离子隔膜在电化学中的应用（课件）

离子隔膜在电化学中的应用基础知识1.单液电池图1单液Zn-Cu原电池装置图2单液Zn-Cu原电池电流曲线图3单液Zn-Cu原电池温度曲线图2和图3说明单液Zn-Cu原电池存在什么弊端？原因是什么？部分能量转化为热能，电能转化率低电流衰减，不稳定原因：Zn与电解质CuSO4直接接触2.双液电池-盐桥负极：Zn-2e－=Zn2+正极：Cu2++2e－=Cu总反应：Zn+Cu2+=Zn2++Cu盐桥的作用是①隔离Zn和CuSO4溶液，避免直接反应②提供离子迁移通道，平衡电荷，形成闭合回路盐桥成分：琼胶、饱和KCl溶液Zn-2e－=Zn2+Cl－Cu2++2e－=CuK+基础知识2.双液电池-盐桥对盐桥的深入认识（1）盐桥中琼胶的作用：控制离子流速，防止过早失效。（2）用饱和氯化钾的原因：K+和Cl－迁移速率接近，且不发生化学反应。（3）盐桥使用一段时间需要更换，恢复的方式是放入饱和氯化钾溶液中。基础知识2.双液电池-盐桥

例：（2020全国）验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验。电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择____________作为电解质。NO3－酸性环境下强氧化性，会氧化Fe2+KCl基础知识2.双液电池-盐桥带盐桥的双液锌铜原电池电流稳定，但明显小于单液电池分析下图，带盐桥的双液电池电流有何特点？造成的原因是什么？原因在于盐桥通道狭小限制了离子的通过率、加之琼胶的影响，进一步增大了盐桥的电阻。基础知识3.离子交换膜（1）作用：①能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。②能选择性的通过离子，起到

的作用。平衡电荷，形成闭合回路单液：负极与电解液直接接触

盐桥：有效隔离，电阻增大

离子交换膜：有效隔离，电阻小基础知识3.离子交换膜（2）分类基础知识3.离子交换膜（3）三种离子交换膜举例分析种类装置图说明阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)氯碱工业①A极反应式：

②B极反应式：

③Na＋通过阳离子交换膜进入

极区④阳离子→透过阳离子交换膜→电解池

极思考：能否用阴离子交换膜？2Cl－-2e－=Cl2↑2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－阴阴不能，OH－移向阳极，会与Cl2反应基础知识3.离子交换膜（3）三种离子交换膜举例分析种类装置图说明阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过)以Pt为电极电解淀粉­KI溶液，制备碘酸钾，中间用阴离子交换膜隔开

①阴极反应式：②阳极反应式：③阴极产生的OH－移向阳极与阳极产物反应：④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池

极(或原电池的

极)2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－2I－－2e－=I23I2＋6OH－=IO3－＋5I－＋3H2O阳负基础知识3.离子交换膜（3）三种离子交换膜举例分析种类装置图说明质子交换膜(只允许H＋和水分子通过)在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH)，可获得清洁能源H2

①阴极反应式：②阳极反应式：③阳极产生的H＋通过质子交换膜移向阴极④H＋→透过质子交换膜→原电池

极(或电解池的

极)2H＋＋2e－=H2↑CH3COOH－8e－＋2H2O=2CO2↑＋8H＋正阴基础知识3.离子交换膜（4）原理（以阳离子交换膜为例）交换膜上有很多微孔，“孔道”上有许多带负电荷的基团，阳离子可以自由通过“孔道”，由浓度大的区域向浓度小的区域移动。阴离子移动到“孔道”处，受到“孔道”带负电荷基团的排斥而不能进入“孔道”中，因而不能通过交换膜。这就是“选择性”透过的原因。其构造与工作示意图如图所示：阴离子交换膜的构造和工作原理与此相同，只不过是“孔道”中带正电荷基团而已。基础知识3.离子交换膜（5）判断根据溶液呈电中性，巧借离子迁移方向的判断，从而确定离子交换膜的类型。①离子从“生成区”移向“消耗区”以电解CO2制HCOOH为例，其原理如图所示。阴CO2+2e－+2H＋=HCOOH阳2H2O-4e－=O2↑+4H+生成H+消耗H+质子交换膜基础知识3.离子交换膜（5）判断②离子从“原料区”移向“产物区”以电渗析法制备H3PO2为例，其原理如图所示。H2PO2－Na+阴离子膜阳离子膜H++H2PO2－=H3PO22H2O-4e－=O2↑+4H+总：2H2O-4e－+4H2PO2－=4H3PO22H2O＋2e－=H2↑＋2OH－基础知识3.离子交换膜（5）判断③溶液“浓→稀”，离子移出；溶液“稀→浓”，离子移入正负一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化，其工作原理如图所示。Cl－Na+阴离子膜阳离子膜基础知识4.双极膜双极膜亦称双极性膜，是特种离子交换膜，它是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在电场作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH－并分别通过阳膜和阴膜，作为H+和OH－的离子源。电解过程，双极膜中产生的H+移向

极，OH－移向

极。原电池中，双极膜中产生的H+移向

极，OH－移向

极。H+和OH－移动的作用是平衡电荷或参与化学反应。双极膜结构及解离水示意图阴阳正负基础知识4.双极膜例：SO2的脱除与H2O2的制备反应自发协同转化装置如下图所示(在电场作用下，双极膜中间层的H2O解离为H+和OH－，并向两极迁移)。分析电极反应及H+和OH－的移动方向。正负H+OH－O2

+2e－+2H+=2H2O2SO32－

-2e－+2OH－=

SO42－+H2O基础知识例1：（2021湖北）Na2Cr2O7的酸性水溶液随着H+浓度的增大会转化为CrO3。电解法制备CrO3的原理如图所示。下列说法错误的是A．电解时只允许H+通过离子交换膜B．生成O2和H2的质量比为8∶1C．电解一段时间后阴极区溶液OH－的浓度增大D．CrO3的生成反应为：Cr2O72－+2H+=2CrO3+H2O阳阴阴极：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－阳极：2H2O-4e－=O2↑+4H+Cr2O72－+2H+=2CrO3+H2O×H+，OH－√Na+×➫解析真题突破例2：（2022全国甲卷）一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42－存在)。电池放电时，下列叙述错误的是A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移B．Ⅰ区的SO42－通过隔膜向Ⅱ区迁移C．MnO2电极反应：MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2OD．电池总反应：Zn+4OH－+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O正负K+××➫解析真题突破例2：（2022全国甲卷）一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42－存在)。电池放电时，下列叙述错误的是A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移B．Ⅰ区的SO42－通过隔膜向Ⅱ区迁移C．MnO2电极反应：MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2OD．电池总反应：Zn+4OH－+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O深入思考：离子选择膜的种类×阳离子膜阴离子膜两端电解质的酸碱减弱，溶质成分发生改变H+OH－

K+SO42-

➫解析真题突破例2：（2022全国甲卷）一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42－存在)。电池放电时，下列叙述错误的是A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移B．Ⅰ区的SO42－通过隔膜向Ⅱ区迁移C．MnO2电极反应：MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2OD．电池总反应：Zn+4OH－+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O深入思考：离子选择膜的种类×阴离子膜阳离子膜SO42-K+三室电解液溶质成分不变避免H+与OH－直接反应➫解析真题突破例3：（2020全国新课标Ⅰ卷）科学家近年发明了一种新型Zn−CO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。OH－

H+放电充电负正2H2O-4e－=O2↑+4H+×➫解析真题突破1.有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法归纳总结2.含离子交换膜电化学装置题的解题步骤归纳总结3.定量关系外电路电子转移数=通过隔膜的阴（阳）离子带的负（正）电荷数。例：工业上常用连二亚硫酸钠(Na2S2O4)消除烟气中的NO，通过电解可使Na2S2O4再生，装置如下图所示。吸收塔内每吸收11.2L(标准状况)的NO，通过离子交换膜的H+的物质的量为_______mol。NO～2e－

～2H+

0.5mol

1

1阳极：2H2O-4e－=O2↑+4H+阴极：4SO32－+8H++4e－=2S2O42－+4H2O2S2O42－+2NO+2H2O=N2+4SO32－+4H+阴极总：4H++2NO+4e－=N2+2H2O方法1：

1mol0.5mol

方法2：

归纳总结隔膜的认识误区：隔膜一定是离子选择性膜。这种认识是错误的。隔膜的作用是阻止特定微粒通过，允许其他微粒通过。隔膜的选择性越强，就意味着阻碍性越大，微粒的透过性就降低了，电阻性变大。因此需要认识隔膜的双重性，离子选择性膜在隔离两极电解质，防止物质混合方面起到了很好的作用，但确牺牲了离子的通过效率。那有没有既能阻止电解液或两极物质的混合，又不牺牲离子的通过效率呢？归纳总结例1：（2022广东）科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为：NaTi2(PO4)3+2Na＋

+2e－

=Na3Ti2(PO4)3。下列说法正确的是A.充电时电极b是阴极B.放电时NaCl溶液的pH减小C.放电时NaCl溶液的浓度增大D.每生成1molCl2，电极a质量理论上增加23g放电总：Na3Ti2(PO4)3

+

Cl2=NaTi2(PO4)3+2Na++2Cl－√➫解析隔膜不一定是离子选择性膜归纳总结例2：（2021湖南）锌/溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池，广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等。三单体串联锌/溴液流电池工作原理如图所示：下列说法错误的是（）A．放电时，N极为正极 B．放电时，左侧贮液器中ZnBr2的浓度不断减小 C．充电时，M极的电极反应式为Zn