第四章 专题突破（十）离子交换膜在电化学中的应用-【金版新学案】2024-2025学年新教材高二化学选择性必修1同步课堂高效讲义配套课件（人教版2019，双选版）

专题突破（十） 离子交换膜在电化学中的应用 　 第四章　化学反应与电能 交换膜隔离两种电解质溶液，避免负极材料与能发生反应的电解质溶液直接接触，能提高电流效率。在这种装置中，交换膜起到盐桥作用，且优于盐桥(盐桥需要定时替换或再生)。通过限制离子迁移，使指定离子在溶液中定向移动形成闭合回路，完成氧化剂和还原剂在不接触条件下发生氧化还原反应。 1.离子交换膜的功能及类型 (1)功能：使离子定向移动，选择性通过某些离子或隔离某些离子、物质，平衡整个溶液的离子浓度或电荷。 (2)种类：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。 阴离子交换膜：只允许阴离子和水分子通过，阻止阳离子和气体通过。 质子交换膜：只允许质子(氢离子)和水分子通过。 2.离子交换膜在电化学中的作用 (1)用离子交换膜隔离某些分子和离子，防止副反应的发生。 例如氯碱工业中，阳离子交换膜的作用就是阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过，防止氯气和NaOH反应。 (2)离子交换膜制备物质、分离物质等。 以电渗析法制备H3PO2为例，其原理如图所示。 离子移动方向及交换膜类型：产品室为阳极，原料室中的阴离子 移向产品室，膜1为阴离子交换膜；原料室中的阳离子Na＋移向阴极室，膜2为阳离子交换膜。 阳极：电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，产生的H＋结合移入的H2PO 生成H3PO2。 阴极：电极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，产生的OH－结合移入的Na＋生成NaOH。 (3)离子交换膜使具有浓度差的离子进行选择性迁移。 离子从“浓→稀”的溶液区移出，移 向“稀→浓”的溶液区。 以电化学制备K2Cr2O7为例，其原理 如图所示，其中a、b均为石墨电极。 左侧：为“稀→浓”的溶液区，则右侧的K＋通过K＋交换膜移向左侧，a极为阴极，电极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，产生的OH－结合移入的K＋生成KOH。 右侧：b极为阳极，电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，使溶液中的反应 ＋2H＋ ⥫===⥬　　　＋H2O正向进行，生成K2Cr2O7。 3.阴、阳离子交换膜的判断 (1)看清图示，是否在交换膜上标注了阴、阳离子，是否标注了电源的正、负极，是否标注了电子流向、电流流向等，明确阴、阳离子的移动方向。 (2)根据原电池、电解池中阴、阳离子的移动方向，结合给出的制备、电解物质等信息，找出物质生成或消耗的电极区域，确定移动的阴、阳离子，从而推知离子交换膜的种类。 √ 针对练1.如下所示电解装置中，通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成，Fe2O3逐渐溶解，下列判断错误的是 A.a是电源的负极 B.通电一段时间后，向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出现红色 C.随着电解的进行，CuCl2溶液浓度变大 D.当0.01molFe2O3完全溶解时，至少产生气体336mL(折合成标准状况下) 根据题图，结合题意知，石 墨电极Ⅱ上H2O发生氧化反应 产生O2，故石墨电极Ⅱ是阳 极，则b是电源的正极、a是 电源的负极，A项正确；石墨电极Ⅱ上H2O放电产生O2和H＋：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，通电一段时间后，石墨电极Ⅱ附近溶液显酸性，能使石蕊显红色，B项正确；电解时，Cu2＋在石墨电极Ⅰ上放电生成Cu，左室中Cl－通过阴离子交换膜进入中间室，故CuCl2溶液的浓度减小，C项错误；由Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O和阳极反应式可得 Fe2O3～ ，故产生O2的体积是 ×0.01mol×22.4L·mol－×103mL· L－1＝336mL，D项正确。 √ 针对练2.用惰性电极电解法制备硼酸[H3BO3或B(OH)3]的工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子和阴离子通过)。下列有关说法正确的是 A.阴极与阳极产生的气体体积比为1∶2 B.b极的电极反应式为2H2O－2e－===O2↑＋4H＋ C.产品室中发生的反应是B(OH)3＋OH－===B(OH) D.每增加1molH3BO3产品，NaOH溶液增重22g 由题图可知，b极为阳极，电解时阳极 上水失电子发生氧化反应生成O2和H＋， a极为阴极，电解时阴极上水得电子发生 还原反应生成H2和OH－，原料室中的钠 离子通过阳膜进入a极室，溶液中c(NaOH)增大，原料室中 通过阴膜进入产品室，b极室中氢离子通过阳膜进入产品室，在产品室中 、H＋发生反应生成H3BO3；a、b电极反应式分别为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－、2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，理论上每生成1molH3BO3产品，b极生成1molH＋，a极生成0.5molH2，减少质量为1g，NaOH溶液增加的Na＋为1mol即23g，故NaOH溶液增重22g。 √ 针对练3.双极膜在电渗析中应用广泛，它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层，工作时水层中的H2O解离成H＋和 OH－，并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。下图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。 下列说法正确的是 A.出口2的产物为HBr溶液 B.出口5的产物为硫酸溶液 C.Br－可从盐室最终进入阳极液中 D.阴极电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑ 阴极，水中H＋放电，双极膜中水解离生成的H＋移向阴极区，OH－移向交换室1，与NaBr溶液中通过阳离子交换膜进入交换室1的Na＋组成NaOH溶液，出口1为Na2SO4溶液，出口2为NaOH溶液，同理，阳极，水中OH－放电，双极膜中的OH－移向阳极，H＋移向交换室2，与通过阴离子交换膜进入交换室2的Br－组成HBr，出口4产物为HBr溶液，出口5为Na2SO4溶液。 课时测评 √ 1.(8分)一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化，其工作原理如图所示，图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示。下列有关说法不正确的是 A.Cl－由中间室移向左室 B.X气体为CO2 C.处理后的含 废水的pH降低 D.电路中每通过4mol电子，产生标准状况下X气体的体积为22.4L 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 该电池中， 得电子发生还原反应，则装置中右 边电极是正极，电极反应为2 ＋10e－＋12H＋ ===N2↑＋6H2O，装置左边电极是负极，负极上 有机物失电子发生氧化反应生成X，电极反应为 C6H10O5－24e－＋7H2O===6CO2↑＋24H＋。放电时，电解质溶液中阴离子Cl－移向负极室(左室)，A项正确；X气体为CO2，B项正确；正极反应为2 ＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，H＋参加反应导致溶液酸性减弱，溶液的pH增大，C项错误；根据负极电极反应C6H10O5－24e－＋7H2O===6CO2↑＋24H＋知，电路中每通过4mol电子，产生标准状况下CO2气体的体积为 ×6×22.4L·mol－1＝22.4L，D项正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 2.(8分)(2023·泸州高二期末)氢碘酸(HI)可用“四室电渗析法”制备，其工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)。下列叙述错误的是 A.通电后，阴极室溶液的pH增大 B.阳极电极反应式是2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ C.得到1mol产品HI，阳极室溶液质量减少8g D.通电过程中，NaI的浓度逐渐减小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 通电后，阴极电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，则溶液的pH增大，故A正确；阳极上发生氧化反应，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，故B正确；根据阳极电极反应式可知得到1mol产品HI，则转移1mol电子，阳极室溶液质量减少9g，故C错误；通电过程中，原料室中的Na＋移向阴极室，I－移向产品室，所以NaI的浓度逐渐减小，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 3.(8分)电解法制备MnO2的装置如图所示。下列说法不正确的是 A.离子交换膜可选用质子交换膜 B.阳极反应式为Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋ C.阴极区溶液的pH增大 D.导线中通过1mole－时，理论上阳极区溶液的质量减少44.5g 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 由题中给的信息可知，锰离子在阳极失电子结合水 生成二氧化锰，同时产生氢离子，反应式为Mn2＋ ＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋；阴极氢离子得电子 产生氢气，根据溶液呈电中性的原则，阳极产生的 氢离子通过离子交换膜进入阴极，离子交换膜为质 子交换膜，故A不符合题意；阳极反应式为Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋，故B不符合题意；根据溶液呈电中性的原则，阴极有H＋参加电极反应，阳极产生的氢离子通过离子交换膜进入阴极，故阴极溶液pH不变，故C符合题意；根据Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋，通过1mol电子，产生0.5mol二氧化锰，和进入阴极的1mol氢离子的质量之和为44.5g。故D不符合题意。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 4.(8分)双隔膜电解池的结构示意简图如图所示，利用该装置可电解硫酸钠溶液以制取硫酸和氢氧化钠，并得到氢气和氧气。对该装置及其原理判断正确的是 A.a气体为氢气，b气体为氧气 B.A溶液为氢氧化钠，B溶液为硫酸 C.c隔膜为阳离子交换膜，d隔膜为阴离子交换膜 D.该电解反应的总方程式可以表示为2Na2SO4＋6H2O 2H2SO4＋4NaOH＋O2↑＋2H2↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 该电解装置的实质是用惰性电极电解Na2SO4 溶液，左侧为阳极，电极反应为2H2O－4e－ ===O2↑＋4H＋，右侧为阴极，电极反应为 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，所以a气体为 氧气，b气体为氢气，故A错误；A溶液为硫酸，B溶液为氢氧化钠溶液，故B错误； 向阳极移动，Na＋向阴极移动，所以c隔膜为阴离子交换膜，允许 通过，d隔膜为阳离子交换膜，允许Na＋通过，故C错误；由于装置的特殊性，可得产物O2、H2、H2SO4、NaOH，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 5.(8分)电解Na2CO3溶液制取NaHCO3溶液和NaOH溶液的装置如图所示。下列说法中不正确的是 A.阴极产生的物质A是H2 B.溶液中Na＋由阳极室向阴极室迁移 C.阳极OH－放电，H＋浓度增大，CO转化为HCO D.物质B是NaCl，其作用是增强溶液导电性 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 阴极上发生还原反应，电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，则阴极上产生的物质A是H2，A正确；电解池中阳离子向阴极移动，则Na＋由阳极室向阴极室迁移，B正确；由题图可知，阳极上产生O2，则阳极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，溶液中c(H＋)增大， 转化为 ，C正确；由题图可知，阴极区得到NaOH溶液，为不引入杂质，物质B应为NaOH，其作用是增强溶液的导电性，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 6.(8分)如图装置(Ⅰ)为一种可充电电池的示意图， 其中的离子交换膜只允许K＋通过，该电池充放 电的化学方程式为K2S4＋3KI 2K2S2＋ KI3，装置(Ⅱ)为电解池的示意图，当闭合开关 K时，X附近溶液先变红。则下列说法正确的是 A.闭合K时，K＋从左到右通过离子交换膜 B.闭合K时，A的电极反应式为3I－－2e－===I C.闭合K时，X的电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑ D.闭合K时，当有0.1molK＋通过离子交换膜，X电极上产生标准状况下气体2.24L 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 当闭合开关K时，X附近溶液先变红，即X附近有氢 氧根离子生成，所以在X极上H＋得电子析出氢气， X极是阴极，Y极是阳极，与阴极连接的是原电池的 负极，所以A极是负极，B极是正极。闭合K时，A是 负极，B是正极，原电池工作时，阳离子向正极移动， 应从左到右通过离子交换膜，故A正确；闭合K时，A是负极，负极上失电子发生氧化反应，电极反应式为3I－－2e－=== ，故B错误；闭合K时，X电极是阴极，在阴极上溶液中水电离出的氢离子放电生成氢气，所以电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故C错误；闭合K时，当有0.1molK＋通过离子交换膜，即有0.1mol电子产生，根据2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－关系式知，生成的氢气的物质的量为0.05mol，体积为1.12L(标况下)，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 7.(8分)如图所示，某同学设计了一个燃料电池并探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理，其中乙装置中X为阳离子交换膜。下列有关说法正确的是 A.反应一段时间后，乙装置中在铁电极区生成氢氧化钠 B.乙装置中铁电极为阴极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋ C.通入氧气的一极为正极，发生的电极反应为O2－4e－＋2H2O===4OH－ D.反应一段时间后，丙装置中硫酸铜溶液浓度保持不变 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 甲装置为甲醚燃料电池，充入氧气的一极发生还原反应，为电池的正极，充入甲醚的一极为电池的负极；乙装置为电解饱和氯化钠溶液的装置，根据串联电池中电子的转移，可知Fe电极为阴极，C极为阳极；丙装置为电解精炼铜的装置，精铜为阴极，粗铜为阳极。乙装置中铁电极发生的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，根据电荷守恒知Na＋移向阴极，在铁电极处生成氢氧化钠，故A正确；乙装置中铁电极发生的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故B错误；正极发生还原反应，反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－， 故C错误；粗铜极除了铜发生氧化反应外，活动性在铜前面的杂质金属也会反应，但在精铜极，只有Cu2＋被还原，根据电荷守恒，硫酸铜溶液浓度减小，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 8．(双选)(8分)高铁酸盐在能源环保领域有广泛用途。用镍 (Ni)、铁作电极电解浓NaOH溶液制备高铁酸钠(Na2FeO4)的装置如图所示。下列说法正确的是 A．铁是阳极，电极反应为Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2↓ B．电解一段时间后，镍电极附近溶液的pH增大 C．每制得1 mol Na2FeO4，理论上可以产生67.2 L气体 D．若离子交换膜为阴离子交换膜，则电解结束后左侧溶液中含有 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 用镍(Ni)、铁作电极电解浓NaOH溶液制备高铁酸钠(Na2FeO4)，铁失电子生成高铁酸钠，则铁作阳极，镍作阴极，电极反应式为Fe＋8OH－－6e－=== ＋4H2O，故A错误；镍电极上氢离子放电生成氢气，氢离子浓度减小，所以溶液的pH增大，故B正确；温度和压强未知，所以无法计算生成气体体积，故C错误；若离子交换膜为阴离子交换膜，则电解结束后由于浓度差左侧溶液中会含有 ，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 9.(8分)(2023·潍坊高二联考)最近我国科学家设计了 一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2 和H2S的高效去除。示意图如下所示，其中电极分别 为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨 烯电极区发生反应为 ①EDTA-Fe2＋－e－===EDTA-Fe3＋ ②2EDTA-Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋ 该装置工作时，下列叙述错误的是 A.阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O B.协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低 D.若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需为酸性 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解 池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴极。由题图可知， 电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋ H2O，A项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反 应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B项正确；阳极 接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高，C项错误；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D项正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 10.(8分)某热再生电池工作原理如图所示。放电后，可 利用废热进行充电。已知电池总反应：Cu2＋＋4NH3 [Cu(NH3)4]2＋　ΔH＜0下列说法正确的是 A.充电时，能量转化形式主要为电能→化学能 B.放电时，负极反应为NH3－8e－＋9OH－===NO＋6H2O C.a为阳离子交换膜 D.放电时，左池Cu电极减少6.4g时，右池溶液质量减少18.8g 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 11.(10分)乙醛酸(HOOC—CHO)是一种重要的有机合成中间体。在乙二酸(HOOC—COOH)电还原法合成乙醛酸的基础上化学工作者创新性地提出双极室成对电解法装置模型及工作原理如图所示。下列说法中错误的是 A.该离子交换膜应选择阳离子交换膜 B.HCl是制取乙醛酸反应的催化剂，并起导电作用 C.该方法的总反应为OHC—CHO＋HOOC—COOH 2HOOC—CHO D.乙二醛、乙二酸分别在阴、阳电极表面放电，故称为双极室成对电解法 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 由装置图可知，产生氯气的一极应为阳 极，氯气氧化乙二醛同时产生氢离子， 氢离子要向阴极移动，故离子交换膜为 阳离子交换膜，故A正确；从装置图中 可看出，氯离子变为氯气，氯气又变为氯离子，可认为HCl是制取乙醛酸反应的催化剂，并起导电作用，故B正确；两个电极都产生乙醛酸，总反应为OHC—CHO＋HOOC—COOH 2HOOC—CHO，故C正确；乙二醛在阳极放电，乙二酸在阴极放电，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12.(10分)(2023·西安高二期末)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通过，阳离子交换膜只允许阳离子通过。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＋6H2O 4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 由题图中信息可知，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，pH升高，Ⅱ中为NaCl溶液，pH不变，Ⅲ中有HCl生成，故c(H＋)增大，pH减小，Ⅳ中H＋移向Ⅲ，H2O放电生成O2，使水的量减小，c(H＋)增大，pH减小，C错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 谢 谢 观 看 ！ 第 四 章 　 化 学 反 应 与 电 能 H2PO 2CrO Cr2O O2 B(OH) B(OH) NO NO NO NO SO SO CO HCO I FeO FeO FeO $$