資源簡介

(共42張PPT)
2024新高考化學二輪重點專題名師講座
第7講-選擇放行：離子交換膜在電化學中的應用
1
2
3
考點考向
知識重構
重溫經典
Prt
目 錄
4
模型構建
5
教學策略
1
2
3
考點考向
知識重構
重溫經典
目 錄
4
模型構建
5
教學策略
1.考點考向
命題分析
近年高考中涉及離子交換膜原理的考題頻繁出現，這一類題型的特點是新情境、老問題，考查的知識點有原電池原理、電解池原理、化學電源等。能夠多方位考查化學學科核心素養。
《課程標準》的解釋說明：氫氧燃料電池用質子交換膜作為離子的通道。
小專題
陽離子交換膜 陰離子交換膜 質子交換膜 雙極膜 離子交換膜
2023年河北卷，13 2023年湖北卷，10 2023年全國甲卷，6 2023年廣東卷，16 2022年全國甲卷，4
2023年6月浙江卷，13 2023年山東卷，11 2020年北京卷，節選 2021年全國甲卷，13 2023年北京卷，5
2022年山東卷，13 2023年河北卷，13 2020年山東卷，13 2022年全國乙卷，6
2021河北卷，9 2022河北卷，12 2022湖南卷，8
2020年全國Ш卷，12
2021年山東卷，17節選
近幾年高考卷中有關離子交換膜考查內容統計
1.考點考向
01
了解常見離子交換膜的類型和作用。
02
能夠通過離子交換膜類型和電化學原理判斷離子移動方向，
能夠通過離子遷移方向綜合分析判斷離子交換膜類型。
03
構建膜電池解題模型。
離子交換膜的學習目標
1
2
3
考點考向
知識重構
重溫經典
Prt
目 錄
4
模型構建
5
教學策略
2.知識重構
（1）離子交換膜定義
離子交換膜（又叫隔膜），是一種含離子基團的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。選擇性地通過某些離子或阻止某些離子來隔離某些物質，因在應用時主要是利用它對離子選擇透過性，又稱為離子選擇透過性膜。
陽離子交換膜
陰離子交換膜
質子交換膜
雙極膜
2.知識重構
（2）離子交換膜原理
交換膜上有很多微孔，“孔道”上有許多帶電荷的基團，可以讓相反電荷的離子自由通過“孔道”。其他離子受到“孔道”帶電荷基團的排斥而不能進入“孔道”中，因而不能通過交換膜。這就是“選擇性”透過的原因。
陰 離
子
交
換
膜
陽 離
子
交
換
膜
2.知識重構
雙極膜亦稱雙極性膜，是特種離子交換膜，它是由一張陽膜和一張陰膜復合制成的陰、陽復合膜。該膜的特點是在電場作用下，陰、陽膜復合層間的H2O解離成H+和OH－并分別通過陽膜和陰膜，作為H+和OH－的離子源。
雙極膜結構及解離水示意圖
（2）離子交換膜原理
2.知識重構
（3）離子交換膜分類
種類 允許通過的離子及移動方向
陽離子交換膜 陽離子→移向電解池的陰極或原電池的正極
陰離子交換膜 陰離子→移向電解池的陽極或原電池的負極
質子交換膜 質子→移向電解池的陰極或原電池的正極
雙極膜 膜內水電離出H＋和OH－，H＋移向陰極，OH－移向陽極
2.知識重構
3 ．制備某些特定產品時利用隔膜將裝置隔離為不同的區，使產品純凈。
（4）離子交換膜應用
1．能將兩極區隔離，阻止兩極區的物質接觸，防止發生化學反應引起危險或者產物不純。
2．能選擇性的通過離子，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。
4 ．對物質進行分離、提純。
2.知識重構
隔絕氣體，防止氫氣、氧氣混合爆炸。
（5）鏈接課本
①氫氧燃料電池中的質子交換膜
H2－2e－=2H+
O2+4H++4e－ =2H2O
H+
平衡電荷、形成閉合回路；
2.知識重構
（5）鏈接課本
②離子交換膜法電解飽和食鹽水
2Cl－－2e－=Cl2 ↑
2H2O+4e－＝H2 ↑ +2OH－
1、鈉離子從陽極區移入陰極區，平衡電荷。
3、防止氫氣、氯氣混合爆炸發生危險。
2、防止氯氣擴散至陰極區與氫氧化鈉反應影響的純度。
陽極
陰極
可以用陰離子交換膜代替陽離子交換膜嗎？
2.知識重構
（5）鏈接課本
③海水的淡化方法主要有蒸餾法、電滲析法和離子交換法。
陽離子
陰離子
陰
極
陽極
2.知識重構
（6）離子交換膜的選擇
負電荷增多
正電荷數<負電荷數
例1：某新型水系鈉離子電池工作原理如圖所示。TiO2光電極能使電池在太陽光照射下充電，充電時Na2S4被還原為Na2S。離子交換膜應選擇那種類型？
陰極
陽極
負電荷減少
正電荷數>負電荷數
陽膜
1.電極反應式判斷離子變化
2.電荷平衡判斷離子的出入
3.離子的移動方向遵循電化學原理
4.一般保持各室溶質純凈
3I－ －2e－ =I3－
充電：S42－+6e－=4S2－
離子交換膜作用：①離子移動，平衡電荷。
溶質單一
2.知識重構
（6）離子交換膜的選擇
例2：納米級Cu2O由于具有優良的催化性能而受到關注，采用肼(N2H4)燃料電池為電源，用離子交換膜控制電解液中c(OH－)制備納米Cu2O，其裝置如圖甲、乙。
離子交換膜a、b應該選何種類型？
正極
負極
N2H4- 4e－ + 4OH－
= N2 + 4H2O
2Cu-2e － + 2OH－
= Cu2O + H2O
陽極
陰極
離子交換膜a
O2+4e－ +2H2O = 4OH －
陰膜
離子交換膜b
5.離子一般從“生成區”移向“消耗區”
2H2O+2e－ =H2↑ + 2OH－
離子交換膜作用：①離子移動，平衡電荷。
陰膜
2.知識重構
（6）離子交換膜的選擇
例3：H3BO3可以通過電解NaB(OH)4溶液的方法制備,其工作原理如圖。試選擇a、b、c膜的類型。
陽極室
陰極室
2H2O+2e－ =H2↑+2OH－
2H2O－4e－ =O2↑+4H+
H++B(OH)4－ =H3BO3+H2O
陽膜
陰膜
B(OH)4－
Na+
OH －
陽膜
6. 制備產品時，離子一般從“原料室”移入“產品室”。
濃
稀
離子交換膜作用：②制備指定產品。
2.知識重構
例4：[2016·全國卷Ⅰ]三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如圖所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場的作用下，兩膜中間的Na＋和SO42-可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進入中間隔室。 ab、cd均選何種交換膜？
（6）離子交換膜的選擇
陽極區
2H2O+2e － =H2↑+2OH—
2H2O－4e － =O2↑+4H+
SO42-
Na+
陰極區
陽膜
陰膜
7. 分離提純時，雜質離子一般從“原料室”移出。
同時制備NaOH
同時制備H2SO4
離子交換膜作用：③分離提純。
處理了廢水同時還可以得到什么產品？
2.知識重構
（6）離子交換膜的選擇
例5：某科研小組研究采用BMED膜堆(示意圖如圖)，模擬以精制濃海水為原料直接制備酸堿，同時進行海水淡化。BMED膜堆包括陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極膜(AD)。判斷膜的類型。
Na+K+
淡海水
Cl－
Br－
陽極
陰極
2H++2e－ =H2↑
4OH－ －4e－ =O2↑+2H2O
陽膜
陰膜
8.雙極膜出現的一定為電解池根據OH－和H+的移動方向可判斷陰陽極。
HCl、HBr等
KOH、NaOH等
離子交換膜作用：③分離提純，雙極膜加入提供H+和OH－。
陰極區和陽極區的pH變化嗎？
不變
2.知識重構
（7）離子交換膜計算——①計算通過交換膜的離子的物質的量
2H2O－4e－ = O2↑+ 4H+
例1：重鉻酸鉀是化學實驗室中的一種重要分析試劑。工業上以鉻酸鉀(K2CrO4)(黃色)為原料，采用電化學法制備重鉻酸鉀(K2Cr2O7)(橙色)。制備裝置如圖所示。陰極每生成1 mol 氣體，有 mol帶正電荷的陽離子從陽極室移向陰極室。
陽極
陰極
2CrO42－ + 2H+ Cr2O72－ + H2O
2H2O+2e－ = H2↑+2OH—
2 mol
K＋
2mol 1mol 2mol
▲通過離子交換膜的離子所帶電荷數=外電路轉移電子數。
2
2mol 2mol
2mol 2mol 1mol
多2molOH－
多2molK+
2.知識重構
（7）離子交換膜計算——②計算溶液質量變化。
例2：科學家采用電滲析法提純乳清(富含NaCl的蛋白質)，有價值的蛋白質回收率達到98%，工作原理如圖所示：
▲計算溶液質量變化要考慮移入或移出的離子。
下列說法錯誤的是(　　)
A．膜1為陽離子交換膜，膜2為陰離
子交換膜
B．膜1、膜2孔徑不大于半透膜孔徑
C．a極的電極反應式為2H2O＋2e－＝2OH－＋H2↑
D．每轉移2 mol電子，理論上乳清質量減少58.5 g
陰極
陽極
Na+
Cl－
D
2 mol Na+、 2 mol Cl－的質量，即質量減少117 g，
2mol
2mol
2.知識重構
（7）離子交換膜計算——③綜合計算。
例3：用電化學法模擬工業處理SO2。將硫酸工業尾氣中的SO2通入如圖裝置(電極均為惰性材料)進行實驗，可用于制備硫酸，同時獲得電能：
①質子交換膜右側的溶液在反應后pH________(填“增大”“減小”“不變”)。
②當外電路通過0.2 mol e－時，質子交換膜左側的溶液質量________(填“增大”或“減小”)________g。
增大
增大
6.2
O2＋ 4e－ ＋4H＋=2H2O
正極
負極
2SO2－4e－ ＋4H2O=8H+＋2SO42－
增大64 g/mol×0.1 mol－0.2 mol×1 g/mol＝6.2 g。
n(H+)不變，反應生成水，c(H+) 減小，pH增大。
▲計算溶液質量變化時注意移出的離子有時未必是生成的全部離子，移入的離子也未必是消耗需要的全部離子。
原電池
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
考點考向
知識重構
重溫經典
Prt
目 錄
4
模型構建
5
教學策略
3.重溫經典
平衡電荷，溶質單一
【例1】(2022全國甲卷10題) 一種水性電解液Zn-MnO2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，下列敘述錯誤的是（ ）
A．Ⅱ區的K+通過隔膜向Ⅲ區遷移
B．Ⅰ區的SO42－通過隔膜向Ⅱ區遷移
C．MnO2電極反應：MnO2+2e－ +4H+=Mn2++2H2O
D．電池總反應：Zn+4OH－ +MnO2+4H+=Zn(OH)42－ +Mn2++2H2O
SO42-
負極
正極
Zn－2e－ +4OH－=Zn(OH)42－
陰膜
陽膜
MnO2+2e－+4H+=Mn2++2H2O
K+
離子選擇隔膜應該選擇那種類型呢？
原電池
A
3.重溫經典
【例2】(2023河北卷7題)我國科學家發明了一種以 和MnO2為電極材料的新型電池，其內部結構如下圖所示，其中①區、②區、③區電解質溶液的酸堿性不同。放電時，電極材料 轉化為 。下列說法錯誤的是（ ）
A.充電時，b 電極上發生還原反應
B.充電時，外電源的正極連接 b 電極
C.放電時，①區溶液中的SO42－向②區遷移
D.放電時，a電極的電極反應式為MnO2+4H+ +2e－=Mn2++2H2O
-2e-
+2K+
中性
堿性
酸性
負極反應
核心問題：如何判斷電極材料所在的電極位置
負極
正極
K+
SO42-
平衡電荷，溶質單一
原電池
負極
B
3.重溫經典
4OH－－4e－===O2↑+2H2O
【例3】(2023·陜西高三一模)電滲析法制備高濃度LiOH的裝置如下。圖中雙極膜(BP)中間層中的H2O解離為H＋和OH－，并在直流電場的作用下分別向兩極遷移。下列說法不正確的是(　　)
陽極
2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D
電解池
A. m>X電極連接電源的正極
B. 和N均為陽離子交換膜
C.工作一段時間后，X電極室的pH 保持不變
D.整個裝置中每轉移1mol 電子，最多
生成1mol LiOH
陰極
Li+
陽膜
Li+
陽膜
1mol
1mol
1mol
通過交換膜的離子所帶電荷=外電路通過的電量。
1mol
3.重溫經典
離子從“生成區”移向“消耗區”
【例4】 （2023湖北卷）我國科學家設計如圖所示的電解池，實現了海水直接制備氫氣技術的綠色化。該裝置工作時陽極無Cl2生成且KOH溶液的濃度不變，電解生成氫氣的速率為xmol·h-1。下列說法錯誤的是（ ）
。
A.b電極反應式為 2H2O + 2e－ = H2↑+2OH－
B.離子交換膜為陰離子交換膜
C.電解時海水中動能高的水分子可穿過PTFE膜
D.海水為電解池補水的速率為2x mol·h-1
D
陰極
陽極
4OH－ －4e－= O2↑+ 2H2O
xmol·h-1
xmol·h-1
陰膜
2H2O + 2e－ = H2↑+2OH－
【例5】(2020新高考山東卷13題)采用惰性電極，以去離子水和氧氣為原料通過
電解法制備雙氧水的裝置如圖所示。忽略溫度變化的影響，下列說法錯誤的是
A．陽極反應為2H2O－4e－= 4H＋＋O2↑
B．電解一段時間后，陽極室的pH未變
C．電解過程中，H＋由a極區向b極區遷移
D．電解一段時間后，a極生成的O2與b極反應的O2等量
3.重溫經典
2O2+4H++ 4e－ =2H2O2
陰極
陽極
2H2O－4e－ =4H＋＋O2↑
平衡電荷，
生成區移至消耗區，
通過交換膜的離子所帶電量=外電路通過的電量。
4mol 1mol
2mol 4mol
D
【例6】(2020新高考山東卷10題)微生物脫鹽電池是一種高效、經濟的能源裝置，利用微生物處理有機廢水獲得電能，同時可實現海水淡化。現以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用如圖裝置處理有機廢水(以含CH3COO－的溶液為例)。下列說法錯誤的是
3.重溫經典
A.負極反應為CH3COO－ +2H2O－8e － =2CO2↑+7H+
B.隔膜1為陽離子交換膜，隔膜2為陰離子交換膜
C.當電路中轉移1 mol電子時，模擬海水理論上除鹽58.5 g
D.電池工作一段時間后，正、負極產生氣體的物質的量之比為2∶1
原電池
Na+、Cl－移出
負極
正極
CH3COO－+2H2O－8e－ =2CO2↑+7H+
2H+ +2e－=H2↑
Na+
Cl-
陽膜
1 mol Na+ 1 mol Cl-
8 4
8 2
分離提純，雜質離子移出
外電路通過的電子的量=通過交換膜的離子所帶電量
陰膜
B
3.重溫經典
陰極
陽極
【例7】 (2021·廣東等級考16題)鈷(Co)的合金材料廣泛應用于航空航天、機械制造等領域。如圖為水溶液中電解制備金屬鈷的裝置示意圖。下列說法正確的是( 　)
A．工作時，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大
B．生成1 mol Co，Ⅰ室溶液質量理論上減少16 g
C．移除兩交換膜后，石墨電極上發生的反應不變
D．電解總反應 ：2Co2＋＋2H2O 2Co＋O2↑＋4H＋
2Co2＋＋4e－ =2Co
2H2O－4e－=O2↑＋4H＋
外電路通過的電子的量=通過交換膜的離子所帶電量
4mol 4mol
減小
減小
1mol 2mol 0.5mol 2mol
18
2Cl－ －2e－ ===Cl2↑
2mol 1mol
D
3.重溫經典
【例8】（2023廣東卷16題）用一種具有“卯榫”結構的雙極膜組裝電解池(如圖)，可實現大電流催化電解KNO3溶液制氨。工作時，H2O在雙極膜界面處被催化解離成H+和OH－ ，有利于電解反應順利進行。下列說法不正確的是( )
A.電解總反應：KNO3+3H2O =NH3·H2O+2O2 ↑ +KOH
B.每生成1mol NH3·H2O,雙極膜處有9mol的H2O解離
C.電解過程中，陽極室中KOH物質的量不因反應而改變
D.相比于平面結構雙極膜，“卯榫”結構可提高氨生成速率
陰極
陽極
4OH－ －4e－ =O2↑+2H2O
8e－ ～ 1mol
8OH－ ～ 8e－
通過外電路的電量=通過膜的離子所帶的電量
H+ OH－
8mol
B
NO3－+8e－＋7H2O= NH3·H2O+9OH－
【例9】 （2021全國甲卷）乙醛酸是一種重要的化工中間體，可采用如下圖所示的電化學裝置合成，圖中的雙極膜中間層中的H2O會解離為H+和 OH－，并在直流電場作用下分別向兩極遷移，下列說法正確的是（ ）
3.重溫經典
A.KBr在上述電化學合成過程中只起電解質的作用
B.陽極上的反應式為：
HOOC-COOH+2H++2e－→HOOC-CHO+H2O
C.制得2mol 乙醛酸，理論上外電路中遷移了1mol電子
D.雙極膜中間層中的H+在外電場作用下向鉛電極方向遷移
陰極
陽極
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
雙極膜解離出的H+移向陰極，OH－移向陽極。
D
3.重溫經典
2Cl－ －2e－===Cl2↑
【例10】電滲析法淡化海水的裝置如圖所示。通電后，一個間隔室的海水被淡化，而其相鄰間隔室的海水被濃縮，從而實現了淡水和濃縮海水分離。下列說法正確的是( )
A.離子交換膜b為陽離子交換膜
B.各間隔室的排出液中，
①③⑤⑦為淡水
C.通電時，電極1附近溶液的pH
比電極2附近溶液的pH變化明顯
D.淡化過程中，得到的濃縮海水沒有任何使用價值
陰極
陽極
2H2O＋2e－==H2↑＋2OH－
電解池
淡水
b陰膜
a陽膜
淡水
淡水
淡水
濃縮海水
濃縮海水
濃縮海水
B
1
2
3
考點考向
知識重構
重溫經典
Prt
目 錄
4
模型構建
5
教學策略
4.模型構建
Step -01
Step -02
Step -03
分析隔膜作用
判斷裝置類型
分清隔膜類型
分析隔膜作用是平衡電荷，還是避免物質接觸發生危險或者生成副產物，還是分離提純除去雜質離子，或者生成特定產物。
寫出電極方程式
Step -04
根據有無外加電源，或題中信息判斷是電解池還是原電池。
交換膜屬于陽膜、陰膜和質子膜中的哪一種，判斷隔膜允許那種離子通過。
根據電極方程式，交換膜兩側離子變化，電荷變化或離子遷移方向等，最后做出綜合推斷或計算。
01 解答已知交換膜類型的電池題解題模型
4.模型構建
Step -01
Step -02
Step -03
確定隔膜類型
判斷裝置類型
寫出電極反應式
根據需要通過的離子確定離子交換膜類型。
綜合分析得出結論
Step -04
根據有無外加電源，
或題中信息判斷是電解池還是原電池
根據電極反應式，判斷離子變化，根據電中性原則、電化學中離子移動方向、裝置目的來判斷離子移動方向。
根據電化學各極得失電子數相等，進行計算或者綜合判斷，得出結論。
02 解答未知交換膜類型的電池題解題模型
1
2
3
考點考向
知識重構
重溫經典
Prt
目 錄
4
模型構建
5
教學策略
5.教學策略
01 熟練掌握電化學基本原理
電化學基本原理是解決離子交換膜問題的基礎，是知識向能力轉化的前提。電化學基本原理包括原電池原理、 電解池原理、化學電源等，這些基本原理的復習可以針對具體的原理建立相應的認知模型，用建構的模型去解決新情境中的老問題。
02 建構離子交換膜的認知模型
要對離子交換膜有深刻的理解和認識。離子交換膜在教材中是有據可循的，要對離子交換膜的種類及作用進行認知模型建構，并形成一種利用模型分析具體問題的能力。
5.教學策略
03 模型的應用與升華
用建構的模型對近幾年高考題進行分析，總結每一道題中離子交換膜的作用及類型，并對近幾年高考題的出題特點及知識點進行歸納總結，探尋高考命題的規律與意圖，形成一套行之有效的解題方法，同時形成一種從化學學科核心素養的角度去思考問題的思維習慣。
5.教學策略
04 落實化學學科核心素養
變化觀念與平衡思想：
能從多角度、動態分析電池中發生的反應，并運用電化學原理解決有關離子交換膜的實際問題。
證據推理與模型認知：
利用電化學裝置，分析原理，建立解答有關離子交換膜在電池問題中的思維模型，并利用模型揭示其本質及規律。
宏觀辨識與微觀探析：
通過分析電極反應,根據電流的方向和離子交換膜的類型判斷離子的移動，結合設計該電解池（原電池）的目的，判斷出每個隔室中物質的變化。
科學探究與創新意識：
在習題練習過程中分析離子交換膜的應用，將知識從點串成面，構成電化學完整的知識體系。
科學態度與社會責任：
體會離子交換膜在電解原理中對社會發展的重大貢獻，具有可持續發展意識和綠色化學觀念，能對隔膜在電解有關的社會熱點問題上做出正確的價值判斷。
謝 謝！

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