4.2.5 离子交换膜膜电池及其定量计算-【核心素养新教学】2025-2026学年高二化学同步优质教学课件（人教版选择性必修1）

该高中化学课件聚焦离子交换膜种类判断及膜电池定量计算，从电解饱和食盐水切入，讲解膜的作用与工作原理，通过电极反应分析、溶液电中性判断等方法构建知识支架，结合单膜、多膜、双极膜实例形成从原理到应用的递进。 亮点在于融合化学观念与科学思维，以氯碱工业、电解CO₂制HCOOH等实例，通过“电极反应-离子迁移-膜类型判断”逻辑链培养证据推理能力。定量计算结合离子迁移与溶液质量变化，学生能深化微观探析，教师可依托例题和检测提升教学效率。

第一章 化学反应的热效应 第四章 化学反应与电能 第二节 电解池 本节重点 离子交换膜的种类判断 第5课时 离子交换膜膜电池及其定量计算 1 电解饱和食盐水(氯碱工业) 阳离子交换膜的作用： 阻止OH-进入阳极室与Cl2发生副反应2NaOH + Cl2=NaCl + NaClO 为实现特定功能需求，在电化学装置中增加离子交换膜，将原电池或电解池分隔成两个或多个相对独立的室。 1．离子交换膜 离子交换膜又叫隔膜，由高分子特殊材料制成，交换膜使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。 2．隔膜的作用 (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。 (2)能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。 主题1:离子交换膜种类的判断 3．工作原理(以阳离子交换膜为例)： 交换膜上有很多微孔，“孔道”上有许多带负电荷的基团，阳离子可以自由通过“孔道”，由浓度大的区域向浓度小的区域移动。阴离子移动到“孔道”处，受到“孔道”带负电荷基团的排斥而不能进入“孔道”中，因而不能通过交换膜。这就是“选择性”透过的原因。其构造与工作示意图如图所示：阴离子交换膜的构造和工作原理与此相同，只不过是“孔道”中带正电荷基团而已。 主题1:离子交换膜种类的判断 4．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， (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，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2H＋＋2e－===H2↑，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。 主题1:离子交换膜种类的判断 （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 离子迁移方向的判断 ①离子从“生成区”移向“消耗区” 以电解CO2制HCOOH为例， 其原理如图所示。 右侧：通入CO2，生成HCOOH，发生还原反应，多孔锡作阴极，电极反应为CO2＋H＋＋2e－===HCOO－，消耗从左侧迁移过来的H＋。 左侧“Pt片”作阳极，水电离产生的OH－放电，电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成H＋。 离子移动方向：H＋通过阳离子交换膜从左侧移向右侧。 主题1:离子交换膜种类的判断 ②离子从“原料区”移向“产物区” 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。 主题1:离子交换膜种类的判断 ③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↑，促使溶液中的反应＋H2O正向进行，生成K2Cr2O7。 主题1:离子交换膜种类的判断 单膜电解池及分析 例1.微生物电解池(MEC)是一种新型的且能兼顾氢气或甲烷回收的废水处理技术,将电化学法和生物还原法有机结合,MEC具有很好的应用前景。微生物电化学产甲烷法的装置如图所示。下列有关说法正确的是(　　) A.“产电菌”极的电势比“产甲烷菌”极的低 B.该微生物电解池工作时将化学能转化为电能 C.阴极的电极反应式为CO2+8e-+8H+===CH4+2H2O D.若产生1 mol CH4,理论上阳极室生成CO2的体积为44.8 L 主题1:离子交换膜种类的判断 思路导引“产电菌”电极上CH3COO-→CO2,发生氧化反应 该电极为阳极; “产甲烷菌”电极上CO2→CH4,发生还原反应 该电极为阴极。 阴极 “产甲烷菌”极 CO2+8H++8e-===CH4+2H2O 阳极 “产电菌”极 CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+ 答案 C 解析 根据装置示意图可知,“产电菌”极为阳极,“产甲烷菌”极为阴极,电解池中阳极的电势高于阴极的电势,A错误;电解池可将电能转化为化学能,B错误;阴极CO2得电子,并与H+反应生成甲烷和水,电极反应式为CO2+8H++8e-===CH4+2H2O,C正确;根据电极反应式CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+可知,产生1 mol CH4时转移8 mol电子,理论上,标准状况下阳极室生成CO2的体积为44.8 L,D错误。 多膜电解池及分析 例2.用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的 ,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,阴极室溶液中的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 阳极上Fe发生氧化反应,溶液由无色变为浅绿色,A错误;阴极上H+发生还原反应:2H++2e-===H2↑,B错误;阴极消耗H+,电解一段时间后,阴极室溶液pH升高,C正确;电解一段时间后,阴极室溶液pH升高, 还能与OH-反应生成NH3·H2O,因此阴极室溶液中溶质除(NH4)3PO4外,还可能有NH3·H2O,D错误。 答案 C 主题1:离子交换膜种类的判断 双极膜电解池及分析 例3.为适应可再生能源的波动性和间歇性,我国科学家设计了一种电化学装置,其原理如下图所示。当闭合K1和K3、打开K2时,装置处于蓄电状态;当打开K1和K3、闭合K2时,装置处于放电状态。放电时,双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-并分别向两侧迁移。下列有关该电化学装置工作时的说法不正确的是(　　) 答案 C A.蓄电时,碳锰电极附近溶液pH减小 C.放电时,每消耗1 mol MnO2,理论上有4 mol H+由双极膜向碳锰电极迁移 D.理论上,该电化学装置运行过程中不需要补充H2SO4和KOH 主题1:离子交换膜种类的判断 解析 蓄电时为电解池反应,碳锰电极上Mn2+失电子生成MnO2,电极反应式为Mn2++2H2O-2e-===MnO2+4H+,溶液pH减小,A正确;蓄电时,右侧电解池中ZnO得电子生成Zn,OH-失电子生成O2,总反应为2ZnO 2Zn+O2↑,B正确;放电时,碳锰电极为正极,电极反应式为MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2O,每消耗1 mol MnO2,需要消耗4 mol H+,但碳锰电极只生成2 mol正电荷,剩余正电荷需要从双极膜间得到,则理论上应有2 mol H+由双极膜向碳锰电极迁移,C错误;该电化学装置运行过程中H+得电子生成H2,但实际过程为消耗了溶剂水,氢离子浓度增大,OH-失电子生成O2,但实际过程也是消耗了溶剂水,氢氧根离子浓度增大,则不需要补充H2SO4和KOH,D正确。 主题1:离子交换膜种类的判断 课堂检测 1.污水资源化利用既可以缓解水的供需矛盾，又可以减少水污染。化学工作者提出采用电解法除去工业污水中的NaCN，其原理如图所示，通电前先向污水中加入适量食盐并调整其pH维持碱性(CN-不参与电极反应)。下列说法正确的是 A.b为电源的负极 B.隔膜Ⅰ为阴离子交换膜 C.X为H2,电极反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH- D.当生成2.24LN2时,电路中通过1mol电子 NaCN 碱性 NaCl 失e- 阳极 阴极 (-) (+) CN- Cl- OH- 阴离子交换膜 Na+ 阳离子交换膜 阴极:2H2O+2e-=H2↑+2OH- 阳极:Cl--2e-+2OH-=ClO-+H2O ClO-再氧化CN-为N2 C 课堂检测 1.用电渗析法可将含硝酸钠的废水再生为硝酸和氢氧化钠，其装置如下图所示。下列叙述不正确的是(　　) A.膜a、膜c分别是阴离子交换膜、阳离子交换膜 B.阳极室、阴极室的产品分别是NaOH、HNO3 C.阳极的电极反应式为2H2O-4e-=4H++O2↑ D.该装置工作时，电路中每转移0.2 mol电子， 两极共生成气体3.36 L(标准状况) 阳极室:2H2O-4e-=O2↑+4H+ 阴极室:2H2O+2e-=H2↑+2OH- O2↑ H2↑ NO3- Na+ B 课堂检测 2. H3PO2可用电渗析法制备。“四室电渗析法”的工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)，下列说法正确的是(　　) D A.产品室中的H+扩散到阳极室中 B.阴极室中的Na+扩散到原料室中 C.产品室中的OH-扩散到原料室中 D.原料室中的H2PO2－扩散到产品室中 阴极 阳极 阳极室:2H2O-4e-=O2↑+4H+ 阴极室:2H2O+2e-=H2↑+2OH- H+ H2PO2－ Na+ .分析某室质量变化的关键 分析某室质量的变化， 既要考虑该区(或该电极)的化学反应， 又要考虑通过“交换膜”的离子带来的质量变化。 主题2:膜电池的定量计算 例1。某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2=2AgCl。 (1)当电路中转移a mol e－时，交换膜左侧溶液中约减少 ____mol离子。交换膜右侧溶液中c(HCl)_____ 1 mol·L－1。 (填“＞”“＜”或“＝”)(忽略溶液体积变化)。 2a > 主题2:膜电池的定量计算 例1。某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2=2AgCl。 阴离子交换膜 (2)若质子交换膜换成阴离子交换膜，其他不变。若有11.2 L氯气(标准状况)参与反应，则必有____mol____(填离子符号)由交换膜________侧通过交换膜向_______侧迁移。交换膜右侧溶液中c(HCl)______(填“＞”“＜”或“＝”)1 mol·L－1(忽略溶液体积变化) 1 Cl- 右 左 = 主题2:膜电池的定量计算 例1。某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2=2AgCl。 阳离子交换膜 （3）若换成阳离子交换膜，当电路中转移0.01 mol e－时，交换膜左侧溶液中约减少________ mol离子 若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应是否改变？ _________ 0.02 否 主题2:膜电池的定量计算 + （LixC为难电离锂碳化合物）为电源，电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7，当电解过程中转移了0.5 mol电子时: 4CrO42- + 4H+ = 2Cr2O72- +2H2O 右侧生成H+ B极为阳极 阳极： 2H2O－4e-＝4H＋＋O2↑ 左侧阴极: 4H2O + 4e-＝4OH-＋2H2↑ 中间为Na+交换膜 Na+ 主题2:膜电池的定量计算 例2、工 业上也可设计图示装置，用锂离子电池 LixC + Li1-x CoO2 C + LiCoO2 为电源，电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7，当电解过程中转移了0.5 mol电子时: (1)理论上右侧溶液的质量减少______ g； + 15.5 (2)理论上两侧溶液的质量差_______ g；(原溶液质量相等） (3)理论上两侧溶液的质量的变化差_______ g。 26.5 4.5 CrO42- + 2H+ = Cr2O72- +H2O 主题2:膜电池的定量计算 例2、工 业上也可设计图示装置，用锂离子电池 LixC + Li1-x CoO2 C + LiCoO2 为电源，电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7，当电解过程中转移了0.5 mol电子时: (1)理论上右侧溶液的质量减少______ g； + 15.5 (2)理论上两侧溶液的质量差_______ g；(原溶液质量相等） (3)理论上两侧溶液的质量的变化差_______ g。 26.5 4.5 CrO42- + 2H+ = Cr2O72- +H2O 主题2:膜电池的定量计算 例2、工 业上也可设计图示装置，用锂离子电池 LixC + Li1-x CoO2 C + LiCoO2 为电源，电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7，当电解过程中转移了0.5 mol电子时: (1)理论上右侧溶液的质量减少______ g； + 15.5 (2)理论上两侧溶液的质量差_______ g；(原溶液质量相等） (3)理论上两侧溶液的质量的变化差_______ g。 26.5 4.5 CrO42- + 2H+ = Cr2O72- +H2O 主题2:膜电池的定量计算 课堂检测 1、空气污染物NO通常用含Ce4＋的溶液吸收，生成HNO2、NO，再利用电解法将上述吸收液中的HNO2转化为无毒物质，同时生成Ce4＋，其原理如图所示。下列说法正确的是(　　) C A.H＋由右室进入左室 B.Ce4＋从电解槽的c口流出，且可循环使用 C.阴极的电极反应式：2HNO2＋6H＋＋6e－===N2↑＋4H2O D.若用甲烷燃料电池作为电源，当消耗标准状况下33.6L甲烷时，理论上可转化HNO2 2 mol 课堂检测 2.下列叙述正确的是（ ） A.通电后中间隔室的SO42—离子向正极迁移，正极区溶液pH增大 B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品 C.负极反应为2H2O－4e-=O2↑+4H+，负极区溶液pH降低 D.当电路中通过1mol 电子的电量时，会有的0.5molO2生成 B 课堂小结 1、判断膜的类型： 阳膜、阴膜、质子交换膜 3、膜两边溶液的相关计算 膜的作用： 能将两极隔离，阻止两极区产生的物质 接触，防止发生化学反应。 能选择性的通过离子，起到平衡电荷、 形成闭合回路的作用。 2、电极反应的书写 离子迁移量、溶液质量变化、pH变化等 28 Thank you for watching N N B.蓄电时,图中右侧电解池发生的总反应为2ZnO2Zn+O2↑ [方法技巧] 有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法 $