2024届高三化学一轮复习 专题六微专题8 电化学离子交换膜的分析与应用 导学案

电化学离子交换膜的分析与应用 【必备知识】 1．离子交换膜的含义和作用 (1)含义：离子交换膜又叫隔膜，由高分子特殊材料制成 (2)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，如：在电解饱和食盐水中，利用阳离子交换膜，防止阳极产生的Cl2进入阴极室与氢氧化钠反应，导致所制产品不纯；防止与阴极产生的H2混合发生爆炸 ②能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用 ③用于物质的分离、提纯等 ④用于物质的制备，电解后溶液阴极区或阳极区得到所制备的物质 2．离子交换膜的类型 (1)阳离子交换膜——只允许阳离子和水分子通过，阻止阴离子和气体通过 以锌铜原电池为例，中间用阳离子交换膜隔开 ①负极反应式：Zn－2e－===Zn2＋ ②正极反应式：Cu2＋＋2e－===Cu ③Zn2＋通过阳离子交换膜进入正极区 ④阳离子透过阳离子交换膜原电池正极(或电解池的阴极) 以Pt为电极电解淀粉­KI溶液，中间用阴离子交换膜隔开 ①阴极反应式：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ ②阳极反应式：2I－－2e－===I2 ③阴极产生的OH－移向阳极与阳极产物反应：3I2＋6OH－===IOeq \o\al(－,3)＋5I－＋3H2O ④阴离子透过阴离子交换膜电解池阳极(或原电池的负极) (3)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H2 ①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) 方法与 技巧 (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 (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 实例分析：电解饱和食盐水 分析 方法 电解饱和食盐水时，阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，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 【精准训练1】 1．Kolbe法制取乙烯的装置如图所示，电极a上的产物为乙烯和碳酸根离子。下列说法正确的是(　　) A．该装置将化学能转化为电能 B．图中为阳离子交换膜 C．阴极周围溶液的pH不断减小 D．每生成1 mol乙烯，电路中转移2 mol电子 2．四室式电渗析法制备盐酸和NaOH的装置如图所示。a、b、c为阴、阳离子交换膜。已知：阴离子交换膜只允许阴离子透过，阳离子交换膜只允许阳离子透过。下列叙述正确的是(　　) A．b、c分别依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜 B．通电后Ⅲ室中的Cl－透过c迁移至阳极区 C．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高 D．电池总反应为4NaCl＋6H2Oeq \o(=====,\s\up7(电解))4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑ 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 阳离子交换膜电解槽 过程 分析 阳极室中电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区H＋放电，破坏了水的电离平衡，使OH－浓度增大，阳极区Cl－放电，使溶液中的c(Cl－)减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na＋通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH－结合，得到浓的NaOH溶液。利用这种方法制备物质，纯度较高，基本没有杂质 阳离子交换膜的作用 只允许Na＋通过，而阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应生成NaClO而影响烧碱的质量 (2)三室电解池——利用三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如图所示。 装置图 过程分析 阴极的NO被还原为NHeq \o\al(＋,4)：NO＋5e－＋6H＋===NHeq \o\al(＋,4)＋H2O，NHeq \o\al(＋,4)通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的NO被氧化为NOeq \o\al(－,3)：NO－3e－＋2H2O===NOeq \o\al(－,3)＋4H＋，NOeq \o\al(－,3)通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得电解总反应：8NO＋7