高二化学人教版选择性必修一课件第四章第二节第4课时离子交换膜在电化学中的应用（拓展课）

第4课时　离子交换膜在电化学中的应用(拓展课)目录 (一)离子交换膜的分类与作用(二)三类交换膜应用实例1.阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)2.阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过)3.质子交换膜(只允许H+和水分子通过)(三)常见带离子交换膜的四类装置多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为两室、三室、多室等，以达到物质制备、浓缩、净化、提纯的目的。类型1　单膜双室带阳离子交换膜的氯碱工业电解模型:　分析如下:此时，阳离子交换膜的作用是平衡电荷，形成闭合回路；防止Cl2和H2混合而引起爆炸；避免Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量；避免Cl-进入阴极区导致制得的NaOH不纯。类型2　双膜三室水溶液中电解制备金属钴的装置示意图分析如下:类型3　三膜四室以四室电渗析法制备H3PO2(次磷酸)为例，其工作原理如图所示:分析如下:类型4　四膜五室海水中除含有钠、氯等元素，还含有钙、镁、钾、硫酸根离子等。现利用“电渗析法”对海水进行淡化，技术原理如图:分析如下:　[典例]　(2024·重庆卷)我国科研工作者研发了一种新型复合电极材料，可将CO2电催化转化为甲酸，如图是电解装置示意图。下列说法正确的是 (　　)A.电解时电极N上产生OH-B.电解时电极M上发生氧化反应C.阴、阳离子交换膜均有两种离子通过D.总反应为2CO2+2H2O 2HCOOH+O2√[解析]　电极M上CO2转化为HCOO-，发生还原反应:CO2+2e-+H2O==HCOO-+OH-，为阴极；电极N上H2O转化为O2，发生氧化反应:2H2O-4e-==O2↑+4H+，为阳极；阴极室HCOO-、OH-透过阴离子交换膜进入中间室，阳极室H+透过阳离子交换膜进入中间室，HCOO-和H+结合为HCOOH。电解时电极N上发生反应2H2O-4e-==O2↑+4H+，产生H+，A项错误；由分析知，电解时电极M上发生还原反应，B项错误；由分析知，阳离子交换膜只有H+通过，C项错误；根据阳极反应2H2O-4e-==O2↑+4H+，阴极反应CO2+2e-+H2O==HCOO-+OH-，可得总反应为2CO2+2H2O 2HCOOH+O2，D项正确。|思维建模|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，判断膜的类型，判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应式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，从而判断出离子移动的方向，进而确定离子交换膜的类型，如电解饱和食盐水时，阴极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-，则阴极区生成H2和OH-，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。[题点多维训练]√ 解析:精炼铜时，粗铜作阳极，纯铜作阴极，根据装置图可知，电极A为粗铜，电极B为纯铜，故A正确；粗铜中含其他活泼金属杂质，也会失电子被溶解，当电路中通过1 mol电子时，溶解的粗铜质量不确定，故B错误；根据电解原理，硫酸根离子向阳极(电极A)移动，故C正确；膜A为过滤膜，阻止阳极泥及杂质进入阴极区，膜B为阳离子交换膜，故D正确。√  √3.(2023·广东卷)用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池(下图)，可实现大电流催化电解KNO3溶液制氨。工作时，H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH-，有利于电解反应顺利进行。下列说法不正确的是 (　　)A.电解总反应:KNO3+3H2O==NH3·H2O+2O2↑+KOHB.每生成1 mol NH3·H2O，双极膜处有9 mol的H2O解离C.电解过程中，阳极室中KOH的物质的量不因反应而改变D.相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构可提高氨生成速率 4.氢氧化钾是重要的工业产品，工业级氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸根杂质，可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过)，其工作原理如图所示。(1)该电解槽的阳极反应式是　　　　　　　　　　　　。 (2)通电开始后，阴极附近溶液pH会增大，请简述其原因:　 。(3)除去杂质后的氢氧化钾溶液从液体出口　　　(填“A”或“B”)导出。 4OH--4e-==2H2O+O2↑H+放电，促进水的电离，OH-浓度增大B解析:根据电解原理，阳极应是OH-失电子，所以电极反应式为4OH--4e-==2H2O+O2↑，而阴极为H+放电，促进水的电离，使OH-浓度增大，所以pH增大。根据阳离子交换膜的特点，K+可从阳极区进入阴极区和OH-组成KOH，从而可在阴极区得到纯的KOH，故液体应从B口导出。1234567891011√ 1234567891011 1245678910113√ 解析:二氧化氯转化为NaClO2(亚氯酸钠)的过程发生了还原反应，应该发生在阴极，所以a是负极，b是正极，若直流电源为铅蓄电池，则b极为正极，应该是PbO2，故A错误；由总反应式2ClO2+2NaCl==2NaClO2+Cl2知，交换膜左边NaOH的物质的量不变，在阳极上氯离子失电子，发生氧化反应，产生氯气，气体X为Cl2，故B错误，C正确；Na+由交换膜右侧向左侧迁移，故D错误。√12456789101133.我国科学家在太阳能光电催化—化学耦合分解H2S研究中获得新进展，相关装置如图所示。下列说法不正确的是 (　　)A.该装置的总反应为H2S H2+SB.能量转化方式主要为“光能→电能→化学能”C.a极上发生的电极反应为Fe2+-e-==Fe3+D.a极区需不断补充含Fe3+和Fe2+的溶液1245678910113 √1245678910113 1245678910113 √12456789101135.化学研究人员开发出一种生产石灰乳的绿色工艺，其装置如下图所示。装置工作时，下列说法错误的是 (　　)A.电能转变为化学能B.X膜为阴离子交换膜C.电解一段时间后，b极附近c(OH-)增大D.a极上的电极反应式为2H2O-4e-==4H++O2↑解析:该装置是电解池，将电能转变为化学能，A项正确；根据图中信息，左侧加入碳酸钙，中间生成氢氧化钙，左侧生成钙离子向中间移动，则X膜为阳离子交换膜，B项错误；阴极的电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-，生成OH-，故b极附近c(OH-)变大，C项正确；a极上水中氢氧根失去电子生成氧气，电极反应式为2H2O-4e-==4H++O2↑，产生的氢离子溶解碳酸钙，D项正确。√12456789101136.(2025·郑州高二期末)用Na2SO3溶液吸收硫酸工业尾气中的二氧化硫，将所得的混合液进行电解循环再生，这种新工艺叫再生循环脱硫法。其中阴、阳离子交换膜组合循环再生机理如图所示，下列有关说法中不正确的是 (　　)A.X为直流电源的负极，Y为直流电源的正极B.阳极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑C.图中的b>aD.该过程中的产品主要为H2SO4和H2 √1245678910113 1245678910113 √12456789101138.(2025·成都高二期中)现代膜技术可使某种离子具有单向通过能力，常用于电解池、原电池中。电解NaB(OH)4溶液可制备H3BO3，其工作原理如图所示。下列说法错误的是 (　　)A.NaB(OH)4中B的化合价为+3价B.N室发生的电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-C.去掉a膜，阳极区用稀硫酸作电解液，不影响H3BO3的纯度D.a、c膜均为阳离子交换膜，b膜为阴离子交换膜解析:NaB(OH)4中Na元素为+1价，氢氧根为-1价，则B的化合价为+3价，故A正确；N室为阴极室，反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-，故B正确；去掉a膜，阳极区用稀硫酸作电解液，则所得的产品会混有硫酸，则影响H3BO3的纯度，故C错误；根据以上分析，a、c膜均为阳离子交换膜，b膜为阴离子交换膜，故D正确。√12456789101139.(2024·福建卷)一种兼具合成功能的新型锂电池工作原理如图，电解质为含Li+有机溶液。放电过程中产生(CF3SO2)2NLi，充电过程中电解LiCl产生Cl2。下列说法正确的是 (　　)A.交换膜为阴离子交换膜B.电解质溶液可替换为LiCl水溶液C.理论上每生成1 mol Cl2，需消耗2 mol LiD.放电时总反应:6Li+N2+4CF3SO2Cl==2(CF3SO2)2NLi+4LiCl1245678910113解析:根据图中信息知，放电时负极反应为Li-e-==Li+，正极首先发生N2+6Li++6e-==2Li3N，接着发生反应:Li3N+2CF3SO2Cl==(CF3SO2)2NLi+2LiCl，充电时发生电解反应2LiCl==2Li+Cl2↑。电解质中含Li+，放电时负极产生Li+，正极反应消耗Li+，故Li+从负极区转移至正极区，则该交换膜为阳离子交换膜，A项错误；因Li能与水发生剧烈反应，故电解质溶液不能使用LiCl水溶液，B项错误；充电过程相当于电解LiCl，阳极Cl-失电子生成Cl2，阴极Li+得电子生成Li，存在关系式2Li~Cl2~2e-，故理论上生成1 mol Cl2，生成了2 mol Li，C项错误；结合分析中正极和负极发生的反应可知，D项正确。1245678910113√10.(2024·湖北卷)我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂，用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸，原理如图，双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中，甲醛转化为HOCH2O-，存在平衡HOCH2O-+OH-⇌[OCH2O]2-+H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-==HCOO-+H·。下列说法错误的是 (　　)A.电解一段时间后阳极区c(OH-)减小B.理论上生成1 mol H3N+CH2COOH双极膜中有4 mol H2O解离C.阳极总反应式为2HCHO+4OH--2e-==2HCOO-+H2↑+2H2OD.阴极区存在反应H2C2O4+2H++2e-==CHOCOOH+H2O1245678910113解析:左侧PbCu电极的Pb表面 转化为 ，发生脱氧的还原反应，Cu表面 转化为 ，发生脱氧、加氢的还原反应，因此PbCu电极为阴极；根据题干信息，右侧Cu电极上发生失电子的氧化反应，因此Cu电极为阳极。根据题干信息可知，Cu电极所在的阳极区先后发生反应:HCHO+OH-⇌HOCH2O-、HOCH2O-+OH-⇌[OCH2O]2-+H2O、[OCH2O]2--e-==HCOO-+H·，H·可转化为H2，则阳极总反应式为2HCHO+4OH--2e-==2HCOO-+H2↑+2H2O，C正确。根据阳极总反应可知，每消耗4个OH-，电路中通过2e-，根据电荷守恒，双极膜中有2个OH-向阳极迁移，即阳极区c(OH-)减小，A正确。1245678910113由题给信息知，阴极总反应物为H2C2O4、NH2OH，总产物为H3N+CH2COOH，电极反应式为H2C2O4+NH2OH+6e-+7H+==H3N+CH2COOH+3H2O，每生成1 mol H3N+CH2COOH，电路中通过6 mol e-，双极膜中需有6 mol H2O解离出6 mol H+向阴极迁移，B错误。双极膜中H2O解离出的H+向阴极移动，因此H2C2O4在阴极Pb电极上转化为OHCCOOH的反应为H2C2O4+2H++2e-==OHCCOOH+H2O，D正确。1245678910113二、非选择题11.(10分)(1)制备Na2S2O5可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为　　　 　　 　　　　。电解后，　 室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水可得到Na2S2O5。  2H2O-4e-==O2↑+4H+a1245678910113(2)KIO3可采用“电解法”制备，装置如图所示。①写出电解时阴极的电极反应式:　 。 ②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为　　，其迁移方向是　　　　　 　　　　。 解析:①观察电解装置图知，惰性电极a为阳极，惰性电极b为阴极，在碱性条件下，阴极的电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-。2H2O+2e-==2OH-+H2↑K+由阳极区到阴极区