1、(六) 电化学中的离子交换膜,素养的认知与形成 核心素养1:证据推理与模型认知 通过分析、推理等方法认识原电池原理,明确原电池装置中的正负极、电解池装置中的阴阳极、电解质溶液中离子的移动方向,明确两电极发生的反应,根据离子交换膜的种类确定通过哪些离子,判断交换膜的作用。建立认知模型,并能运用模型解释化学现象,揭示现象的本质和规律。 核心素养2:科学态度与社会责任 关注与化学有关的社会热点问题,认识环境保护和资源合理开发的重要性,要具有可持续发展意识和绿色化学观念;深刻理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系,能运用已有知识和方法综合分析化学电源对生产、生活的意义,积极参与有关能源和环境问题的社
2、会决策。,-3-,典例1现有阳离子交换膜、阴离子交换膜、石墨电极和如图所示的电解槽。用氯碱工业中的离子交换膜技术原理,可电解Na2SO4溶液生产NaOH溶液和H2SO4溶液。下列说法中正确的是( )A.b是阳离子交换膜,允许Na+通过 B.从A口出来的是NaOH溶液 C.阴极反应式为4OH-4e-=2H2O+O2 D.Na2SO4溶液从G口加入 解析 右边电极是阴极,氢离子放电,b是阳离子交换膜,允许Na+通过,A正确;阳极是氢氧根放电,从A口出来的是硫酸溶液,B错误;阴极是氢离子得到电子生成H2,C错误;根据上述分析可知Na2SO4溶液从F口加入,D错误。 答案 A,-4-,解析 以四甲基氯
3、化铵(CH3)4NCl为原料,采用电渗析法合成(CH3)4NOH的过程中,根据氯离子的移动方向可知,a为阴极,b为阳极,又据图分析,生成氯化钠浓溶液,说明阳极上不是氯离子放电,则e应是阳离子交换膜,阳极电极反应式为4OH-4e-=2H2O+O2,根据左池产物分析,c也是阳离子交换膜,a电极为氢离子放电生成氢气,则a为阴极,b为阳极,所以M为负极,A项错误;根据以上分析可知c、e均为阳离子交换膜,B项正确;根据以上分析可知阳极电极反应式为4OH-4e-=2H2O+O2,C项错误;a电极为氢离子放电生成氢气,b电极氢氧根放电生成氧气。制备1 mol (CH3)4NOH,转移1 mol电子,根据电子
4、得失守恒可知a、b两极共产生0.5 mol+0.25 mol=0.75 mol气体,D项错误。 答案 B,-5-,方法技巧1.离子交换膜的作用 (1)离子交换膜在电化学中的作用。 防止副反应的发生,避免影响所制取产品的质量;防止引发不安全因素。(如在电解饱和食盐水时,利用阳离子交换膜,防止阳极产生的Cl2进入阴极室与氢氧化钠反应,导致所制产品不纯;防止Cl2与阴极产生的H2混合发生爆炸)。 选择性的通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。 用于物质的制备、分离、提纯等。 (2)分类。 阳离子交换膜,简称阳膜,只允许阳离子通过,即允许H+和其他阳离子通过,不允许阴离子通过。 阴离子交换膜,简
5、称阴膜,只允许阴离子通过,不允许阳离子通过。 质子交换膜,只允许H+通过,不允许其他阳离子和阴离子通过。,-6-,2.解题步骤 (1)分清隔膜类型。即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一种,判断允许哪种离子通过隔膜。 (2)写出电极反应式,判断交换膜两侧离子的变化,推断电荷变化,根据电荷守恒判断离子迁移的方向。 (3)分析隔膜作用。在产品制备中,隔膜的作用主要是提高产品纯度,避免产物之间发生反应,或避免产物因发生反应而造成危险。,-7-,典例2(2018黑龙江哈师大附中高三期末)镁空气电池的总反应方程式为2Mg+O2+2H2O=2Mg(OH)2,其工作原理如图所示,下列说法不正确的是( )A.
6、反应过程中化学能转变成电能 B.该电池的正极反应方程式为O2+4e-+2H2O=4OH- C.为防止负极区沉积Mg(OH)2,宜采用中性电解质及阴离子交换膜 D.采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积,并有利于氧气扩散至电极表面,-8-,解析 镁空气电池为将化学能转化为电能的装置,A项正确;正极上O2得电子并与水反应生成OH-,正极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-,B项正确;负极上Mg失电子生成Mg2+,为防止负极区沉积Mg(OH)2,则负极区溶液不能含有大量OH-,所以宜采用中性电解质及阳离子交换膜,C项错误;反应物接触面积越大,反应速率越快,所以采用多孔电极的目的是提高
7、电极与电解质溶液的接触面积,并有利于氧气扩散至电极表面,从而提高反应速率,D项正确。 答案 C,-9-,方法技巧交换膜隔离两种电解质溶液,避免了电极产物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,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的条件下发生氧化还原反应。,-10-,1,2,3,1.下图所示的锌溴液流电池是一种新型电化学储能装置,以溴化锌水溶液为电解质溶液,电解质溶液在电解质储罐和电池间不断循环。下列说法不正确的是( )A.放电时,负极的电极反应式为Zn-2e-=Zn2
8、+ B.阳离子交换膜可阻止Br2与Zn直接发生反应 C.充电时,Zn2+往离子交换膜左侧区域迁移 D.放电时左侧电解质储罐中的离子总浓度增大,答案,解析,-11-,1,2,3,2.(2018山东济南一模)现在污水治理越来越引起人们的重视,可以通过膜电池除去废水中的乙酸钠和对氯苯酚 ,同时利用此装置的电能在铁上镀铜,下列说法正确的是( ),A.当外电路中有0.2 mol e-转移时,通过质子交换膜的H+的个数为0.2NA B.A极的电极反应式为 C.铁电极应与Y相连接 D.反应过程中甲中右边区域溶液pH逐渐升高,答案,解析,-12-,1,2,3,3.下图是锂空气燃料电池的放电原理图(隔膜只允许锂离子通过)。电池放电时的反应可表示为4Li+O2+2H2O=4LiOH。下列关于锂空气电池放电时的有关说法正确的是( )A.正极反应式为Li-e-=Li+ B.每转移2 mol电子,消耗11.2 L的O2 C.Li+不断向电池的正极移动 D.可以去掉隔膜和有机电解液,让金属锂与水性电解液直接接触,答案,解析,
