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        含離子交換膜電池的應(yīng)用

        2020-09-10 17:07:15王曉波
        關(guān)鍵詞:高中化學(xué)離子電池

        摘 要:結(jié)合高考題對(duì)含離子交換膜電池的應(yīng)用進(jìn)行了分析.

        關(guān)鍵詞:交換膜;離子;電池;高中化學(xué)

        中圖分類號(hào):G632 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? ?文章編號(hào):1008-0333(2020)10-0092-03

        收稿日期:2020-01-05

        作者簡(jiǎn)介:王曉波(1981.4-),男,內(nèi)蒙古赤峰市人,碩士,中學(xué)一級(jí)教師,從事高中化學(xué)教學(xué)研究.

        近幾年全國(guó)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(tuán)的、對(duì)溶液中離子具有選擇性透過(guò)的高分子膜.根據(jù)透過(guò)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(xiàn)的是陽(yáng)離子交換膜(如2018·全國(guó)卷ⅠT27、2018·全國(guó)卷ⅢT27)、陰離子交換膜和質(zhì)子交換膜(2018·全國(guó)卷ⅠT13、)三種,其功能是在于選擇性通過(guò)某些離子和阻斷某些離子或隔離某些物質(zhì),從而制備、分離或提純某些物質(zhì).

        一、重難點(diǎn)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(guò)性,即允許帶某種電荷的離子通過(guò)而限制帶相反電荷的離子通過(guò),將電解池分為兩室、三室、多室等,以達(dá)到濃縮、凈化、提純及電化學(xué)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(yáng)極室中電極反應(yīng):2Cl--2e-Cl2↑,陰極室中的電極反應(yīng):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(yáng)極區(qū)Cl-放電,使溶液中的c(Cl-)減小,為保持電荷守恒,陽(yáng)極室中的Na+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜與陰極室中生成的OH-結(jié)合,得到濃的NaOH溶液.利用這種方法制備物質(zhì),純度較高,基本沒(méi)有雜質(zhì).

        ②陽(yáng)離子交換膜的作用

        它只允許Na+通過(guò),而阻止陰離子(Cl-)和氣體(Cl2)通過(guò).這樣既防止了兩極產(chǎn)生的H2和Cl2混合爆炸,又避免了Cl2和陰極產(chǎn)生的NaOH反應(yīng)生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)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(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入中間室;陽(yáng)極的NO被氧化為NO-3:NO-3e-+2H2ONO-3+4H+,NO-3通過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入中間室.根據(jù)電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等可得電解總反應(yīng):8NO+7H2O通電3NH4NO3+2HNO3,為使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH4NO3,補(bǔ)充適量NH3可以使電解產(chǎn)生的HNO3轉(zhuǎn)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(yáng)極反應(yīng):2H2O-4e-O2↑+4H+,產(chǎn)生的H+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室,原料室中的H2PO-2穿過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室,與H+結(jié)合生成弱電解質(zhì)H3PO2;電解NaOH稀溶液的陰極反應(yīng):4H2O+4e-2H2↑+4OH-,原料室中的Na+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入陰極室.

        二、考法精析

        應(yīng)用一 用于物質(zhì)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(jī)廢水中有機(jī)物可用C6H10O5表示.下列有關(guān)說(shuō)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(guò)4 mol電子,產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)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(yīng),則裝置中右邊電極是正極,電極反應(yīng)為2NO-3+10e-+12H+N2↑+6H2O,裝置左邊電極是負(fù)極,負(fù)極上有機(jī)物失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成X,電極反應(yīng)C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+.放電時(shí),電解質(zhì)溶液中陰離子Cl-移向負(fù)極室(左室),A項(xiàng)正確;X氣體為CO2,B項(xiàng)正確;正極反應(yīng)為2NO-3+10e-+12H+N2↑+6H2O,H+參加反應(yīng)導(dǎo)致溶液酸性減弱,溶液的pH增大,C項(xiàng)錯(cuò)誤;根據(jù)負(fù)極電極反應(yīng)C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+知,電路中每通過(guò)4 mol電子,產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2氣體的體積為4 mol24×6×22.4 L·mol-1=22.4 L,D項(xiàng)正確.答案:C

        備考方略 含離子交換膜電化學(xué)裝置題的解題步驟(如圖所示).

        應(yīng)用二 用于物質(zhì)的制備

        類型一 判斷離子的遷移方向

        典例2 (1)(2018·全國(guó)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(shí)陰極的電極反應(yīng)式

        .

        ②電解過(guò)程中通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的離子主要為,其遷移方向是

        .

        (2)(2018·全國(guó)卷Ⅰ節(jié)選)制備Na2S2O5可采用三室膜電解技術(shù),裝置如圖所示,其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3.陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為.電解后,室的NaHSO3濃度增加.將該室溶液進(jìn)行結(jié)晶脫水,可得到Na2S2O5.

        解析 (1)①該裝置為電解池,電解時(shí)陰極電解質(zhì)為KOH,水中氫離子放電,故電極反應(yīng)式為2H2O+2e-2OH-+H2↑;②電解過(guò)程中通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的離子主要為K+,在電解池中離子移動(dòng)方向?yàn)殛?yáng)離子移向陰極,故K+由a到b.(2)根據(jù)題中的圖示,左側(cè)為電解池的陽(yáng)極,右側(cè)為電解池的陰極,離子交換膜均為陽(yáng)離子交換膜,只允許陽(yáng)離子通過(guò),陽(yáng)極的電解質(zhì)溶液為硫酸,所以陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為2H2O-4e-4H++O2↑,則陽(yáng)極的氫離子會(huì)透過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入a室,與a室中的SO2堿吸收液中含有的Na2SO3發(fā)生反應(yīng)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(dòng)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(yáng)離子交換膜.已知:陰離子交換膜只允許陰離子透過(guò),陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子透過(guò).下列敘述正確的是( ?).

        A.b、c分別依次為陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜

        B.通電后Ⅲ室中的Cl-透過(guò)c遷移至陽(yáng)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(yīng)為4NaCl+6H2O通電4NaOH+4HCl+2H2↑+O2↑

        解析 由圖中信息可知,左邊電極與負(fù)極相連為陰極,右邊電極為陽(yáng)極,所以通電后,陰離子向右定向移動(dòng),陽(yáng)離子向左定向移動(dòng),陽(yáng)極上H2O放電生成O2和H+,陰極上H2O放電生成H2和OH-;H+透過(guò)c,Cl-透過(guò)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(yáng)離子交換膜;Na+透過(guò)a,NaOH的濃度變大,所以a也是陽(yáng)離子交換膜,故A、B兩項(xiàng)均錯(cuò)誤;電解一段時(shí)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(jù)電解質(zhì)溶液呈中性的原則,判斷膜的類型,判斷時(shí)首先寫出陰、陽(yáng)兩極上的電極反應(yīng),依據(jù)電極反應(yīng)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(dòng)的方向,進(jìn)而確定離子交換膜的類型,如電解飽和食鹽水時(shí),陰極反應(yīng)式為2H++2e-H2↑,則陰極區(qū)域破壞水的電離平衡,OH-有剩余,陽(yáng)極區(qū)域的Na+穿過(guò)離子交換膜進(jìn)入陰極室,與OH-結(jié)合生成NaOH,故電解食鹽水中的離子交換膜是陽(yáng)離子交換膜.

        參考文獻(xiàn):

        [1]王曉波.化學(xué)反應(yīng)原理綜合應(yīng)用[J].數(shù)理化解題研究,2019(25):86-87.

        [責(zé)任編輯:季春陽(yáng)]

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