高中 化学 选择性必修1 第四章 化学反应电能《专题突破（十）离子交换膜在电化学中的应用》教学设计

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)用离子交换膜隔离某些分子和离子，防止副反应的发生。例如氯碱工业中，阳离子交换膜的作用就是阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过，防止氯气和NaOH反应。(2)离子交换膜制备物质、分离物质等。以电渗析法制备H3PO2为例，其原理如图所示。离子移动方向及交换膜类型：产品室为阳极，原料室中的阴离子H2POeq\o\al(－,2)移向产品室，膜1为阴离子交换膜；原料室中的阳离子Na＋移向阴极室，膜2为阳离子交换膜。阳极：电极反应为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，产生的H＋结合移入的H2POeq\o\al(－,2)生成H3PO2。阴极：电极反应为2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，产生的OH－结合移入的Na＋生成NaOH。(3)离子交换膜使具有浓度差的离子进行选择性迁移。离子从“浓→稀”的溶液区移出，移向“稀→浓”的溶液区。以电化学制备K2Cr2O7为例，其原理如图所示，其中a、b均为石墨电极。左侧：为“稀→浓”的溶液区，则右侧的K＋通过K＋交换膜移向左侧，a极为阴极，电极反应为2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，产生的OH－结合移入的K＋生成KOH。右侧：b极为阳极，电极反应为2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，使溶液中的反应2CrOeq\o\al(2－,4)＋2H＋Cr2Oeq\o\al(2－,7)＋H2O正向进行，生成K2Cr2O7。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。针对练1.如下所示电解装置中，通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成，Fe2O3逐渐溶解，下列判断错误的是()A.a是电源的负极B.通电一段时间后，向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出现红色C.随着电解的进行，CuCl2溶液浓度变大D.当0.01molFe2O3完全溶解时，至少产生气体336mL(折合成标准状况下)答案：C解析：根据题图，结合题意知，石墨电极Ⅱ上H2O发生氧化反应产生O2，故石墨电极Ⅱ是阳极，则b是电源的正极、a是电源的负极，A项正确；石墨电极Ⅱ上H2O放电产生O2和H＋：2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，通电一段时间后，石墨电极Ⅱ附近溶液显酸性，能使石蕊显红色，B项正确；电解时，Cu2＋在石墨电极Ⅰ上放电生成Cu，左室中Cl－通过阴离子交换膜进入中间室，故CuCl2溶液的浓度减小，C项错误；由Fe2O3＋6H＋=2Fe3＋＋3H2O和阳极反应式可得Fe2O3～eq\f(3,2)O2，故产生O2的体积是eq\f(3,2)×0.01mol×22.4L·mol－1×103mL·L－1＝336mL，D项正确。针对练2.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)eq\o\al(－,4)D.每增加1molH3BO3产品，NaOH溶液增重22g答案：D解析：由题图可知，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)eq\o\al(－,4)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)eq\o\al(－,4)、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1molH3BO3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。针对练3.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解离成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↑答案：D解析：阴极，水中H＋放电，双极膜中水解离生成的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＋