1.2 第6课时 离子交换膜在电化学中的应用(拓展课)(Word教参)-【新课程学案】2025-2026学年高中化学选择性必修1（苏教版）

第6课时　离子交换膜在电化学中的应用(拓展课) 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) 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-==I+5I-+3H2O ④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极 (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 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。 [答案]　B |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.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:选C　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.(2025年1月·八省联考内蒙古卷)电解回收工艺的原理如图所示。下列说法错误的是 (　　) A.太阳能电池板经光照产生的电子流向a极 B.LiCoO2浸出:4LiCoO2+12H+==4Li++4Co2++6H2O+O2↑ C.b电极反应:2H2O+2e-==H2↑+2OH- D.电解前除去LiCoO2中的杂质,可提高Co(OH)2纯度 解析:选A　由太阳能电池电解回收工艺的原理可知,电极a上H2O失去电子变为O2,所以电极a为阳极,电极反应为2H2O-4e-==O2↑+4H+,电极b为阴极,电极反应为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,据此作答。电极b为阴极,太阳能电池板经光照产生的电子流向b极,A错误;LiCoO2浸出生成Co2+,钴元素化合价降低,氧元素化合价升高,所以离子方程式为4LiCoO2+12H+==4Li++4Co2++6H2O+O2↑,B正确;b电极为阴极,电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,C正确;电解前除去LiCoO2中的杂质,防止Cu2+与NaOH反应生成Cu(OH)2,可提高Co(OH)2纯度,D正确。 3.(2024·重庆卷)我国科研工作者研发了一种新型复合电极材料,可将CO2电催化转化为甲酸,如图是电解装置示意图。下列说法正确的是 (　　) A.电解时电极N上产生OH- B.电解时电极M上发生氧化反应 C.阴、阳离子交换膜均有两种离子通过 D.总反应为2CO2+2H2O2HCOOH+O2 解析:选D　电极M上CO2转化为HCOO-,发生还原反应:CO2+2e-+H2O==HCOO-+OH-,为阴极;电极N上H2O转化为O2,发生氧化反应:2H2O-4e-==O2↑+4H+,为阳极;阴极室HCOO-、OH-透过阴离子交换膜进入中间室,阳极室H+透过阳离子交换膜进入中间室,HCOO-和H+结合为HCOOH。电解时电极N上发生反应2H2O-4e-==O2↑+4H+,产生H+,A项错误;由分析知,电解时电极M上发生还原反应,B项错误;由分析知,阳离子交换膜只有H+通过,C项错误;根据阳极反应2H2O-4e-==O2↑+4H+,阴极反应CO2+2e-+H2O==HCOO-+OH-,可得总反应为2CO2+2H2O2HCOOH+O2,D项正确。 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 [课时跟踪检测] 一、选择题 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 解析:选D　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C+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。 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↑ 解析:选C　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,C结合H+生成HC,出口为碳酸氢钠,电极反应为4C+2H2O-4e-==4HC+O2↑,D错误;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。 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 (　　) 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-==Cl 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 解析:选C　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。 4.用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的N,模拟装置如图所示。下列说法正确的是 (　　) 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 解析:选C　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。 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↑ 解析:选B　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。 6.(2025·成都高二期中)现代膜技术可使某种离子具有单向通过能力,常用于电解池、原电池中。电解NaB(OH)4溶液可制备H3BO3,其工作原理如图所示。下列说法错误的是 (　　) A.NaB(OH)4中B的化合价为+3价 B.N室发生的电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH- C.去掉a膜,阳极区用稀硫酸作电解液,不影响H3BO3的纯度 D.a、c膜均为阳离子交换膜,b膜为阴离子交换膜 解析:选C　NaB(OH)4中Na元素为+1价,氢氧根为-1价,则B的化合价为+3价,故A正确;N室为阴极室,反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,故B正确;去掉a膜,阳极区用稀硫酸作电解液,则所得的产品会混有硫酸,则影响H3BO3的纯度,故C错误;根据以上分析,a、c膜均为阳离子交换膜,b膜为阴离子交换膜,故D正确。 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 (　　) 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-+HS==H2O+S 解析:选C　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;c室中产生Na2SO3,溶液为碱性,则c室得到Na2SO3的原因是OH-+HS==H2O+S,D正确。 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 (　　) 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:选A　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;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。 9.(2024·福建卷)一种兼具合成功能的新型锂电池工作原理如图,电解质为含Li+有机溶液。放电过程中产生(CF3SO2)2NLi,充电过程中电解LiCl产生Cl2。下列说法正确的是 (　　) A.交换膜为阴离子交换膜 B.电解质溶液可替换为LiCl水溶液 C.理论上每生成1 mol Cl2,需消耗2 mol Li D.放电时总反应:6Li+N2+4CF3SO2Cl==2(CF3SO2)2NLi+4LiCl 解析:选D　根据图中信息知,放电时负极反应为Li-e-==Li+,正极首先发生N2+6Li++6e-==2Li3N,接着发生反应:Li3N+2CF3SO2Cl==(CF3SO2)2NLi+2LiCl,充电时发生电解反应2LiCl==2Li+Cl2↑。电解质中含Li+,放电时负极产生Li+,正极反应消耗Li+,故Li+从负极区转移至正极区,则该交换膜为阳离子交换膜,A项错误;因Li能与水发生剧烈反应,故电解质溶液不能使用LiCl水溶液,B项错误;充电过程相当于电解LiCl,阳极Cl-失电子生成Cl2,阴极Li+得电子生成Li,存在关系式2Li~Cl2~2e-,故理论上生成1 mol Cl2,生成了2 mol Li,C项错误;结合分析中正极和负极发生的反应可知,D项正确。 10.(2024·湖北卷)我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂,用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸,原理如图,双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中,甲醛转化为HOCH2O-,存在平衡HOCH2O-+OH-⇌[OCH2O]2-+H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-==HCOO-+H·。下列说法错误的是 (　　) A.电解一段时间后阳极区c(OH-)减小 B.理论上生成1 mol H3N+CH2COOH双极膜中有4 mol H2O解离 C.阳极总反应式为2HCHO+4OH--2e-==2HCOO-+H2↑+2H2O D.阴极区存在反应H2C2O4+2H++2e-==CHOCOOH+H2O 解析:选B　左侧PbCu电极的Pb表面转化为,发生脱氧的还原反应,Cu表面转化为,发生脱氧、加氢的还原反应,因此PbCu电极为阴极;根据题干信息,右侧Cu电极上发生失电子的氧化反应,因此Cu电极为阳极。根据题干信息可知,Cu电极所在的阳极区先后发生反应:HCHO+OH-⇌HOCH2O-、HOCH2O-+OH-⇌[OCH2O]2-+H2O、[OCH2O]2--e-==HCOO-+H·,H·可转化为H2,则阳极总反应式为2HCHO+4OH--2e-==2HCOO-+H2↑+2H2O,C正确。根据阳极总反应可知,每消耗4个OH-,电路中通过2e-,根据电荷守恒,双极膜中有2个OH-向阳极迁移,即阳极区c(OH-)减小,A正确。由题给信息知,阴极总反应物为H2C2O4、NH2OH,总产物为H3N+CH2COOH,电极反应式为H2C2O4+NH2OH+6e-+7H+==H3N+CH2COOH+3H2O,每生成1 mol H3N+CH2COOH,电路中通过6 mol e-,双极膜中需有6 mol H2O解离出6 mol H+向阴极迁移,B错误。双极膜中H2O解离出的H+向阴极移动,因此H2C2O4在阴极Pb电极上转化为OHCCOOH的反应为H2C2O4+2H++2e-==OHCCOOH+H2O,D正确。 二、非选择题 11.(8分)(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。  (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　　　　　　　　　。  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S+H+==HS,NaHSO3浓度增大。(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 162 / 162 学科网（北京）股份有限公司 $$