高三化学一轮复习【知识精讲+拓展提升+迁移训练】 素养微专题（19）离子交换膜在电化学中的应用+课件

离子交换膜在电化学中的应用素养微专题（19）小专题

【命题分析】近几年高考试题中，涉及隔膜电化学装置的题目比较多，且每年都有变化。隔膜的功能在于选择性地通过某些离子或阻止某些离子来隔离某些物质，进而制备一些特定物质或对物质进行分离，体现了科学探究与创新意识的化学核心素养。小专题阳离子交换膜质子交换膜阴离子交换膜两室原电池/电解池三室原电池/电解池2021河北卷，92020年山东卷，132020年全国Ш卷，122020年山东卷，132020年山东卷，102020年北京卷，节选2021年山东卷，17节选2020年全国Ш卷，122021广东卷，162020年全国Ⅰ卷，122021年全国甲卷，132021河北卷，92021年山东卷，17节选2020年北京卷，节选【问题思考1】海水淡化的方法主要有哪些？教材：必修2P100回归教材①蒸馏法②电渗析法③离子交换法【问题思考2】用下面的装置制取NaOH、H2和Cl2，此装置有何缺陷？答案缺陷1：Cl2和H2混合而引起爆炸；缺陷2：Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量。【必备知识】1、离子交换膜的含义含义：离子交换膜又叫隔膜，是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。氯碱工业【必备知识】2、离子交换膜的类型(1)阳离子交换膜【典例精析1】氯碱工业中常用阳离子交换膜将电解槽隔成两部分。1、阳离子交换膜的作用：分隔阳极室与阴极室，只允许________和________通过。（1）阻止OH－进入阳极室与Cl2发生副反应：__________________________。（2）阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2_____________________________。（3）Na+阳离子→透过____________交换膜→原电池的_________或电解池的____________。阳离子水分子2NaOH+Cl2

=NaCl+NaClO+H2O混合发生爆炸阳离子正极阴极【典例精析1】氯碱工业中常用阳离子交换膜将电解槽隔成两部分。2、尝试在图上标注出离子移向。3、阴极区理论上加入____________即可，实际上含少量____________来增强导电性。4、电极反应：阴极：____________________________；阳极：__________________________。总化学方程式：_____________________________________________________。水NaOH2H2O+2e-=H2↑+2OH-2Cl--2e-=Cl2↑2NaCl＋2H2O

=

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑电解【精准复核1】二氧化氯（ClO2）为一种黄绿色气体，是国际上公认的高效、广谱、快速、安全的杀菌消毒剂。目前已开发出用电解法制取ClO2的新工艺如下图所示。（1）图中用石墨作电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取ClO2。产生ClO2的电极应连接电源的_________（填“正极”或“负极”），对应的电极反应式为________________________________。（2）电解一段时间，当阴极产生标准状况下气体112

mL时，停止电解，则通过阳离子交换膜的阳离子物质的量为________mol，阴极区pH________(填“变大”“变小”或“不变”)（下同）。（3）图中应使用_______（填“阴”或“阳”）（下同）离子交换膜。正极Cl--5e-+2H2O=ClO2↑+4H+0.01变大阳解题技巧把握两点：①产品为核心；②保持溶液电中性。1、质子交换膜：只允许_____________和______________通过，质子就是__________。2、阴极反应式：_______________________；不断消耗________，溶液中________电荷离子不足，___________室内的H+通过质子交换膜来到__________，作用：_______________________________。3、阳极反应式：___________________________________________；4、离子移向：H＋→透过质子交换膜→原电池________极(或电解池的________极)。(2)阳离子交换膜中的特殊情况——质子交换膜【典例精析2】在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH)，可获得清洁能源H2。H＋水分子H＋2H＋＋2e－

=H2↑H＋正阳极阴极平衡电荷CH3COOH－8e－＋2H2O=2CO2↑＋8H＋正阴【典例精析3】下图为可充电的全钒液流电池构造示意图，电池中的隔膜为质子交换膜。1、放电时，负极：____________________(pH________)；正极：______________________。2、充电时，阳极(A)：__________________________；阴极(B)：_______________________。V2+－e－

=V3+增大VO2++e－+2H+=VO2++H2OVO2+－e－+H2O=VO2++2H+V3++e－

=V2+【精准复核2】液流电池是一种新型可充电的高性能蓄电池，其工作原理如图。两边电解液存储罐盛放的电解液分别是含有V3+、V2+的混合液和VO2+、VO2+酸性混合液，且两极电解液分开，各自循环。已知放电时右侧存储罐中V3+浓度增大。下列说法错误的是()A．充电时阴极的电极反应是V3++e-=V2+B．放电时，VO2+作氧化剂，在正极被还原，V2+作还原剂，在负极被氧化C．若离子交换膜为质子交换膜，充电时当有1mole-发生转移时，最终左罐电解液的H+的物质的量增加了1molD．若离子交换膜为阴离子交换膜，放电时阴离子由左罐移向右罐B解题技巧把握两点：①产品为核心；②保持溶液电中性。(2)阴离子交换膜【典例精析4】以Pt为电极电解淀粉-KI溶液，中间用阴离子交换膜隔开。1、阴离子交换膜：只允许__________________和__________________通过。2、阴极反应式：____________________________；阳极反应式：__________________。3、阴极产生的OH－移向__________与阳极产物反应：____________________________；4、离子移向：阴离子→透过__________交换膜→电解池_____极(或原电池的_____极)。阴离子水分子2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－2I－－2e－

=I2阳极3I2＋6OH－

=IO3－＋5I－＋3H2O阴离子阳负【精准复核3】纳米级Cu2O由于具有优良的催化性能而受到关注，采用肼(N2H4)燃料电池为电源，用离子交换膜控制电解液中c(OH－)制备纳米Cu2O，其装置如图甲、乙。（1）上述装置中D电极应连接肼燃料电池的________极(填“A”或“B”)，该电解池中离子交换膜为________离子交换膜(填“阴”或“阳”)。（2）该电解池的阳极反应式为________________________________________，肼燃料电池中A极发生的电极反应为____________________________。B阴2Cu-2e-+2OH-=Cu2O+H2ON2H4-4e-+4OH-=N2+4H2O【必备知识】3、离子交换膜的作用补充：能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。高考领航：大本P137回归教辅【必备知识】4、离子交换膜在物质制备、分离提纯中的应用

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。(1)两室电解池——工业上利用如图两室电解装置制备烧碱例如：【典例精析1】氯碱工业(2)三室电解池【典例精析5】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，图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示。1、NO3-______电子发生_____反应，右边电极是______极，电极反应为______________________；2、左边电极是______极，有机物______电子发生______反应，电极反应____________________。3、反应后正极溶液pH_________，负极附近溶液pH_________。4、左侧交换膜为________离子交换膜，Cl－通过交换膜向________(填“左”或“右”)移动平衡H+的正电荷；右侧交换膜是_______离子交换膜，Na+通过交换膜向_______(填“左”或“右”)移动进入正极区，使海水变为淡水。得还原正2NO3－＋10e－＋12H＋=N2↑＋6H2OC6H10O5－24e－＋7H2O=6CO2↑＋24H＋负氧化变大变小阴左阳右失解题技巧把握两点：①产品为核心；②保持溶液电中性。【精准复核4】三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na+和SO42-可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述正确的是(

)A．通电后中间隔室的SO42-离子向正极迁移，正极区溶液pH增大B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品C．负极反应为2H2O–4e–

=

O2+4H+，负极区溶液pH降低D．当电路中通过1mol电子的电量时，会有0.5mol的O2生成B解题技巧把握两点：①产品为核心；②保持溶液电中性。1、阳极室：电解__________，电极反应式为__________________________________，产生的H＋通过_____离子交换膜进入____________室，2、阴极室：电解__________，电极反应式为___________________________________。3、原料室：原料室中的Na＋通过______离子交换膜进入____________室。4、产品室：原料室中的H2PO2－穿过______离子交换膜进入____________室，与H＋结合生成弱电解质____________。5、早期采用“三室电渗析法”是将阳极室与产品室合并，缺点是产品中会混有______________或______________杂质，原因是H2PO2－具有___________性，在阳极放电或被O2氧化所致，“四室电渗析法”避免了该过程。(3)多室电解池——利