2024屆高考復(fù)習(xí)課件之離子隔膜在電化學(xué)中的應(yīng)用

離子隔膜在電化學(xué)中的應(yīng)用2023

學(xué)習(xí)目標(biāo)1、了解常見離子交換膜的類型和作用2、能夠通過(guò)離子遷移方向判斷離子交換膜類型3、構(gòu)建膜電池解題模型2023鏈接高考模型構(gòu)建知識(shí)重構(gòu)一、知識(shí)重構(gòu)1.單液電池圖1單液Zn-Cu原電池裝置圖2單液Zn-Cu原電池電流曲線圖3單液Zn-Cu原電池溫度曲線圖2和圖3說(shuō)明單液Zn-Cu原電池存在什么弊端？原因是什么？部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，電能轉(zhuǎn)化率低電流衰減，不穩(wěn)定原因：Zn與電解質(zhì)CuSO4直接接觸一、知識(shí)重構(gòu)2.雙液電池-鹽橋負(fù)極：Zn-2e－=Zn2+正極：Cu2++2e－=Cu總反應(yīng)：Zn+Cu2+=Zn2++Cu鹽橋的作用是①隔離Zn和CuSO4溶液，避免直接反應(yīng)②提供離子遷移通道，平衡電荷，形成閉合回路鹽橋成分：瓊膠、飽和KCl溶液Zn-2e－=Zn2+Cl－Cu2++2e－=CuK+（1）鹽橋中瓊膠的作用：控制離子流速，防止過(guò)早失效。（2）用飽和氯化鉀的原因：K+和Cl－遷移速率接近，且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（3）鹽橋使用一段時(shí)間需要更換，恢復(fù)的方式是放入飽和氯化鉀溶液中。對(duì)鹽橋的深入認(rèn)識(shí)2.雙液電池-鹽橋特點(diǎn)：帶鹽橋的雙液鋅銅原電池電流穩(wěn)定，但明顯小于單液電池分析下圖，帶鹽橋的雙液電池電流有何特點(diǎn)？造成的原因是什么？原因：在于鹽橋通道狹小限制了離子的通過(guò)率、加之瓊膠的影響，進(jìn)一步增大了鹽橋的電阻。一、知識(shí)重構(gòu)圖4單/雙液Zn-Cu原電池電流曲線3.離子交換膜（1）作用：①能將兩極區(qū)隔離，阻止兩極區(qū)產(chǎn)生的物質(zhì)接觸，防止發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。②能選擇性的通過(guò)離子，起到

的作用。平衡電荷，形成閉合回路單液：負(fù)極與電解液直接接觸

鹽橋：有效隔離，電阻增大

離子交換膜：有效隔離，電阻小一、知識(shí)重構(gòu)3.離子交換膜（2）分類一、知識(shí)重構(gòu)3.離子交換膜（3）原理（以陽(yáng)離子交換膜為例）交換膜上有很多微孔，“孔道”上有許多帶負(fù)電荷的基團(tuán)，陽(yáng)離子可以自由通過(guò)“孔道”，由濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域移動(dòng)。陰離子受到“孔道”帶負(fù)電荷基團(tuán)的排斥而不能進(jìn)入“孔道”中，因而不能通過(guò)交換膜。這就是“選擇性”透過(guò)的原因。其構(gòu)造與工作示意圖如圖所示：陰離子交換膜的構(gòu)造和工作原理與此相同，只不過(guò)是“孔道”中帶正電荷基團(tuán)而已。一、知識(shí)重構(gòu)3.離子交換膜（4）判斷離子交換膜類型根據(jù)溶液呈電中性，巧借離子遷移方向的判斷，確定離子交換膜的類型。①離子從“生成區(qū)”移向“消耗區(qū)”以電解CO2制HCOOH為例，其原理如圖所示。陰CO2+2e－+2H＋=HCOOH陽(yáng)2H2O-4e－=O2↑+4H+生成H+消耗H+質(zhì)子交換膜一、知識(shí)重構(gòu)3.離子交換膜②離子從“原料區(qū)”移向“產(chǎn)物區(qū)”以電滲析法制備H3PO2為例，其原理如圖所示（周測(cè)16題）。H2PO2－H+產(chǎn)品室：H++H2PO2－=H3PO22H2O-4e－=O2↑+4H+2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－陽(yáng)膜陰膜陽(yáng)膜一、知識(shí)重構(gòu)（4）判斷離子交換膜類型3.離子交換膜③溶液“濃→稀”，離子移出；溶液“稀→濃”，離子移入正負(fù)一種三室微生物燃料電池可用于污水凈化、海水淡化，其工作原理如圖所示。Cl－Na+陰膜陽(yáng)膜一、知識(shí)重構(gòu)（4）判斷離子交換膜類型10.電滲析法淡化海水的裝置如圖所示。通電后，一個(gè)間隔室的海水被淡化，而其相鄰間隔室的海水被濃縮，從而實(shí)現(xiàn)了淡水和濃縮海水分離。下列說(shuō)法正確的是：《步步高71練》P435A.離子交換膜b為陽(yáng)離子交換膜B.各間隔室的排出液中，①③⑤⑦為淡水陽(yáng)膜陰膜×√4.雙極膜雙極膜亦稱雙極性膜，是特種離子交換膜，它是由一張陽(yáng)膜和一張陰膜復(fù)合制成的陰、陽(yáng)復(fù)合膜。該膜的特點(diǎn)是在電場(chǎng)作用下，陰、陽(yáng)膜復(fù)合層間的H2O解離成H+和OH－并分別通過(guò)陽(yáng)膜和陰膜，作為H+和OH－的離子源。電解過(guò)程，雙極膜中產(chǎn)生的H+移向

極，OH－移向

極。原電池中，雙極膜中產(chǎn)生的H+移向

極，OH－移向

極。H+和OH－移動(dòng)的作用是平衡電荷或參與化學(xué)反應(yīng)。雙極膜結(jié)構(gòu)及解離水示意圖陰陽(yáng)正負(fù)一、知識(shí)重構(gòu)4.雙極膜例：SO2的脫除與H2O2的制備反應(yīng)自發(fā)協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置如下圖所示(在電場(chǎng)作用下，雙極膜中間層的H2O解離為H+和OH－，并向兩極遷移)。分析電極反應(yīng)及H+和OH－的移動(dòng)方向。正負(fù)H+OH－O2

+2e－+2H+=H2O2SO32－

-2e－+2OH－=SO42－+H2O一、知識(shí)重構(gòu)2023鏈接高考模型構(gòu)建知識(shí)重構(gòu)√陽(yáng)陰?解析H+OH+NH3·H2O～8e－～8H+～8OH－

1mol

8

8（2023年廣東卷）——雙極膜例1二、鏈接高考陽(yáng)極：4OH--4e-==O2↑+2H2O例2：一種水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42－存在)。電池放電時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是A．Ⅱ區(qū)的K+通過(guò)隔膜向Ⅲ區(qū)遷移B．Ⅰ區(qū)的SO42－通過(guò)隔膜向Ⅱ區(qū)遷移C．MnO2電極反應(yīng)：MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2OD．電池總反應(yīng)：Zn+4OH－+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O正負(fù)K+×?解析（2022年全國(guó)甲卷）——陰陽(yáng)離子交換膜√二、鏈接高考深入思考：離子選擇膜的種類陽(yáng)膜陰膜溶質(zhì)成分發(fā)生改變H+OH－

K+SO42-

?解析二、鏈接高考例2：一種水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42－存在)。電池放電時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是A．Ⅱ區(qū)的K+通過(guò)隔膜向Ⅲ區(qū)遷移B．Ⅰ區(qū)的SO42－通過(guò)隔膜向Ⅱ區(qū)遷移C．MnO2電極反應(yīng)：MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2OD．電池總反應(yīng)：Zn+4OH－+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O√（2022年全國(guó)甲卷）——陰陽(yáng)離子交換膜深入思考：離子選擇膜的種類陰膜陽(yáng)膜SO42-K+三室電解液溶質(zhì)成分不變?解析負(fù)極：Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)42-正極：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O總反應(yīng)：Zn+4OH+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O二、鏈接高考例2：一種水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42－存在)。電池放電時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是A．Ⅱ區(qū)的K+通過(guò)隔膜向Ⅲ區(qū)遷移B．Ⅰ區(qū)的SO42－通過(guò)隔膜向Ⅱ區(qū)遷移C．MnO2電極反應(yīng)：MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2OD．電池總反應(yīng)：Zn+4OH－+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O√（2022年全國(guó)甲卷）——陰陽(yáng)離子交換膜例3.用可再生能源電還原CO2時(shí)，采用高濃度的K+抑制酸性電解液中的析氫反應(yīng)來(lái)提高多碳產(chǎn)物(乙烯、乙醇等)的生成率，裝置如下圖所示。下列說(shuō)法正確的是：（2023年全國(guó)甲卷）——質(zhì)子交換膜√陽(yáng)陰H+O24e－

～O21mol0.25mol二、鏈接高考?解析2023鏈接高考模型構(gòu)建知識(shí)重構(gòu)1.有“膜”條件下離子定向移動(dòng)方向的判斷方法三、模型構(gòu)建2.含離子交換膜電化學(xué)裝置題的解題步驟三、模型構(gòu)建3.定量關(guān)系——電路中轉(zhuǎn)移的電荷數(shù)一致外電路電子轉(zhuǎn)移數(shù)=通過(guò)隔膜的陰（陽(yáng)）離子帶的負(fù)（正）電荷數(shù)。例1：工業(yè)上常用連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)消除煙氣中的NO，通過(guò)電解可使Na2S2O4再生，裝置如下圖所示。吸收塔內(nèi)每吸收11.2L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)的NO，通過(guò)離子交換膜的H+的物質(zhì)的量為_______mol。NO～2e－

～2H+

0.5mol

1

1陽(yáng)極：2H2O-4e－=O2↑+4H+陰極：4SO32－+8H++4e－=2S2O42－+4H2O2S2O42－+2NO+2H2O=N2+4SO32－+4H+陰極總：4H++2NO+4e－=N2+2H2O方法1：

1mol0.5mol

方法2：

三、模型構(gòu)建3.定量關(guān)系——電路中轉(zhuǎn)移的電荷數(shù)一致外電路電子轉(zhuǎn)移數(shù)=通過(guò)隔膜的陰（陽(yáng)）離子帶的負(fù)（正）電荷數(shù)。三、模型構(gòu)建例2：（步步高71練P429）(2)全釩液流電池放電時(shí)，左槽溶液顏色逐漸由黃變藍(lán)，則電極b的電極反應(yīng)式是_________________。若有0.2mol電子轉(zhuǎn)移，質(zhì)子交換膜左側(cè)電解液質(zhì)量________(填“增加”或“減少”)，質(zhì)量為________。V2＋－e－===V3＋增加0.2ga極（陰極）：VO2++e-+2H+===VO2＋＋H2O方法1：

方法2：

e－

～H+

1

11

2×√課后思考：1、我們了解了離子選擇性隔膜的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用，你覺得離子選擇性隔膜是否有缺點(diǎn)和不足呢？2、電化學(xué)中所有的隔膜都是離子選擇性膜嗎？你能舉例說(shuō)明嗎？

隔膜的認(rèn)識(shí)誤區(qū)：隔膜一定是離子選擇性膜。這種認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的。隔膜的作用是阻止特定微粒通過(guò)，允許其他微粒通過(guò)。隔膜的選擇性越強(qiáng)，就意味著阻礙性越大，微粒的透過(guò)性就降低了，電阻性變大。因此需要認(rèn)識(shí)隔膜的雙重性，離子選擇性膜在隔離兩極電解質(zhì)，防止物質(zhì)混合方面起到了很好的作用，但確犧牲了離子的通過(guò)效率。那有沒有既能阻止電解液或兩極物質(zhì)的混合，又不犧牲離子的通過(guò)效率呢？例1：（2022廣東）科學(xué)家基于Cl2易溶于CCl4的性質(zhì)，發(fā)展了一種無(wú)需離子交換膜的新型氯流電池，可作儲(chǔ)能設(shè)備(如圖)。充電時(shí)電極a的反應(yīng)為：NaTi2(PO4)3+2Na＋

+2e－

=Na3Ti2(PO4)3。下列說(shuō)法正確的是A.充電時(shí)電極b是陰極B.放電時(shí)NaCl溶液的pH減小C.放電時(shí)NaCl溶液的濃度增大D.每生成1molCl2，電極a質(zhì)量理論上增加23g放電總：