离子隔膜在电化学中的应用（学案）

第11讲离子隔膜在电化学中的应用一、知识重构1.单液电池图1单液ZnCu原电池装置图2单液ZnCu原电池电流曲线图3单液ZnCu原电池温度曲线图2和图3说明单液ZnCu原电池存在什么弊端？原因是什么？2.双液电池盐桥写出该双液电池正负极方程式盐桥成分：琼胶、饱和KCl溶液盐桥的作用是对盐桥的深入认识盐桥中琼胶的作用：控制离子流速，防止过早失效。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。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。例：（2020全国）为验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验。电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择____作为电解质。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？离子交换膜单液：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（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。（2）分类（3）三种离子交换膜举例分析种类装置图说明阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)氯碱工业①A极反应式：②B极反应式：③Na＋通过阳离子交换膜进入极区④阳离子→透过阳离子交换膜→电解池极(或原电池的极)思考：能否用阴离子交换膜？阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过)以Pt为电极电解淀粉­KI溶液，制备碘酸钾，中间用阴离子交换膜隔开①阴极反应式：②阳极反应式：③阴极产生的OH－移向阳极与阳极产物反应：④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池极(或原电池的极)质子交换膜(只允许H＋和水分子通过)在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH)，可获得清洁能源H2①阴极反应式：2H＋＋2e－=H2↑②阳极反应式：CH3COOH－8e－＋2H2O=2CO2↑＋8H＋③阳极产生的H＋通过质子交换膜移向阴极④H＋→透过质子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极)（4）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。阴离子移动到“孔道”处，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。（5）判断根据溶液呈电中性，巧借离子迁移方向的判断，从而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。右侧：通入CO2，生成HCOOH，接电源极，电极反应方程式为。左侧，接电源极，电极反应方程式为。极生产氢离子，极消耗氢离子，因此，隔膜类型为。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。离子移动方向及交换膜类型：产品室为阳极，原料室中的移向产品室，膜1为交换膜；原料室中的移向阴极室，膜2为交换膜。电极反应方程式：阳极；阴极；③溶液“浓→稀”，离子移出；溶液“稀→浓”，离子移入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。迅速判断左侧为离子交换膜，右侧为离子交换膜。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。二、重温经典例1：（2021湖北）Na2Cr2O7的酸性水溶液随着H+浓度的增大会转化为CrO3。电解法制备CrO3的原理如图所示。下列说法错误的是A．电解时只允许H+通过离子交换膜B．生成O2和H2的质量比为8∶1C．电解一段时间后阴极区溶液OH－的浓度增大D．CrO3的生成反应为：Cr2O72－+2H+=2CrO3+H2O【答案】A【解析】根据左侧电极上生成，右侧电极上生成，知左侧电极为阳极，发生反应：，右侧电极为阴极，发生反应：；由题意知，左室中随着浓度增大转化为，因此阳极生成的不能通过离子交换膜。A．由以上分析知，电解时通过离子交换膜的是，A项错误；B．根据各电极上转移电子数相同，由阳极反应和阴极反应，知生成和的物质的量之比为1∶2，其质量比为8∶1，B项正确；C．根据阴极反应知，电解一段时间后阴极区溶液的浓度增大，C项正确：D．电解过程中阳极区H+的浓度增大，转化为，D项正确。例2：（2022全国甲卷）一种水性电解液ZnMnO2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【答案】A【解析】根据图示的电池结构和题目所给信息可知，Ⅲ区Zn为电池的负极，电极反应为Zn2e+4OH=Zn(OH)，Ⅰ区MnO2为电池的正极，电极反应MnO2+2e+4H+=Mn2++2H2O；电池在工作过程中，由于两个离子选择隔膜没有指明的阳离子隔膜还是阴离子隔膜，故两个离子隔膜均可以通过阴、阳离子，因此可以得到Ⅰ区消耗H+，生成Mn2+，Ⅱ区的K+向Ⅰ区移动或Ⅰ区的SO向Ⅱ区移动，Ⅲ区消耗OH，生成Zn(OH)，Ⅱ区的SO向Ⅲ区移动或Ⅲ区的K+向Ⅱ区移动。据此分析答题。A．根据分析，Ⅱ区的K+只能向Ⅰ区移动，A错误。例3：（2020全国新课标Ⅰ卷）科学家近年发明了一种新型Zn−CO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。下列说法错误的是A．放电时，负极反应为B．放电时，1molCO2转化为HCOOH，转移的电子数为2molC．充电时，电池总反应为D．充电时，正极溶液中OH−浓度升高【答案】D【解析】由题可知，放电时，CO2转化为HCOOH，即CO2发生还原反应，故放电时右侧电极为正极，左侧电极为负极，Zn发生氧化反应生成；充电时，右侧为阳极，H2O发生氧化反应生成O2，左侧为阴极，发生还原反应生成Zn，以此分析解答。A．放电时，负极上Zn发生氧化反应，电极反应式为：，故A正确，不选；B．放电时，CO2转化为HCOOH，C元素化合价降低2，则1molCO2转化为HCOOH时，转移电子数为2mol，故B正确，不选；C．充电时，阳极上H2O转化为O2，负极上转化为Zn，电池总反应为：，故C正确，不选；D．充电时，正极即为阳极，电极反应式为：，溶液中H+浓度增大（若只有H+向阴极移动，H+浓度将不变），故D错误，符合题意。三、模型建构1.有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法2.含离子交换膜电化学装置题的解题步骤3.定量关系外电路电子转移数=通过隔膜的阴（阳）离子带的负（正）电荷数。例：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。四、名师导学隔膜的认识误区：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对多孔炭的解读：多孔碳既作为电极材料，又是氯气和氯离子的通道。需要注意的是，与离子选择性透过膜不同，多孔电极不具备选择性（考题有信息提示“无需离子交换膜”）。为避免两极物质自由通过，研究者巧妙的将一侧设计为非极性环境，另一侧设计为极性环境。充电时，氯离子被氧化生成氯气，同时被四氯化碳溶解带走储存；放电时，四氯化碳把氯带到电极上发生还原反应生成氯离子，氯离子进入氯化钠溶液中，被带到储存室。根据相似相容原理，氯气可以始终保留在左室的非极性环境中，氯离子和钠离子始终保留右室的极性环境中。因此，看似敞开，氯气和氯离子只能在电极上得失电子，然后变换“身份”后再进入对方“领地”，而不能直接跨越。那这样设计有什么优点呢？首先是降低成本，相对于选择性透过膜