2019届一轮复习人教版电化学中的介质与交换膜学案

2019届一轮复习人教版电化学中的介质与交换膜学案

在近几年高考中，涉及离子交换膜的应用及电解液介质对电极反应的影响的试题 比较多，且常出常新，离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些 离子来隔离某些物质，电解液介质主要对电极反应产物进行二次反应。 增分点 1　电化学中的交换膜 [知识查补] 1．交换膜的功能 使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。 2．交换膜在中学电化学中的作用 (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，防止阳极产生的氯气进入阴极室与氢氧 化钠反应，导致所制产品不纯；防止与阴极产生的氢气混合发生爆炸)。 (2)用于物质的制备、分离、提纯等。 3．离子交换膜的类型 常见的离子交换膜为：阳离子交换膜、阴离子交换膜、特殊离子交换膜等。 [增分题例] 类型一　隔离某些离子或物质，防止发生反应 【例 1】　目前电解法制烧碱通常采用离子交换膜法，阳(阴)离子交换膜不允许阴 (阳)离子通过。则下列叙述中错误的是(　　) A．NaOH、H2 均在Ⅰ区产生 B. 图中 a 为阴离子交换膜 C．使用离子交换膜可以有效地隔离 NaOH 和 Cl2，阻止二者之间的反应 D．电解时往Ⅲ区的溶液中滴加几滴甲基橙，溶液先变红后褪色 解析　Ⅰ区是阴极室，H＋(H2O)放电生成氢气，同时促进水的电离，生成氢氧化 钠，Ⅱ区 Na＋通过 a 进入 I 区，故 a 应该是阳离子交换膜；Ⅲ区和电源的正极相 连，为阳极，Cl－放电生成氯气，Ⅱ区 Cl－通过 b 进入Ⅲ区，故 b 应该是阴离子交 换膜；氯气溶于水显酸性，同时次氯酸还具有漂白性，所以滴入甲基橙后溶液先 变红后褪色。错误的是 B。 答案　B 【例 2】　已知：电流效率＝电路中通过的电子数与消耗负极失去电子总数之比。 现有两个电池Ⅰ、Ⅱ，装置如图所示。 下列说法正确的是(　　) A．Ⅰ和Ⅱ的电池反应不相同 B．能量转化形式不同 C．Ⅰ的电流效率低于Ⅱ的电流效率 D．5 min 后，Ⅰ、Ⅱ中都只含 1 种溶质 解析　Ⅰ、Ⅱ装置中电极材料相同，电解质溶液部分相同，电池反应，负极反应 和正极反应式相同，A 项错误；Ⅰ和Ⅱ装置的能量转化形式都是化学能转化成电 能，B 项错误；Ⅰ装置中铜与氯化铁直接接触，会在铜极表面发生反应，导致部 分能量损失(或部分电子没有通过电路)，导致电流效率降低。而Ⅱ装置采用阴离 子交换膜，铜与氯化铜接触，不会发生副反应，放电过程中交换膜左侧负极的电 极反应式为 Cu－2e－===Cu2＋，阳离子增多；右侧正极的电极反应式为 2Fe3＋＋2e －===2Fe2＋，负电荷过剩。Cl－从交换膜右侧向左侧迁移，电流效率高于Ⅰ装置， C 正确；放电一段时间后，Ⅰ装置中生成氯化铜和氯化亚铁，Ⅱ装置中交换膜左 侧生成氯化铜，右侧生成了氯化亚铁，可能含氯化铁，D 项错误。 答案　C 【总结归纳】 交换膜隔离两种电解质溶液，避免负极材料与能发生反应的电解质溶液直接接触， 能提高电流效率。在这种装置中，交换膜起到盐桥作用，且优于盐桥(盐桥需要定 时替换或再生)。通过限制离子迁移，使指定离子在溶液中定向移动形成闭合回路， 完成氧化剂和还原剂在不接触条件下发生氧化还原反应。 类型二　制备某些物质 【例 3】　电解法制取 Na 2FeO4 的总反应为 Fe＋2H 2O＋2OH － ===== 通电 FeO2－4 ＋ 3H2↑，工作原理如图所示。已知：Na2FeO4 只在强碱性条件下稳定，易被 H2 还 原。下列叙述正确的是(　　) A．铁电极上发生还原反应，生成 FeO2－4 B．通电一段时间后，阳极区 pH 下降 C．通电后 Na＋向右移动，阴极区 Na＋浓度增大 D．当电路中通过 1 mol 电子时，阴极区有 11.2 L H2 生成 解析　选项 A，根据电解总反应知，铁电极上发生氧化反应生成 FeO2－4 ；选项 B， 电解时，阳极的电极反应式为 Fe－6e－＋8OH－===FeO2－4 ＋4H2O，阴极反应式为 6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－，电解过程中阳极消耗 OH－，故阳极区 pH 下降； 选项 C，为保障阳极区的强碱性条件，该电解池中离子交换膜只能是阴离子交换 膜；选项 D，未提及标准状况，故错误。 答案　B 【例 4】　加碘食盐中含有碘酸钾(KIO3)，现以电解法制备碘酸钾，实验装置如 图所示。先将一定量的碘溶于过量氢氧化钾溶液，发生反应：3I2＋6KOH===5KI＋ KIO3＋3H2O，将该溶液加入阳极区，另将氢氧化钾溶液加入阴极区，开始电解。 下列说法中正确的是(　　) A．电解过程中 OH－从 a 极区通过离子交换膜 c 进入 b 极区 B．随着电解进行，KOH 溶液浓度会逐渐减小 C．a 电极反应式：I－－6e－＋6OH－=== IO－3 ＋3H2O，a 极区的 KI 最终转变为 KIO3 D．当阳极有 0.1 mol I－放电时，阴极生成 6.72 L H2 解析　与外加电源正极相连的是电解池的阳极，即 a 电极是阳极，故 b 电极是阴 极；题意知阳极区的物质有：KOH、KI、KIO3、H2O，阳极将发生失电子的氧化 反应，失电子能力：I－＞OH－＞IO－3 ，故发生反应 I－－6e－＋6OH－=== IO－3 ＋3H2O， 在阴极上 H＋(H2O)放电，6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－，电解总反应为：I－＋3H2O ===== 电解 IO－3 ＋3H2↑，故电解时 KOH 浓度会增大；b 极区 OH－会通过 c 进入 a 极 区，c 应为阴离子交换膜。正确的是 C。 答案　C 增分点 2　电化学中的介质对电极反应的影响 [知识查补] 电化学中常见的五大介质(以 CH3OH 、O2 燃料电池为例) 介质一：K2SO4 中性溶液 总反应式：2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O (－)负极：2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2＋12H＋ (＋)正极：3O2＋12e－＋6H2O===12OH－ 介质二：KOH 碱性介质 总反应式：2CH3OH　＋ 3O2 ＋4OH－=== 2CO2－3 ＋6H2O (－)负极：2CH3OH－12e－＋16OH－===2CO2－3 ＋12H2O (＋)正极：3O2＋12e－＋6H2O===12OH－ 介质三：H2SO4 溶液酸性　 总反应式：2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O (－)负极：2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2＋12H＋ (＋)正极：3O2＋12e－＋12H＋===6H2O 介质四：熔融盐介质，如熔融的 K2CO3 总反应：2CH3OH＋3O2===2CO2 ＋4H2O (－)负极：2CH3OH－12e－＋6CO2－3 ===8CO2＋4H2O (＋)正极：3O2＋12e－＋6CO2===6CO2－3 介质五：掺杂 Y2O3 的 ZrO3 固体电解质，在高温下能传导正极生成的 O2－ 总反应：2CH3OH＋3O2===2CO2 ＋4H2O (－)负极：2CH3OH－12e－＋6O2－===2CO2＋4H2O (＋)正极：3O2＋12e－===6O2－ 规律　首先要分析介质是否参与总反应，然后写出总反应方程式，O2 在不同介质 中的转化关系(O2 得电子转化为 O2－，碱性(中性)溶液中转化为 OH－；酸性溶液 中转化为 H2O，熔融碳酸盐中转化为 CO2－3 ；固体氧化物转化为 O2－)，写出正极 反应，利用相减法(总反应－正极反应＝负极反应)，写出负极反应。 [增分题例] 类型一　区分介质“状态”，判断离子流向 【例 5】　某燃料电池以 Ca(HSO4)2 固体为电解质传递 H＋ ，其基本结构如图所 示，电池总反应可表示为 2H2＋O2===2H2O。 请回答： (1)H＋ 由________极通过固体酸电解质传递到另一极(填 a 或 b)。 (2)b 极上发生的电极反应式是____________________________________。 解析　a 极为负极，b 极为正极，电极反应式分别为 负极：2H2－4e－ ===4H＋ ；正极：O2＋4e－ ＋4H＋ ===2H2O，其中正极上的 H＋ 来自负极生成的 H＋ 。 答案　(1)a　 (2)O2＋4e－＋4H＋ ===2H2O 类型二　判断介质成分，理清书写思路 【例 6】　一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为 CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋ 。下列有关说法正确的是(　　) A．检测时，电解质溶液中的 H＋ 向负极移动 B．若有 0.4 mol 电子转移，则在标准状况下消耗 4.48 L 氧气 C．电池反应的化学方程式为 CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O D．正极上发生的反应为 O2＋4e－ ＋2H2O===4OH－ 解析　 解答本题时审题是关键，反应是在酸性电解质溶液中进行的。在原电池中， 阳离子要向正极移动，故 A 错；因电解质溶液是酸性的，不可能存在 OH－ ，故 正极的反应式为 O2＋4H＋ ＋4e－ ===2H2O，转移 4 mol 电子时消耗 1 mol O2，则 转移 0.4 mol 电子时消耗(标准状况下)2.24 L O2，故 B、D 错；电池反应式即正负 极反应式之和，将两极的反应式相加可知 C 正确。 答案　C 【例 7】　用固体氧化物作为电解质的氢氧燃料电池电解 Na2SO4 溶液，已知固体 氧化物在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过，其工作原理如图所示(c、d 均为惰 性电极)。下列有关说法正确的是(　　) A．电路中电子流向为 a→d→c→b B．电极 b 为负极，电极反应式为 O2＋4e－===2O2－ C．电解后烧杯中溶液 pH 增大 D．理论上 b 极消耗气体和 c 极生成气体质量相等 解析　在溶液中没有电子的流动，只有离子的流动，A 项错误；通入 O2 的一极(电 极 b)为电池的正极，发生还原反应，B 项错误；惰性电极电解 Na2SO4 溶液实质 上是电解水，溶液的 pH 不变，C 项错误；c 极生成 O2，根据得失电子守恒可知 D 项正确。 答案　D