资源简介

(共42张PPT)
2024新高考化学二轮重点专题名师讲座
第7讲-选择放行：离子交换膜在电化学中的应用
1
2
3
考点考向
知识重构
重温经典
Prt
目 录
4
模型构建
5
教学策略
1
2
3
考点考向
知识重构
重温经典
目 录
4
模型构建
5
教学策略
1.考点考向
命题分析
近年高考中涉及离子交换膜原理的考题频繁出现，这一类题型的特点是新情境、老问题，考查的知识点有原电池原理、电解池原理、化学电源等。能够多方位考查化学学科核心素养。
《课程标准》的解释说明：氢氧燃料电池用质子交换膜作为离子的通道。
小专题
阳离子交换膜 阴离子交换膜 质子交换膜 双极膜 离子交换膜
2023年河北卷，13 2023年湖北卷，10 2023年全国甲卷，6 2023年广东卷，16 2022年全国甲卷，4
2023年6月浙江卷，13 2023年山东卷，11 2020年北京卷，节选 2021年全国甲卷，13 2023年北京卷，5
2022年山东卷，13 2023年河北卷，13 2020年山东卷，13 2022年全国乙卷，6
2021河北卷，9 2022河北卷，12 2022湖南卷，8
2020年全国Ш卷，12
2021年山东卷，17节选
近几年高考卷中有关离子交换膜考查内容统计
1.考点考向
01
了解常见离子交换膜的类型和作用。
02
能够通过离子交换膜类型和电化学原理判断离子移动方向，
能够通过离子迁移方向综合分析判断离子交换膜类型。
03
构建膜电池解题模型。
离子交换膜的学习目标
1
2
3
考点考向
知识重构
重温经典
Prt
目 录
4
模型构建
5
教学策略
2.知识重构
（1）离子交换膜定义
离子交换膜（又叫隔膜），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。选择性地通过某些离子或阻止某些离子来隔离某些物质，因在应用时主要是利用它对离子选择透过性，又称为离子选择透过性膜。
阳离子交换膜
阴离子交换膜
质子交换膜
双极膜
2.知识重构
（2）离子交换膜原理
交换膜上有很多微孔，“孔道”上有许多带电荷的基团，可以让相反电荷的离子自由通过“孔道”。其他离子受到“孔道”带电荷基团的排斥而不能进入“孔道”中，因而不能通过交换膜。这就是“选择性”透过的原因。
阴 离
子
交
换
膜
阳 离
子
交
换
膜
2.知识重构
双极膜亦称双极性膜，是特种离子交换膜，它是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在电场作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH－并分别通过阳膜和阴膜，作为H+和OH－的离子源。
双极膜结构及解离水示意图
（2）离子交换膜原理
2.知识重构
（3）离子交换膜分类
种类 允许通过的离子及移动方向
阳离子交换膜 阳离子→移向电解池的阴极或原电池的正极
阴离子交换膜 阴离子→移向电解池的阳极或原电池的负极
质子交换膜 质子→移向电解池的阴极或原电池的正极
双极膜 膜内水电离出H＋和OH－，H＋移向阴极，OH－移向阳极
2.知识重构
3 ．制备某些特定产品时利用隔膜将装置隔离为不同的区，使产品纯净。
（4）离子交换膜应用
1．能将两极区隔离，阻止两极区的物质接触，防止发生化学反应引起危险或者产物不纯。
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。
4 ．对物质进行分离、提纯。
2.知识重构
隔绝气体，防止氢气、氧气混合爆炸。
（5）链接课本
①氢氧燃料电池中的质子交换膜
H2－2e－=2H+
O2+4H++4e－ =2H2O
H+
平衡电荷、形成闭合回路；
2.知识重构
（5）链接课本
②离子交换膜法电解饱和食盐水
2Cl－－2e－=Cl2 ↑
2H2O+4e－＝H2 ↑ +2OH－
1、钠离子从阳极区移入阴极区，平衡电荷。
3、防止氢气、氯气混合爆炸发生危险。
2、防止氯气扩散至阴极区与氢氧化钠反应影响的纯度。
阳极
阴极
可以用阴离子交换膜代替阳离子交换膜吗？
2.知识重构
（5）链接课本
③海水的淡化方法主要有蒸馏法、电渗析法和离子交换法。
阳离子
阴离子
阴
极
阳极
2.知识重构
（6）离子交换膜的选择
负电荷增多
正电荷数<负电荷数
例1：某新型水系钠离子电池工作原理如图所示。TiO2光电极能使电池在太阳光照射下充电，充电时Na2S4被还原为Na2S。离子交换膜应选择那种类型？
阴极
阳极
负电荷减少
正电荷数>负电荷数
阳膜
1.电极反应式判断离子变化
2.电荷平衡判断离子的出入
3.离子的移动方向遵循电化学原理
4.一般保持各室溶质纯净
3I－ －2e－ =I3－
充电：S42－+6e－=4S2－
离子交换膜作用：①离子移动，平衡电荷。
溶质单一
2.知识重构
（6）离子交换膜的选择
例2：纳米级Cu2O由于具有优良的催化性能而受到关注，采用肼(N2H4)燃料电池为电源，用离子交换膜控制电解液中c(OH－)制备纳米Cu2O，其装置如图甲、乙。
离子交换膜a、b应该选何种类型？
正极
负极
N2H4- 4e－ + 4OH－
= N2 + 4H2O
2Cu-2e － + 2OH－
= Cu2O + H2O
阳极
阴极
离子交换膜a
O2+4e－ +2H2O = 4OH －
阴膜
离子交换膜b
5.离子一般从“生成区”移向“消耗区”
2H2O+2e－ =H2↑ + 2OH－
离子交换膜作用：①离子移动，平衡电荷。
阴膜
2.知识重构
（6）离子交换膜的选择
例3：H3BO3可以通过电解NaB(OH)4溶液的方法制备,其工作原理如图。试选择a、b、c膜的类型。
阳极室
阴极室
2H2O+2e－ =H2↑+2OH－
2H2O－4e－ =O2↑+4H+
H++B(OH)4－ =H3BO3+H2O
阳膜
阴膜
B(OH)4－
Na+
OH －
阳膜
6. 制备产品时，离子一般从“原料室”移入“产品室”。
浓
稀
离子交换膜作用：②制备指定产品。
2.知识重构
例4：[2016·全国卷Ⅰ]三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SO42-可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。 ab、cd均选何种交换膜？
（6）离子交换膜的选择
阳极区
2H2O+2e － =H2↑+2OH—
2H2O－4e － =O2↑+4H+
SO42-
Na+
阴极区
阳膜
阴膜
7. 分离提纯时，杂质离子一般从“原料室”移出。
同时制备NaOH
同时制备H2SO4
离子交换膜作用：③分离提纯。
处理了废水同时还可以得到什么产品？
2.知识重构
（6）离子交换膜的选择
例5：某科研小组研究采用BMED膜堆(示意图如图)，模拟以精制浓海水为原料直接制备酸碱，同时进行海水淡化。BMED膜堆包括阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜(AD)。判断膜的类型。
Na+K+
淡海水
Cl－
Br－
阳极
阴极
2H++2e－ =H2↑
4OH－ －4e－ =O2↑+2H2O
阳膜
阴膜
8.双极膜出现的一定为电解池根据OH－和H+的移动方向可判断阴阳极。
HCl、HBr等
KOH、NaOH等
离子交换膜作用：③分离提纯，双极膜加入提供H+和OH－。
阴极区和阳极区的pH变化吗？
不变
2.知识重构
（7）离子交换膜计算——①计算通过交换膜的离子的物质的量
2H2O－4e－ = O2↑+ 4H+
例1：重铬酸钾是化学实验室中的一种重要分析试剂。工业上以铬酸钾(K2CrO4)(黄色)为原料，采用电化学法制备重铬酸钾(K2Cr2O7)(橙色)。制备装置如图所示。阴极每生成1 mol 气体，有 mol带正电荷的阳离子从阳极室移向阴极室。
阳极
阴极
2CrO42－ + 2H+ Cr2O72－ + H2O
2H2O+2e－ = H2↑+2OH—
2 mol
K＋
2mol 1mol 2mol
▲通过离子交换膜的离子所带电荷数=外电路转移电子数。
2
2mol 2mol
2mol 2mol 1mol
多2molOH－
多2molK+
2.知识重构
（7）离子交换膜计算——②计算溶液质量变化。
例2：科学家采用电渗析法提纯乳清(富含NaCl的蛋白质)，有价值的蛋白质回收率达到98%，工作原理如图所示：
▲计算溶液质量变化要考虑移入或移出的离子。
下列说法错误的是(　　)
A．膜1为阳离子交换膜，膜2为阴离
子交换膜
B．膜1、膜2孔径不大于半透膜孔径
C．a极的电极反应式为2H2O＋2e－＝2OH－＋H2↑
D．每转移2 mol电子，理论上乳清质量减少58.5 g
阴极
阳极
Na+
Cl－
D
2 mol Na+、 2 mol Cl－的质量，即质量减少117 g，
2mol
2mol
2.知识重构
（7）离子交换膜计算——③综合计算。
例3：用电化学法模拟工业处理SO2。将硫酸工业尾气中的SO2通入如图装置(电极均为惰性材料)进行实验，可用于制备硫酸，同时获得电能：
①质子交换膜右侧的溶液在反应后pH________(填“增大”“减小”“不变”)。
②当外电路通过0.2 mol e－时，质子交换膜左侧的溶液质量________(填“增大”或“减小”)________g。
增大
增大
6.2
O2＋ 4e－ ＋4H＋=2H2O
正极
负极
2SO2－4e－ ＋4H2O=8H+＋2SO42－
增大64 g/mol×0.1 mol－0.2 mol×1 g/mol＝6.2 g。
n(H+)不变，反应生成水，c(H+) 减小，pH增大。
▲计算溶液质量变化时注意移出的离子有时未必是生成的全部离子，移入的离子也未必是消耗需要的全部离子。
原电池
4mol e- 8molH+
4molH+
4mol 4mol
2SO2－4e－ ＋4H2O=8H+＋2SO42－
0.1mol 0.2mole- 0.4molH+
0.2mol H+移出
1
2
3
考点考向
知识重构
重温经典
Prt
目 录
4
模型构建
5
教学策略
3.重温经典
平衡电荷，溶质单一
【例1】(2022全国甲卷10题) 一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42－存在)。电池放电时，下列叙述错误的是（ ）
A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B．Ⅰ区的SO42－通过隔膜向Ⅱ区迁移
C．MnO2电极反应：MnO2+2e－ +4H+=Mn2++2H2O
D．电池总反应：Zn+4OH－ +MnO2+4H+=Zn(OH)42－ +Mn2++2H2O
SO42-
负极
正极
Zn－2e－ +4OH－=Zn(OH)42－
阴膜
阳膜
MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2O
K+
离子选择隔膜应该选择那种类型呢？
原电池
A
3.重温经典
【例2】(2023河北卷7题)我国科学家发明了一种以 和MnO2为电极材料的新型电池，其内部结构如下图所示，其中①区、②区、③区电解质溶液的酸碱性不同。放电时，电极材料 转化为 。下列说法错误的是（ ）
A.充电时，b 电极上发生还原反应
B.充电时，外电源的正极连接 b 电极
C.放电时，①区溶液中的SO42－向②区迁移
D.放电时，a电极的电极反应式为MnO2+4H+ +2e－=Mn2++2H2O
-2e-
+2K+
中性
碱性
酸性
负极反应
核心问题：如何判断电极材料所在的电极位置
负极
正极
K+
SO42-
平衡电荷，溶质单一
原电池
负极
B
3.重温经典
4OH－－4e－===O2↑+2H2O
【例3】(2023·陕西高三一模)电渗析法制备高浓度LiOH的装置如下。图中双极膜(BP)中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场的作用下分别向两极迁移。下列说法不正确的是(　　)
阳极
2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D
电解池
A. m>X电极连接电源的正极
B. 和N均为阳离子交换膜
C.工作一段时间后，X电极室的pH 保持不变
D.整个装置中每转移1mol 电子，最多
生成1mol LiOH
阴极
Li+
阳膜
Li+
阳膜
1mol
1mol
1mol
通过交换膜的离子所带电荷=外电路通过的电量。
1mol
3.重温经典
离子从“生成区”移向“消耗区”
【例4】 （2023湖北卷）我国科学家设计如图所示的电解池，实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变，电解生成氢气的速率为xmol·h-1。下列说法错误的是（ ）
。
A.b电极反应式为 2H2O + 2e－ = H2↑+2OH－
B.离子交换膜为阴离子交换膜
C.电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜
D.海水为电解池补水的速率为2x mol·h-1
D
阴极
阳极
4OH－ －4e－= O2↑+ 2H2O
xmol·h-1
xmol·h-1
阴膜
2H2O + 2e－ = H2↑+2OH－
【例5】(2020新高考山东卷13题)采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过
电解法制备双氧水的装置如图所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是
A．阳极反应为2H2O－4e－= 4H＋＋O2↑
B．电解一段时间后，阳极室的pH未变
C．电解过程中，H＋由a极区向b极区迁移
D．电解一段时间后，a极生成的O2与b极反应的O2等量
3.重温经典
2O2+4H++ 4e－ =2H2O2
阴极
阳极
2H2O－4e－ =4H＋＋O2↑
平衡电荷，
生成区移至消耗区，
通过交换膜的离子所带电量=外电路通过的电量。
4mol 1mol
2mol 4mol
D
【例6】(2020新高考山东卷10题)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用如图装置处理有机废水(以含CH3COO－的溶液为例)。下列说法错误的是
3.重温经典
A.负极反应为CH3COO－ +2H2O－8e － =2CO2↑+7H+
B.隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜
C.当电路中转移1 mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5 g
D.电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
原电池
Na+、Cl－移出
负极
正极
CH3COO－+2H2O－8e－ =2CO2↑+7H+
2H+ +2e－=H2↑
Na+
Cl-
阳膜
1 mol Na+ 1 mol Cl-
8 4
8 2
分离提纯，杂质离子移出
外电路通过的电子的量=通过交换膜的离子所带电量
阴膜
B
3.重温经典
阴极
阳极
【例7】 (2021·广东等级考16题)钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是( 　)
A．工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大
B．生成1 mol Co，Ⅰ室溶液质量理论上减少16 g
C．移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变
D．电解总反应 ：2Co2＋＋2H2O 2Co＋O2↑＋4H＋
2Co2＋＋4e－ =2Co
2H2O－4e－=O2↑＋4H＋
外电路通过的电子的量=通过交换膜的离子所带电量
4mol 4mol
减小
减小
1mol 2mol 0.5mol 2mol
18
2Cl－ －2e－ ===Cl2↑
2mol 1mol
D
3.重温经典
【例8】（2023广东卷16题）用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池(如图)，可实现大电流催化电解KNO3溶液制氨。工作时，H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH－ ，有利于电解反应顺利进行。下列说法不正确的是( )
A.电解总反应：KNO3+3H2O =NH3·H2O+2O2 ↑ +KOH
B.每生成1mol NH3·H2O,双极膜处有9mol的H2O解离
C.电解过程中，阳极室中KOH物质的量不因反应而改变
D.相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构可提高氨生成速率
阴极
阳极
4OH－ －4e－ =O2↑+2H2O
8e－ ～ 1mol
8OH－ ～ 8e－
通过外电路的电量=通过膜的离子所带的电量
H+ OH－
8mol
B
NO3－+8e－＋7H2O= NH3·H2O+9OH－
【例9】 （2021全国甲卷）乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如下图所示的电化学装置合成，图中的双极膜中间层中的H2O会解离为H+和 OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移，下列说法正确的是（ ）
3.重温经典
A.KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用
B.阳极上的反应式为：
HOOC-COOH+2H++2e－→HOOC-CHO+H2O
C.制得2mol 乙醛酸，理论上外电路中迁移了1mol电子
D.双极膜中间层中的H+在外电场作用下向铅电极方向迁移
阴极
阳极
2Br－ －2e－ =Br2
OHC-CHO+Br2+H2O→HOOC-CHO+2H++2Br－
OHC-CHO－2e－ +H2O→HOOC-CHO+2H+
HOOC-COOH+2e－ +2H+→HOOC-CHO+H2O
2mol
双极膜解离出的H+移向阴极，OH－移向阳极。
D
3.重温经典
2Cl－ －2e－===Cl2↑
【例10】电渗析法淡化海水的装置如图所示。通电后，一个间隔室的海水被淡化，而其相邻间隔室的海水被浓缩，从而实现了淡水和浓缩海水分离。下列说法正确的是( )
A.离子交换膜b为阳离子交换膜
B.各间隔室的排出液中，
①③⑤⑦为淡水
C.通电时，电极1附近溶液的pH
比电极2附近溶液的pH变化明显
D.淡化过程中，得到的浓缩海水没有任何使用价值
阴极
阳极
2H2O＋2e－==H2↑＋2OH－
电解池
淡水
b阴膜
a阳膜
淡水
淡水
淡水
浓缩海水
浓缩海水
浓缩海水
B
1
2
3
考点考向
知识重构
重温经典
Prt
目 录
4
模型构建
5
教学策略
4.模型构建
Step -01
Step -02
Step -03
分析隔膜作用
判断装置类型
分清隔膜类型
分析隔膜作用是平衡电荷，还是避免物质接触发生危险或者生成副产物，还是分离提纯除去杂质离子，或者生成特定产物。
写出电极方程式
Step -04
根据有无外加电源，或题中信息判断是电解池还是原电池。
交换膜属于阳膜、阴膜和质子膜中的哪一种，判断隔膜允许那种离子通过。
根据电极方程式，交换膜两侧离子变化，电荷变化或离子迁移方向等，最后做出综合推断或计算。
01 解答已知交换膜类型的电池题解题模型
4.模型构建
Step -01
Step -02
Step -03
确定隔膜类型
判断装置类型
写出电极反应式
根据需要通过的离子确定离子交换膜类型。
综合分析得出结论
Step -04
根据有无外加电源，
或题中信息判断是电解池还是原电池
根据电极反应式，判断离子变化，根据电中性原则、电化学中离子移动方向、装置目的来判断离子移动方向。
根据电化学各极得失电子数相等，进行计算或者综合判断，得出结论。
02 解答未知交换膜类型的电池题解题模型
1
2
3
考点考向
知识重构
重温经典
Prt
目 录
4
模型构建
5
教学策略
5.教学策略
01 熟练掌握电化学基本原理
电化学基本原理是解决离子交换膜问题的基础，是知识向能力转化的前提。电化学基本原理包括原电池原理、 电解池原理、化学电源等，这些基本原理的复习可以针对具体的原理建立相应的认知模型，用建构的模型去解决新情境中的老问题。
02 建构离子交换膜的认知模型
要对离子交换膜有深刻的理解和认识。离子交换膜在教材中是有据可循的，要对离子交换膜的种类及作用进行认知模型建构，并形成一种利用模型分析具体问题的能力。
5.教学策略
03 模型的应用与升华
用建构的模型对近几年高考题进行分析，总结每一道题中离子交换膜的作用及类型，并对近几年高考题的出题特点及知识点进行归纳总结，探寻高考命题的规律与意图，形成一套行之有效的解题方法，同时形成一种从化学学科核心素养的角度去思考问题的思维习惯。
5.教学策略
04 落实化学学科核心素养
变化观念与平衡思想：
能从多角度、动态分析电池中发生的反应，并运用电化学原理解决有关离子交换膜的实际问题。
证据推理与模型认知：
利用电化学装置，分析原理，建立解答有关离子交换膜在电池问题中的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。
宏观辨识与微观探析：
通过分析电极反应,根据电流的方向和离子交换膜的类型判断离子的移动，结合设计该电解池（原电池）的目的，判断出每个隔室中物质的变化。
科学探究与创新意识：
在习题练习过程中分析离子交换膜的应用，将知识从点串成面，构成电化学完整的知识体系。
科学态度与社会责任：
体会离子交换膜在电解原理中对社会发展的重大贡献，具有可持续发展意识和绿色化学观念，能对隔膜在电解有关的社会热点问题上做出正确的价值判断。
谢 谢！

展开更多......

收起↑