高中 化學(xué) 選擇性必修1 第四章 化學(xué)反應(yīng)電能《專題突破（十）離子交換膜在電化學(xué)中的應(yīng)用》教學(xué)設(shè)計(jì)

交換膜隔離兩種電解質(zhì)溶液，避免負(fù)極材料與能發(fā)生反應(yīng)的電解質(zhì)溶液直接接觸，能提高電流效率。在這種裝置中，交換膜起到鹽橋作用，且優(yōu)于鹽橋(鹽橋需要定時(shí)替換或再生)。通過(guò)限制離子遷移，使指定離子在溶液中定向移動(dòng)形成閉合回路，完成氧化劑和還原劑在不接觸條件下發(fā)生氧化還原反應(yīng)。1.離子交換膜的功能及類型(1)功能：使離子定向移動(dòng)，選擇性通過(guò)某些離子或隔離某些離子、物質(zhì)，平衡整個(gè)溶液的離子濃度或電荷。(2)種類：陽(yáng)離子交換膜：只允許陽(yáng)離子和水分子通過(guò)，阻止陰離子和氣體通過(guò)。陰離子交換膜：只允許陰離子和水分子通過(guò)，阻止陽(yáng)離子和氣體通過(guò)。質(zhì)子交換膜：只允許質(zhì)子(氫離子)和水分子通過(guò)。2.離子交換膜在電化學(xué)中的作用(1)用離子交換膜隔離某些分子和離子，防止副反應(yīng)的發(fā)生。例如氯堿工業(yè)中，陽(yáng)離子交換膜的作用就是阻止陰離子(Cl－)和氣體(Cl2)通過(guò)，防止氯氣和NaOH反應(yīng)。(2)離子交換膜制備物質(zhì)、分離物質(zhì)等。以電滲析法制備H3PO2為例，其原理如圖所示。離子移動(dòng)方向及交換膜類型：產(chǎn)品室為陽(yáng)極，原料室中的陰離子H2POeq\o\al(－,2)移向產(chǎn)品室，膜1為陰離子交換膜；原料室中的陽(yáng)離子Na＋移向陰極室，膜2為陽(yáng)離子交換膜。陽(yáng)極：電極反應(yīng)為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，產(chǎn)生的H＋結(jié)合移入的H2POeq\o\al(－,2)生成H3PO2。陰極：電極反應(yīng)為2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，產(chǎn)生的OH－結(jié)合移入的Na＋生成NaOH。(3)離子交換膜使具有濃度差的離子進(jìn)行選擇性遷移。離子從“濃→稀”的溶液區(qū)移出，移向“稀→濃”的溶液區(qū)。以電化學(xué)制備K2Cr2O7為例，其原理如圖所示，其中a、b均為石墨電極。左側(cè)：為“稀→濃”的溶液區(qū)，則右側(cè)的K＋通過(guò)K＋交換膜移向左側(cè)，a極為陰極，電極反應(yīng)為2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，產(chǎn)生的OH－結(jié)合移入的K＋生成KOH。右側(cè)：b極為陽(yáng)極，電極反應(yīng)為2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，使溶液中的反應(yīng)2CrOeq\o\al(2－,4)＋2H＋Cr2Oeq\o\al(2－,7)＋H2O正向進(jìn)行，生成K2Cr2O7。3.陰、陽(yáng)離子交換膜的判斷(1)看清圖示，是否在交換膜上標(biāo)注了陰、陽(yáng)離子，是否標(biāo)注了電源的正、負(fù)極，是否標(biāo)注了電子流向、電流流向等，明確陰、陽(yáng)離子的移動(dòng)方向。(2)根據(jù)原電池、電解池中陰、陽(yáng)離子的移動(dòng)方向，結(jié)合給出的制備、電解物質(zhì)等信息，找出物質(zhì)生成或消耗的電極區(qū)域，確定移動(dòng)的陰、陽(yáng)離子，從而推知離子交換膜的種類。針對(duì)練1.如下所示電解裝置中，通電后石墨電極Ⅱ上有O2生成，F(xiàn)e2O3逐漸溶解，下列判斷錯(cuò)誤的是()A.a是電源的負(fù)極B.通電一段時(shí)間后，向石墨電極Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出現(xiàn)紅色C.隨著電解的進(jìn)行，CuCl2溶液濃度變大D.當(dāng)0.01molFe2O3完全溶解時(shí)，至少產(chǎn)生氣體336mL(折合成標(biāo)準(zhǔn)狀況下)答案：C解析：根據(jù)題圖，結(jié)合題意知，石墨電極Ⅱ上H2O發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生O2，故石墨電極Ⅱ是陽(yáng)極，則b是電源的正極、a是電源的負(fù)極，A項(xiàng)正確；石墨電極Ⅱ上H2O放電產(chǎn)生O2和H＋：2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，通電一段時(shí)間后，石墨電極Ⅱ附近溶液顯酸性，能使石蕊顯紅色，B項(xiàng)正確；電解時(shí)，Cu2＋在石墨電極Ⅰ上放電生成Cu，左室中Cl－通過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入中間室，故CuCl2溶液的濃度減小，C項(xiàng)錯(cuò)誤；由Fe2O3＋6H＋=2Fe3＋＋3H2O和陽(yáng)極反應(yīng)式可得Fe2O3～eq\f(3,2)O2，故產(chǎn)生O2的體積是eq\f(3,2)×0.01mol×22.4L·mol－1×103mL·L－1＝336mL，D項(xiàng)正確。針對(duì)練2.用惰性電極電解法制備硼酸[H3BO3或B(OH)3]的工作原理如圖所示(陽(yáng)膜和陰膜分別只允許陽(yáng)離子和陰離子通過(guò))。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是()A.陰極與陽(yáng)極產(chǎn)生的氣體體積比為1∶2B.b極的電極反應(yīng)式為2H2O－2e－=O2↑＋4H＋C.產(chǎn)品室中發(fā)生的反應(yīng)是B(OH)3＋OH－=B(OH)eq\o\al(－,4)D.每增加1molH3BO3產(chǎn)品，NaOH溶液增重22g答案：D解析：由題圖可知，b極為陽(yáng)極，電解時(shí)陽(yáng)極上水失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成O2和H＋，a極為陰極，電解時(shí)陰極上水得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成H2和OH－，原料室中的鈉離子通過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)入a極室，溶液中c(NaOH)增大，原料室中B(OH)eq\o\al(－,4)通過(guò)陰膜進(jìn)入產(chǎn)品室，b極室中氫離子通過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)入產(chǎn)品室，在產(chǎn)品室中B(OH)eq\o\al(－,4)、H＋發(fā)生反應(yīng)生成H3BO3；a、b電極反應(yīng)式分別為2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－、2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，理論上每生成1molH3BO3產(chǎn)品，b極生成1molH＋，a極生成0.5molH2，減少質(zhì)量為1g，NaOH溶液增加的Na＋為1mol即23g，故NaOH溶液增重22g。針對(duì)練3.雙極膜在電滲析中應(yīng)用廣泛，它是由陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜復(fù)合而成。雙極膜內(nèi)層為水層，工作時(shí)水層中的H2O解離成H＋和OH－，并分別通過(guò)離子交換膜向兩側(cè)發(fā)生遷移。下圖為NaBr溶液的電滲析裝置示意圖。下列說(shuō)法正確的是()A.出口2的產(chǎn)物為HBr溶液B.出口5的產(chǎn)物為硫酸溶液C.Br－可從鹽室最終進(jìn)入陽(yáng)極液中D.陰極電極反應(yīng)式為2H＋＋2e－=H2↑答案：D解析：陰極，水中H＋放電，雙極膜中水解離生成的H＋移向陰極區(qū)，OH－移向交換室1，與NaBr溶液中通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入交換室1的Na＋