離子隔膜在電化學中的應用（學案）

第11講離子隔膜在電化學中的應用一、知識重構1.單液電池圖1單液ZnCu原電池裝置圖2單液ZnCu原電池電流曲線圖3單液ZnCu原電池溫度曲線圖2和圖3說明單液ZnCu原電池存在什么弊端？原因是什么？2.雙液電池鹽橋?qū)懗鲈撾p液電池正負極方程式鹽橋成分：瓊膠、飽和KCl溶液鹽橋的作用是對鹽橋的深入認識鹽橋中瓊膠的作用：控制離子流速，防止過早失效。用飽和氯化鉀的原因：K+和Cl－遷移速率接近，且不發(fā)生化學反應。鹽橋使用一段時間需要更換，恢復的方式是放入飽和氯化鉀溶液中。例：（2020全國）為驗證不同化合價鐵的氧化還原能力，利用下列電池裝置進行實驗。電池裝置中，鹽橋連接兩電極電解質(zhì)溶液。鹽橋中陰、陽離子不與溶液中的物質(zhì)發(fā)生化學反應，并且電遷移率(u∞)應盡可能地相近。根據(jù)下表數(shù)據(jù)，鹽橋中應選擇____作為電解質(zhì)。分析下圖，帶鹽橋的雙液電池電流有何特點？造成的原因是什么？離子交換膜單液：負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（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)生化學反應。②能選擇性的通過離子，起到的作用。（2）分類（3）三種離子交換膜舉例分析種類裝置圖說明陽離子交換膜(只允許陽離子和水分子通過)氯堿工業(yè)①A極反應式：②B極反應式：③Na＋通過陽離子交換膜進入極區(qū)④陽離子→透過陽離子交換膜→電解池極(或原電池的極)思考：能否用陰離子交換膜？陰離子交換膜(只允許陰離子和水分子通過)以Pt為電極電解淀粉-KI溶液，制備碘酸鉀，中間用陰離子交換膜隔開①陰極反應式：②陽極反應式：③陰極產(chǎn)生的OH－移向陽極與陽極產(chǎn)物反應：④陰離子→透過陰離子交換膜→電解池極(或原電池的極)質(zhì)子交換膜(只允許H＋和水分子通過)在微生物作用下電解有機廢水(含CH3COOH)，可獲得清潔能源H2①陰極反應式：2H＋＋2e－=H2↑②陽極反應式：CH3COOH－8e－＋2H2O=2CO2↑＋8H＋③陽極產(chǎn)生的H＋通過質(zhì)子交換膜移向陰極④H＋→透過質(zhì)子交換膜→原電池正極(或電解池的陰極)（4）原理（以陽離子交換膜為例）交換膜上有很多微孔，“孔道”上有許多帶負電荷的基團，陽離子可以自由通過“孔道”，由濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域移動。陰離子移動到“孔道”處，受到“孔道”帶負電荷基團的排斥而不能進入“孔道”中，因而不能通過交換膜。這就是“選擇性”透過的原因。其構造與工作示意圖如圖所示：陰離子交換膜的構造和工作原理與此相同，只不過是“孔道”中帶正電荷基團而已。（5）判斷根據(jù)溶液呈電中性，巧借離子遷移方向的判斷，從而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。右側：通入CO2，生成HCOOH，接電源極，電極反應方程式為。左側，接電源極，電極反應方程式為。極生產(chǎn)氫離子，極消耗氫離子，因此，隔膜類型為。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。離子移動方向及交換膜類型：產(chǎn)品室為陽極，原料室中的移向產(chǎn)品室，膜1為交換膜；原料室中的移向陰極室，膜2為交換膜。電極反應方程式：陽極；陰極；③溶液“濃→稀”，離子移出；溶液“稀→濃”，離子移入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。迅速判斷左側為離子交換膜，右側為離子交換膜。4.雙極膜雙極膜亦稱雙極性膜，是特種離子交換膜，它是由一張陽膜和一張陰膜復合制成的陰、陽復合膜。該膜的特點是在電場作用下，陰、陽膜復合層間的H2O解離成H+和OH－并分別通過陽膜和陰膜，作為H+和OH－的離子源。電解過程，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－移動的作用是平衡電荷或參與化學反應。雙極膜結構及解離水示意圖例：SO2的脫除與H2O2的制備反應自發(fā)協(xié)同轉化裝置如下圖所示(在電場作用下，雙極膜中間層的H2O解離為H+和OH－，并向兩極遷移)。分析電極反應及H+和OH－的移動方向。二、重溫經(jīng)典例1：（2021湖北）Na2Cr2O7的酸性水溶液隨著H+濃度的增大會轉化為CrO3。電解法制備CrO3的原理如圖所示。下列說法錯誤的是A．電解時只允許H+通過離子交換膜B．生成O2和H2的質(zhì)量比為8∶1C．電解一段時間后陰極區(qū)溶液OH－的濃度增大D．CrO3的生成反應為：Cr2O72－+2H+=2CrO3+H2O【答案】A【解析】根據(jù)左側電極上生成，右側電極上生成，知左側電極為陽極，發(fā)生反應：，右側電極為陰極，發(fā)生反應：；由題意知，左室中隨著濃度增大轉化為，因此陽極生成的不能通過離子交換膜。A．由以上分析知，電解時通過離子交換膜的是，A項錯誤；B．根據(jù)各電極上轉移電子數(shù)相同，由陽極反應和陰極反應，知生成和的物質(zhì)的量之比為1∶2，其質(zhì)量比為8∶1，B項正確；C．根據(jù)陰極反應知，電解一段時間后陰極區(qū)溶液的濃度增大，C項正確：D．電解過程中陽極區(qū)H+的濃度增大，轉化為，D項正確。例2：（2022全國甲卷）一種水性電解液ZnMnO2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，下列敘述錯誤的是A．Ⅱ區(qū)的K+通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移B．Ⅰ區(qū)的SO42－通過隔膜向Ⅱ區(qū)遷移C．MnO2電極反應：MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2OD．電池總反應：Zn+4OH－+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O【答案】A【解析】根據(jù)圖示的電池結構和題目所給信息可知，Ⅲ區(qū)Zn為電池的負極，電極反應為Zn2e+4OH=Zn(OH)，Ⅰ區(qū)MnO2為電池的正極，電極反應MnO2+2e+4H+=Mn2++2H2O；電池在工作過程中，由于兩個離子選擇隔膜沒有指明的陽離子隔膜還是陰離子隔膜，故兩個離子隔膜均可以通過陰、陽離子，因此可以得到Ⅰ區(qū)消耗H+，生成Mn2+，Ⅱ區(qū)的K+向Ⅰ區(qū)移動或Ⅰ區(qū)的SO向Ⅱ區(qū)移動，Ⅲ區(qū)消耗OH，生成Zn(OH)，Ⅱ區(qū)的SO向Ⅲ區(qū)移動或Ⅲ區(qū)的K+向Ⅱ區(qū)移動。據(jù)此分析答題。A．根據(jù)分析，Ⅱ區(qū)的K+只能向Ⅰ區(qū)移動，A錯誤。例3：（2020全國新課標Ⅰ卷）科學家近年發(fā)明了一種新型Zn?CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是A．放電時，負極反應為B．放電時，1molCO2轉化為HCOOH，轉移的電子數(shù)為2molC．充電時，電池總反應為D．充電時，正極溶液中OH?濃度升高【答案】D【解析】由題可知，放電時，CO2轉化為HCOOH，即CO2發(fā)生還原反應，故放電時右側電極為正極，左側電極為負極，Zn發(fā)生氧化反應生成；充電時，右側為陽極，H2O發(fā)生氧化反應生成O2，左側為陰極，發(fā)生還原反應生成Zn，以此分析解答。A．放電時，負極上Zn發(fā)生氧化反應，電極反應式為：，故A正確，不選；B．放電時，CO2轉化為HCOOH，C元素化合價降低2，則1molCO2轉化為HCOOH時，轉移電子數(shù)為2mol，故B正確，不選；C．充電時，陽極上H2O轉化為O2，負極上轉化為Zn，電池總反應為：，故C正確，不選；D．充電時，正極即為陽極，電極反應式為：，溶液中H+濃度增大（若只有H+向陰極移動，H+濃度將不變），故D錯誤，符合題意。三、模型建構1.有“膜”條件下離子定向移動方向的判斷方法2.含離子交換膜電化學裝置題的解題步驟3.定量關系外電路電子轉移數(shù)=通過隔膜的陰（陽）離子帶的負（正）電荷數(shù)。例：工業(yè)上常用連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)消除煙氣中的NO，通過電解可使Na2S2O4再生，裝置如下圖所示。吸收塔內(nèi)每吸收11.2L(標準狀況)的NO，通過離子交換膜的H+的物質(zhì)的量為_______mol。四、名師導學隔膜的認識誤區(qū)：隔膜一定是離子選擇性膜。這種認識是錯誤的。隔膜的作用是阻止特定微粒通過，允許其他微粒通過。隔膜的選擇性越強，就意味著阻礙性越大，微粒的透過性就降低了，電阻性變大。因此需要認識隔膜的雙重性，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效率呢？例1：（2022廣東）科學家基于Cl2易溶于CCl4的性質(zhì)，發(fā)展了一種無需離子交換膜的新型氯流電池，可作儲能設備(如圖)。充電時電極a的反應為：NaTi2(PO4)3+2Na＋+2e－=Na3Ti2(PO4)3。下列說法正確的是A.充電時電極b是陰極B.放電時NaCl溶液的pH減小C.放電時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對多孔炭的解讀：多孔碳既作為電極材料，又是氯氣和氯離子的通道。需要注意的是，與離子選擇性透過膜不同，多孔電極不具備選擇性（考題有信息提示“無需離子交換膜”）。為避免兩極物質(zhì)自由通過，研究者巧妙的將一側設計為非極性環(huán)境，另一側設計為極性環(huán)境。充電時，氯離子被氧化生成氯氣，同時被四氯化碳溶解帶走儲存；放電時，四氯化碳把氯帶到電極上發(fā)生還原反應生成氯離子，氯離子進入氯化鈉溶液中，被帶到儲存室。根據(jù)相似相容原理，氯氣可以始終保留在左室的非極性環(huán)境中，氯離子和鈉離子始終保留右室的極性環(huán)境中。因此，看似敞開，氯氣和氯離子只能在電極上得失電子，然后變換“身份”后再進入對方“領地”，而不能直接跨越。那這樣設計有什么優(yōu)點呢？首先是降低成本，相對于選擇性透過膜