专题7-离子交换膜在电化学装置中的应用

专题7 离子交换膜在电化学装置中的应用
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1．（2018年11月浙江选考17题）最近，科学家研发了“全氢电池”，其工作原理如图所示。

下列说法不正确
．．．的是（）
A．右边吸附层中发生了还原反应
B．负极的电极反应是H2－2e－＋2OH－＝2H2O
C．电池的总反应是2H2 ＋O2＝2H2O
D．电解质溶液中Na＋向右移动，ClO4－向左移动
2．（2019年高考天津卷6题）我国科学家研制了一种新型的高比能量锌--碘溴液流电池，其工作原理示意图如下。

图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。

下列叙述不正确的是
A.放电时，a电极反应为I2Br－+ 2e－=2I－+ Br－
B.放电时，溶液中离子的数目增大
C.充电时，b 电极每增重0.65 g ，溶液中有0.02mol I －
被氧化
D.充电时，a 电极接外电源负极
3．（2019 年全国卷 I 12) 利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV 2+/MV +在电极与酶之间传递电子，下列说法错误的是 A ．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B ．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H 2 + 2MV 2+ = 2H + + 2MV +
C ．正极区，固氮酶为催化剂，N 2发生还原反应生成NH 3
D ．电池工作时，质子通过交换膜由负极区向正极区移动
4．（2016年全国卷 I 11）三室式电渗析法处理含 Na 2SO 4 废水的原理如图3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 42－
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(B )
A ．通电后中间隔室的SO 42－向正极迁移，正极区溶液pH 增大
B ．该法在处理含Na 2SO 4。

废水时可以得到NaOH 和H 2SO 4产品
C ．负极反应为2H 2O － 4e - = O 2＋ 4H ＋，负极区溶液pH 降低
D ．当电路中通过1mol 电子的电量时，会有0.5 mol 的O 2生成
5．（2018年全国卷Ⅰ 27节选）焦亚硫酸钠(Na 2S 2O 5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应有广泛，加答下列问题：
MV +
MV 2+
N 2 NH 3
H 2 H + MV + MV 2+ 电
极 电 极
氢化酶 固氮酶 2SO 4负极区正极区
浓Na 2SO 4溶液a b
c d ＋－
⑶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Na2SO3和NaHSO3。

阳极的反应式为: 2H2O－4e－＝4H＋+ O2↑。

电解后 a 室的NaHSO3溶液浓度增加。

将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5
6．（2017年天津市高考7题）某混合物浆液含有Al(OH) 3、MnO2和少量Na2CrO4。

考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出，某研究小组利用设计的电解分离装置（见图），使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液，并回收利用．回答Ⅰ和Ⅱ中的问题．
（4）用惰性电极电解时，CrO42﹣能从浆液中分离出来的原因是在直流电场作用下，CrO42﹣通过阴离子交换膜向阳极室移动，脱离浆液，分离后含铬元素的粒子是CrO42﹣、Cr2O72﹣；阴极室生成的物质为NaOH和H2（写化学式）。

专题16 化学电源答案与解析
1．C
【解析】
A B．由电子的流动方向可知左边为负极，发生氧化反应；右边为正极，发生还原反应，故A.B正确；
C．电池的总反应没有O2参与，总反应方程式不存在氧气，C错误；
D．在原电池中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，D正确。

2．D
【解析】
A B．本题关键点是锌--碘溴液流电池，图示为原电池放电，根据锌离子移动方向可以确定a正极，b负极，b极锌失电子生成阳离子，a极附近阴离子得电子一个离子变三个离子，故溶液中离子数目增多，故A、B均正确；
C D．充电相当于电解池，原正极与外电源正极相连做阳极，原负极与外电源负极相连做阴极，反应为原电池的逆反应，故C对D错。

该题出题角度富有新意，以新面孔出现，考查了学生感知新题境提取信息并应用化学知识的能力，只要基础知识牢固也能迎刃而解。

3．B
【解析】本题考查了电化学基础知识
A．原电池原理合成氨的条件温和，同时还可提供电能，故A正确；
B．阴极区即原电池的正极区，由图可知，在固氮酶作用下反应，故B错误；
C．由图可知C正确；
D．电池工作时，阳离子通过交换膜由负极区向正极区移动，故D正确。

4．B
【解析】在电解池中，阴离子向阳极(正极区)移动；阳离子向阴极(负极区)移动．中间隔室的Na＋通过ab 膜进入负极区，故ab为阳离子交换膜，在阴极，溶液中的H＋放电，溶液呈碱性，得到NaOH溶液；SO42－通过cd膜进入正极区，故cd为阴离子交换膜，在阳极，溶液中的OH-放电，溶液呈酸性，得到H2SO4溶液．
A．通电后中间隔室的SO42－向正极迁移，正极反应为：2H2O－4e- = O2＋4H＋正极区溶液pH减小，(A)错．
B．中间隔室的Na＋通过ab膜进入负极区，负极反应为：2H2O＋2e－= H2＋2OH－负极
区得到NaOH溶液；SO42－通过cd膜进入正极区，正极反应为：2H2O－4e- = O2＋4H＋正极区得到H2SO4溶液，(B)正确．
C．负极反应为：2H2O＋2e- = H2＋2OH-负极区溶液pH增大．(C)错误．
D．由电子守恒：4n(O2)=1 mol，n(O2)= 0.25mol，(D)错误．
5．(3) 2H2O－4e－＝4H＋+ O2↑，a
【解析】
（3）阳极失电子发生氧化反应，阳极区溶质是稀硫酸，故氢氧根放电，电极反应式为：2H2O－4e－＝4H＋+ O2↑。

阳极区氢离子增大，通过阳离子交换膜进入a室与亚硫酸钠结合生成亚硫酸钠。

阴极是氢离子放电，氢氧根浓度增大，与亚硫酸氢钠反应生成亚硫酸钠，所以电解后a室中亚硫酸氢钠的浓度增大。

6．⑷在直流电场作用下，CrO42﹣通过阴离子交换膜向阳极室移动，脱离浆液。

CrO42﹣、Cr2O72﹣NaOH和H2
【解析】
（4）电解时，CrO42﹣通过阴离子交换膜向阳极移动，从而从浆液中分离出来，因存在2CrO42﹣+ 2H+ Cr2O72﹣+ H2O，则分离后含铬元素的粒子是CrO42﹣、Cr2O72﹣，阴极发生还原反应生成氢气和NaOH。

故答案为：在直流电场作用下，CrO42﹣通过阴离子交换膜向阳极室移动，脱离浆液；CrO42﹣、Cr2O72﹣；NaOH和H2。

离子交换膜是一种选择透过性膜．具有非常广泛的应用，中学化学中涉及的主要有质子交换膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜．近年高考试题中多次出现了联系工业生产实际带离子交换膜的电化学装置．主要分为两大类：一是在原电池中的应用，二是在电解装置中的应用。

在原电池中，离子交换膜的作用与盐桥相似，将原电池分为正半电池和负半电池，从而提高原电池的工作效率．
在电解装置中，根据不同的生产目的，可以选用一种或多种离子交换膜，将电解池隔成不同的室，从而得到不同的生产产品．
若某室中同时有阴、阳离子进入，二者结合的产物即为该室产品；若某室中同时有阴、阳离子移出(或消耗)，则二者结合的产物即为该室消耗的物质；若某室中既有离子进入，又有离子移出(或消耗)，进入离子与原溶液中未移出(或消耗)的离子结合的产物即为该室产品．
无论是原电池还是电解池，只要能正确判断电极性质、离子移动方向和离子交换膜的类型就可以使相关问题迎刃而解．。