第11講離子隔膜在電化學(xué)中的應(yīng)用一、知識(shí)重構(gòu)1.單液電池圖1單液ZnCu原電池裝置圖2單液ZnCu原電池電流曲線圖3單液ZnCu原電池溫度曲線圖2和圖3說(shuō)明單液ZnCu原電池存在什么弊端？原因是什么？2.雙液電池鹽橋?qū)懗鲈撾p液電池正負(fù)極方程式鹽橋成分：瓊膠、飽和KCl溶液鹽橋的作用是對(duì)鹽橋的深入認(rèn)識(shí)鹽橋中瓊膠的作用：控制離子流速，防止過(guò)早失效。用飽和氯化鉀的原因：K+和Cl－遷移速率接近，且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。鹽橋使用一段時(shí)間需要更換，恢復(fù)的方式是放入飽和氯化鉀溶液中。例：（2020全國(guó)）為驗(yàn)證不同化合價(jià)鐵的氧化還原能力，利用下列電池裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。電池裝置中，鹽橋連接兩電極電解質(zhì)溶液。鹽橋中陰、陽(yáng)離子不與溶液中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且電遷移率(u∞)應(yīng)盡可能地相近。根據(jù)下表數(shù)據(jù)，鹽橋中應(yīng)選擇____作為電解質(zhì)。分析下圖，帶鹽橋的雙液電池電流有何特點(diǎn)？造成的原因是什么？離子交換膜單液：負(fù)極與電解液直接接觸鹽橋：有效隔離，電阻增大離子交換膜：有效隔離，電阻?。?）作用：①能將兩極區(qū)隔離，阻止兩極區(qū)產(chǎn)生的物質(zhì)接觸，防止發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。②能選擇性的通過(guò)離子，起到的作用。（2）分類（3）三種離子交換膜舉例分析種類裝置圖說(shuō)明陽(yáng)離子交換膜(只允許陽(yáng)離子和水分子通過(guò))氯堿工業(yè)①A極反應(yīng)式：②B極反應(yīng)式：③Na＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入極區(qū)④陽(yáng)離子→透過(guò)陽(yáng)離子交換膜→電解池極(或原電池的極)思考：能否用陰離子交換膜？陰離子交換膜(只允許陰離子和水分子通過(guò))以Pt為電極電解淀粉-KI溶液，制備碘酸鉀，中間用陰離子交換膜隔開(kāi)①陰極反應(yīng)式：②陽(yáng)極反應(yīng)式：③陰極產(chǎn)生的OH－移向陽(yáng)極與陽(yáng)極產(chǎn)物反應(yīng)：④陰離子→透過(guò)陰離子交換膜→電解池極(或原電池的極)質(zhì)子交換膜(只允許H＋和水分子通過(guò))在微生物作用下電解有機(jī)廢水(含CH3COOH)，可獲得清潔能源H2①陰極反應(yīng)式：2H＋＋2e－=H2↑②陽(yáng)極反應(yīng)式：CH3COOH－8e－＋2H2O=2CO2↑＋8H＋③陽(yáng)極產(chǎn)生的H＋通過(guò)質(zhì)子交換膜移向陰極④H＋→透過(guò)質(zhì)子交換膜→原電池正極(或電解池的陰極)（4）原理（以陽(yáng)離子交換膜為例）交換膜上有很多微孔，“孔道”上有許多帶負(fù)電荷的基團(tuán)，陽(yáng)離子可以自由通過(guò)“孔道”，由濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域移動(dòng)。陰離子移動(dòng)到“孔道”處，受到“孔道”帶負(fù)電荷基團(tuán)的排斥而不能進(jìn)入“孔道”中，因而不能通過(guò)交換膜。這就是“選擇性”透過(guò)的原因。其構(gòu)造與工作示意圖如圖所示：陰離子交換膜的構(gòu)造和工作原理與此相同，只不過(guò)是“孔道”中帶正電荷基團(tuán)而已。（5）判斷根據(jù)溶液呈電中性，巧借離子遷移方向的判斷，從而確定離子交換膜的類型。①離子從“生成區(qū)”移向“消耗區(qū)”以電解CO2制HCOOH為例，其原理如圖所示。右側(cè)：通入CO2，生成HCOOH，接電源極，電極反應(yīng)方程式為。左側(cè)，接電源極，電極反應(yīng)方程式為。極生產(chǎn)氫離子，極消耗氫離子，因此，隔膜類型為。②離子從“原料區(qū)”移向“產(chǎn)物區(qū)”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，原料室中的移向產(chǎn)品室，膜1為交換膜；原料室中的移向陰極室，膜2為交換膜。電極反應(yīng)方程式：陽(yáng)極；陰極；③溶液“濃→稀”，離子移出；溶液“稀→濃”，離子移入一種三室微生物燃料電池可用于污水凈化、海水淡化，其工作原理如圖所示。迅速判斷左側(cè)為離子交換膜，右側(cè)為離子交換膜。4.雙極膜雙極膜亦稱雙極性膜，是特種離子交換膜，它是由一張陽(yáng)膜和一張陰膜復(fù)合制成的陰、陽(yáng)復(fù)合膜。該膜的特點(diǎn)是在電場(chǎng)作用下，陰、陽(yáng)膜復(fù)合層間的H2O解離成H+和OH－并分別通過(guò)陽(yáng)膜和陰膜，作為H+和OH－的離子源。電解過(guò)程，雙極膜中產(chǎn)生的H+移向極，OH－移向極。原電池中，雙極膜中產(chǎn)生的H+移向極，OH－移向極。H+和OH－移動(dòng)的作用是平衡電荷或參與化學(xué)反應(yīng)。雙極膜結(jié)構(gòu)及解離水示意圖例：SO2的脫除與H2O2的制備反應(yīng)自發(fā)協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置如下圖所示(在電場(chǎng)作用下，雙極膜中間層的H2O解離為H+和OH－，并向兩極遷移)。分析電極反應(yīng)及H+和OH－的移動(dòng)方向。二、重溫經(jīng)典例1：（2021湖北）Na2Cr2O7的酸性水溶液隨著H+濃度的增大會(huì)轉(zhuǎn)化為CrO3。電解法制備CrO3的原理如圖所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是A．電解時(shí)只允許H+通過(guò)離子交換膜B．生成O2和H2的質(zhì)量比為8∶1C．電解一段時(shí)間后陰極區(qū)溶液OH－的濃度增大D．CrO3的生成反應(yīng)為：Cr2O72－+2H+=2CrO3+H2O【答案】A【解析】根據(jù)左側(cè)電極上生成，右側(cè)電極上生成，知左側(cè)電極為陽(yáng)極，發(fā)生反應(yīng)：，右側(cè)電極為陰極，發(fā)生反應(yīng)：；由題意知，左室中隨著濃度增大轉(zhuǎn)化為，因此陽(yáng)極生成的不能通過(guò)離子交換膜。A．由以上分析知，電解時(shí)通過(guò)離子交換膜的是，A項(xiàng)錯(cuò)誤；B．根據(jù)各電極上轉(zhuǎn)移電子數(shù)相同，由陽(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)，知生成和的物質(zhì)的量之比為1∶2，其質(zhì)量比為8∶1，B項(xiàng)正確；C．根據(jù)陰極反應(yīng)知，電解一段時(shí)間后陰極區(qū)溶液的濃度增大，C項(xiàng)正確：D．電解過(guò)程中陽(yáng)極區(qū)H+的濃度增大，轉(zhuǎn)化為，D項(xiàng)正確。例2：（2022全國(guó)甲卷）一種水性電解液ZnMnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42－存在)。電池放電時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是A．Ⅱ區(qū)的K+通過(guò)隔膜向Ⅲ區(qū)遷移B．Ⅰ區(qū)的SO42－通過(guò)隔膜向Ⅱ區(qū)遷移C．MnO2電極反應(yīng)：MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2OD．電池總反應(yīng)：Zn+4OH－+MnO2+4H+=Zn(OH)42－+Mn2++2H2O【答案】A【解析】根據(jù)圖示的電池結(jié)構(gòu)和題目所給信息可知，Ⅲ區(qū)Zn為電池的負(fù)極，電極反應(yīng)為Zn2e+4OH=Zn(OH)，Ⅰ區(qū)MnO2為電池的正極，電極反應(yīng)MnO2+2e+4H+=Mn2++2H2O；電池在工作過(guò)程中，由于兩個(gè)離子選擇隔膜沒(méi)有指明的陽(yáng)離子隔膜還是陰離子隔膜，故兩個(gè)離子隔膜均可以通過(guò)陰、陽(yáng)離子，因此可以得到Ⅰ區(qū)消耗H+，生成Mn2+，Ⅱ區(qū)的K+向Ⅰ區(qū)移動(dòng)或Ⅰ區(qū)的SO向Ⅱ區(qū)移動(dòng)，Ⅲ區(qū)消耗OH，生成Zn(OH)，Ⅱ區(qū)的SO向Ⅲ區(qū)移動(dòng)或Ⅲ區(qū)的K+向Ⅱ區(qū)移動(dòng)。據(jù)此分析答題。A．根據(jù)分析，Ⅱ區(qū)的K+只能向Ⅰ區(qū)移動(dòng)，A錯(cuò)誤。例3：（2020全國(guó)新課標(biāo)Ⅰ卷）科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn?CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問(wèn)題提供了一種新途徑。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是A．放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為B．放電時(shí)，1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2molC．充電時(shí)，電池總反應(yīng)為D．充電時(shí)，正極溶液中OH?濃度升高【答案】D【解析】由題可知，放電時(shí)，CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，即CO2發(fā)生還原反應(yīng)，故放電時(shí)右側(cè)電極為正極，左側(cè)電極為負(fù)極，Zn發(fā)生氧化反應(yīng)生成；充電時(shí)，右側(cè)為陽(yáng)極，H2O發(fā)生氧化反應(yīng)生成O2，左側(cè)為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)生成Zn，以此分析解答。A．放電時(shí)，負(fù)極上Zn發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：，故A正確，不選；B．放電時(shí)，CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，C元素化合價(jià)降低2，則1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH時(shí)，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2mol，故B正確，不選；C．充電時(shí)，陽(yáng)極上H2O轉(zhuǎn)化為O2，負(fù)極上轉(zhuǎn)化為Zn，電池總反應(yīng)為：，故C正確，不選；D．充電時(shí)，正極即為陽(yáng)極，電極反應(yīng)式為：，溶液中H+濃度增大（若只有H+向陰極移動(dòng)，H+濃度將不變），故D錯(cuò)誤，符合題意。三、模型建構(gòu)1.有“膜”條件下離子定向移動(dòng)方向的判斷方法2.含離子交換膜電化學(xué)裝置題的解題步驟3.定量關(guān)系外電路電子轉(zhuǎn)移數(shù)=通過(guò)隔膜的陰（陽(yáng)）離子帶的負(fù)（正）電荷數(shù)。例：工業(yè)上常用連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)消除煙氣中的NO，通過(guò)電解可使Na2S2O4再生，裝置如下圖所示。吸收塔內(nèi)每吸收11.2L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)的NO，通過(guò)離子交換膜的H+的物質(zhì)的量為_(kāi)______mol。四、名師導(dǎo)學(xué)隔膜的認(rèn)識(shí)誤區(qū)：隔膜一定是離子選擇性膜。這種認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的。隔膜的作用是阻止特定微粒通過(guò)，允許其他微粒通過(guò)。隔膜的選擇性越強(qiáng)，就意味著阻礙性越大，微粒的透過(guò)性就降低了，電阻性變大。因此需要認(rèn)識(shí)隔膜的雙重性，離子選擇性膜在隔離兩極電解質(zhì)，防止物質(zhì)混合方面起到了很好的作用，但確犧牲了離子的通過(guò)效率。那有沒(méi)有既能阻止電解液或兩極物質(zhì)的混合，又不犧牲離子的通過(guò)效率呢？例1：（2022廣東）科學(xué)家基于Cl2易溶于CCl4的性質(zhì)，發(fā)展了一種無(wú)需離子交換膜的新型氯流電池，可作儲(chǔ)能設(shè)備(如圖)。充電時(shí)電極a的反應(yīng)為：NaTi2(PO4)3+2Na＋+2e－=Na3Ti2(PO4)3。下列說(shuō)法正確的是A.充電時(shí)電極b是陰極B.放電時(shí)NaCl溶液的pH減小C.放電時(shí)NaCl溶液的濃度增大D.每生成1molCl2，電極a質(zhì)量理論上增加23g對(duì)多孔炭的解讀：多孔碳既作為電極材料，又是氯氣和氯離子的通道。需要注意的是，與離子選擇性透過(guò)膜不同，多孔電極不具備選擇性（考題有信息提示“無(wú)需離子交換膜”）。為避免兩極物質(zhì)自由通過(guò)，研究者巧妙的將一側(cè)設(shè)計(jì)為非極性環(huán)境，另一側(cè)設(shè)計(jì)為極性環(huán)境。充電時(shí)，氯離子被氧化生成氯氣，同時(shí)被四氯化碳溶解帶走儲(chǔ)存；放電時(shí)，四氯化碳把氯帶到電極上發(fā)生還原反應(yīng)生成氯離子，氯離子進(jìn)入氯化鈉溶液中，被帶到儲(chǔ)存室。根據(jù)相似相容原理，氯氣可以始終保留在左室的非極性環(huán)境中，氯離子和鈉離子始終保留右室的極性環(huán)境中。因此，看似敞開(kāi)，氯氣和氯離子只能在電極上得失電子，然后變換“身份”后再進(jìn)入對(duì)方“領(lǐng)地”，而不能直接跨越。那這樣設(shè)計(jì)有什么優(yōu)點(diǎn)呢？首先是降低成本，相對(duì)于選擇性透過(guò)膜