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2022高考化学专题复习 专题六 化学反应与能量 微专题6 电解池装置中的交换膜学案
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这是一份2022高考化学专题复习 专题六 化学反应与能量 微专题6 电解池装置中的交换膜学案，共5页。
有膜电解池题型是高考课标卷必考知识点(2020课标全国Ⅲ卷没出现),一般在无机综合题(工业流程题中出现),也会出现在选择题中。一般是以电解池制备物质或消除污染的情境出现,主要考查电极方程式的书写及相关计算,涉及得失电子守恒思想,体现了宏观辨识和微观探析、变化观念和平衡思想、证据推理和模型认知、科学精神和社会责任等学科素养。
◆典例探究
例 (2020安徽马鞍山摸底)目前电解法制烧碱通常采用离子交换膜法,阳(阴)离子交换膜只允许阳(阴)离子通过,阴(阳)离子和分子不能通过,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
答案 B 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,A正确;Ⅱ区中的Na+通过a进入Ⅰ区,故a是阳离子交换膜,B错误;Ⅲ区是阳极室,Cl-放电生成氯气,Ⅱ区中的Cl-通过b进入Ⅲ区,故b是阴离子交换膜,使用离子交换膜可以有效地隔离NaOH和Cl2,防止二者反应,C正确;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,D正确。
规律方法
该题通过有膜电解池考查了离子交换膜的判别及作用和阴、阳极的产物判断等知识,这类题的一般解题思路如下:
第一步:分清隔膜类型,即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一种,判断允许哪种离子通过隔膜。
第二步:写出电极反应式,判断交换膜两侧离子变化,推断电荷变化,根据电荷平衡判断离子迁移方向。
第三步:分析隔膜作用。在产品制备中,隔膜作用主要有提高产品纯度、避免产物之间发生反应、避免产物因发生反应而产生危险等。交换膜能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,交换膜起盐桥的作用,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,使氧化剂和还原剂在不接触的条件下发生氧化还原反应。
1.(2020黑龙江哈尔滨模拟)以PbO为原料回收铅的过程如下:
a.将PbO溶解在HCl和NaCl的混合溶液中,得到含Na2PbCl4的溶液;
b.电解Na2PbCl4溶液后生成Pb,原理如图所示。
下列判断不正确的是( )
A.阳极区的溶质主要是H2SO4
B.电极Ⅱ的电极反应式为PbCl42-+2e- Pb+4Cl-
C.当有2.07 g Pb生成时,通过阳离子交换膜的阳离子为0.04 ml
D.电解过程中为了实现物质的循环利用,可向阴极区补充PbO
答案 C 电解Na2PbCl4溶液后生成Pb,由题图可知,当有2.07 g Pb生成时,即生成Pb的物质的量为=2.07 g207 g/ml=0.01 ml,转移电子的物质的量为0.02 ml,电解液中的阳离子为氢离子,根据得失电子守恒可知,通过阳离子交换膜的阳离子为0.02 ml,故C项错误。
2.(2020辽宁大连3月检测)采用电化学法还原CO2是一种使CO2资源化的方法,下图是利用此法制备ZnC2O4的示意图(电解液不参与反应)。
下列说法正确的是( )
A.Zn电极与电源的负极相连
B.ZnC2O4在阳离子交换膜右侧生成
C.电解的总反应式为2CO2+Zn ZnC2O4
D.通入11.2 L CO2时,转移0.5 ml电子
答案 C CO2通入Pb电极发生还原反应生成C2O42-,则Pb电极为阴极,Zn电极为阳极,故Zn电极与电源的正极相连,A错误;Zn电极反应式为Zn-2e- Zn2+,生成的Zn2+经阳离子交换膜向左迁移,与Pb电极生成的C2O42-结合生成ZnC2O4,故在阳离子交换膜左侧生成ZnC2O4,B错误;阴极上CO2被还原生成C2O42-,阳极上Zn被氧化生成Zn2+,故电池总反应式为2CO2+Zn ZnC2O4,C正确;题目未指明11.2 L CO2是否处于标准状况下,无法确定转移电子数,D错误。
3.科研人员利用M2N纳米催化剂在0.1 ml·L-1盐酸中进行电催化固氮,装置如图所示,在一定电压下具有较高的产氨速率。
下列判断错误的是( )
A.M2N/GCE电极为阴极
B.溶液中H+通过隔膜向石墨电极区迁移
C.M2N/GCE电极区反应式为N2+6H++6e- 2NH3
D.为提高溶液的导电性,可在石墨电极区加入适量的硫酸
答案 B 根据题图可知,左侧电极N2→NH3,N元素的化合价降低,得电子发生还原反应,M2N/GCE电极为阴极,石墨电极为阳极,阴极反应式为N2+6H++6e- 2NH3,阳极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+。根据上述分析,A、C项正确;电解池中,阳离子移向阴极,则H+通过隔膜向M2N/GCE电极区迁移,B项错误;石墨电极区加入适量硫酸,硫酸不放电,能增加导电能力,D项正确。
4.工业品氢氧化钾溶液中含有某些含氧酸根杂质,可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过),其工作原理如图所示。
下列说法中不正确的是( )
A.阴极材料可以是Fe,含氧酸根杂质不参与电极反应
B.该电解槽的阳极反应式为4OH--4e- 2H2O+O2↑
C.通电后,该电解槽阴极附近溶液的pH会逐渐减小
D.除去杂质后,氢氧化钾溶液从出口B导出来
答案 C 电解槽中阴离子放电顺序为OH->含氧酸根离子,阳离子放电顺序为H+>K+,故此电解反应的实质是电解水,阴极反应是2H2O+2e- 2OH-+H2↑,通电后阴极区的pH会增大,阳极反应是4OH--4e- 2H2O+O2↑,阳极区c(OH)减小,K+会通过阳离子交换膜移向阴极与阴极产生的OH-结合,以KOH溶液的形式从B口导出。由上述分析可得出A、B、D正确,C错误。
有膜电解池题型是高考课标卷必考知识点(2020课标全国Ⅲ卷没出现),一般在无机综合题(工业流程题中出现),也会出现在选择题中。一般是以电解池制备物质或消除污染的情境出现,主要考查电极方程式的书写及相关计算,涉及得失电子守恒思想,体现了宏观辨识和微观探析、变化观念和平衡思想、证据推理和模型认知、科学精神和社会责任等学科素养。
◆典例探究
例 (2020安徽马鞍山摸底)目前电解法制烧碱通常采用离子交换膜法,阳(阴)离子交换膜只允许阳(阴)离子通过,阴(阳)离子和分子不能通过,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
答案 B 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,A正确;Ⅱ区中的Na+通过a进入Ⅰ区,故a是阳离子交换膜,B错误;Ⅲ区是阳极室,Cl-放电生成氯气,Ⅱ区中的Cl-通过b进入Ⅲ区,故b是阴离子交换膜,使用离子交换膜可以有效地隔离NaOH和Cl2,防止二者反应,C正确;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,D正确。
规律方法
该题通过有膜电解池考查了离子交换膜的判别及作用和阴、阳极的产物判断等知识,这类题的一般解题思路如下:
第一步:分清隔膜类型,即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一种,判断允许哪种离子通过隔膜。
第二步:写出电极反应式,判断交换膜两侧离子变化,推断电荷变化,根据电荷平衡判断离子迁移方向。
第三步:分析隔膜作用。在产品制备中,隔膜作用主要有提高产品纯度、避免产物之间发生反应、避免产物因发生反应而产生危险等。交换膜能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,交换膜起盐桥的作用,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,使氧化剂和还原剂在不接触的条件下发生氧化还原反应。
1.(2020黑龙江哈尔滨模拟)以PbO为原料回收铅的过程如下:
a.将PbO溶解在HCl和NaCl的混合溶液中,得到含Na2PbCl4的溶液;
b.电解Na2PbCl4溶液后生成Pb,原理如图所示。
下列判断不正确的是( )
A.阳极区的溶质主要是H2SO4
B.电极Ⅱ的电极反应式为PbCl42-+2e- Pb+4Cl-
C.当有2.07 g Pb生成时,通过阳离子交换膜的阳离子为0.04 ml
D.电解过程中为了实现物质的循环利用,可向阴极区补充PbO
答案 C 电解Na2PbCl4溶液后生成Pb,由题图可知,当有2.07 g Pb生成时,即生成Pb的物质的量为=2.07 g207 g/ml=0.01 ml,转移电子的物质的量为0.02 ml,电解液中的阳离子为氢离子,根据得失电子守恒可知,通过阳离子交换膜的阳离子为0.02 ml,故C项错误。
2.(2020辽宁大连3月检测)采用电化学法还原CO2是一种使CO2资源化的方法,下图是利用此法制备ZnC2O4的示意图(电解液不参与反应)。
下列说法正确的是( )
A.Zn电极与电源的负极相连
B.ZnC2O4在阳离子交换膜右侧生成
C.电解的总反应式为2CO2+Zn ZnC2O4
D.通入11.2 L CO2时,转移0.5 ml电子
答案 C CO2通入Pb电极发生还原反应生成C2O42-,则Pb电极为阴极,Zn电极为阳极,故Zn电极与电源的正极相连,A错误;Zn电极反应式为Zn-2e- Zn2+,生成的Zn2+经阳离子交换膜向左迁移,与Pb电极生成的C2O42-结合生成ZnC2O4,故在阳离子交换膜左侧生成ZnC2O4,B错误;阴极上CO2被还原生成C2O42-,阳极上Zn被氧化生成Zn2+,故电池总反应式为2CO2+Zn ZnC2O4,C正确;题目未指明11.2 L CO2是否处于标准状况下,无法确定转移电子数,D错误。
3.科研人员利用M2N纳米催化剂在0.1 ml·L-1盐酸中进行电催化固氮,装置如图所示,在一定电压下具有较高的产氨速率。
下列判断错误的是( )
A.M2N/GCE电极为阴极
B.溶液中H+通过隔膜向石墨电极区迁移
C.M2N/GCE电极区反应式为N2+6H++6e- 2NH3
D.为提高溶液的导电性,可在石墨电极区加入适量的硫酸
答案 B 根据题图可知,左侧电极N2→NH3,N元素的化合价降低,得电子发生还原反应,M2N/GCE电极为阴极,石墨电极为阳极,阴极反应式为N2+6H++6e- 2NH3,阳极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+。根据上述分析,A、C项正确;电解池中,阳离子移向阴极,则H+通过隔膜向M2N/GCE电极区迁移,B项错误;石墨电极区加入适量硫酸,硫酸不放电,能增加导电能力,D项正确。
4.工业品氢氧化钾溶液中含有某些含氧酸根杂质,可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过),其工作原理如图所示。
下列说法中不正确的是( )
A.阴极材料可以是Fe,含氧酸根杂质不参与电极反应
B.该电解槽的阳极反应式为4OH--4e- 2H2O+O2↑
C.通电后,该电解槽阴极附近溶液的pH会逐渐减小
D.除去杂质后,氢氧化钾溶液从出口B导出来
答案 C 电解槽中阴离子放电顺序为OH->含氧酸根离子,阳离子放电顺序为H+>K+,故此电解反应的实质是电解水,阴极反应是2H2O+2e- 2OH-+H2↑,通电后阴极区的pH会增大,阳极反应是4OH--4e- 2H2O+O2↑,阳极区c(OH)减小,K+会通过阳离子交换膜移向阴极与阴极产生的OH-结合,以KOH溶液的形式从B口导出。由上述分析可得出A、B、D正确,C错误。
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