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第2课时 隔膜在电化学中的应用（1课时）
一、教学流程
活动一：构建知识体系
问题1：氯碱工业中，生产过程中通常选用阳离子交换膜，它的作用是什么？
[例题1] 用下面的装置制取NaOH、H2和Cl2，此装置有何缺陷？
用下图装置电解饱和食盐水，其中阳离子交换膜的作用有哪些？
提示：防止Cl2和H2混合而引起爆炸；避免Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量；避免Cl－进入阴极区导致制得的NaOH不纯。
[归纳总结]
（一）常见的隔膜
隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类：
1．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。
2．阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
3．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。
（二）隔膜的作用
1．能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。
2．能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
（三）离子交换膜选择的依据
离子的定向移动。
问题2：离子交换膜在工农业生产中有哪些应用？
[练习1] ZulemaBorjas设计的一种微生物脱盐池的装置如图所示。下列说法正确的是(　　 )
A．该装置可以在高温下工作
B．X、Y依次为阳离子、阴离子选择性交换膜
C．负极反应式：CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋
D．该装置工作时，电能转化为化学能
（练习1出处：2019年盐城三模。推荐理由：通过具体的问题情境，从微生物电池合理推导工作环境，体现“证据推理”的依据，从微粒的移动推导隔膜的类型，体现“宏观辨识”和“微观探析”中宏微结合的素养。）
[解析]：负极区有硫还原菌，高温使蛋白质变性，失去活性，所以该装置不可以在高温下工作，A错误；经装置处理后，海水变为淡水，电流从正极经外电路流向负极，电池内部由负极流向正极，Na＋流向与内部电流方向相同，Cl－流向与电流方向相反，则X为阴离子交换膜，Y为阳离子交换膜，B错误；负极反应式为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2＋7H＋，C正确；该装置为原电池工作时化学能转化为电能，D错误。
活动二：重难点突破
问题3：离子交换膜在原电池和电解池中有着广泛的应用，与无隔膜电池比电池反应是不是一定发生变化？离子交换膜的存在又有哪些优点？
典例简析
[典型题例] 已知：电流效率等于电路中通过的电子数与消耗负极材料失去的电子总数之比。现有两个电池I、II，装置如图所示。
下列说法正确的是 (　　 )
A．I和II的电池反应不相同
B．能量转化形式不同
C．I的电流效率低于II的电流效率
D．5 min后，I、II中都只含1种溶质
（典型题例出处：高三调研试题。推荐理由：本题考查氯水中酸的性质及次氯酸的漂白性，明确碱遇酚酞变红及氯水的成分、各成分的性质是解答本题的关键，培养了学生灵活应用所学知识的能力）
[解析] I、II装置中电极材料相同，电解质溶液部分相同，电池反应、负极反应和正极反应式相同，A项错误；I和II装置的能量转化形式都是化学能转化成电能，B项错误；放电一段时间后，I装置中生成氯化铜和氯化亚铁，II装置中交换膜左侧生成氯化铜，右侧生成了氯化亚铁，可能含氯化铁，D项错误。
[答案] C正确 I装置中铜与氯化铁直接接触，会在铜极表面发生反应，导致部分能量损失(或部分电子没有通过电路)，电流效率降低，而II装置采用阴离子交换膜，铜与氯化铜接触，不会发生副反应，放电过程中交换膜左侧负极的电极反应式为Cu－2e－=Cu2＋，阳离子增多，右侧正极的电极反应式为2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋，负电荷过剩，Cl－从交换膜右侧向左侧迁移，电流效率高于Ⅰ装置。
[小结] 在原电池中应用离子交换膜，起到替代盐桥的作用，一方面能起到平衡电荷、导电的作用，另一方面能防止电解质溶液中的离子与电极直接反应，提高电流效率。
[练习2] 某科研小组研究采用BMED膜堆(示意图如下)，模拟以精制浓海水为原料直接制备酸碱。BMED膜堆包括阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜(A、D)。已知：在直流电源的作用下，双极膜内中间界面层发生水的解离，生成H＋和OH－。下列说法错误的是 (　 )
A．电极a连接电源的正极
B．B为阳离子交换膜
C．电解质溶液采用Na2SO4溶液可避免有害气体的产生
D．Ⅱ口排出的是淡水
[例题2] 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，如下图所示。下列说法错误的是 (　 　)
A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应：H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D．电池工作时，质子通过交换膜由负极区向正极区移动
（例题2出处：2019年新课标Ⅰ卷高考试题。推荐理由：利用化学原理解决生产中的实际问题，研究室温合成氨工业是化学对于农业生产的直接贡献，该题将化学思维活动和课外实践相结合的一种尝试，体现化学学习实用性。实现学生的深度思考、深度发展。也培养了学生的科学态度和社会责任）
[答案] B
问题4：电解池中隔膜使用的优点是什么？
[例题3]：用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的NH4+，模拟装置如图所示。下列说法正确的是
A．阳极室溶液由无色变成浅绿色
B．阴极的电极反应式为4OH－－4e－=2H2O＋O2↑
C．电解一段时间后，阴极室溶液中的pH 升高
D．电解一段时间后，阴极室溶液中的溶
质一定是(NH4)3PO4
[解析]　阳极上Fe发生氧化反应，溶液由无色变为浅绿色，
A项正确；阴极上H＋发生还原反应：2H＋＋2e－=H2↑，B项
错误；根据阴极上电极反应，阴极消耗H＋，电解一段时间后，
阴极室溶液pH升高，C项正确；电解一段时间后，阴极室溶液pH升高，NH与OH－反应生成NH3·H2O，因此阴极室溶液中溶质除(NH4)3PO4外，还可能有NH3·H2O，D项错误。
活动三：巩固提升
1．辉铜矿(主要成分Cu2S)可以用FeCl3溶液漫泡提取铜，反应的离子方程式为Cu2S+4Fe3+=2Cu2++4Fe2++S。Cu2S可由黄铜矿(主要成分CuFeS2)通过电化学反应转变而成，其工作原理如图所示。下列有关电解CuFeS2的说法正确的是 （ ）
A．a为电源的负极
B．该装置将化学能转化为电能
C．离子交换膜为阴离子交换膜
D．b电极上的反应为：2CuFeS2+6H++2e—=Cu2S+2Fe2++3H2S↑
2．以NaClO2溶液和NaCl溶液为原料，采用电解法制备ClO2气体具有效率高和产品纯度高的优点，其原理如图所示。下列有关说法正确的是 （ ）
A．电解时化学能转化为电能
B．电解时NaCl溶液浓度保持不变
C．电解时Na+由b极区向a极区迁移
D．电解时阳极的电极反应式为ClO2--e-=ClO2↑
3．科学家利用氨硼烷设计成原电池装置如图所示，该电池在常温下即可工作，总反应：NH3·BH3＋3H2O2===NH4BO2＋4H2O。下列说法错误的是(　　)
A．b室为该原电池的正极区
B．a室发生的电极反应式：NH3·BH3＋2H2O－6e－===NH＋BO＋6H＋
C．放电过程中，H＋通过质子交换膜由b室移向a室
D．其他条件不变，向H2O2溶液中加入适量硫酸能增大电流强度
4．一种在微生物细菌作用下净化高浓度有机废水的原理如下图所示。下列说法正确的是
A．工作时，H+从b极区向a极区迁移
B．该装置在高温下仍可正常工作
C．为使此装置持续工作，需不断补充硫酸溶液
D．理论上，每处理含162.0g该有机物的废水，需消耗5molMnO4-
5．某微生物电解池(MEC)制氢工作原理如右图。用该电解池电解0.1mol·L－1CH3COOH溶液，下列说法正确的是 (　 　)
A．Y为电源的正极
B．该电解装置中，阳极的电极反应式
CH3COOH＋2H2O－8e－===2CO2↑＋8H＋
C．当2 mol H＋通过质子交换膜时，产生22.4 L H2
D．电解一段时间后，溶液中的值变小
6．锌－碘液流电池的工作原理如图所示。下列关于该电池工作时的说法不正确的是(　　)
A． 电极Y为电池的负极
B． 溶液中的离子数目减少
C． 电子由电极Y经外电路流向电极X
D． 电极X上的反应：I＋2e－===3I－
[参考答案]
1．D
解析：由分析可知，该装置为电解池，a电极为电解池的阳极，故A错误；由分析可知，该装置为将电能转化为化学能的电解池，故B错误；由分析可知，该装置为电解池，工作时氢离子通过阳离子交换膜，由左室向右室移动，故C错误；由分析可知，该装置为电解池，a电极为电解池的阳极，在硫化氢作用下，铜在阳极失去电子发生氧化反应生成硫化亚铜和氢离子，电极反应式为2Cu—2e—+H2S= Cu2S+2H+，故正确；
2．D
解析：电解池工作时将电能转化为化学能，A错误；电极a上的反应为ClO2--e-=ClO2↑，所以阳极迁移到阴极的阳离子为Na+，而电解时电极b上水电离出的氢离子放电生成氢气，所以右侧溶液中水减少，NaCl浓度变大，B错误；电解池中阳离子向阴极移动，所以Na+由a极区向b极区迁移，C错误；电解池中阳极ClO2-失电子生成ClO2，电极反应为ClO2--e-=ClO2↑，D正确；
3．C　
解析：根据总反应可知H2O2被还原，所以b室发生的是还原反应，为原电池的正极区，A正确；根据总反应可知电池放电时NH3·BH3被氧化得到NH和BO，结合电子守恒和元素守恒可得电极反应式，B正确；原电池中阳离子由负极区流向正极区，即H＋通过质子交换膜由a室移向b室，C错误；硫酸为强电解质，加入适量的硫酸，可以增加溶液中离子浓度，增强导电能力，增大电流强度，D正确。
4．C
解析：A．由图示分析可知，该电池工作时a电极发生氧化反应为负极；b电极发生还原反应为正极，工作时时，阳离子移向正极，即氢离子移向b电极，故A错；高温时微生物细菌会失去活性，所以不能在高温环境下工作，故B错；由总反应可知此电池工作时需要消耗硫酸，所以为使此装置持续工作，需不断补充硫酸溶液，故选C；由关系式可知，没处理含162.0g该有机物的废水，需消耗4.8mol MnO4-，故D错；
5．B
解析：H＋得电子生成氢气，为阴极反应，所以Y为电源的负极，A错误；CH3COOH在阳极失电子，阳极的电极反应式为CH3COOH＋2H2O－8e－===2CO2↑＋8H＋，B正确；当2 mol H＋通过质子交换膜时，产生1 mol H2，H2的状态未知，物质的量不能转换为体积，C错误；＝，电解一段时间后，c(H＋)减小，比值增大，D错误。
6．B　
解析：在Y电极上金属锌失电子，Y为负极，A正确；电极反应式分别为正极：I＋2e－===3I－，负极：Zn－2e－===Zn2＋，两极转移电子数相等时，溶液中离子数增多，B错误、D正确；电子在外电路中，由负极流向正极，C正确。
二、教学建议
1．复习课不是把学过的知识简单罗列、机械重复，而是把学过的知识进行归纳、分析、对比，达到在原有基础上进一步提高的目的。
2．拓宽学生从化合价角度理解和掌握物质性质的认识视角，培养学生学会自主构建氧化还原反应、氯及其化合物的知识体系。
3．为了更有效地进行高中化学复习，教师要将课堂教学中心由“老师的复习”向“学生的学”和“对学生的评”转移，切实转变教与学的方式。
4．在对氯元素及其化合物的复习时，要重视氯元素及其化合物在生产和生活中的应用。
三、情境素材
锂电池隔膜
锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。 隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，此外还具有能使电解质离子通过的功能。隔膜材质是不导电的，其物理化学性质对电池的性能有很大的影响。电池的种类不同，采用的隔膜也不同。对于锂电池系列，由于电解液为有机溶剂体系，因而需要有耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。
锂电池隔膜的要求
1．具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离。2．有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有很好的透过性。3．由于电解质的溶剂为强极性的有机化合物，隔膜必须耐电解液腐蚀，有足够的化学和电化学稳定性。4．对电解液的浸润性好并具有足够的吸液保湿能力。5．具有足够的力学性能，包括穿刺强度、拉伸强度等，但厚度尽可能小。6．空间稳定性和平整性好。7．热稳定性和自动关断保护性能好。动力电池对隔膜的要求更高，通常采用复合膜。
特性：锂离子电池隔膜的主要性能要求有：厚度均匀性、力学性能（包括拉伸强度和抗穿刺强度）、透气性能、理化性能（包括润湿性、化学稳定性、热稳定性、安全性）等四大性能指标。
锂离子电池的广泛应用：近年来，将聚合物电解质用于锂离子电池已实现了商品化，聚合物电解质在锂离子电池中既是离子迁移的通道，又起到正负极材料间的隔膜作用。聚合物电解质可分为固体聚合物电解质及凝胶聚合物电解质，作为实用的聚合物电解质隔膜必须满足以下几个必要条件：①具有高的离子电导率，以降低电池内阻；②锂离子的传递系数基本不变，以消除浓度极化；③可以忽略的电子导电性，以保证电极间有效的隔离；④电极材料有高的化学和电化学稳定性；⑤低廉的价格，合适的化学组成，保证对环境友好。
　　由于固体聚合物电解质室温电导率较低，难于商品化。凝胶聚合物电解质通过固定在聚合物网络中的液体电解质分子实现离子传导，既有固体聚合物的稳定性，又有液态电解质的高离子传导率，显示出良好的应用前景。
　　将聚合物电解质与聚乙烯、聚丙烯膜一起组成聚合物锂离子电池隔膜，胶体聚合物覆盖或填充在微孔膜中，与无隔膜的聚合物电解质锂离子电池相比，具有更优越的性能，如：①内部短路时能提供更好的保护；②可以减少电解质层的厚度；③过度充电时可提供足够的安全性；④有较好的力学性能及热稳定性。可以看出，聚乙烯、聚丙烯膜由于其特殊的结构与性能，在离子电池隔膜中占有很重要的地位，除非有真正的不含液体的聚合物电解质出现。
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