专题提升系列(十)　离子交换膜在电化学中的应用 教学课件

第四章化学反应与电能离子交换膜在电化学中的应用专题提升系列(十)交换膜隔离两种电解质溶液，避免负极材料与能发生反应的电解质溶液直接接触，能提高电流效率。在这种装置中，交换膜起到盐桥作用，且优于盐桥(盐桥需要定时替换或再生)。通过限制离子迁移，使指定离子在溶液中定向移动形成闭合回路，完成氧化剂和还原剂在不接触条件下发生氧化还原反应。1．离子交换膜的功能及类型(1)功能：使离子定向移动，选择性通过某些离子或隔离某些离子、物质，平衡整个溶液的离子浓度或电荷。(2)种类阳离子交换膜：只允许阳离子和水分子通过，阻止阴离子和气体通过。阴离子交换膜：只允许阴离子和水分子通过，阻止阳离子和气体通过。质子交换膜：只允许质子(氢离子)和水分子通过。2．离子交换膜在电化学中的作用(1)将两极区隔离，阻止两极区产生的物质互相接触，防止副反应的发生，避免影响所制取产品的质量；防止引发不安全因素。例如，在电解饱和食盐水中，利用阳离子交换膜，防止阳极产生的Cl2

进入阴极室与NaOH溶液反应，导致制得产品不纯；防止Cl2

与阴极产生的H2

混合发生爆炸。(2)用于物质的制备。电解后在溶液阴极区或阳极区产生所要制备的物质，例如，电解法制备KIO3，只有使用阴离子交换膜，才能保证阴极区的I－

定向移动到阳极区被氧化为IO，从而提高原料的利用率，同时阴极得到副产物KOH。(3)物质的分离与提纯。例如海水中含有大量Na＋

、Cl－

及少量Ca2＋、Mg2＋、SO，用电渗析法对该海水样品进行淡化处理，阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，则a为阴离子交换膜，b为阳离子交换膜，如图所示。(4)应用举例：如电解法可将含有AnBm

的废水再生为HnB和A(OH)m，已知A为金属活动性顺序表中H前金属，Bn－为含氧酸根离子。3．阴、阳离子交换膜的判断(1)看清图示，是否在交换膜上标注了阴、阳离子，是否标注了电源的正、负极，是否标注了电子流向、电流流向等，明确阴、阳离子的移动方向。(2)根据原电池、电解池中阴、阳离子的移动方向，结合给出的制备、电解物质等信息，找出物质生成或消耗的电极区域，确定移动的阴、阳离子，从而推知离子交换膜的种类。(3)实例：判断电解饱和食盐水装置(如图)中离子交换膜类型的方法。方法1：阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，则阴极区域破坏了水的电离平衡，OH－有剩余，阳极区域的Na＋通过离子交换膜进入阴极室，与OH－结合得到NaOH，故电解饱和食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。方法2：由图可知，阳极加入精制饱和食盐水，排出的是淡盐水，因为阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，根据溶液呈电中性原则，阳极区Na＋多于Cl－，则Na＋向阴极区移动，故电解饱和食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。

用电解法可提纯含有某种含氧酸根杂质的粗KOH溶液，其工作原理如图所示。下列有关说法错误的是A.阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑B．通电后阴极区溶液pH会增大C．K＋通过阳离子交换膜从阴极区移向阳极区D．纯净的KOH溶液从b口导出√典例1阳极区为粗KOH溶液，OH－失电子发生氧化反应：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，A项正确；阴极上H2O得电子发生还原反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区附近溶液中c(OH－)增大，pH增大，B项正确；电解时阳离子向阴极移动，故K＋通过阳离子交换膜从阳极区移向阴极区，C项错误；阴极区生成KOH，故纯净的KOH溶液从b口导出，D项正确。

用惰性电极电解法制备硼酸[H3BO3或B(OH)3]的工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子和阴离子通过)。下列有关说法正确的是A．阴极与阳极产生的气体体积比为1∶2B．b极的电极反应式为2H2O－2e－===O2↑＋4H＋C．产品室中发生的反应是B(OH)3＋OH－===B(OH)D．每增加1molH3BO3产品，NaOH溶液增重22g√典例2由图可知，b极为阳极，电解时阳极上水失电子发生氧化反应生成O2和H＋，a极为阴极，电解时阴极上水得电子发生还原反应生成H2和OH－，原料室中的钠离子通过阳膜进入a极室，溶液中c(NaOH)增大，原料室中B(OH)通过阴膜进入产品室，b极室中氢离子通过阳膜进入产品室，在产品室中B(OH)、H＋发生反应生成H3BO3；a、b电极反应式分别为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－、2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，理论上每生成1mol产品，b极生成1molH＋，a极生成0.5molH2，减少质量为1g，NaOH溶液增加的Na＋为1mol即23g，故NaOH溶液增重22g。

双极膜在电渗析中应用广泛，它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层，工作时水层中的H2O电离生成H＋和OH－，并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。下图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。下列说法正确的是A．出口2的产物为HBr溶液B．出口5的产物为硫酸溶液C．Br－可从盐室最终进入阳极液中D．阴极电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑√典例3阴极，水中H＋放电，双极膜中水电离生成的H＋移向阴极区，OH－移向交换室1，与NaBr溶液中通过阳离子交换膜进入交换室1的Na＋组成NaOH溶液，出口1为Na2SO4溶液，出口2为NaOH溶液，同理，阳极，水中OH－放电，双极膜中的OH－移向阳极，H＋移向交换室2，与通过阴离子交换膜进入交换室2的Br－组成HBr，出口4产物为HBr溶液，出口5为Na2SO4溶液。1.含离子交换膜电化学装置题的解题步骤归纳总结2．有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法归纳总结

科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如图所示，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。下列说法中错误的是A．放电时，负极反应为Zn＋4OH－－2e－===[Zn(OH)4]2－B．放电时，1molCO2转化为HCOOH，转移的电子数为2molC．充电时，电池总反应为2[Zn(OH)4]2－===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2OD．充电时，正极溶液中OH－浓度升高√典例4由题给装置图可知，放电时负极锌失去电子后结合OH－生成[Zn(OH)4]2－，负极反应为Zn＋4OH－－2e－===[Zn(OH)4]2－，A项正确；放电时，正极上CO2得电子生成HCOOH，CO2中C的化合价为＋4价，HCOOH中C的化合价为＋2价，1molCO2转化为1molHCOOH，转移2mol电子，B项正确；充电时，阴极上[Zn(OH)4]2－反应得到锌，阳极上H2O反应得到氧气，电池总反应2[Zn(OH)4]2－===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O，C项正确；充电时，阳极上发生失电子的氧化反应2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，H＋的浓度增大，则OH－浓度降低，D项错误。

某新型水系钠离子电池工作原理如图所示。TiO2光电极能使电池在太阳光照下充电，充电时Na2S4还原为Na2S。下列说法中不正确的是A．充电时，太阳能转化为电能，电能又转化为化学能B．放电时，a极为负极C．M是阴离子交换膜D．充电时，阳极的电极反应式为3I－－2e－===I典例5√根据题意及图示可知，TiO2光电极能使电池在太阳光照下充电，则充电时，太阳能转化为电能，电能又转化为化学能