微专题7　离子交换膜在电化学中的应用 课件 (共21张PPT)2023-2024学年高二化学人教版选择性必修1

(共21张PPT)
第四章
微专题7　离子交换膜在电化学中的应用
探究　离子交换膜在电化学中的应用
方法突破
1.含义、功能和作用
(1)含义:离子交换膜又叫隔膜,由高分子特殊材料制成。
(2)功能:使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。
(3)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能选择性地通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
2.离子交换膜的类型
(1)阳离子交换膜(简称阳膜):只允许阳离子通过,阻止阴离子和气体通过。
(2)阴离子交换膜(简称阴膜):只允许阴离子通过,阻止阳离子和气体通过。
(3)质子交换膜:只允许质子(H+)通过,不允许其他阳离子和阴离子通过。
(4)双极膜: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。该膜的特点是在直流电场的作用下,阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH-并分别通过阴膜和阳膜,作为H+和OH-的来源。
3.交换膜应用实例
种类 装置图 说明
阳离 子交 换膜 ①负极反应:Zn-2e-=== Zn2+
②正极反应:Cu2++2e-=== Cu
③Zn2+通过阳离子交换膜进入正极区
种类 装置图 说明
阴离 子交 换膜 以Pt为电极电解淀粉KI溶液,中间用阴离子交换膜隔开 ①阴极反应:2H2O+2e-=== H2↑+2OH-
②阳极反应:2I--2e-=== I2
③阴极产生的OH-移向阳极与阳极产物反应:
3I2+6OH-=== +5I-+3H2O
种类 装置图 说明
质子 交换 膜 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:2H++2e-=== H2↑
②阳极反应:CH3COOH-8e-+2H2O=== 2CO2↑+8H+
③阳极产生的H+通过质子交换膜移向阴极
种类 装置图 说明
双极 膜 利用双极膜组合电解法模拟海水淡化 ①阴极反应:2H++2e-=== H2↑
②阳极反应:
4OH--4e-===O2↑+2H2O
总反应为2H2O 2H2↑+O2↑
③离子移动方向如左图所示
应用体验
视角1“单膜”电解池
1.连二亚硫酸钠(Na2S2O4)俗称保险粉,是一种强还原剂。工业常用惰性电极电解亚硫酸氢钠的方法制备连二亚硫酸钠,原理及装置如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.b电极应该接电源的负极
C.装置中所用离子交换膜为阴离子交换膜
D.电路中每转移1 mol电子,消耗SO2的体积为11.2 L
B
解析 NaHSO3在a电极反应生成Na2S2O4,S元素的化合价由+4价降低为+3价,发生还原反应,则a电极是阴极,b电极是阳极,故b电极接电源的正极,A
持溶液呈电中性,H+透过离子交换膜向阴极迁移,则该离子交换膜应为质子交换膜,C错误;电路中每转移1 mol电子,阳极消耗0.5 mol SO2,在标准状况下的体积为11.2 L,题目未指明SO2是否处于标准状况下,D错误。
归纳总结　离子交换膜类型的判断方法
根据电解质溶液呈电中性的原则,结合要制备的物质或避免发生的副反应,判断交换膜的类型。判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应,依据电极反应确定该电极附近哪种离子剩余,因该电极附近溶液呈电中性,结合题意判断出离子移动的方向,进而确定交换膜的类型,如电解饱和食盐水时,阴极反应为2H++2e-=== H2↑,则阴极区域破坏了水的电离平衡,OH-有剩余,为得到NaOH,则阳极区域的Na+穿过离子交换膜进入阴极室,与OH-结合生成NaOH,故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。
视角2“双膜”电解池
2.[2023湖北武汉第十二中学期末]某锂离子电池的总反应为2Li+FeS=== Fe+Li2S。某小组以该电池为电源电解处理含Ba(OH)2的废水和含Ni2+、Cl-的酸性废水,并分别获得BaCl2溶液和单质镍。电解处理的工作原理如图所示[LiPF6·SO(CH3)2为锂离子电池的电解质]。下列说法不正确的是(设NA为阿伏加德罗常数的值)(　　)
A.Y与锂离子电池的Li电极相连
B.X极相连的锂离子电池电极反应为FeS+2Li++2e-=== Fe+Li2S
C.当电路中转移1 mol e-时,b室离子数增加2NA
D.离子膜M为阳离子交换膜,离子膜N为阴离子交换膜
答案 C
解析 由锂离子电池总反应可知,Li电极为负极;废水经过处理后得到单质镍,因此电解池c室的电极反应为Ni2++2e-===Ni,即镍棒上发生了还原反应,因此镍棒为阴极,与锂离子电池的Li电极相连,A正确。石墨棒为阳极,电极反应为4OH--4e-===O2↑+2H2O;因为最后还得到了BaCl2溶液,因此a室中Ba2+经过离子交换膜M进入b室,c室中的Cl-经过离子交换膜N进入b室。与X电极相连的为锂离子电池的正极,电极反应为FeS+2Li++2e-===Fe+Li2S,B正确。当电路中转移1 mol e-时,b室会进入1 mol Cl-和0.5 mol Ba2+,因此共增加1.5 mol离子,即b室离子数增加1.5NA,C错误。因为Ba2+经过离子交换膜M进入b室,c室中的Cl-经过离子交换膜N进入b室,因此离子膜M为阳离子交换膜,离子膜N为阴离子交换膜,D正确。
3.钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是(　　)
A.工作时,Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大
B.生成1 mol Co,Ⅰ室溶液质量理论上减少16 g
C.去掉两交换膜后,石墨电极上发生的反应不变
D.电解总反应:2Co2++2H2O 2Co+O2↑+4H+
D
解析 由题图可知,该装置为电解池,石墨电极为阳极,水在阳极失去电子发生氧化反应生成O2和H+,电极反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+,Ⅰ室中放电生成的H+通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动;钴电极为阴极,Co2+在阴极得到电子发生还原反应生成Co,电极反应为Co2++2e-===Co,Ⅲ室中Cl-通过阴离子交换膜由Ⅲ室向Ⅱ室移动,电解总反应的离子方程式为2Co2++2H2O
2Co+O2↑+4H+。由分析可知,氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动,使Ⅱ室中H+浓度增大,溶液pH减小,故A错误;阴极生成1 mol Co,阳极有1 mol水放电,产生的O2逸出,H+迁移到Ⅱ室,则Ⅰ室溶液质量减少18 g,故B错误;去掉离子交换膜,Cl-的放电能力强于水,Cl-会在阳极失去电子发生氧化反应生成Cl2,则石墨电极上发生的反应会发生变化,故C错误;电解总反应的离子方程式为2Co2++2H2O 2Co+O2↑+4H+,故D正确。
【变式设问】
(1)Ⅱ室中的HCl浓度将怎样变化
(2)为什么用Co电极作阴极
提示 增大。因为Ⅰ室中的H+和Ⅲ室中的Cl-都移向Ⅱ室。
提示 Co电极作阴极并不参加电极反应,能产生纯净的钴。
视角3“多膜”电解池
4.某研究机构使用Li-SO2Cl2电池电解制备Ni(H2PO2)2,其工作原理如图所示。已知电池反应为2Li+SO2Cl2=== 2LiCl+SO2↑,下列说法错误的是(　　)
A.Li电极的电极反应为Li-e-=== Li+
B.f接口连接g
C.膜a、c是阴离子交换膜,膜b是阳离子交换膜
D.不锈钢电极附近溶液的pH增大
C
解析 根据电池反应为2Li+SO2Cl2===2LiCl+SO2↑可知,放电时Li元素化合价由0价变为+1价,失去电子,所以Li电极是负极,电极反应为Li-e-===Li+,则C电极是正极,正极是SO2Cl2中的硫原子得电子发生还原反应,电极反应为SO2Cl2+2e-===2Cl-+SO2↑。电解池中,Ni电极失去电子生成Ni2+,通过膜a进入产品室,所以g电极为阳极,应与f相接, 由Ⅲ室通过膜b进入产品室Ⅱ室,与Ni2+生成Ni(H2PO2)2。h电极为阴极,与原电池的e相接,不锈钢电极上H2O发生得电子的还原反应,电极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,则不锈钢电极附近的pH增大,Na+通过膜c进入Ⅳ室,形成闭合回路,所以膜a、c是阳离子交换膜,膜b是阴离子交换膜。故A、B、D正确,C错误。
视角4“双极膜”电解池
5.某科研小组研究采用膜堆(示意图如下)模拟以精制浓海水为原料直接制备酸碱。膜堆包括阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜(A、D)。已知:在直流电源的作用下,双极膜内中间界面层发生水的解离,生成H+和OH-。下列说法错误的是(　　)
A.电极a连接电源的正极
B.B膜为阳离子交换膜
C.电解质溶液采用Na2SO4溶液可避免有害气体的产生
D.Ⅱ口排出的是淡水
B
解析 根据题干信息确定该装置为电解池,阴离子向阳极移动,阳离子向阴极移动,所以电极a为阳极,连接电源的正极,A正确;水在双极膜A解离后,H+向右移动、海水中的阴离子透过B膜向左移动形成酸,则B膜为阴离子交换膜,B错误;电解质溶液采用Na2SO4溶液,电解时生成氢气和氧气,可避免有害气体的产生,C正确;海水中的阴离子透过B膜向左移动,海水中的阳离子透过C膜向右移动,淡水从Ⅱ口排出,D正确。
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