高中化学 步步高 二轮复习课件 电化学离子交换膜的分析与应用
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解析 H2O 放电产生 H＋，H＋进入产品室，原料室的 H2PO－2 穿过阴膜扩散 至产品室，二者发生反应：H＋H2PO－2 H3PO2。
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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__P_O__34－__杂质。该杂质 产生的原因是__H_2_P_O_－2_或___H_3_P_O_2_被__氧__化____。 解析 如果撤去阳膜，H2PO－ 2 或 H3PO2 可能会被氧化。
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考向预测
1.(2021·重庆1月适应性测试，10)双极膜在电渗析中应用广泛，它是由阳 离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层，工作时水层 中的H2O解离成H＋和OH－，并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。下 图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。 下列说法正确的是 A.出口2的产物为HBr溶液 B.出口5的产物为硫酸溶液 C.Br－可从盐室最终进入阳极液中
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②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要 为_K__＋_，其迁移方向是_由__电__极__a_到__电__极__b__。
解析 电解过程中阳极反应为 I－＋6OH－－6e－===IO－3 ＋3H2O。阳极的 K＋ 通过阳离子交换膜由电极 a 迁移到电极 b。
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角度二 “双膜”电解池 3.[2018·全国卷Ⅰ，27(3)]制备Na2S2O5也可采 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 _2_H_2_O_－__4_e_－__=_=_=_4_H_＋__＋__O_2_↑_ 。 电解后，__a__室的NaHSO3浓度增加。将该 室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。 解析 阳极电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，电解过程中H＋透 过阳离子交换膜进入a室，故a室中NaHSO3浓度增加。
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该装置工作时，下列叙述错误的是 A.阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O B.协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S
√C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D.若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋， 溶液需为酸性
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解析 由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反 应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴 极。阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极， 电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的 高，C项错误； 由题图可知，电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋ 2e－===CO＋H2O，A项正确； 将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B 项正确； Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D项正确。
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角度三 “多膜”电解池 4.[2014·新课标全国卷Ⅰ，27(4)]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_H_2_O_－__4_e_－_=__=_=_O_2_↑__＋__4_H_＋___。
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2.[2021·河北1月选考模拟，18(1)(2)(3)(4)(5)]我国科学家最近发明了一种 Zn－PbO2电池，电解质为K2SO4、H2SO4和KOH，由a和b两种离子交换 膜隔开，形成A、B、C三个电解质溶液区域，结构示意图如下： 回答下列问题： (1)电池中，Zn为__负___极，B区域的电解质为 __K_2_S_O__4_(填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)。
专题五
高考必备
真题演练
角度一 “单膜”电解池 1.(2018·全国卷Ⅰ，13)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装 置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。 示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石 墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石 墨烯，石墨烯电极区发生反应为： ①EDTA-Fe2＋－e－===EDTA-Fe3＋ ②2EDTA-Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋
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2.[2018·全 国 卷 Ⅲ ， 27(3)①②]KIO3 也 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_H__2O__＋__2_e－__=_=_=_2_O__H_－_＋__H__2↑____。
解析 电解液是KOH溶液，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋ H2↑。
解析 根据图示可知，Zn电极失去电子生成Zn2＋，与溶液中的OH－结合 形成[Zn(OH)4]2－，所以Zn电极为负极；在A区域的电解质为KOH，在B 区域的电解质为K2SO4，C区域电解质为H2SO4。
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(2)电池反应的离子方程式为_P_b_O_2_＋_S_O__24－_＋__Z_n_＋__2_H_2_O_=_=_=_P__bS__O_4＋__[_Z_n_(_O_H_)_4_]2_－。
√D.阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
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解析 电解时，双极膜中的氢氧根离 子向阳极移动，进入交换室1，盐室 中的Na＋向阴极移动，进入交换室1， 则出口2的产物为NaOH溶液，A错误； 钠离子不能通过双极膜，故出口5不 是硫酸，B错误； Br－通过阴离子交换膜进入交换室2，但是不能通过双极膜，所以Br－不会 从盐室最终进入阳极液中，C错误； 电解池阴极处，发生还原反应，水解离成H＋和OH－，则在阴极发生的反 应为2H＋＋2e－===H2↑，D正确。
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解析 阳极发生氧化反应，在反应中OH－失去电子，电极反应式为2H2O －4e－===O2↑＋4H＋。
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②分析产品室可得到H3PO2的原因：_阳__极__室__的__H_＋__穿__过__阳__膜__扩__散__至__产__品__室_ ， _原__料__室__的__H__2P__O_－2_穿__过__阴__膜__扩__散__至__产__品__室__，__二__者__反__应__生__成__H__3_P_O_2___。
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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__P_O__34－__杂质。该杂质 产生的原因是__H_2_P_O_－2_或___H_3_P_O_2_被__氧__化____。 解析 如果撤去阳膜，H2PO－ 2 或 H3PO2 可能会被氧化。
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考向预测
1.(2021·重庆1月适应性测试，10)双极膜在电渗析中应用广泛，它是由阳 离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层，工作时水层 中的H2O解离成H＋和OH－，并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。下 图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。 下列说法正确的是 A.出口2的产物为HBr溶液 B.出口5的产物为硫酸溶液 C.Br－可从盐室最终进入阳极液中
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②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要 为_K__＋_，其迁移方向是_由__电__极__a_到__电__极__b__。
解析 电解过程中阳极反应为 I－＋6OH－－6e－===IO－3 ＋3H2O。阳极的 K＋ 通过阳离子交换膜由电极 a 迁移到电极 b。
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角度二 “双膜”电解池 3.[2018·全国卷Ⅰ，27(3)]制备Na2S2O5也可采 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 _2_H_2_O_－__4_e_－__=_=_=_4_H_＋__＋__O_2_↑_ 。 电解后，__a__室的NaHSO3浓度增加。将该 室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。 解析 阳极电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，电解过程中H＋透 过阳离子交换膜进入a室，故a室中NaHSO3浓度增加。
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该装置工作时，下列叙述错误的是 A.阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O B.协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S
√C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D.若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋， 溶液需为酸性
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解析 由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反 应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴 极。阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极， 电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的 高，C项错误； 由题图可知，电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋ 2e－===CO＋H2O，A项正确； 将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B 项正确； Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D项正确。
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角度三 “多膜”电解池 4.[2014·新课标全国卷Ⅰ，27(4)]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_H_2_O_－__4_e_－_=__=_=_O_2_↑__＋__4_H_＋___。
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2.[2021·河北1月选考模拟，18(1)(2)(3)(4)(5)]我国科学家最近发明了一种 Zn－PbO2电池，电解质为K2SO4、H2SO4和KOH，由a和b两种离子交换 膜隔开，形成A、B、C三个电解质溶液区域，结构示意图如下： 回答下列问题： (1)电池中，Zn为__负___极，B区域的电解质为 __K_2_S_O__4_(填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)。
专题五
高考必备
真题演练
角度一 “单膜”电解池 1.(2018·全国卷Ⅰ，13)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装 置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。 示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石 墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石 墨烯，石墨烯电极区发生反应为： ①EDTA-Fe2＋－e－===EDTA-Fe3＋ ②2EDTA-Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋
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2.[2018·全 国 卷 Ⅲ ， 27(3)①②]KIO3 也 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_H__2O__＋__2_e－__=_=_=_2_O__H_－_＋__H__2↑____。
解析 电解液是KOH溶液，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋ H2↑。
解析 根据图示可知，Zn电极失去电子生成Zn2＋，与溶液中的OH－结合 形成[Zn(OH)4]2－，所以Zn电极为负极；在A区域的电解质为KOH，在B 区域的电解质为K2SO4，C区域电解质为H2SO4。
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(2)电池反应的离子方程式为_P_b_O_2_＋_S_O__24－_＋__Z_n_＋__2_H_2_O_=_=_=_P__bS__O_4＋__[_Z_n_(_O_H_)_4_]2_－。
√D.阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
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解析 电解时，双极膜中的氢氧根离 子向阳极移动，进入交换室1，盐室 中的Na＋向阴极移动，进入交换室1， 则出口2的产物为NaOH溶液，A错误； 钠离子不能通过双极膜，故出口5不 是硫酸，B错误； Br－通过阴离子交换膜进入交换室2，但是不能通过双极膜，所以Br－不会 从盐室最终进入阳极液中，C错误； 电解池阴极处，发生还原反应，水解离成H＋和OH－，则在阴极发生的反 应为2H＋＋2e－===H2↑，D正确。
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解析 阳极发生氧化反应，在反应中OH－失去电子，电极反应式为2H2O －4e－===O2↑＋4H＋。
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②分析产品室可得到H3PO2的原因：_阳__极__室__的__H_＋__穿__过__阳__膜__扩__散__至__产__品__室_ ， _原__料__室__的__H__2P__O_－2_穿__过__阴__膜__扩__散__至__产__品__室__，__二__者__反__应__生__成__H__3_P_O_2___。