2022年月日離子交換膜在電化學(xué)中的解題建模李博

離子交換膜在電化學(xué)中的解題建模授課教師：李博武漢市第二十三中學(xué)

一離子交換膜在教材中的原理模型（一）

離子交換膜的氯堿工業(yè)模型基本原理

2NaCl＋2H2O2NaOH＋Cl2↑＋H2↑一離子交換膜在教材中的原理模型基本原理

2NaCl＋2H2O2NaOH＋Cl2↑＋H2↑陰極：2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－陽極：2Cl－－2e－＝Cl2↑產(chǎn)品：NaOH，Cl2，H2裝置特點(diǎn)：單膜六口①②③④⑤⑥Na

＋陽一離子交換膜在教材中的原理模型①防止氯氣與氫氣混合而引起爆炸；②避免氯氣與氫氧化鈉反應(yīng)生成NaClO影響NaOH的產(chǎn)量；③避免Cl－進(jìn)入陰極區(qū)影響NaOH的純度。

離子交換膜實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)反應(yīng)器中兩極產(chǎn)物的分隔，否則將發(fā)生各種副反應(yīng)和次級(jí)反應(yīng)，使產(chǎn)率大減，產(chǎn)品質(zhì)量下降，并可能發(fā)生爆炸。陽離子交換膜在氯堿工業(yè)中的三個(gè)作用：陽一離子交換膜在教材中的原理模型（二）若改為陰離子交換膜⑴陽極區(qū)域可能存在的反應(yīng)

⑵則總反應(yīng)為

Cl2＋2OH－＝ClO－＋Cl－＋H2O

NaCl＋H2ONaClO＋H2↑OH－鹵酸鹽制備模型ClO－?二離子交換膜的概念、功能和類型

離子交換膜是對(duì)溶液中的離子具有選擇性透過能力的高分子薄膜。概念功能

使離子選擇性定向遷移，目的是平衡整個(gè)溶液中的離子濃度及電荷

離子交換膜不能改變離子原本即將遷移的方向，但卻可以使離子發(fā)生選擇性定向遷移，以平衡整個(gè)溶液中的離子濃度及電荷，起到對(duì)制備的物質(zhì)分離和提純的作用。。1、陽離子交換膜：是對(duì)陽離子具有選擇透過性，只允許陽離子通過，阻止陰離子和氣體通過。2、陰離子交換膜：是對(duì)陰離子具有選擇透過性，只允許陰離子通過。3、質(zhì)子交換膜：是對(duì)質(zhì)子（H＋）導(dǎo)通，只允許質(zhì)子（H＋）通過。類型二離子交換膜的概念、功能和類型三離子交換膜在電化學(xué)中的題型例析類型一【例題1】以鉻酸鉀K2CrO4為原料，電化學(xué)法制備重鉻酸鉀K2Cr2O7的實(shí)驗(yàn)裝置如圖

Cr（Ⅵ）互變模型理解離子交換膜的功能：使離子選擇性定向遷移，平衡溶液中離子濃度和電荷的作用K2Cr2O7制備模型【例題1】以鉻酸鉀K2CrO4為原料，電化學(xué)法制備重鉻酸鉀K2Cr2O7的實(shí)驗(yàn)裝置如圖

⑴在陰極室，電極反應(yīng)為

，K＋通過陽離子交換膜向陰極室移動(dòng)。

每轉(zhuǎn)移1mole－，K＋向陰極室定向移動(dòng)

mol。⑵在陽極室，電極反應(yīng)為

。⑶鉻酸鉀K2CrO4為什么能在陽極區(qū)轉(zhuǎn)化成重鉻酸鉀K2Cr2O7，用離子方程式和簡單的語言文字說明

。⑷電解池的總化學(xué)方程式為

。

4H2O+4e－＝4OH－+2H2↑2H2O－4e－＝4H++O2↑陽極OH－放電，使得c(OH－)減小，c(H+)增大，平衡2CrO42－+2H+Cr2O72－+H2O正向移動(dòng)，生成Cr2O72－4K2CrO4+4H2O

2K2Cr2O7+4KOH+2H2↑+O2↑－＋陽極陰極H2↑

OH－K＋

O2↑

H＋①4H2O+4e－＝4OH－+2H2↑②2H2O－4e－＝4H++O2↑③4CrO42－+4H+2Cr2O72－+2H2O1【例題1】以鉻酸鉀K2CrO4為原料，電化學(xué)法制備重鉻酸鉀K2Cr2O7的實(shí)驗(yàn)裝置如圖

⑸電解開始前陽極室中含溶質(zhì)K2CrO41mol，陽極室中K和Cr的物質(zhì)的量之比為

；通電一段時(shí)間后，當(dāng)陽極室中K和Cr的物質(zhì)的量之比為3︰2時(shí)，K＋通過陽離子交換膜向陰極室移動(dòng)

mol，此時(shí)電路中通過的電子數(shù)目為

；陽極區(qū)剩余CrO42－

mol，生成Cr2O72－

mol，鉻酸鉀的轉(zhuǎn)化率為

。50%0.5NA－＋0.50.50.252︰1陽極陰極OH－2CrO42－+2H+Cr2O72－+H2OK＋

0.5mol0.5mol0.25mol三離子交換膜在電化學(xué)中的題型例析判斷膜的種類類型二【例題2】某化工廠利用原電池原理處理廢水并淡化海水。

工作示意圖如下。原電池海水淡化模型【例題2】某化工廠利用原電池原理處理廢水并淡化海水。

工作示意圖如下。

⑴電極a為

極，①若有機(jī)廢水中有機(jī)物用C6H10O5表示，a電極反應(yīng)式

；

②若有機(jī)廢水中有機(jī)物用C4H8O2表示，a電極反應(yīng)式

。

⑵電極b為

極，電極反應(yīng)式為

。

⑶a電極附近溶液的pH

，b電極附近溶液的pH

。（填“增大”“減小”或“不變”）⑷膜A是

離子交換膜（填“陰”或“陽”），

（填“Cl－”或“Na＋”）通過膜A向左移動(dòng)進(jìn)入負(fù)極區(qū)，

膜B是

離子交換膜（填“陰”或“陽”），

（填“Cl－”或“Na＋”）通過膜B向左移動(dòng)進(jìn)入正極區(qū)，使海水變?yōu)榈Ｘ?fù)C6H10O5－24e－+7H2O＝6CO2↑+24H+C4H8O2－20e－+6H2O＝4CO2↑+20H+正2NO3－+10e－+12H＋＝N2↑+6H2O減小增大陰Cl－陽Na＋－＋Cl－Na＋0價(jià)-1價(jià)N2↑NO3－三離子交換膜在電化學(xué)中的題型例析多室電解池中膜的應(yīng)用類型三【例題3】次磷酸(H3PO2)是一種精細(xì)磷化工產(chǎn)品，是一元弱酸，具有較強(qiáng)還原性。“四室電滲析法”制備H3PO2工作原理如圖多膜電滲析模型【例題3】次磷酸(H3PO2)是一種精細(xì)磷化工產(chǎn)品，是一元弱酸，具有較強(qiáng)還原性?！八氖译姖B析法”制備H3PO2工作原理如圖⑴陽極室，電極反應(yīng)為

，

產(chǎn)生的

離子通過

膜進(jìn)入

室。⑵陰極室，電極反應(yīng)為

。⑶原料室：

（填“H2PO2－”或“Na＋”）

通過陽膜進(jìn)入陰極室，使得NaOH濃度增大

（填“H2PO2－”或“Na＋”）

通過陰膜進(jìn)入產(chǎn)品室。⑷產(chǎn)品室：陽極室來的

與原料室來的

結(jié)合，生成了

。⑸早期采用“三室電滲析法”是將陽極室與產(chǎn)品室合并，

缺點(diǎn)是產(chǎn)品中

混有PO43－或H3PO4雜質(zhì)。原因

，“四室電滲析法”避免了該過程。2H2O－4e－=4H＋+O2↑H＋陽

產(chǎn)品

4H2O+4e－=2H2↑+4OH－Na＋H2PO2－H＋H2PO2－H3PO2H＋Na＋H2PO2－H2PO2－具有還原性，在陽極放電或被O2氧化所致－＋離子交換膜的作用1、氯堿工業(yè)模型3、Cr（Ⅵ）互變模型2、鹵酸鹽制備模型（NaClO，KIO3）4、原電池海水淡化模型5、多膜電滲析模型（制備H3PO2）定陰陽、正負(fù)步驟一步驟二步驟三步驟四看氣體、產(chǎn)物看剩余離子看離子穿膜四隔膜電解池解題建模課堂練習(xí)類型一【練習(xí)1】某原電池裝置如右圖所示，電池總反應(yīng)為2Ag＋Cl2＝2AgCl。⑴正極反應(yīng)式：

；

負(fù)極反應(yīng)式：

。

⑵當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移0.01mole－時(shí)，交換膜右側(cè)溶液中Cl－

約

（填“增加”“減少”或“不變”）

mol，

交換膜左側(cè)溶液中共

（填“增加”“減少”或“不變”）

離子

mol2Ag－2e－＋2Cl－＝2AgCl

Cl2＋2e－

＝2Cl－增加0.01減少0.02－＋瞬間Cl－↓瞬間Cl－↑H＋→理解離子交換膜的功能：使離子選擇性定向遷移，平衡溶液中離子濃度和電荷的作用類型一【練習(xí)2】右圖為可充電的全釩液流電池構(gòu)造示意圖，電池中的隔膜為質(zhì)子交換膜。⑴放電時(shí)，①負(fù)極反應(yīng)式：

，

pH

（填“增大”“減小”或“不變”）②正極反應(yīng)式：

，⑵充電時(shí)，①陽極(A)反應(yīng)式：

，②陰極(B)反應(yīng)式：

。⑶充電時(shí)當(dāng)有1mole－發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，左槽電解液的H＋的物質(zhì)的量增加了

molVO2＋＋e－＋2H＋＝VO2＋＋H2OV2＋－e－＝V3＋增大VO2＋－e－＋H2O＝VO2＋＋2H＋V3＋＋e－＝V2＋1放電H＋

充電H＋

理解離子交換膜的功能：使離子選擇性定向遷移，平衡溶液中離子濃度和電荷的作用課堂練習(xí)判斷膜的種類類型二【練習(xí)3】電解裝置如圖所示，電解槽內(nèi)裝有KI及淀粉溶液，中間用離子交換膜隔開。在一定的電壓下通電，發(fā)現(xiàn)左側(cè)溶液變藍(lán)色，一段時(shí)間后，藍(lán)色逐漸變淺。已知：3I2＋6OH－＝IO3－＋5I－＋3H2O。不正確的是A．右側(cè)發(fā)生的電極方程式：2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－B．電解結(jié)束時(shí)，右側(cè)溶液中含有IO3－C．電解槽內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的總化學(xué)方程式

KI＋3H2OKIO3＋3H2↑D．隔膜為陽離子交換膜D?－＋陽極陰極鹵酸鹽制備模型課堂練習(xí)判斷膜的種類類型二【練習(xí)4】工業(yè)品氫氧化鉀溶液中含有某些含氧酸根雜質(zhì)，可用離子交換膜法電解提純。其工作原理如右圖所示。⑴該離子交換膜種類

。（填“陰離子交換膜”或“陽離子交換膜”）⑵填物質(zhì)名稱A

B

C

。

D

E

F

。陽離子交換膜O2H2KOH稀溶液（有含氧酸根雜質(zhì)）提純后KOH濃溶液工業(yè)品KOH溶液H2O（含少量KOH）陽物質(zhì)提純模型課堂練習(xí)課堂練習(xí)【練習(xí)5】利用三室電解裝置制備NH4NO3，其工作原理如圖所示。⑴在陰極室，

電極反應(yīng)為

，

離子通過陽離子交換膜進(jìn)入中間室；

在陽極室，電極反應(yīng)為

，

離子通過陰離子交換膜進(jìn)入中間室。⑵根據(jù)電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等可得電解總反應(yīng)