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培優(yōu)課堂　“隔膜”電化學(xué)裝置分析
名師導(dǎo)語　 電化學(xué)試題命題時，電化學(xué)裝置中大部分含有交換膜，且一般為離子交換膜。離子交換膜是一種含離子基團(tuán)的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。因它對離子具有選擇透過性，且電化學(xué)性能優(yōu)良，在涉及電化學(xué)的工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。由于離子交換膜能將工業(yè)生產(chǎn)與化學(xué)知識有機(jī)的融合，實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)配置，考查學(xué)生的學(xué)以致用能力；因此備受高考命題者的青睞。命題的角度主要有：(1)交換膜類型的判斷；(2)離子的遷移；(3)通過交換膜的離子數(shù)目計算等。
【必備智能】
1.離子交換膜的類型與作用
2.雙極膜
雙極膜是一種新型離子交換膜，其膜主體可分為陰離子選擇層、陽離子選擇層和中間界面層，水解離催化劑被夾在中間的離子交換聚合物中，水電離產(chǎn)生H＋ 和OH－，可在電場的作用下快速遷移到兩側(cè)溶液中，為膜兩側(cè)的半反應(yīng)提供各自理想的pH 條件。
雙極膜示意圖
3.帶隔膜電化學(xué)裝置的分析思路
(1)
(2)
(3)
4.定量關(guān)系
(1)陰離子、陽離子、質(zhì)子交換膜
外電路電子的轉(zhuǎn)移數(shù)＝通過隔膜的陰、陽離子帶的負(fù)或正電荷數(shù)。
(2)雙極膜
外電路電子的轉(zhuǎn)移數(shù)＝雙極膜解離的[n(H＋)＋n(OH－)]×。
【典例】　(2022·全國甲卷)一種水性電解液Zn－MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示[KOH溶液中，Zn2＋以Zn(OH)存在]。電池放電時，下列敘述錯誤的是(　　)
A.Ⅱ區(qū)的K＋通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移
B.Ⅰ區(qū)的SO通過隔膜向Ⅱ區(qū)遷移
C.MnO2電極反應(yīng)：MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O
D.電池總反應(yīng)：Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===Zn(OH)＋Mn2＋＋2H2O
[題后歸納]　解答含膜電池題的思維模板
【培優(yōu)專練】
1.(判斷離子交換膜類型)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2＋/MV＋在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能
B.陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反應(yīng)：H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C.正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應(yīng)生成NH3
D.電池工作時質(zhì)子通過交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動
2.(利用離子交換膜制備目標(biāo)物)以鉛蓄電池供電，利用雙極膜(雙極膜是一種復(fù)合膜，在直流電作用下，中間界面內(nèi)水解離為H＋和OH－，并實(shí)現(xiàn)其定向通過)電解制備磷酸和氫氧化鈉的原理如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.電極a的電極反應(yīng)：Pb－2e－===Pb2＋
B.產(chǎn)品室2制備的產(chǎn)品是磷酸
C.當(dāng)電路中通過4 mol電子時，電極c上產(chǎn)生1 mol O2
D.M膜為陽離子交換膜，N膜為陰離子交換膜
3.(計算離子定向遷移的數(shù)目)設(shè)計如圖裝置回收金屬鈷。保持細(xì)菌所在環(huán)境pH穩(wěn)定，借助其降解乙酸鹽生成CO2，將廢舊鋰離子電池的正極材料LiCoO2(s)轉(zhuǎn)化為Co2＋，工作時保持厭氧環(huán)境，并定時將乙室溶液轉(zhuǎn)移至甲室。已知電極材料均為石墨材質(zhì)，右側(cè)裝置為原電池。下列說法錯誤的是(　　)
A.裝置工作時，甲室溶液pH逐漸減小
B.裝置工作一段時間后，乙室應(yīng)補(bǔ)充鹽酸
C.乙室電極反應(yīng)為LiCoO2＋2H2O＋e－===Li＋＋Co2＋＋4OH－
D.若甲室Co2＋減少200 mg，乙室Co2＋增加300 mg，則此時已進(jìn)行過溶液轉(zhuǎn)移
培優(yōu)課堂4　“隔膜”電化學(xué)裝置分析
【典例】　[思維提示]　根據(jù)題圖可知，放電時Zn 為負(fù)極，電極反應(yīng)為Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH) ；MnO2 為正極，電極反應(yīng)為MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O。A項，根據(jù)負(fù)極反應(yīng)可知，為了平衡溶液中電荷，放電時Ⅲ區(qū)的鉀離子向Ⅱ區(qū)遷移，錯誤；B項，根據(jù)正極反應(yīng)可知，為了平衡溶液中電荷，放電時硫酸根離子從Ⅰ區(qū)向Ⅱ區(qū)遷移，正確；D項，將正、負(fù)極電極反應(yīng)相加即可得到放電時的電池總反應(yīng)，正確。
答案　A
培優(yōu)專練
1.B　[該裝置為原電池，左側(cè)為負(fù)極，右側(cè)為正極。負(fù)極反應(yīng)為MV＋－e－===MV2＋，在負(fù)極區(qū)發(fā)生的協(xié)同反應(yīng)為H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋；正極反應(yīng)為MV2＋＋e－===MV＋，正極區(qū)發(fā)生的協(xié)同反應(yīng)為6MV＋＋N2＋6H＋===6MV2＋＋2NH3，所以正極區(qū)需要H＋遷入，因此交換膜為質(zhì)子交換膜，故D項正確；該裝置的目的是利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，該合成氨反應(yīng)在常溫下進(jìn)行，并形成原電池產(chǎn)生電能，反應(yīng)不需要高溫、高壓和催化劑，故A項正確；左側(cè)電極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為MV＋－e－===MV2＋，為負(fù)極，不是陰極，故B項錯誤；正極區(qū)發(fā)生的協(xié)同反應(yīng)為N2＋6MV＋＋6H＋===2NH3＋6MV2＋，N2發(fā)生還原反應(yīng)生成NH3，故C項正確。]
2.C　[鉛蓄電池中鉛為負(fù)極，氧化鉛為正極。由圖可知，與直流電源正極相連的電極c為電解池的陽極，d為陰極，電解池工作時陰離子向陽極遷移，陽離子向陰極遷移，M膜為陰離子交換膜，原料室中H2PO通過M膜進(jìn)入產(chǎn)品室1，與雙極膜產(chǎn)生的H＋反應(yīng)生成H3PO4，N膜為陽離子交換膜，原料室中鈉離子通過N膜進(jìn)入產(chǎn)品室2得到氫氧化鈉。電極a是鉛蓄電池的負(fù)極，反應(yīng)為Pb＋SO－2e－===PbSO4，A錯誤；根據(jù)分析，產(chǎn)品室2得到氫氧化鈉，B錯誤；電極c為電解池的陽極，OH－在陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣，可知電路中通過4 mol電子時，電極c上產(chǎn)生氧氣的物質(zhì)的量為1 mol，C正確；根據(jù)分析，M膜為陰離子交換膜，N膜為陽離子交換膜，D錯誤。]
3.C　[甲室電極反應(yīng)為Co2＋＋2e－===Co，左側(cè)細(xì)菌電極反應(yīng)為CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，氫離子、金屬陽離子通過陽膜移向甲室，甲室溶液pH逐漸減小，故A正確；乙室中LiCoO2(s)→Co2＋，同時得到Li＋，LiCoO2(s)中的氧結(jié)合溶液中氫離子生成水，工作一段時間后，乙室應(yīng)補(bǔ)充鹽酸，故B正確；電解質(zhì)溶液為酸性，不可能生成氫氧根離子，乙室電極反應(yīng)為LiCoO2＋4H＋＋e－===Li＋＋Co2＋＋2H2O，故C錯誤；甲室電極反應(yīng)為Co2＋＋2e－===Co，乙室電極反應(yīng)為2LiCoO2＋8H＋＋2e－===2Li＋＋2Co2＋＋4H2O，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，可知沒有進(jìn)行溶液轉(zhuǎn)移時，則乙室Co2＋增加量是甲室Co2＋減少質(zhì)量的2倍，而實(shí)際二者倍數(shù)為＝1.5<2，故此時已進(jìn)行過溶液轉(zhuǎn)移，故D正確。]

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