Question

3．工业上电解制碱的技术是用离子交换膜法，主要原料是饱和食盐水．请回答下列问题：
（1）阳离子交换膜把电解槽隔成了阴极室和阳极室，电解食盐水时，它只允许H⁺和Na⁺ （填离子符号）通过．
（2）为了去除粗盐中混有的Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-，下列选项中所加试剂（均为溶液）及加入顺序均合理的是B （填选项字母）
A．先加足量的BaCl₂，再加足量的Na₂CO₃，最后加入适量稀盐酸
B．先加入足量的NaOH，再加入足量的BaCl₂，然后加入足量Na₂CO₃，最后加入适量稀盐酸
C．先加足量的Na₂CO₃，再加足量的BaCl₂，然后加足量的NaOH，最后加入适量稀盐酸
D．先加足量的Ba（NO₃）₂，再加足量NaOH，然后再加足量的Na₂CO₃，最后加入适量稀盐酸
（3）氯碱工业是高耗能产业，一种将电解池与燃料电池相组合的新工艺可以节电能30%以上．在这种工艺设计中，相关物料的传输与转化关系如图所示，其中的电极未标出，所用的离子交换膜都只允许阳离子通过．

①图中X是氯气 （填化学式），分析比较图示中a、b、c从大到小的顺序为c＞a＞b．
②写出燃料电池中负极上发生的电极反应式2H₂+4OH^--4e^-=4H₂O．
③这样设计的主要节电能之处在于（任写出一条）燃料电池可以补充电解池消耗的电能、提高产出碱液的浓度．

Answer 1

分析 （1）阳离子交换膜只允许阳离子通过，而阴离子不能通过；
（2）除去粗盐中的Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-及泥沙，盐酸要放在最后，来除去过量的氢氧化钠和碳酸钠，要先加过量的氯化钡除去硫酸根离子，然后用碳酸钠去除过量的钡离子；
（3）①由于在燃料电池中氧气在正极放电，可燃性气体在负极放电，所以通入空气的极是正极，则通入可燃性气体Y的极是负极，根据在氯碱工业中，电解食盐水除了生成NaOH还生成氯气和氢气，和空气形成燃料电池的为氢气，即Y是氢气，则X是氯气；
燃料电池中的离子膜只允许阳离子通过，而燃料电池中正极氧气得到电子产生OH^-，所以反应后氢氧化钠的浓度升高，即a%小于c%，可知NaOH浓度增大；
②燃料电池中负极氢气失电子发生氧化反应；
③根据燃料电池能将化学能转化为电能结合该方法来分析其优点之处．

解答 解：（1）阳离子交换膜只允许阳离子H⁺和Na⁺通过，而阴离子氢氧根和氯离子均不能通过，故答案为：H⁺和Na⁺；
（2）要先除硫酸根离子，然后再除钙离子，碳酸钠可以除去过量的钡离子，如果加反了，过量的钡离子就没法除去，至于加氢氧化钠除去镁离子顺序不受限制，因为过量的氢氧化钠加盐酸就可以调节了，只要将三种离子除完了，过滤就行了，最后加盐酸除去过量的氢氧根离子碳酸根离子，故选：B；
（3）①由于在燃料电池中氧气在正极放电，可燃性气体在负极放电，所以通入空气的极是正极，则通入可燃性气体Y的极是负极，根据在氯碱工业中，电解食盐水除了生成NaOH还生成氯气和氢气，和空气形成燃料电池的为氢气，即Y是氢气，则X是氯气；
燃料电池中的离子膜只允许阳离子通过，而燃料电池中正极氧气得到电子产生OH^-，所以反应后氢氧化钠的浓度升高，即a%大于b%，负极氢气失电子生成氢离子消耗氢氧根离子，所以c%＞a%，得到c%＞a%＞b%，故答案为：c＞a＞b，
故答案为：氯气；c＞a＞b；
②燃料电池中负极氢气失电子发生氧化反应，电极反应式为2H₂+4OH^--4e^-=4H₂O，故答案为：2H₂+4OH^--4e^-=4H₂O；
③据装置特点及反应过程可知，这样设计的优点是燃料电池可以补充电解池消耗的电能；提高产出碱液的浓度；降低能耗等，
故答案为：燃料电池可以补充电解池消耗的电能、提高产出碱液的浓度．

点评 本题考查了电解原理，为高频考点，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，明确离子交换膜的作用及阴阳极上发生的反应是解本题关键，题目难度中等．