單元活動4以“高鐵酸鈉的制備”為載體突破離子交換膜在電化學(xué)中的應(yīng)用任務(wù)內(nèi)容任務(wù)一離子交換膜在電解池中的應(yīng)用任務(wù)二離子交換膜在化學(xué)電源中的應(yīng)用高鐵酸鹽是一種強(qiáng)氧化劑，可以殺滅水中的細(xì)菌和病毒，產(chǎn)生Fe3＋，而Fe3＋在水中易水解并吸附一些顆粒，可作為凈水劑。該過程不產(chǎn)生任何有毒物質(zhì)和污染，所以是綠色環(huán)保凈水劑。(一)交流討論Na2FeO4的制備方法，思考各方法的優(yōu)、缺點(diǎn)。(二)利用純鐵作電極電解制得Na2FeO4的以上原理自行設(shè)計(jì)利用電化學(xué)原理制備Na2FeO4的裝置圖并初步考慮應(yīng)用離子交換膜。(三)Na2FeO4還可以用于制作高能二次電池，討論模擬設(shè)計(jì)該電池時(shí)可否應(yīng)用離子交換膜。離子交換膜在電解池中的應(yīng)用活動1單膜離子交換膜在電解池中的應(yīng)用用鎳(Ni)、鐵作電極電解濃NaOH溶液制備高鐵酸鹽Na2FeO4的裝置如圖所示。陽極生成FeOeq\o\al(2－,4)的電極反應(yīng)為Fe＋8OH－－6e－=FeOeq\o\al(2－,4)＋4H2O；若隔膜為陽離子交換膜，其作用是避免FeOeq\o\al(2－,4)在陰極上被還原。活動2多膜離子交換膜在電解池中的應(yīng)用用惰性電極電解法制備硼酸[H3BO3或B(OH)3]的工作原理如圖所示(陽膜和陰膜分別只允許陽離子和陰離子通過)。a、b極的電極反應(yīng)分別為________、________，通過陽膜1、2的離子分別是__________、________，通過陰膜的離子是________。提示：由圖可知，b極為陽極，電解時(shí)陽極上水失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成O2和H＋，a極為陰極，電解時(shí)陰極上水得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成H2和OH－，原料室中的鈉離子通過陽膜1進(jìn)入a極室，溶液中c(NaOH)增大，原料室中B(OH)eq\o\al(－,4)通過陰膜進(jìn)入產(chǎn)品室，b極室中氫離子通過陽膜2進(jìn)入產(chǎn)品室，在產(chǎn)品室中B(OH)eq\o\al(－,4)、H＋發(fā)生反應(yīng)生成H3BO3；a、b極的電極反應(yīng)分別為2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－、2H2O－4e－=O2↑＋4H＋。離子交換膜在化學(xué)電源中的應(yīng)用活動1高鐵酸鈉電池是一種新型可充電電池，電解質(zhì)為NaOH溶液，放電時(shí)負(fù)極材料為Zn，正極產(chǎn)生紅褐色沉淀，寫出該電池反應(yīng)的方程式：______________________________，負(fù)極電極反應(yīng)為________，正極電極反應(yīng)為________，若模擬該電池，隔膜可選用________離子交換膜。提示：據(jù)反應(yīng)信息知道：反應(yīng)物是金屬鋅、高鐵酸鈉，產(chǎn)物是氫氧化鐵、氫氧化鋅，配平后的方程式為3Zn＋2Na2FeO4＋8H2O=3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4NaOH，負(fù)極電極反應(yīng)：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2，正極電極反應(yīng)：FeOeq\o\al(2－,4)＋4H2O＋3e－=Fe(OH)3＋5OH－，OH－需通過陰離子交換膜進(jìn)入負(fù)極區(qū)?；顒?下圖所示是一種酸性燃料電池酒精檢測儀，具有自動吹氣流量檢測與控制的功能，非常適合進(jìn)行現(xiàn)場酒精檢測。該電池的負(fù)極反應(yīng)為____________，正極反應(yīng)為____________，H＋通過質(zhì)子交換膜移向________極。提示：由信息可知，電解質(zhì)溶液為酸性，正極1個(gè)O2得到4個(gè)電子生成H2O，CH3CH2OH、CH3COOH的分子式分別為C2H6O、C2H4O2，碳元素的化合價(jià)分別為－2、0價(jià)，可得CH3CH2OH－4e－→CH3COOH，依據(jù)電荷守恒前面減4個(gè)負(fù)電荷，后面加4個(gè)H＋，最后用水配平，為CH3CH2OH＋H2O－4e－=CH3COOH＋4H＋，生成的H＋移向正極。正極為O2＋4H＋＋4e－=2H2O，故H＋通過質(zhì)子交換膜移向正極。[知識鏈接]離子交換膜的應(yīng)用(1)常見的離子交換膜。陽離子交換膜只允許陽離子(包括H＋)通過陰離子交換膜只允許陰離子通過質(zhì)子交換膜只允許H＋通過(2)離子交換膜的作用。①能將兩極區(qū)隔離，阻止兩極物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。②能選擇性地允許離子通過，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。(3)離子交換膜的選擇依據(jù)：離子的定向移動。1．在含鎳酸性廢水中用電解法可以實(shí)現(xiàn)鐵上鍍鎳并得到氯化鈉，其裝置如圖所示。下列敘述錯(cuò)誤的是()A．待鍍鐵棒為陰極B．選用鎳棒替換碳棒，鍍鎳效果更好C．通電后中間隔室的NaCl溶液濃度增大D．陽極的電極反應(yīng)為4OH－－4e－=O2↑＋2H2OB解析：在電鍍池中，鐵為鍍件，作陰極，故A正確；如果選用鎳棒替換碳棒，鎳為活性電極，作陽極時(shí)，鎳會溶解，生成的鎳離子與氫氧化鈉反應(yīng)生成沉淀，影響離子交換膜中離子的通過，鍍鎳效果減弱，故B錯(cuò)誤；隨著電解的進(jìn)行，陽極區(qū)氫氧根離子放電，多余的鈉離子通過陽離子交換膜移向中間隔室，陰極區(qū)的鎳離子放電，多余的氯離子通過陰離子交換膜移向中間隔室，中間隔室的氯化鈉溶液濃度增大，故C正確；陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，溶液中的氫氧根離子放電生成氧氣，電極反應(yīng)為4OH－－4e－=O2↑＋2H2O，故D正確。2．某地海水中主要離子的含量如表所示，現(xiàn)利用“電滲析法”進(jìn)行淡化，技術(shù)原理如圖所示(兩端為惰性電極，陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過)。下列有關(guān)說法錯(cuò)誤的是()離子Na＋K＋Ca2＋Mg2＋Cl－SOeq\o\al(2－,4)HCOeq\o\al(－,3)含量/(mg·L－1)9360832001100160001200118A．甲室的電極反應(yīng)為2Cl－－2e－=Cl2↑B．淡化過程中易在戊室形成水垢C．乙室和丁室中部分離子的濃度增大，淡水的出口為bD．當(dāng)戊室收集到22.4L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)氣體時(shí)，通過甲室陽膜的離子的物質(zhì)的量一定為2molD解析：甲室電極與電源正極相連，為陽極室，Cl－放電能力大于OH－，所以陽極的電極反應(yīng)為2Cl－－2e－=Cl2↑，故A正確；戊室電極與電源負(fù)極相連，為陰極室，開始電解時(shí)，陰極上水得電子生成氫氣，同時(shí)生成OH－，生成的OH－和HCOeq\o\al(－,3)反應(yīng)生成COeq\o\al(2－,3)，Ca2＋轉(zhuǎn)化為CaCO3沉淀，OH－和Mg2＋生成Mg(OH)2，CaCO3和Mg(OH)2是水垢的成分，故B正確；陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過，電解時(shí)丙室中陰離子移向乙室，陽離子移向丁室，所以丙室中物質(zhì)主要是水，則淡水的出口為b，故C正確；根據(jù)B的分析，戊室收集到的是H2，當(dāng)戊室收集到22.4L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)氣體時(shí)，則電路中轉(zhuǎn)移2mol電子，通過甲室陽膜的離子為陽離子，既有＋1價(jià)的離子，又有＋2價(jià)的離子，所以物質(zhì)的量不是2mol，故D錯(cuò)誤。3．我國科學(xué)家開發(fā)出了一種Zn-NO電池系統(tǒng)，該電池的反應(yīng)為5Zn＋2NO＋3H2O=5ZnO＋2NH3，工作原理如圖所示。下列說法錯(cuò)誤的是()A．雙極膜中的H＋向MoS2電極移動B．電極電勢：Zn/ZnO電極＜MoS2電極C．MoS2電極的電極反應(yīng)：NO＋5H＋－5e－=NH3＋H2OD．標(biāo)準(zhǔn)狀況下，22.4LNO參與反應(yīng)，Zn/ZnO電極增重40gC解析：該電池為原電池，根據(jù)圖中NO生成NH3可知，N的化合價(jià)降低，故右側(cè)為正極，左側(cè)為負(fù)極。右側(cè)為正極，原電池中陽離子向正極移動，故H＋向MoS2電極移動，A正確；正極電勢高于負(fù)極電勢，左側(cè)為負(fù)極，右側(cè)為正極，電極電勢：Zn/ZnO