1、离子交换膜在电化学中的解题建模一一离子交换膜在教材中的原理离子交换膜在教材中的原理模型模型 离子交换膜的氯碱工业离子交换膜的氯碱工业模型模型基本原理基本原理 2NaCl2H2O 2NaOHCl2H2一一离子交换膜在教材中的原理离子交换膜在教材中的原理模型模型基本原理基本原理 2NaCl2H2O 2NaOHCl2H2阴极：阴极：2H2O2eH22OH阳极：阳极：2Cl2eCl2产品：产品：NaOH，Cl2，H2装置特点装置特点：单膜六口单膜六口Na 阳阳一一离子交换膜在教材中的原理离子交换膜在教材中的原理模型模型防止氯气与氢气混合而引起爆炸；防止氯气与氢气混合而引起爆炸；避免氯气与氢氧化钠反应生
2、成避免氯气与氢氧化钠反应生成NaClO影响影响NaOH的产量；的产量；避免避免Cl进入阴极区影响进入阴极区影响NaOH的纯度的纯度。离子交换膜实现了电化学反应器中两极产物的分隔，否则将发生离子交换膜实现了电化学反应器中两极产物的分隔，否则将发生各种副反应和次级反应，使产率大减，产品质量下降，并可能发生爆各种副反应和次级反应，使产率大减，产品质量下降，并可能发生爆炸。炸。阳离子交换膜在氯碱工业中的阳离子交换膜在氯碱工业中的三个作用三个作用：阳阳一一离子交换膜在教材中的原理离子交换膜在教材中的原理模型模型若改为阴离子交换膜若改为阴离子交换膜阳阳极区域可能存在的反应极区域可能存在的反应 则总反应为则
3、总反应为 Cl22OH ClOClH2O NaClH2O NaClOH2OH卤酸盐卤酸盐制备模型制备模型ClO二二离子交换膜的概念、功能和类型离子交换膜的概念、功能和类型 离子交换膜是对溶液中的离子离子交换膜是对溶液中的离子具有具有选择性透过选择性透过能力的高分子薄膜。能力的高分子薄膜。概概念念功功能能 使使离子离子选择性选择性定向迁移，目的是定向迁移，目的是平衡平衡整个溶液中的整个溶液中的离子浓度及电荷离子浓度及电荷 离子交换膜离子交换膜不能改变离子原本即将迁移的方向不能改变离子原本即将迁移的方向，但却可以，但却可以使离子发生选择性定向迁移，以平衡整个溶液中的离子浓度及使离子发生选择性定向迁
4、移，以平衡整个溶液中的离子浓度及电荷，起到对制备的物质分离和提纯的作用。电荷，起到对制备的物质分离和提纯的作用。1、阳离子交换膜阳离子交换膜：是对阳离子具有：是对阳离子具有选择透过性，只允许选择透过性，只允许阳离子阳离子通过，阻通过，阻止止阴离子阴离子和和气体气体通过。通过。2、阴离子交换膜阴离子交换膜：是对阴离子具有：是对阴离子具有选择透过性，只允许选择透过性，只允许阴离子阴离子通过。通过。3、质子交换膜质子交换膜：是对质子（：是对质子（H）导）导通，只允许通，只允许质子质子（H）通过。）通过。类类型型二二离子交换膜的概念、功能和类型离子交换膜的概念、功能和类型三三离子交换膜在电化学中的题型
5、例析离子交换膜在电化学中的题型例析【例题【例题1】以】以铬酸钾铬酸钾K2CrO4为原料为原料，电化学法，电化学法制备重铬酸钾制备重铬酸钾K2Cr2O7的实验装置如图的实验装置如图 Cr（）互变模型互变模型理解离子交换膜的功能：理解离子交换膜的功能：使离子使离子选择性选择性定向迁移，定向迁移，平衡溶液中离子浓度和电荷的作用平衡溶液中离子浓度和电荷的作用K2Cr2O7制备模型制备模型【例题【例题1】以】以铬酸钾铬酸钾K2CrO4为原料为原料，电化学法，电化学法制备重铬酸钾制备重铬酸钾K2Cr2O7的实验装置如图的实验装置如图 在阴极室，电极反应为在阴极室，电极反应为 ，K通过阳离子交换膜向阴极室移
6、动。通过阳离子交换膜向阴极室移动。每转移每转移1 mol e，K向阴极室定向移动向阴极室定向移动 mol。在阳极室，电极反应为在阳极室，电极反应为 。铬酸钾铬酸钾K2CrO4为什么能在阳极区转化成重铬酸钾为什么能在阳极区转化成重铬酸钾K2Cr2O7，用离子方程式和简，用离子方程式和简单的语言文字说明单的语言文字说明 。电解电解池池的总化学方程式为的总化学方程式为 。4H2O+4e4OH+2H22H2O 4e 4H+O2阳极阳极OH放电，放电，使得使得c(OH)减小，减小，c(H+)增大，平衡增大，平衡2CrO42+2H+Cr2O72+H2O正向移动正向移动，生成，生成Cr2O724K2CrO4
7、+4H2O 2K2Cr2O7+4KOH+2H2+O2阳极阳极阴极阴极H2 OHK O2 H 4H2O+4e4OH+2H2 2H2O 4e 4H+O2 4CrO42+4H+2Cr2O72+2H2O1【例题【例题1】以】以铬酸钾铬酸钾K2CrO4为原料为原料，电化学法，电化学法制备重铬酸钾制备重铬酸钾K2Cr2O7的实验装置如图的实验装置如图 电解开始前阳极室中含溶质电解开始前阳极室中含溶质K2CrO4 1 mol，阳极室中，阳极室中K和和Cr的物质的物质的量之比为的量之比为 ；通电一段时间后，当阳极室中；通电一段时间后，当阳极室中K和和Cr的物质的量的物质的量之比为之比为32时，时，K通过阳离子
8、交换膜向阴极室移动通过阳离子交换膜向阴极室移动 mol，此，此时电路中通过的电子数目为时电路中通过的电子数目为 ；阳极区剩余；阳极区剩余CrO42 mol，生成生成Cr2O72 mol，铬酸钾的转化率为，铬酸钾的转化率为 。50%0.5NA0.50.50.2521阳极阳极阴极阴极OH2CrO42+2H+Cr2O72+H2OK 0.5 mol 0.5 mol 0.25 mol 三三离子交换膜在电化学中的题型例析离子交换膜在电化学中的题型例析判断膜的种类判断膜的种类【例题【例题2】某化工厂利用原电池原理处理废水并淡化海水。某化工厂利用原电池原理处理废水并淡化海水。工作示意图如下。工作示意图如下。原
9、电池海水原电池海水淡化模型淡化模型【例题【例题2】某化工厂利用原电池原理处理废水并淡化海水。某化工厂利用原电池原理处理废水并淡化海水。工作示意图如下。工作示意图如下。电极电极a为为 极，极，若有机废水中有机物用若有机废水中有机物用C6H10O5表示，表示，a电极反应式电极反应式 ；若有机废水中有机物用若有机废水中有机物用C4H8O2表示，表示，a电极反应式电极反应式 。电极电极b为为 极，电极反应式为极，电极反应式为 。a电极附近溶液的电极附近溶液的pH ，b电极附近溶液的电极附近溶液的pH 。（填。（填“增大增大”“减小减小”或或“不变不变”）膜膜A是是 离子交换膜（填离子交换膜（填“阴阴”
10、或或“阳阳”），），（填（填“Cl”或或“Na”）通过膜）通过膜A向左移动进入负极区，向左移动进入负极区，膜膜B是是 离子交换膜（填离子交换膜（填“阴阴”或或“阳阳”），），（填（填“Cl”或或“Na”）通过膜）通过膜B向左移动进入正极区，使海水变为淡水。向左移动进入正极区，使海水变为淡水。负负C6H10O524e+7H2O6CO2+24H+C4H8O220e+6H2O4CO2+20H+正正2NO3+10e+12HN2+6H2O减小减小增大增大阴阴Cl阳阳NaClNa0价价-1价价N2NO3三三离子交换膜在电化学中的题型例析离子交换膜在电化学中的题型例析多室电解池中膜的应用多室电解池中膜的应用
11、【例题【例题3】次磷酸】次磷酸(H3PO2)是一种精细磷化工产品，是一元弱酸，是一种精细磷化工产品，是一元弱酸，具有具有较强还原性较强还原性。“四室电渗析法四室电渗析法”制备制备H3PO2工作原理如图工作原理如图多膜电渗多膜电渗析模型析模型【例题【例题3】次磷酸】次磷酸(H3PO2)是一种精细磷化工产品，是一元弱酸，具是一种精细磷化工产品，是一元弱酸，具有有较强还原性较强还原性。“四室电渗析法四室电渗析法”制备制备H3PO2工作原理如图工作原理如图阳极室，电极反应为阳极室，电极反应为 ，产生的产生的 离子通过离子通过 膜进入膜进入 室。室。阴极室，电极反应为阴极室，电极反应为 。原料室：原料室
12、：（填（填“H2PO2”或或“Na”）通过通过阳阳膜进入阴极室，使得膜进入阴极室，使得NaOH浓度增大浓度增大 （填（填“H2PO2”或或“Na”）通过通过阴阴膜进入产品室。膜进入产品室。产品室：阳极室来的产品室：阳极室来的 与原料室来的与原料室来的 结合，生成了结合，生成了 。早期采用早期采用“三室电渗析法三室电渗析法”是将阳极室与产品室合并，是将阳极室与产品室合并，缺点是产品中缺点是产品中 混有混有PO43或或H3PO4杂质。杂质。原因原因 ，“四室电渗析法四室电渗析法”避免了该过程。避免了该过程。2H2O4e=4H+O2H阳阳 产品产品 4H2O+4e=2H2+4OHNaH2PO2HH2
13、PO2H3PO2HNaH2PO2H2PO2具有还原性，具有还原性，在阳极放电或被在阳极放电或被O2氧化所致氧化所致离子交换膜的作用离子交换膜的作用1、氯碱工业模型、氯碱工业模型3、Cr（）互变模型）互变模型2、卤酸盐制备模型（、卤酸盐制备模型（NaClO，KIO3）4、原电池海水淡化模型、原电池海水淡化模型5、多膜电渗析模型（制备、多膜电渗析模型（制备H3PO2）定阴阳、正负定阴阳、正负看气体、产物看气体、产物看剩余离子看剩余离子看离子穿膜看离子穿膜四四隔膜电解池解题建模隔膜电解池解题建模课堂练习课堂练习【练习练习1】某原电池装置如右图所示，】某原电池装置如右图所示，电池总反应为电池总反应为2
14、AgCl22AgCl。正极反应式：正极反应式：；负极反应式：负极反应式：。当电路中转移当电路中转移0.01 mol e时，交换膜时，交换膜右右侧溶液中侧溶液中Cl 约约 （填（填“增增加加”“”“减减少少”或或“不变不变”）mol，交换膜交换膜左左侧溶液中侧溶液中共共 （填（填“增增加加”“”“减减少少”或或“不变不变”）离子离子 mol2Ag2e2Cl 2AgCl Cl2 2e 2Cl增加增加0.01减少减少0.02瞬间瞬间Cl瞬间瞬间ClH 理解离子交换膜的功能：理解离子交换膜的功能：使离子选择性使离子选择性定向迁移，定向迁移，平衡溶液中离子浓度和电荷的作用平衡溶液中离子浓度和电荷的作用【
15、练习练习2】右右图为可充电的全钒液流电池构造示意图，图为可充电的全钒液流电池构造示意图，电池中的隔膜电池中的隔膜为为质子质子交换膜。交换膜。放电时，放电时，负极反应式：负极反应式：，pH （填（填“增大增大”“”“减小减小”或或“不变不变”）正极反应式：正极反应式：，充电时，充电时，阳极阳极(A)反应式：反应式：，阴极阴极(B)反应式：反应式：。充电时当有充电时当有1 mol e发生转移时，左槽电解液的发生转移时，左槽电解液的 H的物质的量增加了的物质的量增加了 molVO2e2HVO2H2OV2 e V3增大增大VO2eH2OVO22HV3 eV2 1放电放电H 充电充电H 理解离子交换膜的
16、功能：理解离子交换膜的功能：使离子选择性使离子选择性定向迁移，定向迁移，平衡溶液中离子浓度和电荷的作用平衡溶液中离子浓度和电荷的作用课堂练课堂练习习判断膜的种类判断膜的种类【练习练习3】电解装置如图所示，电解槽内装有】电解装置如图所示，电解槽内装有KI及淀粉溶液，中间用离子及淀粉溶液，中间用离子交换膜隔开。在一定的电压下通电，发现左侧溶液变蓝色，一段时间后，交换膜隔开。在一定的电压下通电，发现左侧溶液变蓝色，一段时间后，蓝色逐渐变浅。已知：蓝色逐渐变浅。已知：3I26OH IO35I3H2O。不正确不正确的是的是A右侧发生的电极方程式：右侧发生的电极方程式：2H2O2eH22OHB电解结束时，
17、右侧溶液中含有电解结束时，右侧溶液中含有IO3C电解槽内发生反应的总化学方程式电解槽内发生反应的总化学方程式 KI3H2O KIO33H2D隔膜为阳隔膜为阳离子交换膜离子交换膜D阳极阳极阴极阴极卤酸盐卤酸盐制备模型制备模型课堂练习课堂练习判断膜的种类判断膜的种类【练习练习4】工业品氢氧化钾溶液中含有某些含氧酸根杂质，可用离子】工业品氢氧化钾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。其工作原理如右图所示。交换膜法电解提纯。其工作原理如右图所示。该离子交换膜种类该离子交换膜种类 。（填（填“阴离子交换膜阴离子交换膜”或或“阳离子交换膜阳离子交换膜”）填物质名称填物质名称 A B C 。
18、D E F 。阳离子交换膜阳离子交换膜O2H2KOH稀溶液稀溶液（有（有含氧酸根杂质含氧酸根杂质）提纯后提纯后KOH浓溶液浓溶液工业品工业品KOH溶液溶液H2O（含少量（含少量KOH）阳阳物质物质提纯模型提纯模型课堂练习课堂练习课堂练习课堂练习【练习练习5】利用三室电解装置制备】利用三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如图所示。，其工作原理如图所示。在阴极室，在阴极室，电极反应为电极反应为 ，离子通过阳离子交换膜进入中间室；离子通过阳离子交换膜进入中间室；在在阳阳极室，电极反应为极室，电极反应为 ，离子通过阴离子交换膜进入中间室。离子通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得
19、电解总反应根据电路中转移电子数相等可得电解总反应 。为使电解产物全部转化为为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量，补充适量 可以使可以使电解产生的电解产生的HNO3转化为转化为NH4NO3。NO5e6H=NH 4H2ONH 4NO3e2H2O=NO3 4HNO3 8NO7H2O 3NH4NO32HNO3NH3 二二离子交换膜在教材中的原理离子交换膜在教材中的原理模型模型 离子交换膜离子交换膜的的氯碱工业氯碱工业模型模型装置特点装置特点：单膜六口单膜六口Na 阳阳四四离子交换膜在电化学中的题型例析离子交换膜在电化学中的题型例析理解离子交换膜的功能：理解离子交换膜的功能：使离子选择性使离子选
20、择性定向迁移，定向迁移，平衡溶液中离子浓度和电荷的作用平衡溶液中离子浓度和电荷的作用【例题【例题1】锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离】锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过子和水分子通过锌电极上的电极反应式：锌电极上的电极反应式：。铜电极上的电极反应式：铜电极上的电极反应式：。电池工作一段时间后，甲池的电池工作一段时间后，甲池的c(SO42)。（填（填“增大增大”“”“减小减小”或或“不变不变”）电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量 。（填（填“增大增大”“”“减小减小”或或“不变不变”）Cu 2 2eCuZn2e Zn2不变不变增大增大瞬间瞬间Zn2瞬间瞬间Cu2Zn2
