2024届高考复习课件之离子隔膜在电化学中的应用

离子隔膜在电化学中的应用2023

学习目标1、了解常见离子交换膜的类型和作用2、能够通过离子迁移方向判断离子交换膜类型3、构建膜电池解题模型2023链接高考模型构建知识重构一、知识重构1.单液电池图1单液Zn-Cu原电池装置图2单液Zn-Cu原电池电流曲线图3单液Zn-Cu原电池温度曲线图2和图3说明单液Zn-Cu原电池存在什么弊端？原因是什么？部分能量转化为热能，电能转化率低电流衰减，不稳定原因：Zn与电解质CuSO4直接接触一、知识重构2.双液电池-盐桥负极：Zn-2e－=Zn2+正极：Cu2++2e－=Cu总反应：Zn+Cu2+=Zn2++Cu盐桥的作用是①隔离Zn和CuSO4溶液，避免直接反应②提供离子迁移通道，平衡电荷，形成闭合回路盐桥成分：琼胶、饱和KCl溶液Zn-2e－=Zn2+Cl－Cu2++2e－=CuK+（1）盐桥中琼胶的作用：控制离子流速，防止过早失效。（2）用饱和氯化钾的原因：K+和Cl－迁移速率接近，且不发生化学反应。（3）盐桥使用一段时间需要更换，恢复的方式是放入饱和氯化钾溶液中。对盐桥的深入认识2.双液电池-盐桥特点：带盐桥的双液锌铜原电池电流稳定，但明显小于单液电池分析下图，带盐桥的双液电池电流有何特点？造成的原因是什么？原因：在于盐桥通道狭小限制了离子的通过率、加之琼胶的影响，进一步增大了盐桥的电阻。一、知识重构图4单/双液Zn-Cu原电池电流曲线3.离子交换膜（1）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能选择性的通过离子，起到

的作用。平衡电荷，形成闭合回路单液：负极与电解液直接接触

盐桥：有效隔离，电阻增大

离子交换膜：有效隔离，电阻小一、知识重构3.离子交换膜（2）分类一、知识重构3.离子交换膜（3）原理（以阳离子交换膜为例）交换膜上有很多微孔，“孔道”上有许多带负电荷的基团，阳离子可以自由通过“孔道”，由浓度大的区域向浓度小的区域移动。阴离子受到“孔道”带负电荷基团的排斥而不能进入“孔道”中，因而不能通过交换膜。这就是“选择性”透过的原因。其构造与工作示意图如图所示：阴离子交换膜的构造和工作原理与此相同，只不过是“孔道”中带正电荷基团而已。一、知识重构3.离子交换膜（4）判断离子交换膜类型根据溶液呈电中性，巧借离子迁移方向的判断，确定离子交换膜的类型。①离子从“生成区”移向“消耗区”以电解CO2制HCOOH为例，其原理如图所示。阴CO2+2e－+2H＋=HCOOH阳2H2O-4e－=O2↑+4H+生成H+消耗H+质子交换膜一、知识重构3.离子交换膜②离子从“原料区”移向“产物区”以电渗析法制备H3PO2为例，其原理如图所示（周测16题）。H2PO2－H+产品室：H++H2PO2－=H3PO22H2O-4e－=O2↑+4H+2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－阳膜阴膜阳膜一、知识重构（4）判断离子交换膜类型3.离子交换膜③溶液“浓→稀”，离子移出；溶液“稀→浓”，离子移入正负一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化，其工作原理如图所示。Cl－Na+阴膜阳膜一、知识重构（4）判断离子交换膜类型10.电渗析法淡化海水的装置如图所示。通电后，一个间隔室的海水被淡化，而其相邻间隔室的海水被浓缩，从而实现了淡水和浓缩海水分离。下列说法正确的是：《步步高71练》P435A.离子交换膜b为阳离子交换膜B.各间隔室的排出液中，①③⑤⑦为淡水阳膜阴膜×√4.双极膜双极膜亦称双极性膜，是特种离子交换膜，它是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在电场作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH－并分别通过阳膜和阴膜，作为H+和OH－的离子源。电解过程，双极膜中产生的H+移向

极，OH－移向

极。原电池中，双极膜中产生的H+移向

极，OH－移向

极。H+和OH－移动的作用是平衡电荷或参与化学反应。双极膜结构及解离水示意图阴阳正负一、知识重构4.双极膜例：SO2的脱除与H2O2的制备反应自发协同转化装置如下图所示(在电场作用下，双极膜中间层的H2O解离为H+和OH－，并向两极迁移)。分析电极反应及H+和OH－的移动方向。正负H+OH－O2

+2e－+2H+=H2O2SO32－

-2e－+2OH－=SO42－+H2O一、知识重构2023链接高考模型构建知识重构√阳阴➫解析H+OH+NH3·H2O～8e－～8H+～8OH－

1mol

8

8（2023年广东卷）——双极膜例1二、链接高考阳极：4OH--4e-==O2↑+2H2O例2：一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42－存在)。电池放电时，下列叙述错误的是A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移B．Ⅰ区的SO42－通过隔膜向Ⅱ区迁移C．MnO2电极反应：MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2OD．电池总反应：Zn+4OH－+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O正负K+×➫解析（2022年全国甲卷）——阴阳离子交换膜√二、链接高考深入思考：离子选择膜的种类阳膜阴膜溶质成分发生改变H+OH－

K+SO42-

➫解析二、链接高考例2：一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42－存在)。电池放电时，下列叙述错误的是A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移B．Ⅰ区的SO42－通过隔膜向Ⅱ区迁移C．MnO2电极反应：MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2OD．电池总反应：Zn+4OH－+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O√（2022年全国甲卷）——阴阳离子交换膜深入思考：离子选择膜的种类阴膜阳膜SO42-K+三室电解液溶质成分不变➫解析负极：Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)42-正极：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O总反应：Zn+4OH+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O二、链接高考例2：一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42－存在)。电池放电时，下列叙述错误的是A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移B．Ⅰ区的SO42－通过隔膜向Ⅱ区迁移C．MnO2电极反应：MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2OD．电池总反应：Zn+4OH－+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O√（2022年全国甲卷）——阴阳离子交换膜例3.用可再生能源电还原CO2时，采用高浓度的K+抑制酸性电解液中的析氢反应来提高多碳产物(乙烯、乙醇等)的生成率，装置如下图所示。下列说法正确的是：（2023年全国甲卷）——质子交换膜√阳阴H+O24e－

～O21mol0.25mol二、链接高考➫解析2023链接高考模型构建知识重构1.有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法三、模型构建2.含离子交换膜电化学装置题的解题步骤三、模型构建3.定量关系——电路中转移的电荷数一致外电路电子转移数=通过隔膜的阴（阳）离子带的负（正）电荷数。例1：工业上常用连二亚硫酸钠(Na2S2O4)消除烟气中的NO，通过电解可使Na2S2O4再生，装置如下图所示。吸收塔内每吸收11.2L(标准状况)的NO，通过离子交换膜的H+的物质的量为_______mol。NO～2e－

～2H+

0.5mol

1

1阳极：2H2O-4e－=O2↑+4H+阴极：4SO32－+8H++4e－=2S2O42－+4H2O2S2O42－+2NO+2H2O=N2+4SO32－+4H+阴极总：4H++2NO+4e－=N2+2H2O方法1：

1mol0.5mol

方法2：

三、模型构建3.定量关系——电路中转移的电荷数一致外电路电子转移数=通过隔膜的阴（阳）离子带的负（正）电荷数。三、模型构建例2：（步步高71练P429）(2)全钒液流电池放电时，左槽溶液颜色逐渐由黄变蓝，则电极b的电极反应式是_________________。若有0.2mol电子转移，质子交换膜左侧电解液质量________(填“增加”或“减少”)，质量为________。V2＋－e－===V3＋增加0.2ga极（阴极）：VO2++e-+2H+===VO2＋＋H2O方法1：

方法2：

e－

～H+

1

11

2×√课后思考：1、我们了解了离子选择性隔膜的优点和应用，你觉得离子选择性隔膜是否有缺点和不足呢？2、电化学中所有的隔膜都是离子选择性膜吗？你能举例说明吗？

隔膜的认识误区：隔膜一定是离子选择性膜。这种认识是错误的。隔膜的作用是阻止特定微粒通过，允许其他微粒通过。隔膜的选择性越强，就意味着阻碍性越大，微粒的透过性就降低了，电阻性变大。因此需要认识隔膜的双重性，离子选择性膜在隔离两极电解质，防止物质混合方面起到了很好的作用，但确牺牲了离子的通过效率。那有没有既能阻止电解液或两极物质的混合，又不牺牲离子的通过效率呢？例1：（2022广东）科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为：NaTi2(PO4)3+2Na＋

+2e－

=Na3Ti2(PO4)3。下列说法正确的是A.充电时电极b是阴极B.放电时NaCl溶液的pH减小C.放电时NaCl溶液的浓度增大D.每生成1molCl2，电极a质量理论上增加23g放电总：