2021高考備考：化學資料（四）真善 <p class="ql-block" style="text-align: center;"><span style="font-size: 22px;">電化學：鹽橋與離子交換膜</span></p><p class="ql-block" style="text-align: center;"><span style="font-size: 22px;">一一兼談高考命題</span></p><p class="ql-block" style="text-align: center;"><span style="font-size: 22px; color: rgb(237, 35, 8);">特級教師 胡征善</span></p><p class="ql-block" style="text-align: center;">一、鹽橋</p><p class="ql-block">在雙液原電池中，用陰、陽離子遷移速率相近的鹽制成膠狀（通常用瓊脂，保證陰、陽離子在其中能自由擴散），要求鹽與雙液電池中的電解質溶液不發(fā)生化學反應，通?？梢允荎Cl、KNO3等。但在電解質溶液中存在還原性強的離子，KNO3一般就不能用了(因為NO3—在酸性溶液中有強氧化性)。</p> <p class="ql-block"><span style="color: rgb(57, 181, 74);">2020年全國I卷化學第27(2)題：</span></p><p class="ql-block">電池裝置中，鹽橋連接兩電極電解質溶液。鹽橋中陰、陽離子不與溶液中的物質發(fā)生化學反應，并且電遷移率(u∝)應盡可能地相近。根據(jù)下表數(shù)據(jù)，鹽橋中應選擇_____作為電解質。</p> <p class="ql-block"><span style="color: rgb(57, 181, 74);">【解析】</span></p><p class="ql-block">根據(jù)題給信息：“電遷移率(u∝)應盡可能地相近”的組合有：Li+和HCO3一，</p><p class="ql-block">K+與NO3—或CI一。但Li+與HCO3—的電遷移率(u∝)小且可能反應生成</p><p class="ql-block">Li2CO3，故不宜選用。</p><p class="ql-block">Ca2+與SO42—不僅電遷移率(u∝)差較大且CaSO4屬微溶物質，故不宜選用。</p><p class="ql-block">根據(jù)信息“陰、陽離子不與溶液中的物質發(fā)生化學反應”，題給的電解質溶液中含有Fe2+和Fe3+（其溶液均呈酸性），故不能選用含HCO3—和NO3—的鹽。</p><p class="ql-block">綜合考慮，本題只能選用KCl。</p><p class="ql-block" style="text-align: center;"><span style="color: rgb(237, 35, 8);">二、離子交換膜</span></p><p class="ql-block">具有離子選擇性透過的聚合物薄膜。在電化學和電滲領域有廣泛的應用。離子交換膜(有陽離子交換膜、陰離子交換膜、質子交換膜等)不僅可以在電解質溶液中作隔膜，防止某離子或氣體通過，保證得到電解產物或提高產物純度，而且可以包裹住電極防止電極與電解質溶液反應。</p><p class="ql-block">（1）在原電池中的應用</p><p class="ql-block" style="text-align: center;"><span style="color: rgb(237, 35, 8);">水溶液鋰電池</span></p><p class="ql-block">能讓Li+通過H2O和H+不能通過的特制聚合物薄膜緊密包裹的金屬鋰，外層緊密套上鋰導電陶瓷（使得金屬鋰與水隔絕）作電池負極，與鋰離子電池的傳統(tǒng)正極材料及水溶液構成高能量密度、高能量利用率的電動汽車新型水鋰電池（見下圖）。</p> <p class="ql-block"><span style="color: rgb(176, 79, 187);">Lithium metal 金屬鋰</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(176, 79, 187);">LISICON film 鋰導電陶瓷</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(176, 79, 187);">GPE 聚合物 Li+自由擴散，</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(176, 79, 187);"> H2O、H+不能通過</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(176, 79, 187);">Aqueous eIectrolyte 電解質溶液</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(176, 79, 187);">Anode reaction 陽（負）極反應</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(176, 79, 187);">Cathode reaction 陰（正）極反應</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(176, 79, 187);">Charge 充電 Discharge 放電</span></p> <p class="ql-block"><span style="font-size: 22px; color: rgb(57, 181, 74);">[辨析]</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(22, 126, 251);">鋰電池與鋰離子電池是兩種不同的電池，但都同屬鋰系電池。</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(22, 126, 251);">鋰電池是金屬鋰或鋰合金作電池的負極，Li失去電子形成Li+，將化學能轉化為電能的電池。鋰電池通常是一次電池，亦有二次電池，但因其循環(huán)壽命過低和充電易爆不安全等弊端而受到制約。</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(22, 126, 251);">鋰離子電池是將Li+嵌入材料（常用碳素材料）中作負極（富Li+電極），經過</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(22, 126, 251);">Li+的嵌入/脫嵌來存儲與釋放電能。鋰離子電池是二次電池。</span></p> <p class="ql-block"><span style="color: rgb(57, 181, 74);">2020年全國理綜三卷第12題</span></p> <p class="ql-block">答案：B</p><p class="ql-block">解析：A選項：電路中有0.04moI電子通過，正極消耗0.01moIO2，電極反應為：</p><p class="ql-block" style="text-align: center;">O2一十4e一十2H2O==4OH一</p><p class="ql-block">B選項：根據(jù)題給的負極反應和上述正極反應可知，負極消耗溶液中OH一，電極附近溶液pH減小，正極產生OH一，電極附近溶液pH增大。</p><p class="ql-block">C選項：將負極反應×4十正極反應X11得C選項的電池反應。</p><p class="ql-block">D選項：注意題目指定電流流動方向，敘述正確。若是電子流動方向與電流流動方向相反且電子不能通過電解質溶(熔)液。</p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(237, 35, 8);">注：</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(237, 35, 8);">（1）電流是承載電荷的載子（自由電子或自由離子等）的定向移動。電流要有閉合電路，在電化學中是電子導體和離子導體共同傳遞電荷，在電極上實現(xiàn)電子導體和離子導體的轉化。</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(237, 35, 8);">（2）本題中電池的離子選擇性膜是陰離子交換膜，讓正極產生的OH一向負極遷移。陰、陽離子交換膜只讓陰或陽離子通過定向遷移傳遞電荷，電解質溶（熔）液中的電流是陰陽離子遷移共同承當?shù)摹?lt;/span></p> <p class="ql-block">（2）在電解中的應用</p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(57, 181, 74);">【例1】</span></p><p class="ql-block">H3PO2也可以通過電解的方法制備。工作原理如圖所示(陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過)：</p> <p class="ql-block">（1）寫出陽極的電極反應式_____________________________。</p><p class="ql-block">（2）分析產品室可得到H3PO2的原因_________________________。</p><p class="ql-block">（3）早期采用“三室電滲析法”制備</p><p class="ql-block">H3PO2，將“四室電滲析法”中陽極室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去陽極室與產品室之間的陽膜，從而合并了陽極室與產品室，其缺點是______雜質。該雜質產生的原因是：______________。</p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(57, 181, 74);">【解析】</span></p><p class="ql-block" style="text-align: center;">（1）陽極：2H2O一4e—=O2↑十4H+ 陰極：4H2O十4e—=2H2<span style="font-size: 18px;">↑十4OH</span>—</p><p class="ql-block">（2）原料室中Na+通過陽膜進入原料室，平衡陰極室產生OH—的電荷，原料室中的H2PO2—通過陰膜進入產品室，陽極產生的H+通過陽膜加入產品室。</p><p class="ql-block" style="text-align: center;">H2PO2—十H+=H3PO2</p><p class="ql-block">（3）H2PO2—具有強還原性，在陽極失電子被氧化。因NaH2PO2溶液呈堿性，所以其電極反應為</p><p class="ql-block">H2PO2—一4e—十4OH—=H2PO4—十</p><p class="ql-block">2H2O </p><p class="ql-block"><span style="font-size: 22px; color: rgb(22, 126, 251);">交換膜的類型發(fā)生變換（如陰、陽離子交換膜變換），電解目標將無法實現(xiàn)。</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(237, 35, 8);">【例2】</span></p><p class="ql-block">電解裝置如圖所示，電解槽內裝有KI及淀粉溶液，中間用陰離子交換膜隔開。在一定的電壓下通電，發(fā)現(xiàn)左側溶液變藍色，一段時間后，藍色逐漸變淺。</p><p class="ql-block">已知:3I2十6OH—==IO3—十5I—十3H2O</p> <p class="ql-block">下列說法不正確的是</p><p class="ql-block">A．右側發(fā)生的電極方程式：</p><p class="ql-block"> 2H2O十2e—==H2↑十2OH—</p><p class="ql-block">B．電解結束時，右側溶液中含有IO3—</p><p class="ql-block">C．電解槽內發(fā)生反應的總化學方程式</p><p class="ql-block"> KI十3H2O===KIO3十3H2↑</p><p class="ql-block">D．如果用陽離子交換膜代替陰離子交換膜，電解槽內發(fā)生的總化學方程式不變</p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(57, 181, 74);"> [答案] </span>D</p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(57, 181, 74);">【解析】</span></p><p class="ql-block">電解的電極反應為：</p> <p class="ql-block"><span style="color: rgb(57, 181, 74);">【例3】</span></p><p class="ql-block">用如圖裝置電解硫酸鉀溶液來制取氫氣、氧氣、硫酸和氫氧化鉀。</p> <p class="ql-block">試分析其制備過程(電解反應、離子遷移、產品出口)。若交換膜互換，情況又如何？</p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(57, 181, 74);">【解析】</span></p><p class="ql-block">電極a為陽極，電極反應為</p><p class="ql-block" style="text-align: center;">2H2O一4e—=O2↑十4H+</p><p class="ql-block">B出口是O2。</p><p class="ql-block">硫酸鉀溶液中的SO42—通過陰離子交換膜，平衡陽極產生的H+，得到較濃的硫酸，從A出口輸出。電極b為陰極，電極反應為</p><p class="ql-block" style="text-align: center;">4H2O十4e—=2H2↑十4OH—</p><p class="ql-block">C出口是H2。</p><p class="ql-block">硫酸鉀溶液中的K+通過陽離子交換膜，平衡陰極產生OH—的電荷，得到較濃的氫氧化鉀溶液，從D出口輸出。</p><p class="ql-block">因為K2SO4溶液中的K+和SO42—按數(shù)目比2 ：1分別向陰極室和陽極室遷移，從E出口的是K2SO4稀溶液，補充K2SO4進行循環(huán)。</p><p class="ql-block"> 電解整個過程實質是電解消耗水，靠離子交換膜控制離子的遷移方向，得到需要產品。</p><p class="ql-block">若離子交換膜互換，陽極產生的H+和陰極產生的OH—都向K2SO4溶液中遷移，并中和生成H2O，K2SO4溶液變稀，且硫酸和氫氧化鉀溶液都變濃，本質消耗水得到H2和O2，但各種溶液中溶質的物質的量都沒有變化，并沒有制得硫酸和氫氧化鉀。</p> <p class="ql-block"><span style="font-size: 22px; color: rgb(57, 181, 74);">[辨析]</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(22, 126, 251);">原電池或電解池中電極上放電應是氧化性強或還原性強的粒子（分子或離子）。氧化性越強的粒子越易在陰極（正極）得電子被還原，還原性越強的粒子越易在陽極（負極）失電子被氧化。</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(22, 126, 251);">例如在燃料電池中，H2、CO、氣態(tài)烴等燃料分子在負極被氧化，O2或CI2等氧化性分子在正極被還原。</span></p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(22, 126, 251);">在電解池中陰離子可以在陰極放電，例如NO3一/H+在陰極被還原；陽離子可以在陽極放電，例如Fe2+在陽極被氧化。</span></p> <p class="ql-block"><span style="color: rgb(1, 1, 1);">（3）在電滲析中的應用(電滲析除鹽) </span></p><p class="ql-block">電滲析除鹽在海水淡化、廢水處理中有重要作用。</p> <p class="ql-block"><span style="color: rgb(57, 181, 74);">【例】</span></p><p class="ql-block">海水成分復雜，幾種主要離子的平均含量Cl—：19.10 g/kg，Na+：10.62 g/kg，SO42—：2.71 g/kg。利用下列裝置模擬海水綜合處理——制淡水：</p> <p class="ql-block">指出交換膜a、b是何種交換膜？出口A、B是何產品？寫出所發(fā)生的化學反應。設通過交換膜的Na+和SO42—的物質的量分別為x、y mol，則通過交換膜Cl—的物質的量是多少？</p><p class="ql-block"><span style="color: rgb(57, 181, 74);">【解析】</span></p><p class="ql-block">交換膜a是陽離子交換膜、交換膜b是陰離子交換膜。A出口時淡水，B出口是濃鹽水。H+十OH—=H2O。根據(jù)電荷守恒式n(Na+)=n(Cl—)十2n(SO42—)可求得：</p><p class="ql-block" style="text-align: center;">n(Cl—)=(x—2y) mol。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block" style="text-align: center;"><span style="color: rgb(176, 79, 187); font-size: 22px;">家有考生，一縷溫馨，</span></p><p class="ql-block" style="text-align: center;"><span style="color: rgb(176, 79, 187); font-size: 22px;">予人玫瑰，手留余香。</span></p> <p class="ql-block" style="text-align: center;"><span style="color: rgb(237, 35, 8); font-size: 22px;">為廣大考生服務是我最大的快樂</span></p><p class="ql-block">敬請閱看《美篇》</p><p class="ql-block" style="text-align: center;"><span style="color: rgb(22, 126, 251);">高考備考：化學資料（1）~（3）</span></p>