2018年高考化学一轮复习热点专题突破系列(五)电化学中“离子交换膜”的应用课件![优质ppt]

高中电化学中“离子交换膜”的理解和应用作者：杜雪文来源：《文理导航·教育研究与实践》 2020年第5期浙江省金华市第六中学杜雪文【摘要】离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。

因它对离子具有选择透过性，且电化学性能优良，在电化学的工业生产中应用广泛。

高中教材对于交换膜的介绍非常有限，但在近几年的选考试题中带膜的电化学装置却频频出现，有质子交换膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜等。

如何判断膜的类型，理解膜的作用？本文特选取几道与离子交换膜有关的试题来理解、探究其在解决电化学问题中的应用。

【关键词】交换膜；离子；迁移高中阶段离子交换膜通常分为四种类型：①阳离子交换膜（只允许阳离子和水分子通过，其他的阴离子和气体分子不能通过）；②阴离子交换膜（只允许阴离子和水分子通过，其他的阳离子和气体分子不能通过）；③质子交换膜（只允许氢离子和水分子通过，其他的离子和气体分子都不能通过）。

离子交换膜在电化学工业中应用非常广泛，因此浙江省的选考试题中带离子交换膜的电化学装置备受亲睐。

一、离子交换膜在原电池中的应用离子交换膜可以选择性的通过离子，不仅可以起到平衡电荷、形成闭合回路，还能阻止两极区域的物质直接反应从而提高电池的电流效率。

离子交换膜有盐桥的作用，但又不需要像盐桥一样定时更换或再生，它是盐桥的延伸。

例：某新型水系钠离子电池工作原理如下图所示。

TiO2光电极能使电池在太阳光照下充电，充电时Na2S4转化为Na2S。

下列说法正确的是（）。

A.充电时，太阳能转化为化学能，化学能又转化为电能B.放电时，a为负极C.充电时，阳极的电极反应式为I3--2e-=3I-D.M可以使用阴离子交换膜解析：充电时，太阳能转化为电能，电能又转化为化学能储存起来，A错误；充电时Na2S4转化为Na2S，a为阴极，那么放电时Na2S转化为Na2S4，a为负极，B正确；充电时，阳极发生氧化反应，电极反应式为3I--2e-=I3-，C错误；电池放电时负极区域S2-被氧化，正极区域I3-被还原，只有采用阳离子交换膜才能避免S2-和I3-直接接触，提高电流效率，D错误。

高考化学专项突破----离子交换膜在电化学装置中的应用一、离子交换膜的功能：使离子有选择性的定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。

二、离子交换膜在电化学中的作用(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中，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；防止与阴极产生的H2混合发生爆炸)。

(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。

(3)用于物质的制备、分离、提纯等。

三、离子交换膜的类型根据透过的微粒，离子交换膜可以分为多种，在高考试题中主要出现阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜三种。

阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过；阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，质子交换膜只允许质子(H＋)通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。

可见离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些离子来隔离某些物质。

注意：①反应物相同，不同的交换膜，迁移的离子种类不同。

②同种交换膜，转移相同的电子数，如果离子所带电荷数不同，迁移离子数不同。

③离子迁移依据电荷平衡，而离子数目变化量可能不相等。

四、离子交换膜类型的判断根据电解质溶液呈中性的原则，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。

五、真题再现1、(2019·全国卷Ⅰ)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。

I II III a b + － 离子交换膜在电化学中的应用新洲一中阳逻校区高二化学组在近几年高考中，涉及离子交换膜的试题比较多，且常考常新。

离子交换膜是一种含有离子基团的、对溶液中的离子具有选择透过能力的高分子膜，也称为离子选择透过性膜。

1.常见的离子交换膜:根据透过的微粒，离子交换膜可以分为多种，在高中试题中主要出现阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜三种，阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，质子交换膜只允许质子（H +）通过。

2.交换膜的功能使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的_______________________）。

例题1：下图电解装置可用于制备烧碱，a 、b 均为离子交换膜，Ⅱ区加入NaCl 溶液，则下列叙述中错误的是（ ）A.NaOH 、H 2均在Ⅰ区产生B.图中a 为阴离子交换膜C.使用离子交换膜可以有效地隔离NaOH 和Cl 2，阻止二者之间的反应D.电解时往Ⅲ区的溶液中滴加几滴甲基橙，溶液先变红后褪色例2：现有阳离子交换膜、阴离子交换膜、石墨电极，请用氯碱工业中的膜技术原理，回答下列问题．请利用交换膜技术，根据上图框架，设计一个电解Na 2SO 4溶液制取NaOH 和H 2SO 4的装置，标出下列物质的化学式(已知E 为Na 2SO 4溶液)：A G ；B C ；膜a 为 离子交换膜（填“阳”或“阴”）．例题:3：加碘食盐中含有碘酸钾(KIO 3)，现以电解法制备碘酸钾，实验装置如图所示。

先将一定量的碘溶于过量氢氧化钾溶液，发生反应：3I 2+6KOH=5KI+KIO 3+3H 2O ，将反应后的溶液加入阳极区，另将氢氧化钾溶液加入阴极区，开始电解。

下列说法中正确的是（ ）A ．电解过程中OH -从a 极区通过离子交换膜c 进入b 极区B ．c 为阳离子交换膜C ．a 电极反应式：I --6e -+6OH -= IO 3-+3H 2O ，a 极区的KI 最终转变为KIO 3D ．当阳极有0.1mol I -放电时，阴极生成6.72LH 2例题4: H 3PO 2可用电渗析法制备，“四室电渗析法”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)：①写出阳极的电极反应式__________________。

电化学中离子交换膜的应用电化学中离子交换膜是一种用于控制电流流量的复合薄膜，因其特殊的结构和性质，在电化学反应中可以起到有效的抑制和分离的作用，并可实现液膜的有序传输。

离子交换膜的应用最广泛的是在氢能电池、燃料电池、蓄电池和电解池当中。

首先，离子交换膜可以抑制氧还原反应，减少消耗，使电池在反应过程中能量损失小，提高其能量密度。

其次，离子交换膜能够有效地防止外界电荷到燃料电池内，使之维持净电池状态，同时可以改善电流分布，延长电池的使用寿命和液体充电/放电效率。

最后，离子交换膜在电解池的应用还可以降低水的蒸发，避免形成气泡。

高考化学电化学专题训练离子交换膜在电化学中的作用（解析附后）1.NaBH4燃料电池具有电压高、能量密度大等优点。

以该燃料电池为电源电解精炼铜的装置如图所示。

下列说法不正确的是( )A．离子交换膜应为阳离子交换膜，Na＋由左极室向右极室迁移B．该燃料电池的负极反应式为BH－4＋8OH－－8e－===BO－2＋6H2OC．电解池中的电解质溶液可以选择 CuSO4溶液D．每消耗2.24 L O2(标准状况)时，A电极的质量减轻12.8 g2.一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CO2C.处理后的含NO3-废水的pH降低D.电路中每通过4 mol电子,产生X气体的体积在标准状况下为22.4 L3.四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH]常用作电子工业清洗剂，以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]为原料，采用电渗析法合成(CH3)4NOH，其工作原理如下图所示(a、b为石墨电板，c、d、e为离子交换膜)，下列说法正确的是（）A. M 为正极B. 制备1mol(CH 3)4NOH ,a 、b 两极共产生0.5mol 气体C. c 、e 均为阳离子交换膜D. b 极电极反应式：2H 2O −4e −=O 2↑+4H +4.利用电化学原理还原CO 2制取ZnC 2O 4的装置如图所示(电解液不参加反应),下列说法正确的是( )A.可用H 2SO 4溶液作电解液B.阳离子交换膜的主要作用是增强导电性C.工作电路中每流过0.02 mol 电子,Zn 电极质量减重0.65 gD.Pb 电极的电极反应式是2CO 2-2e -C 2O 42-5. NaClO 2是重要的消毒剂和漂白剂,可用如图所示装置制备。

下列说法正确的是 ( ) A.电极b 为负极 B.阳极区溶液的pH 增大 C.电极D 的反应式为ClO 2+e -Cl O 2-D.电极E 上生成标准状况下22.4 L 气体时,理论上阴极区溶液质量增加135 g6.如图所示阴阳膜组合电解装置用于循环脱硫，用NaOH 溶液在反应池中吸收尾气中的二氧化硫，将得到的Na 2SO 3溶液进行电解又制得NaOH 。

教学篇•方法展示一、教学主题内容及教学的现状分析1.教学主题内容电化学的内容是高考全国卷历年重要的考点之一，主要以选择题和电极反应方程式书写的形式出现，在近几年的高考中，在电解池和原电池中涉及离子交换膜的试题较多，已经形成了常考常新的特点，题目难度中等。

本文结合例题，和学生一起认识各种交换膜，并学会辨识各种交换膜，理解和掌握交换膜在电化学中的重要应用。

2.教学现状分析本周针对“电化学中离子交换膜的应用”的疑问，让学生掌握离子交换膜的使用，巩固电化学中电极反应方程式的分析与书写，了解离子交换膜在工业生产中的应用。

通过解决具体的习题，总结归纳，建立解题模型，解决问题。

二、教学思想与创新点电化学是研究化学能与电能相互转化的装置、过程和效率的科学，在分析、合成等领域应用很广，由此形成的工业也很多，如电解、电镀、电冶金、电池制造等。

从知识功能上，电化学研究的是能量的转化问题；从知识的内容上，电化学研究的是氧化还原原理的应用，在中学教材中，电化学的教学内容在安排上呈现螺旋上升的形态，此外有关电化学的问题分析还是帮助学生形成正确的微粒观、能量观、转化观的绝好素材。

让学生学会从化学的视角对生产、生活、科研等实际问题进行思考，养成提出问题进而分析问题、解决问题的习惯，培养和发展学生的科学探究能力。

三、教学目标（考纲要求）1.理解原电池和电解池的构成、工作原理及应用，能写出电极反应和总反应方程式。

2.了解常见化学电源种类及其工作原理。

3.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害及防止金属腐蚀的措施。

教学重点：电解池的构成、工作原理及应用，能写出电极反应和总反应方程式。

教学难点：电极反应式的书写，电化学装置的应用。

四、教学流程教学环节有：环节一：创设情景，引入课题环节二：设计问题，探究原理环节三：总结归纳，建立模型环节四：应用模型，解决问题环节五：课堂反馈，及时检测在教学过程中，将自主探究、合作交流、小组展示、“一题两讲”等教学方法融汇贯穿于各个教学环节。