铜,电极质量增大64?g,C项正确;
M电极是负极,失电子发生氧化反应,电极反应式为H2N(CH2)2NH2+4?H2O?16?e?=2?CO2↑+N2↑+16?H+,D项错误。
?
练6.（1） 可由“水相”制备高纯度单质锰,装置如图所示：
① 装置中采用________（填“阴离子”或“阳离子”）交换膜,阴极反应式为_________________________。
阴离子
????????????++??????????=????????
?
[解析] 由题图知,阳极区由稀硫酸制较浓硫酸,则需?????????????????透过交换膜,因此采用阴离子交换膜。
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② 写出该电解反应的化学方程式：_________________________________
[解析] 阳极的电极反应式为????????????????????????????=????????↑+?????????+,阴极的电极反应式为????????????++??????????=????????,总反应方程式为?????????????????????????+?????????????????=通电?????????????+????????↑+?????????????????????????。
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① ????膜是___________（填“阴离子”或“阳离子”）交换膜。
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阴离子
② 产品室发生反应的离子方程式为_________________________________。
????++????(????????)?????=????????????????????+????????????
?
③ ????%_______????%(填“=”“＜”或“＞”)。
?
＜
④ 阴极反应式为__________________________________。
2?H2O+2?e?=H2↑+2?OH?
?
[解析] 阳极发生反应：????????????????????????????=????????↑+?????????+,????+通过????膜进入产品室,阴极发生反应：???????????????+??????????=????????↑+??????????????,原料室中????????+通过????膜进入????室,????(????????)?????通过????膜进入产品室与????+反应生成????????????????????和????????????。
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（2） 现代膜技术可使某种离子具有单向通过能力,常用于电解池、原电池中。电解????????????(????????)????溶液可制备????????????????????,其工作原理如图。

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