專題提升系列(十)　離子交換膜在電化學(xué)中的應(yīng)用 教學(xué)課件

第四章化學(xué)反應(yīng)與電能離子交換膜在電化學(xué)中的應(yīng)用專題提升系列(十)交換膜隔離兩種電解質(zhì)溶液，避免負(fù)極材料與能發(fā)生反應(yīng)的電解質(zhì)溶液直接接觸，能提高電流效率。在這種裝置中，交換膜起到鹽橋作用，且優(yōu)于鹽橋(鹽橋需要定時替換或再生)。通過限制離子遷移，使指定離子在溶液中定向移動形成閉合回路，完成氧化劑和還原劑在不接觸條件下發(fā)生氧化還原反應(yīng)。1．離子交換膜的功能及類型(1)功能：使離子定向移動，選擇性通過某些離子或隔離某些離子、物質(zhì)，平衡整個溶液的離子濃度或電荷。(2)種類陽離子交換膜：只允許陽離子和水分子通過，阻止陰離子和氣體通過。陰離子交換膜：只允許陰離子和水分子通過，阻止陽離子和氣體通過。質(zhì)子交換膜：只允許質(zhì)子(氫離子)和水分子通過。2．離子交換膜在電化學(xué)中的作用(1)將兩極區(qū)隔離，阻止兩極區(qū)產(chǎn)生的物質(zhì)互相接觸，防止副反應(yīng)的發(fā)生，避免影響所制取產(chǎn)品的質(zhì)量；防止引發(fā)不安全因素。例如，在電解飽和食鹽水中，利用陽離子交換膜，防止陽極產(chǎn)生的Cl2

進(jìn)入陰極室與NaOH溶液反應(yīng)，導(dǎo)致制得產(chǎn)品不純；防止Cl2

與陰極產(chǎn)生的H2

混合發(fā)生爆炸。(2)用于物質(zhì)的制備。電解后在溶液陰極區(qū)或陽極區(qū)產(chǎn)生所要制備的物質(zhì)，例如，電解法制備KIO3，只有使用陰離子交換膜，才能保證陰極區(qū)的I－

定向移動到陽極區(qū)被氧化為IO，從而提高原料的利用率，同時陰極得到副產(chǎn)物KOH。(3)物質(zhì)的分離與提純。例如海水中含有大量Na＋

、Cl－

及少量Ca2＋、Mg2＋、SO，用電滲析法對該海水樣品進(jìn)行淡化處理，陰離子向陽極移動，陽離子向陰極移動，則a為陰離子交換膜，b為陽離子交換膜，如圖所示。(4)應(yīng)用舉例：如電解法可將含有AnBm

的廢水再生為HnB和A(OH)m，已知A為金屬活動性順序表中H前金屬，Bn－為含氧酸根離子。3．陰、陽離子交換膜的判斷(1)看清圖示，是否在交換膜上標(biāo)注了陰、陽離子，是否標(biāo)注了電源的正、負(fù)極，是否標(biāo)注了電子流向、電流流向等，明確陰、陽離子的移動方向。(2)根據(jù)原電池、電解池中陰、陽離子的移動方向，結(jié)合給出的制備、電解物質(zhì)等信息，找出物質(zhì)生成或消耗的電極區(qū)域，確定移動的陰、陽離子，從而推知離子交換膜的種類。(3)實例：判斷電解飽和食鹽水裝置(如圖)中離子交換膜類型的方法。方法1：陰極反應(yīng)式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，則陰極區(qū)域破壞了水的電離平衡，OH－有剩余，陽極區(qū)域的Na＋通過離子交換膜進(jìn)入陰極室，與OH－結(jié)合得到NaOH，故電解飽和食鹽水中的離子交換膜是陽離子交換膜。方法2：由圖可知，陽極加入精制飽和食鹽水，排出的是淡鹽水，因為陽極反應(yīng)式為2Cl－－2e－===Cl2↑，根據(jù)溶液呈電中性原則，陽極區(qū)Na＋多于Cl－，則Na＋向陰極區(qū)移動，故電解飽和食鹽水中的離子交換膜是陽離子交換膜。

用電解法可提純含有某種含氧酸根雜質(zhì)的粗KOH溶液，其工作原理如圖所示。下列有關(guān)說法錯誤的是A.陽極反應(yīng)式為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑B．通電后陰極區(qū)溶液pH會增大C．K＋通過陽離子交換膜從陰極區(qū)移向陽極區(qū)D．純凈的KOH溶液從b口導(dǎo)出√典例1陽極區(qū)為粗KOH溶液，OH－失電子發(fā)生氧化反應(yīng)：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，A項正確；陰極上H2O得電子發(fā)生還原反應(yīng)：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，陰極區(qū)附近溶液中c(OH－)增大，pH增大，B項正確；電解時陽離子向陰極移動，故K＋通過陽離子交換膜從陽極區(qū)移向陰極區(qū)，C項錯誤；陰極區(qū)生成KOH，故純凈的KOH溶液從b口導(dǎo)出，D項正確。

用惰性電極電解法制備硼酸[H3BO3或B(OH)3]的工作原理如圖所示(陽膜和陰膜分別只允許陽離子和陰離子通過)。下列有關(guān)說法正確的是A．陰極與陽極產(chǎn)生的氣體體積比為1∶2B．b極的電極反應(yīng)式為2H2O－2e－===O2↑＋4H＋C．產(chǎn)品室中發(fā)生的反應(yīng)是B(OH)3＋OH－===B(OH)D．每增加1molH3BO3產(chǎn)品，NaOH溶液增重22g√典例2由圖可知，b極為陽極，電解時陽極上水失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成O2和H＋，a極為陰極，電解時陰極上水得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成H2和OH－，原料室中的鈉離子通過陽膜進(jìn)入a極室，溶液中c(NaOH)增大，原料室中B(OH)通過陰膜進(jìn)入產(chǎn)品室，b極室中氫離子通過陽膜進(jìn)入產(chǎn)品室，在產(chǎn)品室中B(OH)、H＋發(fā)生反應(yīng)生成H3BO3；a、b電極反應(yīng)式分別為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－、2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，理論上每生成1mol產(chǎn)品，b極生成1molH＋，a極生成0.5molH2，減少質(zhì)量為1g，NaOH溶液增加的Na＋為1mol即23g，故NaOH溶液增重22g。

雙極膜在電滲析中應(yīng)用廣泛，它是由陽離子交換膜和陰離子交換膜復(fù)合而成。雙極膜內(nèi)層為水層，工作時水層中的H2O電離生成H＋和OH－，并分別通過離子交換膜向兩側(cè)發(fā)生遷移。下圖為NaBr溶液的電滲析裝置示意圖。下列說法正確的是A．出口2的產(chǎn)物為HBr溶液B．出口5的產(chǎn)物為硫酸溶液C．Br－可從鹽室最終進(jìn)入陽極液中D．陰極電極反應(yīng)式為2H＋＋2e－===H2↑√典例3陰極，水中H＋放電，雙極膜中水電離生成的H＋移向陰極區(qū)，OH－移向交換室1，與NaBr溶液中通過陽離子交換膜進(jìn)入交換室1的Na＋組成NaOH溶液，出口1為Na2SO4溶液，出口2為NaOH溶液，同理，陽極，水中OH－放電，雙極膜中的OH－移向陽極，H＋移向交換室2，與通過陰離子交換膜進(jìn)入交換室2的Br－組成HBr，出口4產(chǎn)物為HBr溶液，出口5為Na2SO4溶液。1.含離子交換膜電化學(xué)裝置題的解題步驟歸納總結(jié)2．有“膜”條件下離子定向移動方向的判斷方法歸納總結(jié)

科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn-CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖所示，電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法中錯誤的是A．放電時，負(fù)極反應(yīng)為Zn＋4OH－－2e－===[Zn(OH)4]2－B．放電時，1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2molC．充電時，電池總反應(yīng)為2[Zn(OH)4]2－===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2OD．充電時，正極溶液中OH－濃度升高√典例4由題給裝置圖可知，放電時負(fù)極鋅失去電子后結(jié)合OH－生成[Zn(OH)4]2－，負(fù)極反應(yīng)為Zn＋4OH－－2e－===[Zn(OH)4]2－，A項正確；放電時，正極上CO2得電子生成HCOOH，CO2中C的化合價為＋4價，HCOOH中C的化合價為＋2價，1molCO2轉(zhuǎn)化為1molHCOOH，轉(zhuǎn)移2mol電子，B項正確；充電時，陰極上[Zn(OH)4]2－反應(yīng)得到鋅，陽極上H2O反應(yīng)得到氧氣，電池總反應(yīng)2[Zn(OH)4]2－===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O，C項正確；充電時，陽極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，H＋的濃度增大，則OH－濃度降低，D項錯誤。

某新型水系鈉離子電池工作原理如圖所示。TiO2光電極能使電池在太陽光照下充電，充電時Na2S4還原為Na2S。下列說法中不正確的是A．充電時，太陽能轉(zhuǎn)化為電能，電能又轉(zhuǎn)化為化學(xué)能B．放電時，a極為負(fù)極C．M是陰離子交換膜D．充電時，陽極的電極反應(yīng)式為3I－－2e－===I典例5√根據(jù)題意及圖示可知，TiO2光電極能使電池在太陽光照下充電，則充電時，太陽能轉(zhuǎn)化為電能，電能又轉(zhuǎn)化為化學(xué)能