专题1.2.6 离子交换膜在电化学中的应用（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中化学选择性必修1（苏教版2019）

离子交换膜在电化学中的应用 第6课时 1 目 录 01 02 03 一、掌握解题必备知能 二、构建解题思维模型 课时跟踪检测 01 一、掌握解题必备知能 1．离子交换膜的分类与作用 2．三类交换膜应用实例 (1)阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过) 装置图 说明 锌铜原电池 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 (2)阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过) (3)质子交换膜(只允许H＋和水分子通过) 装置图 说明 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→电解池的阴极 02 二、构建解题思维模型 [典例]　普通电解精炼铜的方法所制备的铜中仍含杂质，利用如图的双膜(阴离子交换膜和过滤膜)电解装置可制备高纯度的铜。下列有关叙述错误的是(　 ) A．当电路中通过1 mol电子时，可生成32 g精铜 B．电极a为粗铜，电极b为精铜 C．甲膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区 D．乙膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区 √ [解析]　该装置为电解池，与电源正极相连的b电极为阳极，是粗铜，电极反应：Cu－2e－===Cu2＋，乙膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区；与电源负极相连的a极为阴极，为纯铜，阴极反应：Cu2＋＋2e－===Cu，甲膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区。阴极反应：Cu2＋＋2e－===Cu，电路中通过1 mol电子时，生成0.5 mol Cu，m＝n·M＝0.5 mol×64 g·mol－1＝32 g，可生成32 g精铜，A正确； 由分析知，电极a为精铜，电极b为粗铜，B错误； 甲膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区，C正确； 乙膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区，D正确。 思维建模|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，判断时首先写出阴、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2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，则阴极区生成H2和OH－，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。 [题点多维训练] 1．(2024·泰州中学阶段练习)用电解法可提纯含有某些含氧酸根杂质的粗KOH溶液，其工作原理如图所示。下列有关说法错误的是(　 ) A．阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ B．通电后阴极区附近溶液pH会增大 C．K＋通过交换膜从阴极区移向阳极区 D．纯净的KOH溶液从b出口导出 √ 解析：根据图示，通入粗氢氧化钾的电极是阳极，阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑；通入水的电极是阴极，电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，K＋通过交换膜从阳极区移向阴极区，生成氢氧化钾，纯净的KOH溶液从b口导出，阴极区附近溶液的pH会增大，C项错误。 2．某工厂采用电解法处理含铬废水，耐酸电解槽用铁板作阴、阳极，工作原理如图所示。经过一段时间后，有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀随废水排出，从而使废水中铬含量低于排放标准。下列说法不正确的是(　 ) √ 解析：耐酸电解槽用铁板作阴、阳极，在阴极区，H＋得电子，发生的电极反应包括：2H＋＋2e－===H2↑，A正确； 3．四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(　 ) √ 解析：由图中信息可知，左边电极与负极相连为阴极，右边电极为阳极，所以通电后，阴离子向右定向移动，阳离子向左定向移动，阳极上H2O放电生成O2和H＋，阴极上H2O放电生成H2和OH－；H＋透过c，Cl－透过b，二者在b、c之间的Ⅲ室形成盐酸，盐酸浓度变大，所以b、c分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜；Na＋透过a，NaOH的浓度变大，所以a也是阳离子交换膜，故A、B两项均错误； 电解一段时间后，Ⅰ中的溶液的c(OH－)升高，Ⅱ中为NaCl溶液，c(OH－)不变，Ⅲ中有HCl生成，故c(OH－)减小，Ⅳ中H＋移向Ⅲ，H2O放电生成O2，使水的量减小，c(H＋)增大，C不正确。 4．氢氧化钾是重要的工业产品，工业级氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸根杂质，可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过)，其工作原理如图所示。 (1)该电解槽的阳极反应式是_______________________________。 (2)通电开始后，阴极附近溶液pH会增大，请简述其原因：____________________________________________________________。 (3)除去杂质后的氢氧化钾溶液从液体出口______(填“A”或“B”)导出。 解析：根据电解原理，阳极应是OH－失电子，所以电极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，而阴极为H＋放电，促进水的电离，使OH－浓度增大，所以pH增大。根据阳离子交换膜的特点，K＋可从阳极区进入阴极区和OH－组成KOH，从而可在阴极区得到纯的KOH，故液体应从B口导出。 答案：(1)4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ (2)H＋放电，促进水的电离，OH－浓度增大 (3)B 03 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1．一种电解法制备高纯铬和硫酸的简单装置如图所示。下列说法正确的是(　 ) A．a为直流电源的正极 B．阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑ C．工作时，乙池中溶液的pH不变 D．若有1 mol离子通过A膜，理论上阳极生成0.25 mol气体 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 解析：A项，电解法制备铬，则Cr电极应该是阴极，即a为直流电源的负极，错误； B项，阴极反应式为Cr3＋＋3e－===Cr，错误； C项，工作时，甲池中硫酸根离子移向乙池，丙池中氢离子移向乙池，乙池中硫酸浓度增大，溶液的pH减小，错误； D项，若有1 mol离子通过A膜，即丙池产生1 mol 氢离子，则理论上阳极生成0.25 mol氧气，正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 √ 2．以纯碱溶液为原料，通过电解的方法可制备小苏打，原理装置如图： 上述装置工作时，下列有关说法正确的是(　 ) A．乙池电极接电池正极，气体X为H2 B．Na＋由乙池穿过交换膜进入甲池 C．NaOH溶液Z比NaOH溶液Y浓度小 D．甲池电极反应：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 气体X为阴极上溶液中H2O电离的H＋得到电子生成H2，电极连接电源负极，A错误； 电解池中阳离子移向阴极，钠离子移向乙池，B错误； 阴极附近氢氧根离子浓度增大，NaOH溶液Y比NaOH溶液Z浓度大，C正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 3．NaClO2(亚氯酸钠)是常用的消毒剂和漂白剂，工业上可采用电解法制备，工作原理如图所示。下列叙述正确的是(　 ) 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析：二氧化氯转化为NaClO2(亚氯酸钠)的过程发生了还原反应，应该发生在阴极，所以a是负极，b是正极，若直流电源为铅蓄电池，则b极为正极，应该是PbO2，故A错误； 由总反应式2ClO2＋2NaCl===2NaClO2＋Cl2知，交换膜左边NaOH的物质的量不变，在阳极上氯离子失电子，发生氧化反应，产生氯气，气体X为Cl2，故B错误，C正确； Na＋由交换膜右侧向左侧迁移，故D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 √ 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 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：Fe与电源正极相连为阳极，失电子发生氧化反应生成Fe2＋，故溶液由无色变为浅绿色，A项错误； 阴极上H＋发生还原反应：2H＋＋2e－===H2↑，B项错误； 根据阴极上发生的电极反应知，阴极消耗H＋，电解一段时间后，阴极室溶液pH升高，C项正确； 电解一段时间后，阴极室溶液pH升高，阴极室溶液中的溶质可能有很多种，比如(NH4)3PO4、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4、H3PO4等，D项错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 √ 5．化学研究人员开发出一种生产石灰乳的绿色工艺，其装置如下图所示。装置工作时，下列说法错误的是(　 ) A．电能转变为化学能 B．X膜为阴离子交换膜 C．电解一段时间后，b极附近c(OH－)增大 D．a极上的电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：该装置是电解池，将电能转变为化学能，A项正确； 根据图中信息，左侧加入碳酸钙，中间生成氢氧化钙，左侧生成钙离子向中间移动，则X膜为阳离子交换膜，B项错误； 阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，生成OH－，故b极附近c(OH－)变大，C项正确； a极上水中氢氧根失去电子生成氧气，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，产生的氢离子溶解碳酸钙，D项正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 6．在电镀车间的含铬酸性废水中，铬的存在形式有Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)两种，其中Cr(Ⅵ)的毒性最大。电解法处理含铬废水的装置示意图如图，铬最终以Cr(OH)3沉淀除去。下列说法正确的是(　 ) 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 石墨棒是阴极，电极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，电解质溶液中发生反应：Cr3＋＋3OH－===Cr(OH)3↓，Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓，B错误； 阳极转移3 mol电子，生成1.5 mol Fe2＋，Cr(Ⅵ)被还原为Cr(Ⅲ)，据得失电子守恒可知，可处理Cr(Ⅵ)的物质的量为0.5 mol，C错误； 石墨电极上反应生成OH－，左侧废水中Cr3＋、Fe3＋透过离子交换膜移向右侧，反应生成Cr(OH)3和Fe(OH)3，故离子交换膜为阳离子交换膜，D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 7．通过电解法(电极均为惰性)分离NaHSO3与Na2SO3混合物，其装置如图。下列说法不正确的是(　 ) 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：阳极的电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，A正确； 阳极区H2O放电生成H＋，则c(H＋)增大，电解池中阳离子通过阳离子交换膜向阴极移动，则H＋由a室经阳离子交换膜进入b室，B正确； 外电路每转移0.2 mol电子，不仅有Na＋转移，还有H＋转移，C不正确； 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 8．氯碱工业的一种节能新工艺是将电解池与燃料电池相结合，相关物料的传输与转化关系如图所示(电极未标出)。下列说法正确的是(　 ) 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 A．电解池的阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ B．通入空气的电极为负极 C．电解池中产生2 mol Cl2时，理论上燃料电池中消耗0.5 mol O2 D．a、b、c的大小关系为a>b＝c 解析：题给电解池的阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，A项正确； √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 题给燃料电池为氢氧燃料电池，通入空气的电极为正极，B项错误； 由整个电路中得失电子守恒可知，电解池中产生2 mol Cl2，理论上转移4 mol e－，则燃料电池中消耗1 mol O2，C项错误； 题给燃料电池的负极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O，消耗OH－，又产生H2O，所以b%<a%，正极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，阳离子交换膜只允许阳离子通过，所以c%>a%，所以a、b、c的大小关系为c>a>b，D项错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 9．(1)制备Na2S2O5可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为_______________________________________。电解后，________室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水可得到Na2S2O5。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 (2)KIO3可采用“电解法”制备，装置如图所示。 ①写出电解时阴极的电极反应式：______________________________ ____________________________________________________________。 ②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为________，其迁移方向是__________________。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 (2)①观察电解装置图知，惰性电极a为阳极，惰性电极b为阴极，在碱性条件下，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。 答案：(1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋　a (2)①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑　②K＋　由阳极区到阴极区 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 高阶思维训练 10．(2024·亳州期末)甲醇电解法制H2比电解水法制H2的氢原子的利用率更高、电解电压更低，其工作原理如图所示。下列说法错误的是(　 ) 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 A．质子交换树脂只允许H＋通过 B．a极是电源的负极，它与电解池的阴极相连 C．每产生22.4 L CO2，外电路中要通过6 mol电子 D．参与反应的甲醇与生成的氢气的质量之比为16∶3 解析：根据图中信息左边生成氢气，是氢离子得到电子变为氢气，a为负极，b为正极，右边生成二氧化碳，是甲醇中－2价碳失去电子变为二氧化碳即电极反应式为CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋，右边氢离子不断移向左边，因此质子交换树脂只允许H＋通过，故A正确； √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 根据A选项分析，左边是氢离子得到电子变为氢气，则a极是电源的负极，它与电解池的阴极相连，故B正确； 根据CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋，则每产生1 mol CO2，外电路中要通过 6 mol 电子，而缺少标准状况下，故C错误； 阴极电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，根据电路中电子转移相等，则参与反应的甲醇与生成的氢气的物质的量之比为1∶3，其质量之比为16∶3，故D正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 11．(2023·广东卷)用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池(下图)，可实现大电流催化电解KNO3溶液制氨。工作时，H2O在双极膜界面处被催化解离成H＋和OH－，有利于电解反应顺利进行。下列说法不正确的是(　 ) 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 A．电解总反应：KNO3＋3H2O===NH3·H2O＋2O2↑＋KOH B．每生成1 mol NH3·H2O，双极膜处有9 mol的H2O解离 C．电解过程中，阳极室中KOH的物质的量不因反应而改变 D．相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构可提高氨生成速率 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 每生成1 mol NH3·H2O，阴极得8 mol e－，同时双极膜处有8 mol H＋进入阴极室，即有8 mol的H2O解离，故B错误； 电解过程中，阳极室每消耗4 mol OH－，同时有4 mol OH－通过双极膜进入阳极室，KOH的物质的量不因反应而改变，故C正确； 相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构具有更大的膜面积，有利于H2O被催化解离成H＋和OH－，可提高氨生成速率，故D正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 12．(2024年1月·江西高考适应性演练)水系Zn-CO2电池在碳循环方面具有广阔的应用前景。该电池的示意图如图，其中双极膜在工作时催化H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场的作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是(　 ) 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 A．放电时，Zn电极为负极，发生还原反应 B．充电时，OH－从Zn电极通过双极膜到达催化电极发生反应 C．放电时，催化电极上的反应为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O D．充电时，Zn电极上的反应为Zn2＋＋2e－===Zn √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 催化电极为阳极，双极膜在工作时催化H2O解离为H＋和OH－，氢氧根移向阳极，电极反应式为CO＋2OH－－2e－===CO2＋H2O，据此回答。由分析知，放电时，Zn电极为负极，发生氧化反应，A错误； 充电时，OH－从双极膜向催化电极移动，并发生反应，B错误； 放电时，催化电极上的反应为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，C正确； 装置图 说明 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－===IO＋5I－＋3H2O ④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极 A．阴极区发生的电极反应包括：2H＋＋2e－===H2↑ B．还原Cr2O的主要方式是 Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O C．废水的pH过高或过低均会降低铬的去除率 D．电解槽工作时，Cr2O通过阴离子交换膜从阳极室进入阴极室 在阳极区，Fe失电子生成的Fe2＋还原Cr2O，主要方式是Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O，B正确； 若废水的pH过高，会直接与Fe2＋反应生成Fe(OH)2沉淀，影响Cr2O的还原，若pH过低，会将Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀溶解，都会降低铬的去除率，C正确； 电解槽工作时，因为Cr2O要进入阳极区被Fe2＋还原，所以Cr2O通过阴离子交换膜从阴极室进入阳极室，D错误。 A．b、c分别为阳离子交换膜、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c(OH－)均升高 D．电池总反应为4NaCl＋6H2O4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑ 解析：分析装置图可知放出氧气的电极为阳极，电解质溶液中OH－放电生成O2，c(H＋)增大，CO结合H＋生成HCO，出口为碳酸氢钠，电极反应为4CO＋2H2O－4e－===4HCO＋O2↑，D错误； A．若直流电源为铅蓄电池，则b极为Pb B．阳极反应式为ClO2＋e－===ClO C．交换膜左侧NaOH的物质的量不变，气体X为Cl2 D．制备18.1 g NaClO2时理论上有0.2 mol Na＋由交换膜左侧向右侧迁移 4．用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的NH，模拟装置如图所示。下列说法正确的是(　 ) A．Fe为阳极，反应为Fe－2e－===Fe2＋ B．阴极反应为Cr2O＋7H2O＋6e－===2Cr(OH)3↓＋8OH－ C．阳极每转移3 mol电子，可处理Cr(Ⅵ)物质的量为1 mol D．离子交换膜为质子交换膜，只允许H＋穿过 解析：对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)处理是通过转化为Cr(OH)3处理，由题图可知，同时还生成Fe(OH)3，据此推测铁棒是阳极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，Fe2＋再与Cr2O发生氧化还原反应生成Fe3＋和Cr3＋，A正确； A．阳极的电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ B．阳极区c(H＋)增大，H＋由a室经阳离子交换膜进入b室 C．外电路每转移0.2 mol电子，有0.2 mol Na＋从b室进入c室 D．c室得到Na2SO3的原因是OH－＋HSO===H2O＋SO c室中产生Na2SO3，溶液为碱性，则c室得到Na2SO3的原因是OH－＋HSO===H2O＋SO，D正确。 解析：(1)根据装置图可知左侧为阳极，溶质为H2SO4，实际放电的是水电离出的OH－，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。电解过程中，阳离子(H＋)向右侧移动，则a室中SO＋H＋===HSO，NaHSO3浓度增大。 解析：由信息大电流催化电解KNO3溶液制氨可知，在电极a处KNO3放电生成NH3，发生还原反应，故电极a为阴极，电极方程式为NO＋8e－＋9H＋===NH3·H2O＋2H2O，电极b为阳极，电极方程式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，“卯榫”结构的双极膜中的H＋移向电极a，OH－移向电极b。由分析中阴阳电极方程式可知，电解总反应为KNO3＋3H2O===NH3·H2O＋2O2↑＋KOH，故A正确； 解析：由图知，该电池在放电时，Zn作负极失去电子，发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)，催化电极作为正极得电子，发生还原反应，电极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，充电时，Zn作为阴极，双极膜在工作时催化H2O解离为H＋和OH－，氢离子移向阴极，电极反应式为Zn(OH)＋4H＋＋2e－===Zn＋4H2O， 充电时，Zn电极上的反应为Zn(OH)＋4H＋＋2e－===Zn＋4H2O，D错误。 $$