离子交换膜膜电池及其定量计算-高二化学教学课件（人教版选择性必修1）

第一章化学反应的热效应第四章化学反应与电能第二节电解池本节重点离子交换膜的种类判断

第5课时

离子交换膜膜电池及其定量计算电解饱和食盐水(氯碱工业)阳离子交换膜的作用：阻止OH-进入阳极室与Cl2发生副反应2NaOH+Cl2=NaCl+NaClO为实现特定功能需求，在电化学装置中增加离子交换膜，将原电池或电解池分隔成两个或多个相对独立的室。1．离子交换膜离子交换膜又叫隔膜，由高分子特殊材料制成，交换膜使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。2．隔膜的作用(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)能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。主题1:离子交换膜种类的判断3．工作原理(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。主题1:离子交换膜种类的判断4．离子交换膜类型的判断方法根据电解质溶液呈电中性的原则，判断膜的类型，(1)首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余，因该电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向，进而确定离子交换膜的类型，如电解饱和食盐水时，阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，则阴极区域破坏水的电离平衡，OH－有剩余，阳极区域的Na＋穿过离子交换膜进入阴极室，与OH－结合生成NaOH，故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。主题1:离子交换膜种类的判断（2）根据溶液呈电中性,判断出离子移动的方向,从而确定离子交换膜的类型离子迁移方向的判断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，发生还原反应，多孔锡作阴极，电极反应为CO2＋H＋＋2e－===HCOO－，消耗从左侧迁移过来的H＋。左侧“Pt片”作阳极，水电离产生的OH－放电，电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成H＋。离子移动方向：H＋通过阳离子交换膜从左侧移向右侧。主题1:离子交换膜种类的判断

主题1:离子交换膜种类的判断

主题1:离子交换膜种类的判断单膜电解池及分析例1.微生物电解池(MEC)是一种新型的且能兼顾氢气或甲烷回收的废水处理技术,将电化学法和生物还原法有机结合,MEC具有很好的应用前景。微生物电化学产甲烷法的装置如图所示。下列有关说法正确的是(

)A.“产电菌”极的电势比“产甲烷菌”极的低B.该微生物电解池工作时将化学能转化为电能C.阴极的电极反应式为CO2+8e-+8H+===CH4+2H2OD.若产生1molCH4,理论上阳极室生成CO2的体积为44.8L主题1:离子交换膜种类的判断思路导引“产电菌”电极上CH3COO-→CO2,发生氧化反应

该电极为阳极;“产甲烷菌”电极上CO2→CH4,发生还原反应

该电极为阴极。阴极“产甲烷菌”极CO2+8H++8e-===CH4+2H2O阳极“产电菌”极CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+答案C解析根据装置示意图可知,“产电菌”极为阳极,“产甲烷菌”极为阴极,电解池中阳极的电势高于阴极的电势,A错误;电解池可将电能转化为化学能,B错误;阴极CO2得电子,并与H+反应生成甲烷和水,电极反应式为CO2+8H++8e-===CH4+2H2O,C正确;根据电极反应式CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+可知,产生1molCH4时转移8mol电子,理论上,标准状况下阳极室生成CO2的体积为44.8L,D错误。多膜电解池及分析例2.用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的,模拟装置如图所示。下列说法正确的是(

)A.阳极室溶液由无色变成棕黄色B.阴极的电极反应式为4OH--4e-=2H2O+O2↑C.电解一段时间后,阴极室溶液中的pH升高D.电解一段时间后,阴极室溶液中的溶质一定是(NH4)3PO4解析

阳极上Fe发生氧化反应,溶液由无色变为浅绿色,A错误;阴极上H+发生还原反应:2H++2e-===H2↑,B错误;阴极消耗H+,电解一段时间后,阴极室溶液pH升高,C正确;电解一段时间后,阴极室溶液pH升高,还能与OH-反应生成NH3·H2O,因此阴极室溶液中溶质除(NH4)3PO4外,还可能有NH3·H2O,D错误。答案

C主题1:离子交换膜种类的判断双极膜电解池及分析例3.为适应可再生能源的波动性和间歇性,我国科学家设计了一种电化学装置,其原理如下图所示。当闭合K1和K3、打开K2时,装置处于蓄电状态;当打开K1和K3、闭合K2时,装置处于放电状态。放电时,双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-并分别向两侧迁移。下列有关该电化学装置工作时的说法不正确的是(

)答案

CA.蓄电时,碳锰电极附近溶液pH减小

C.放电时,每消耗1molMnO2,理论上有4molH+由双极膜向碳锰电极迁移D.理论上,该电化学装置运行过程中不需要补充H2SO4和KOH主题1:离子交换膜种类的判断解析

蓄电时为电解池反应,碳锰电极上Mn2+失电子生成MnO2,电极反应式为Mn2++2H2O-2e-===MnO2+4H+,溶液pH减小,A正确;蓄电时,右侧电解池中ZnO得电子生成Zn,OH-失电子生成O2,总反应为2ZnO2Zn+O2↑,B正确;放电时,碳锰电极为正极,电极反应式为MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2O,每消耗1

mol

MnO2,需要消耗4

mol

H+,但碳锰电极只生成2

mol正电荷,剩余正电荷需要从双极膜间得到,则理论上应有2

mol

H+由双极膜向碳锰电极迁移,C错误;该电化学装置运行过程中H+得电子生成H2,但实际过程为消耗了溶剂水,氢离子浓度增大,OH-失电子生成O2,但实际过程也是消耗了溶剂水,氢氧根离子浓度增大,则不需要补充H2SO4和KOH,D正确。主题1:离子交换膜种类的判断课堂检测

1.污水资源化利用既可以缓解水的供需矛盾，又可以减少水污染。化学工作者提出采用电解法除去工业污水中的NaCN，其原理如图所示，通电前先向污水中加入适量食盐并调整其pH维持碱性(CN-不参与电极反应)。下列说法正确的是A.b为电源的负极B.隔膜Ⅰ为阴离子交换膜C.X为H2,电极反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH-D.当生成2.24LN2时,电路中通过1mol电子NaCN碱性NaCl失e-阳极阴极(-)(+)CN-Cl-OH-阴离子交换膜Na+阳离子交换膜阴极:2H2O+2e-=H2↑+2OH-阳极:Cl--2e-+2OH-=ClO-+H2O

ClO-再氧化CN-为N2C课堂检测1.用电渗析法可将含硝酸钠的废水再生为硝酸和氢氧化钠，其装置如下图所示。下列叙述不正确的是(

)A.膜a、膜c分别是阴离子交换膜、阳离子交换膜B.阳极室、阴极室的产品分别是NaOH、HNO3C.阳极的电极反应式为2H2O-4e-=4H++O2↑D.该装置工作时，电路中每转移0.2mol电子，

两极共生成气体3.36L(标准状况)阳极室:2H2O-4e-=O2↑+4H+

阴极室:2H2O+2e-=H2↑+2OH-O2↑H2↑NO3-Na+B课堂检测2.H3PO2可用电渗析法制备。“四室电渗析法”的工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)，下列说法正确的是(

)DA.产品室中的H+扩散到阳极室中

B.阴极室中的Na+扩散到原料室中C.产品室中的OH-扩散到原料室中

D.原料室中的H2PO2－扩散到产品室中阴极阳极阳极室:2H2O-4e-=O2↑+4H+

阴极室:2H2O+2e-=H2↑+2OH-H+H2PO2－Na+.分析某室质量变化的关键分析某室质量的变化，既要考虑该区(或该电极)的化学反应，又要考虑通过“交换膜”的离子带来的质量变化。主题2:膜电池的定量计算例1。某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2=2AgCl。(1)当电路中转移amole－时，交换膜左侧溶液中约减少____mol离子。交换膜右侧溶液中c(HCl)_____

1mol·L－1。(填“＞”“＜”或“＝”)(忽略溶液体积变化)。2a>主题2:膜电池的定量计算例1。某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2=2AgCl。阴离子交换膜(2)若质子交换膜换成阴离子交换膜，其他不变。若有11.2L氯气(标准状况)参与反应，则必有____mol____(填离子符号)由交换膜________侧通过交换膜向_______侧迁移。交换膜右侧溶液中c(HCl)______(填“＞”“＜”或“＝”)1mol·L－1(忽略溶液体积变化)1Cl-右左=主题2:膜电池的定量计算例1。某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2=2AgCl。阳离子交换膜（3）若换成阳离子交换膜，当电路中转移0.01mole－时，交换膜左侧溶液中约减少________mol离子若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应是否改变？_________0.02否主题2:膜电池的定量计算+（LixC为难电离锂碳化合物）为电源，电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7，当电解过程中转移了0.5mol电子时:4CrO42-+4H+=2Cr2O72-+2H2O右侧生成H+B极为阳极阳极：2H2O－4e-＝4H＋＋O2↑左侧阴极:4H2O+4e-＝4OH-＋2H2↑中间为Na+交换膜Na+主题2:膜电池的定量计算例2、工

业上也可设计图示装置，用锂离子电池LixC+Li1-xCoO2C+LiCoO2为电源，电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7，当电解过程中转移了0.5mol电子时:(1)理论上右侧溶液的质量减少______g；+15.5(2)理论上两侧溶液的质量差_______g；(原溶液质量相等）(3)理论上两侧溶液的质量的变化差_______g。26.54.5CrO42-+2H+=Cr2O72-+H2O主题2:膜电池的定量计算例2、工

业上也可设计图示装置，用锂离子电池LixC+Li1-xCoO2C+LiCoO2为电源，电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7，当电解过程中转移了0.5mol电子时:(1)理论上右侧溶液的质量减少______g；+15.5(2)理论上两侧溶液的质量差_______g；(原溶液质量相等）(3)理论上两侧溶液的质量的变化差_______g。26.54.5CrO42-+2H+=Cr2O72-+H2O主题2:膜电池的定量计算例2、工

业上也可设计图示装置，用锂离子电池LixC+Li1-xCoO2C+LiCoO2为电源，电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7，当电解过程中转移了0.5mol电子时:(1)理论上右侧溶液的质量减少______g；+15.5(2)理论上两侧溶液的质量差_______g；(原溶液质量相等）(3)理论上两侧溶液的质量的变化差_______g。26.54.5CrO42