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- 2021-07-08 发布
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离子交换膜在电化学中的应用
[知识必备]
离子交换膜在原电池和电解池中均有较广泛的应用,且常出常新。
1.离子交换膜的功能
使离子选择性定向迁移,其目的是平衡整个电解质的离子电荷守恒。
2.交换膜在电化学中的作用
(1)防止副反应的发生,避免影响所制取产品的质量;防止引发不安全因素(如在电解饱和食盐水中,利用阳离子交换膜,防止阳极产生的Cl2进入阴极室与氢氧化钠反应,导致所制产品不纯,防止与阴极产生的H2混合发生爆炸)。
(2)用于物质的分离、提纯等。
(3)用于制备纯净的物质。
3.离子交换膜的类型
根据透过的微粒,离子交换膜可以分为多种,在高考试题中主要出现过阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜三种。阳离子交换膜只允许阳离子通过,阻止阴离子和气体通过,阴离子交换膜只允许阴离子通过,质子交换膜只允许质子(H+)通过,另外还有特殊离子交换膜,只允许相应的离子通过。
4.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。
(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。
(3)在利用电解原理制备物质时,选择离子交换膜的类型,既要考虑阴、阳极电极反应式,同时也要考虑产品室和原料室在装置图中的位置。
如:利用电解NaB(OH)4溶液制备H3BO3,装置图如下:
阳极室放出O2,消耗OH-余出H+,则H+应向产品室移动,阴极室放出H2,消耗H+余出OH-,则原料室中的Na+应向阴极室移动,B(OH)应向产品室移动,所以a膜、
c膜为阳离子交换膜、b膜为阴离子交换膜,选择离子交换膜时产品室和原料室的位置也起到关键性的作用。
[例1] (2018·全国Ⅰ,节选)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛,生产Na2S2O5通常是由NaHSO3过饱和溶液经结晶脱水制得。制备Na2S2O5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。
解析:阳极发生氧化反应2H2O-4e-===4H++O2↑,阳极室H+向a室迁移,a室中的Na2SO3转化成NaHSO3。阴极发生还原反应,析出H2,OH-增多,Na+由a室向b室迁移,则b室中Na2SO3浓度增大。
答案:2H2O-4e-===4H++O2↑ a
[例2] 三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和SO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( )
A.通电后中间隔室的SO离子向正极迁移,正极区溶液pH增大
B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品
C.负极反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+,负极区溶液pH降低
D.当电路中通过1 mol电子的电量时,会有0.5 mol的O2生成
解析:B [A.电解池中阴离子向阳极区移动,因此通电后中间隔室的SO离子向正极迁移;正极区氢氧根放电,产生氢离子,所以正极区溶液pH减小,错误;B.阳极区氢氧根离子放电,产生硫酸,阴极区氢离子放电,产生氢氧化钠,因此该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品,正确;C.负极区氢离子得到电子使溶液中c(H+)减小,所以负极区溶液pH升高,错误;D.当电路中通过1 mol电子的电量时,会有0.25 mol的O2生成,错误。]
[对点训练]
1.下图为利用电化学方法处理有机废水的原理示意图。下列说法正确的是( )
A.a、b极不能使用同种电极材料
B.工作时,a极的电势低于b极的电势
C.工作一段时间之后,a极区溶液的pH增大
D.b极的电极反应式为:CH3COO-+4H2O-8e-===2HCO+9H+
解析:D [A项:电极a、b上发生的反应不同,因而两极间形成电势差,故电极材料可同可异,A错误;B项:工作时,电极b上CH3COO-→HCO,碳元素从平均0价失电子升至+4 价,电极b是原电池的负极,则电极a是电池的正极,a极的电势高于b极的电势,B错误;C项:电极a(正极)电极反应为+H++2e-→+Cl-,正极每得到2 mol电子时,为使溶液电中性,必有2 mol H+通过质子交换膜进入a极溶液,同时电极反应消耗1 mol H+。故工作一段时间之后,a极区溶液中H+浓度增大,pH减小,C错误;D项:据图中物质转化,考虑到质量守恒和电荷守恒关系,电极b(负极)反应为CH3COO-+4H2O-8e-===2HCO+9H+,D正确。]
2.近年来,尿素电氧化法处理富含尿素的工业废水和生活污水得到了广泛关注,该法具有操作简易、处理量大、运行周期长等优点,且该过程在碱性条件下产生无毒的CO2、N2。电池工作时,下列说法错误的是( )
A.负极发生的反应为:CO(NH2)2+6OH--6e-===N2↑+CO2↑+5H2O
B.正极附近溶液的pH增大
C.隔膜只允许阳离子通过
D.处理掉废水中尿素1.0 g时消耗O2 0.56 L(标准状况)
解析:C [由电池工作时的图像可知,通尿素的一极为负极,发生氧化反应,电极反应为:CO(NH2)2+6OH--6e-===N2↑+CO2↑+5H2O;通氧气的一极为正极,发生还原反应,电极反应为:O2+4e-+2H2O===4OH-,以此解答该题;A.负极发生的反应为:CO(NH2)2+6OH--6e-===N2↑+CO2↑+5H2O,A正确;B.正极附近发生电极反应O2+4e-+2H2O===4OH-,产生OH-,使溶液的pH增大,B正确;C.为维持溶液的电中性, 正极附近产生的OH-
通过隔膜进入负极被消耗,隔膜允许阴离子通过,C错误;D.根据电极反应可知负极每消耗尿素1.0 g时转移的电子为 mol,根据正极反应可得消耗的O2为: mol××22.4 mol·L-1=0.56 L,D正确。]
3.(单膜)下图为一定条件下采用多孔惰性电极的储氢电池充电装置(忽略其他有机物)。已知储氢装置的电流效率η=×100%,下列说法不正确的是( )
A.采用多孔电极增大了接触面积,可降低电池能量损失
B.过程中通过C—H键的断裂实现氢的储存
C.生成目标产物的电极反应式为C6H6+6e-+6H+===C6H12
D.若η=75%,则参加反应的苯为0.8 mol
解析:B [A.多孔电极可增大电极与电解质溶液接触面积,降低能量损失,A正确;B.该过程苯被还原为环己烷,C—H键没有断裂,形成新的C—H键,B错误;C.储氢是将苯转化为环己烷,电极反应式为C6H6+6e-+6H+===C6H12,C正确;D.根据图示,苯加氢发生还原反应生成环己烷,装置中右侧电极为阳极,根据放电顺序,左侧电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,生成1.6 mol O2失去的电子量为6.4 mol,根据阴阳得失电子守恒,阴极得到电子总数为6.4 mol,若η=75%,则生成苯消耗的电子数为6.4 mol×75%=4.8 mol,苯发生的反应C6H6+6e-+6H+===C6H12,参加反应的苯的物质的量为4.8 mol/6=0.8 mol,D正确。]
4.(双膜)氢氧化锂是制取锂和锂的化合物的原料,用电解法制备氢氧化锂的工作原理如图所示。下列叙述不正确的是( )
A.b极附近溶液的pH增大
B.a极发生的反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+
C.该法制备LiOH还可得到硫酸和氢气等产品
D.当电路中通过1 mol电子时,可得到2 mol LiOH
解析:D [A.阳离子移向阴极,故阴极得电子发生还原反应,则电极反应方程式为2Li++2H2O+2e-===H2↑+2LiOH,故b极附近溶液的pH增大,故A正确;B.阴离子移向阳极,故a为阳极失电子发生氧化反应,故a极发生的反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+,故B正确;C.a极发生的反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+,SO移向a极可以与H+结合生成硫酸,b极反应方程式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,则可得到氢气,故该法制备LiOH还可得到硫酸和氢气等产品,故C正确;D.2Li++2H2O+2e-===H2↑+2LiOH,故当电路中通过1 mol电子时,可得到1 mol LiOH,故D错误。]
5.(多膜)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:(1)2H2O-4e-===O2↑+4H+
(2)阳极室的H+穿过阳膜扩散至产品室,原料室的H2PO穿过阴膜扩散至产品室,二者反应生成H3PO2
(3)PO H2PO或H3PO2被氧化