电化学中的离子交换膜
新课标卷的热点——离子选择交换膜(1)
新课标卷的热点——离子选择交换膜鲁科版教材中有两处对离子交换膜进行了介绍，分别在选修四第二章第2节化学与技术栏目中，给予了离子膜法在电解食盐水中的原理示意图，以及鲁科版选修2主题2海水资源工业制碱课题1中，使用离子交换柱进行海水淡化，对离子交换膜法电解原理示意图做了简单介绍。
研究近年高考题发现在电化学的考查中多次涉及离子交换膜的应用，体现了化学学科素养中的证据推理与模型认知。
一、简单介绍离子交换膜（简称离子膜）是一种含有离子基团的、对溶液中的离子具有选择透过能力的高分子膜。
因为一般在应用时主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。
1950年W.朱达首先合成了离子交换膜，1956年首次成功地用于电渗析脱盐工艺上。
1•离子交换膜的功能和类型便高子龍向迁移，选算性地过茶些离子車唏高茶童离于、物员：平蘭整牛渣液绘壬妙或电叙坯¥巧呻貝允许却雯于和水廿于谍过，疋葺I艾啞麒、阻止阴禺子和岂悴堆过匸日土丁手注皑只允汗冏褊才'和水甘子通过*円羯丁片現、曲止阳蛊于和气佰i卸丈助土*汨只允许芸#至曳孑）礼水分子通'-I2.离子交换膜在电化学中的作用（1）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，引发不安全因素或者防止副反应的发生，避免影响所制取产品的质量；例如：在电解饱和食盐水中，利用阳离子交换膜，防止阳极产生的Cb进入阴极室与NaOH反应，导致所制产品不纯；防止与阴极产生的H2混合发生爆炸。
⑵用于物质的制备。
电解后溶液阴极区或阳极区得到所制备的物质，例如：电解法制备碘酸钾，只有使用阴离子交换膜，才能保证阴极区的碘离子定向移动到阳极区被氧化为碘酸根，从而提高原料的利用率，同时阴极得到副产物KOH。
⑶物质的分离与提纯。
例如：海水中含有大量Na+、C「及少量Ca2+、Mg2+、Sq2「，用电渗析法对该海水样品进行淡化处理，阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，则a为阴3 •离子交换膜类型的判断首先判断隔膜的用途是制取物质，还是避免电极产物之间发生反应，然后根据电解质溶液呈中性的原则，判断膜的类型。
专题突破 ——电化学中“离子交换膜”的应用
例15、【2016浙江卷】金属（M）–空气电池（如图）具有原料易
得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源。
该类电池放电的总反应方程式为：4M +nO2 + 2nH2O == 4M(OH)n 已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放
出的最大电能。下列说法不正确的是(
A.该原电池的正极反应是Zn-2e-====Zn2+； B.电池工作一段时间后，甲池的c(Cl-)增大； C.一段时间后，乙池中溶液的红色逐渐褪去； D.石墨电极上发生氧化反应。
例5、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。电解槽内装有阳 离子交换膜，其工作原理如图所示。下列说法中不原 Nhomakorabea是。
阳极产生O2，pH减小，HCO3-浓度降低；K+部分迁
移至阴极区。
例18、【2020新课标1卷】焦亚硫酸钠（Na2S2O5） 在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。回 答下列问题：
制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如 图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。
电流从右侧电极经过负载后流向左
01
侧电极；
为使电池持续放电，离子交换膜选
02
用阴离子交换膜；
电极A反应式为2NH3-6e-
03
====N2+6H+；
当有4.48 L NO2(标准状况)被处
04
理时，转移电子为0.8 mol。
例3、现有离子交换膜、石墨电极和如图所示 的电解槽，电解KI的淀粉溶液制取KOH，一 段时间后Ⅲ区附近变蓝色，下列叙述中错误
一．阳离子交换膜只允许阳离子通过， 阻止阴离子和气体通过；
2024届高三化学一轮复习 电化学里的“魔法师”——离子交换膜 课件
电化学里的“膜法师”——离子交换膜
感受高考 明确考向
2023全国甲卷
2022全国甲卷
2023全国乙卷
2022全国乙卷
2021全国甲卷
2021全国乙卷
考查知识点：
1.电极名称、电势高低判断
2.三个方向（电子、电流、 离子） 3.电极反应式的书写与正误 判断 4.电解质溶液质量、PH、 浓度的变化
活动一、识膜——离子交换膜的知识重构——建构认知模型
3.离子交换膜在教材中的经典原理模型 [回归教材1]选修4教材P80 画出氯碱工业电解装置图
写出电极反应式和总化学方程式
活动一、识膜——离子交换膜的知识重构——建构认知模型
3.离子交换膜在教材中的经典原理模型 [回归教材1]选修4教材P80 画出氯碱工业离子交换膜电解装置图（一膜二进四出）
2.电化学装置中为什么要引入离子交换膜？它的作用是什么？
单液原电池
缺点:负极与电解质溶 液直接接触，导致电 流不稳定， 电能转化 率低
带盐桥的原电池
缺点:电流稳定， 但电流小 （盐桥电阻大）
带离子交换膜的原电池
优点：有效隔离，电阻小。 电流稳定， 电流较大。
离子交换膜的作用： ①隔离Zn和CuSO4溶液， 避免直接反应 ②选择性通过离子，平衡 电荷，形成闭合回路
5.离子交换膜的种类判断 及穿膜离子方向判断
6.有关定量计算
学习目标：理解并掌握电化学中关于离子交换膜的判断、应用及相关计算。 通过对离子交换膜的分析感受化学原理在社会生活中的应用。
活动一、识膜——离子交换膜的知识重构——建构认知模型
1.什么是离子交换膜？常见的类型有哪些？离子交换膜的原理？
2.电化学装置中为什么要引入离子交换膜？它的作用是什么？ 3.离子交换膜在教材中的原理模型
双极膜由阳离子交换膜
双极膜由阳离子交换膜双极膜由阳离子交换膜（Bipolar membrane）构成，是一种在电化学过程中起到重要作用的材料。
它由一层阴离子交换膜和一层阳离子交换膜交替叠加而成。
双极膜在许多领域中被广泛应用，包括电解池、脱盐、水处理和氢氧化物制备等。
双极膜的主要特点是它能够将电解液分解成酸和碱两个组分。
在电解过程中，正电荷离子（阳离子）会被阻挡在阳离子交换膜一侧，而负电荷离子（阴离子）则会被阻挡在阴离子交换膜一侧。
这样，电解液中的阴离子和阳离子会在双极膜中形成离子流，从而实现了酸和碱的分离。
双极膜在电解池中起到了重要的作用。
在膜电解过程中，双极膜可以将电解液中的离子分离，形成酸和碱两个溶液。
这在一些工业生产过程中非常有用，比如在电镀过程中，双极膜可以将电解液中的金属离子分离出来，用于金属的沉积。
此外，双极膜还可以在水处理中用于脱盐，通过电解将水中的盐分离出来，从而获得纯净的水。
双极膜还可以用于氢氧化物制备。
在电解水过程中，水分子可以被分解成氢离子（H+）和氢氧离子（OH-）。
双极膜的作用是将H+离子从阴极一侧传输到阳极一侧，而OH-离子则会通过阴离子交换膜传输到阳离子交换膜一侧。
这样，氢离子和氢氧离子会在阳离子交换膜中再次结合，形成水分子。
这一过程可以用来制备氢氧化物，如氢氧化钠。
双极膜的设计和制备是一个挑战性的任务。
首先，双极膜需要具有良好的离子选择性，能够有效地分离阳离子和阴离子。
其次，双极膜需要具有较高的离子传输速率，以提高电解效率。
最后，双极膜需要具有良好的稳定性，能够长时间地工作在酸碱环境中。
目前，研究人员正在不断努力改进双极膜的性能，并开发出更加高效、稳定的双极膜材料。
总结起来，双极膜由阳离子交换膜构成，具有将电解液分解成酸和碱的能力。
它在电解池、脱盐、水处理和氢氧化物制备等领域中发挥着重要作用。
然而，双极膜的设计和制备仍然是一个挑战，需要研究人员不断努力改进其性能。
随着技术的进步，相信双极膜将在更多的领域中得到广泛应用。
第23讲 第3课时 电化学中“离子交换膜”的应用
3
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2．工业上用电解法处理含镍酸性废水并得到单质Ni的原理如图所示。 已知：①Ni2＋在弱酸性溶液中发生水解， ②氧化性：Ni2＋(高浓 度)>H＋>Ni2＋(低浓度)。下列说法不正确的是( B ) A．碳棒上发生的电极反应：4OH－－4e－ ===O2↑＋2H2O B．电解过程中，B室中NaCl溶液的物质的 量浓度将不断减小
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微课集训
集训三 提高产品纯度
题目
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解这类问题可以分三步：
第一步，分清隔膜类型。即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一 种，判断允许哪种离子通过隔膜。 第二步，写出电极反应式， 判断交换膜两侧离子变化， 推断电荷变 化，根据电荷平衡判断离子迁移方向。
第三步，分析隔膜作用。在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯
(2)若质子交换膜换成阴离子交换膜，其他不变。若有11.2 L氯气(标准状 － 1 Cl 况)参与反应，则必有________mol________离子(填离子符号)由交换膜 右 侧通过交换膜向________ 左 迁移。交换膜右侧溶液中c(HCl)_________ ＝ ________ (填“>”“<”或“＝”)1 mol·L－1(忽略溶液体积变化)。
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题目
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解析： (2)中应该从闭合回路的角度，阴、阳离子的流向分析； (3)注意阳极反应生成O2，O2具有氧化性，H3PO2和H2PO2-均具有还原 性，二者会被O2氧化生成PO43-。 答案： (1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ (2)阳极室的H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H2PO2-穿过阴膜扩散 至产品室，二者反应生成H3PO2 (3)PO43H2PO2-或H3PO2被氧化
4.20 电化学中离子交换膜的作用
常见的离子交换膜及作用 1.(单膜)下图为一定条件下采用多孔惰性电极的储氢电池充电装置( 忽略其他有机物)。已知储氢装置的电流效率η＝(转移的电子总数/生 成目标产物消耗的电子数)×100%，下列说法不正确的是( )
离子交换膜(提高电流效率)
常见的离子交换膜及作用
2.【2018·全国卷Ⅰ，13】最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实 现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯 (石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为： ①EDTA-Fe2＋－e－===EDTA-Fe3＋ ②2EDTA-Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋ 该装置工作时，下列叙述错误的是 A.阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O B.协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低 D.若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需为酸性
C.隔膜只允许阳离子通过
C.为维持溶液的电中性， 正极附 近产生的OH－通过隔膜进入负极 被消耗，隔膜允许阴离子通过， C错误；
练习3. 某研究小组利用下列装置用N2O4生产新型硝化剂N2O5。
①现以H2、O2、熔融盐Na2CO3组成燃料电池,采用电解法制备N2O5, 装置如图所示,其中Y为CO2。在该电极上同时还引入CO2的目的是 _______________________。 ②电解过程中,生成N2O5的电极反应方程式为_____________。
常见的离子交换膜及作用分析
(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳 极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。并撤去阳极室与产品室之间的阳膜， 从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有________杂质。该杂 质产生的原因是________________________________________________。 作用1：防止其它反应
离子交换膜简介
离子交换膜主要用途
电渗析 燃料电池隔膜 离子选择性电极
电渗析
利用离子交换膜来分离不同的溶质离子。在电场作 用下溶液中的带电的溶质离子通过膜而迁移的现象 称为电渗析。利用电渗析进行提纯和分离物质的技 术称为电渗析法，最初用于海水淡化，现在广泛用 于化工、轻工、冶金、造纸、医药工业，环保中。
离子选择性电极
离子选择性电极是一类利用膜电势测定溶液中 离子的活度或浓度的电化学传感器，当它和含 待测离子的溶液接触时，在它的敏感膜和溶液 的相界面上产生与该离子活度直接有关的膜电 势。电极膜对特定的离子具有选择性响应，电 极膜的电位与待测离子含量之间的关系符合能 斯特公式。这类电极由于具有选择性好、平衡 时间短的特点，是电位分析法用得最多的指示 电极。
离子交换膜按功能及结构的不同，又可 分为阳离子交换膜、阴离子交换膜、两性交 换膜、镶嵌离子交换膜、聚电解质复合物膜 五种类型。
阳离子交换膜是对阳离子具有选择透过性。 阳离子膜通常是磺酸型的。 阴离子交换膜对阴离子具有选择透过性。 一般以-NH3+、-NR2H+或者-PR3+等阳离子作 为活性交换基团。
原理
离子子交换膜可以看作是一种高分子电解质, 他的高分子母体是不溶解的,而连接在母体上 的带电基团带有电荷和可解离离子相互吸引着, 他们具有亲水性。例如，由于阳膜带负电荷, 虽然原来的解离阳离子受水分子作用解离到水 中,但在膜外我们通电通过电场作用,带有正电 荷的阳离子就可以通过阳膜,而阴离子因为同 性排斥而不能通过,所以具有选择透过性。
离子交换膜简介
离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液 的的离子具有选择透过功能的膜，通常由高分 子材料制成。因为一般在应用时主要是利用它 的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过 性膜。
电化学中的防护窗--离子交换膜
电化学E的DHPI窗——壽弓交换膜■河南省卢氏县第一高级中学陈飞（特级教师）离子交换膜是一种对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜，在应用时，主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。
不论是原电池还是电解池装置，大多数都带有离子交换膜，其在电化学中应用十分广泛，也是高考试题中的常客。
本文探讨离子交换膜在电化学中的重要应用，对同学们深入理解原电池原理和电解池原理提供帮助。
一、离子交换膜的类型离子交换膜按功能及结构的不同可以分为多种类型。
高考试题中主要是根据透过的微粒种类将其分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜。
阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，质子交换膜只允许质子（H+）通过。
二、离子交换膜的作用离子交换膜在不同的装置中有不同的作用，下面我们来看一下在电化学中的主要作用。
一是防止副反应发生，提高装置的工作效率，提高产品的纯度，防止引发不安全因素。
例如在电解饱和食盐水中，利用阳离子交换膜防止阳极产生的氯气进入阴极室与氢氧化钠反应，导致所制产品不纯，也可防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气相遇而发生危险。
二是使离子选择性定向移动，平衡整个溶液中的离子浓度或电荷，使溶液始终保持电中性。
三是使某种离子能够发生定向移动，构成闭合回路，从而形成原电池或电解池装置。
四是常用于物质的制备、分离和提纯等。
三、原电池中的离子交换膜1.质子交换膜。
侧f【改编题】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，如图1所示。
下列说法正确的是（）。
A.该方法在高温条件下比现有工业合成氨的效率高B.阳极区，在固氮酶作用下发生反应为N?+6H++6MV+^6MV2++2NH3C.负极区，氢化酶为催化剂，发生还原反应D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动解析：该方法选用酶作催化剂，在高温条件下，酶失去催化活性，和现有工业合成氨相比，效率降低，A项错误。
离子交换膜在电化学中的应用
小结：
离子交换膜选择的一般依据
电池总反应式（目的） 电极反应式 离子移动方向
巩固提高
如图装置进行海水淡化，其中电极A接直流电源的 负极，电极B接直流电源的正极，则： ①隔膜A是 __阳____ （填“阳”、“阴”）离子交换膜。 ②若用电解K2SO4溶液制取KOH和H2SO4，A、B、C 三室依次盛放的物质是： KOH K2SO4 H2SO4
（2)A为_阴__离子交换膜（填“阳”或“阴”)
变式练习
（3）假如使用阳离子交换膜，会发生怎样的变化？
阳极 2I﹣﹣2e﹣=I2 阴极 2H++2e﹣=H2↑
总反应
电解
2KI+2H2O
2KOH+I2+H2↑
交流与讨论
2
一种以肼（N2H4）为燃料的电池装置如下图所示。该电 池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH作为电解质。 请写出负极发生的电极反应式_N_2H_4_-4_e_-+_4_OH_-_=N_2_+_4H_2_O __. 该燃料电池持续放电时，图中选__阴___离子交换膜。
阴极
阳极
直击高考
【2015全国I卷11】微生物电池是指在微生物的作用下 将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。
下列有关微生物电池的说法错误的是（ A ）
A
微生物
O2
C6H12O6+H2O 质子交换膜
厌氧反应
有氧反应
A．正极反应中有CO2生成 B．微生物促进了反应中电子的转移
C．质子通过交换膜从负极区移向正极区
A．通电后中间隔室的SO42－离子向正极迁移，正极区溶液pH增大 B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品 C．负极反应为2 H2O–4e–=O2 +4H+，负极区溶液pH降低 D．当电路中通过1mol电子的电量时，会有0.5mol的O2生成
学科素养专项提升6 电化学中的离子交换膜
学科素养 专项提升
(六) 电化学中的离子交换膜
典例诠释
跟踪训练
素养的认知与形成 核心素养1:证据推理与模型认知 通过分析、推理等方法认识原电池原理,明确原电池装置中的正 负极、电解池装置中的阴阳极、电解质溶液中离子的移动方向,明 确两电极发生的反应,根据离子交换膜的种类确定通过哪些离子, 判断交换膜的作用。建立认知模型,并能运用模型解释化学现象, 揭示现象的本质和规律。 核心素养2:科学态度与社会责任 关注与化学有关的社会热点问题,认识环境保护和资源合理开发 的重要性,要具有可持续发展意识和绿色化学观念;深刻理解化学、 技术、社会和环境之间的相互关系,能运用已有知识和方法综合分 析化学电源对生产、生活的意义,积极参与有关能源和环境问题的 社会决策。
学科素养
(六) 电化学中的离子交换膜
专项提升
典典例例诠诠释释
跟踪训练
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典例1(2019安徽江南片高三摸底)四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH] 常用作电子工业清洗剂,以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]为原料,采用 电渗析法合成(CH3)4NOH,其工作原理如下图所示(a、b为石墨电 板,c、d、e为离子交换膜),下列说法正确的是( )
-6-
2.解题步骤 (1)分清隔膜类型。即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一 种,判断允许哪种离子通过隔膜。 (2)写出电极反应式,判断交换膜两侧离子的变化,推断电荷变化, 根据电荷守恒判断离子迁移的方向。 (3)分析隔膜作用。在产品制备中,隔膜的作用主要是提高产品纯 度,避免产物之间发生反应,或避免产物因发生反应而造成危险。
关闭
A.正极反应式为Li-e-==Li+ BC分的..析 LL每ii++总转移不反移向断应正2向方m极电o程,lA池电式项的子可错正知,误消锂极,耗C元项移11素正动.2化确L合;的11价.O2升2L氧高气,被的氧物化质,在的负量极不失一去定电是子0,.生5 成 关闭 DmCo.可l,B以项去错掉误隔;金膜属和锂有能与机水电反解应液,故,让D金项属错误锂。与水性电解液直接接触
各种膜电极的差异
各种膜电极的差异
膜电极是一种常用于电化学反应中的电极，其与溶液直接接触的部分是一层薄膜。
根据所采用的薄膜材料的不同，膜电极可以分为不同类型，包括以下几种：
1. 离子交换膜电极（Ion Exchange Membrane Electrodes）：这种膜电极使用的是离子交换膜材料，可以通过选择性传输离子的方式实现电化学反应。
离子交换膜电极可以用于多种离子传输反应，如离子转移反应、离子交换反应等。
2. 选择透过膜电极（Selective Permeability Membrane Electrodes）：这种膜电极使用的是选择透过膜材料，其选择性透过某种特定的离子或物质，可以实现选择性传输或分离反应。
选择透过膜电极常用于离子分离、浓度测定等应用。
3. 水凝胶膜电极（Hydrogel Membrane Electrodes）：这种膜电极使用的是水凝胶膜材料，其在水中有良好的凝胶能力，并可以吸收和释放水分子、离子等。
水凝胶膜电极常用于水分子吸附、水分测定等应用。
4. 生物膜电极（Biological Membrane Electrodes）：这种膜电极使用的是生物膜材料，可用于模拟和研究生物膜中的电化学反应或生物传感应用。
生物膜电极常用于生物分析、生物传感等领域。
总的来说，不同种类的膜电极在使用材料、选择性传输等方面存在差异，适用于不同的应用领域和反应类型。
22人教版高中化学新教材选择性必修1--微专题3 离子交换膜在电化学中的应用
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
[答案] B
[解析] A项,结合题给微生物脱盐电池装置可知, 极的电极反应式为
CH3 COO− + 2 H2 O − 8 e− = 2 CO2 ↑ +7 H + ,故a极为负极,b极为正极,正确。B
（3）实例：判断电解饱和食盐水装置（如图）中离子交换膜类型的方法。
方法1 阴极反应式为 2 H + + 2 e− = H2 ↑ ,则阴极区域破坏了水的电离平衡,
OH − 有剩余,阳极区域的 Na+ 通过离子交换膜进入阴极室,与 OH − 结合得到
NaOH ,故电解饱和食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。
质子交换膜由右侧向左侧迁移，A错误、C正确; Pt 是阴极,在阴极上发生氢
离子得电子的还原反应,电极反应式为 2 H + + 2 e− = H2 ↑ ,不能用湿润的淀
粉 −KI 试纸检验氢气,B错误; 电解过程中,质子交换膜右侧溶液中每生成
4 molH + ,将有 6 molH + 通过质子交换膜向阴极区移动,所以右侧溶液的 pH
2 UO2
2+
+ N2 H5+
电解
+ 3H
= 2 U 4+ + N2 ↑ +4 H2 O ,电解质溶液中还含有
+
NO−
3 ,电解装置如图所示。下列说法正确的是(
)
A. 电极 的电极反应式为 UO2 2+ + 4 H + + 2 e− = U 4+ + 2 H2 O
电化学中的离子交换膜
碱性增强,D 项正确。
增分典例探究
增分点二 利用离子交换膜隔离某些物质防止发生反应
【解题策略】 本类试题利用离子交换膜阻止某些离子移动来隔离某些物质,防止副反应 的发生或防止改变电解质溶液的酸碱性。解题时应先确定装置的正、负极,假定没有离 子交换膜由离子的移动方向判断可能发生的其他反应 ,对设计目的的影响,进而分析解 答。
增分典例探究
例 2 如图 Z7-3 是电化学催化还原二氧化碳制备一氧化碳的装置示意图,质子交换膜将电 解池分隔为阴极室和阳极室。下列说法中正确的是 ( A.a 是阴极 B.B 极室的反应是 CO2+2e +2H
+
)
CO+H2O
C.一段时间后,A 极室中溶液的 pH 增大 D.电子由 B 极室流向 A 极室
图 Z7-3
增分典例探究
[答案] B
[解析] ] 根据题意可知该装置是电解池,根据质子的流向知 b 是阴极,B 极室是阴极 室,发生的反应是 CO2+2e +2H
+
CO+H2O,A 极室发生的反应是 2H2O-4e 4H +O2↑,
+
总反应是 2CO2 2CO+O2,A 错误,B 正确;A 极室中溶液的 pH 不变,C 错误;电子不能 在电解质溶液中流动,D 错误。质子交换膜的使用将电池分割成阴、阳两极室,有效 地避免了 CO、O2 的直接接触,提高了放电效率。
+ -
负极区溶液 pH 升高,C 项错误;正极反应为 4OH -4e O2↑+2H2O,电路中转移 1 mol 电子
-
时,生成 0.25 mol O2,D 项错误。
增分典例探究
高中化学 电化学装置中的离子交换膜
课时31电化学装置中的离子交换膜类型一离子交换膜的种类【考必备·清单】1．含义和作用(1)含义：离子交换膜又叫隔膜，由高分子特殊材料制成。
(2)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。
2．分类和应用3．三类交换膜应用实例种类装置图说明阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)①负极反应式：Zn－2e－===Zn2＋②正极反应式：Cu2＋＋2e－===Cu③Zn2＋通过阳离子交换膜进入正极区④阳离子→透过阳离子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极)续表种类装置图说明阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过)以Pt 为电极电解淀粉KI 溶液，中间用阴离子交换膜隔开①阴极反应式：2H 2O ＋2e －===H 2↑＋2OH －②阳极反应式：2I －－2e －===I 2③阴极产生的OH －移向阳极与阳极产物反应： 3I 2＋6OH －===IO －3＋5I －＋3H 2O④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极(或原电池的负极)质子交换膜(只允许H＋和水分子通过)在微生物作用下电解有机废水(含CH 3COOH)，可获得清洁能源H 2①阴极反应式：2H ＋＋2e －===H 2↑②阳极反应式：CH 3COOH －8e －＋2H 2O===2CO 2↑＋8H ＋③阳极产生的H ＋通过质子交换膜移向阴极④H ＋→透过质子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极) 【探题源·规律】[例1] 四室式电渗析法制备盐酸和NaOH 的装置如图所示。
a 、b 、c 为阴、阳离子交换膜。
已知：阴离子交换膜只允许阴离子透过，阳离子交换膜只允许阳离子透过。
下列叙述正确的是( )A ．b 、c 分别依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜B ．通电后Ⅲ室中的Cl －透过c 迁移至阳极区 C ．Ⅲ、Ⅲ、Ⅲ、Ⅲ四室中的溶液的pH 均升高D ．电池总反应为4NaCl ＋6H 2O=====电解4NaOH ＋4HCl ＋2H 2↑＋O 2↑[解析] 由图中信息可知，左边电极与负极相连为阴极，右边电极为阳极，所以通电后，阴离子向右定向移动，阳离子向左定向移动，阳极上H2O放电生成O2和H＋，阴极上H2O放电生成H2和OH－；H＋透过c，Cl－透过b，二者在b、c之间的Ⅲ室形成盐酸，盐酸浓度变大，所以b、c分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜；Na＋透过a，NaOH的浓度变大，所以a也是阳离子交换膜，故A、B两项均错误；电解一段时间后，Ⅲ中的溶液的c(OH－)升高，pH升高，Ⅲ中为NaCl溶液，pH不变，Ⅲ中有HCl生成，故c(H＋)增大，pH减小，Ⅲ中H＋移向Ⅲ，H2O放电生成O2，使水的量减小，c(H＋)增大，pH减小，C不正确。
2024届高考化学增分小专题：《剖析离子交换膜在电化学应用中的重要作用》
2H2↑＋O2↑，据此解答。
A．b电极反应式为b电极为阴极，发生还原反应，电极反应为2H2O＋2e－＝
H2↑＋2OH－，A正确；
B．该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH浓度不变，阳极发生的电极反应为
4OH――4e－＝O2↑＋2H2O，为保持OH－离子浓度不变，则阴极产生的OH－离
子要通过离子交换膜进入阳极室，即离子交换膜应为阴离子交换摸，B正确；
A．电池工作时，甲室中细菌上乙酸盐的阴离子失去电子被氧化为CO2气体， 同时生成H+，电极反应式为CH3COO－－8e－＋2H2O＝2CO2↑＋7H+，H+通过 阳膜进入阴极室，甲室的电极反应式为Co2+＋2e－＝Co，因此，甲室溶液pH 逐渐减小，A错误；
B．对于乙室，正极上 LiCoO2 得到电子，被还原为 Co2+，同时得到 Li+，其中的 O 与溶液中的 H+结合 H2O，因此电池工作一段时间后应该补充盐酸，B 正确； C．电解质溶液为酸性，不可能大量存在 OH-，乙室电极反应式为：LiCoO2＋e＋4H+＝Li+＋Co2+＋2H2O，C 错误；
A．由分析中阴阳极电极方程式可知，电解总反应为KNO3＋3H2O＝NH3∙H2O ＋2O2↑＋KOH，故A正确； B．每生成1mol NH3∙H2O，阴极得8mol e－，同时双极膜处有8molH+进入阴极 室，即有8mol的H2O解离，故B错误； C．电解过程中，阳极室每消耗4molOH－，同时有4molOH－通过双极膜进入 阳极室，KOH的物质的量不因反应而改变，故C正确；
下列说法正确的是 A. 电极 b 为阳极
√B. 隔膜为阴离子交换膜
C. 生成气体 M 与 N 的物质的量之比为 2∶1
第四章 第二节 微专题11 离子交换膜在电化学中的应用
微专题11离子交换膜在电化学中的应用1．离子交换膜的分类(1)阳离子交换膜：只允许阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜：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，不允许其他阳离子或阴离子通过。
(4)双极隔膜：是一种新型离子交换膜，其膜主体可分为阴离子交换层、阳离子交换层和中间界面层，水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中，水电离产物H＋和OH－可在电场力的作用下快速迁移到两侧溶液中，为膜两侧的半反应提供各自理想的pH条件。
2．离子交换膜的作用(1)平衡左右两侧电荷，得到稳定电流离子交换膜能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
(2)阻隔某些离子或分子，防止某些副反应的发生离子交换膜能将两极隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。
(3)制备某些特定产品题型一离子交换膜的判断例1(2020·山东，10)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，用下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()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 gD．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答案 B解析由装置示意图可知，负极区CH3COO－发生氧化反应生成CO2和H＋，A项正确；隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，才能使模拟海水中的氯离子移向负极，钠离子移向正极，达到海水淡化的目的，B项错误；电路中有1 mol 电子通过，则模拟海水中有1 mol钠离子移向正极，1 mol氯离子移向负极，C项正确；负极产生CO2：CH3COO－＋2H2O －8e－===2CO2↑＋7H＋，正极产生H2：2H＋＋2e－===H2↑，根据得失电子守恒，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1，D项正确。
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高三化学训练——电化学中的离子交换膜
2016年6月18日1．（2015津）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，下列有关叙述正确的是
A．铜电极上发生氧化反应
B．电池工作一段时间后，甲池的c(SO42－)减小
C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加
D．阴阳离子离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
2．（2015沪）氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制取氯气、氢气、
烧碱和氯的含氧酸盐等系列化工产品。
下图是离子交换膜法电解食盐
水的示意图，图中的离子交换膜只允许阳离子通过。
完成下列填空：
（1）写出电解饱和食盐水的离子方程式。
（2）离子交换膜的作用为：、。
（3）精制饱和食盐水从图中位置补充，氢氧化钠溶液从图中位置流出。
（选填“a”、“b”、“c”或“d”）
3．如果模拟工业上离子交换膜法制烧碱的方法，那么可以设想
用如图装置电解硫酸钾溶液来制取氢气、氧气、硫酸和氢氧化
钾（电解槽内的阳离子交换膜只允许阳离子通过，阴离子交换
膜只允许阴离子通过）。
①该电解槽的阳极反应式为
，单位时间内通过阴离子交换膜的离子数与通过阳离子交换膜的离子数的比值为。
②从出口D导出的溶液是（填化学式）。
4．海洋资源的开发与利用具有广阔的前景。
海水的pH一般在7.5~8.6之间。
某地海水中主要离子的含量如下表：
成分Na+K+Ca2+Mg2+Cl－SO42－HCO3－
含量/mg∙L－19360 83 160 1100 16000 1200 118 （1）海水显弱碱性的原因是（用离子方程式表示），该海水中Ca2+的物质的量浓度为__________mol/L。
（2）电渗析法是近年发展起来的一种较好的海水淡化技术，其原理如下图所示。
其中阴（阳）离子交换膜只允许阴（阳）离子通过，电极均为惰性电极。
① 开始时阳极的电极反应式为。
② 电解一段时间，极（填“阴”或“阳”）会产生水垢，其成份为（填化学式）。
③ 淡水的出口为a、b、c中的__________出口。
6．（2013浙）电解装置如图所示，电解槽内装有KI及淀粉溶液，中间用阴离子交
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，蓝色逐渐变
浅。
已知：3I2+6OH—==IO3—+5I—+3H2O 下列说法不正确的是（）
A．右侧发生的电极方程式：2H2O+2e—==H2↑+2OH—
B．电解结束时，右侧溶液中含有IO3—
C．电解槽内发生反应的总化学方程式KI+3H2O======KIO3+3H2↑
D．如果用阳离子交换膜代替阴离子交换膜，电解槽内发生的总化学方程式不变
7．（2012浙）以铬酸钾为原料，电化学法制备重铬酸钾的实
验装置示意图如右，下列说法不正确的是
A．在阴极式，发生的电极反应为：2H2O＋2e－＝2OH－
＋H2↑
B．在阳极室，通电后溶液逐渐由黄色变为橙色，是因为
阳极区H＋浓度增大，使平衡22
4
CrO-＋2H＋2
27
Cr O-＋
H2O向右移动
C．该制备过程总反应的化学方程式为：4K2CrO4＋4H2O通电2K2Cr2O7＋4KOH＋2H2↑＋O2↑
|
KOH
稀溶液
不锈钢惰性电极
24
K CrO溶液
d D．测定阳极液中K和Cr的含量，若K与Cr的物质的量之比为d，则此时铬酸钾的转化率为1－
2 8．（2010渝）全钒液流储能电池是利用不同价态离子对的氧
化还原反应来实现化学能和电能相互转化的装置，其原理如
图所示。
①当左槽溶液逐渐由黄变蓝，其电极反应式
为．
②充电过程中，右槽溶液颜色逐渐由色变为色．
③放电过程中氢离子的作用是和；充电时若转移的电子数为3.01 1023个，左槽溶液中n(H ＋)的变化量为．
9．（2012渝）人工肾脏可采用间接电化学方法除去代谢产物中
的尿素[CO(NH2)2]，原理如图所示．
①电源的负极为（填“A”或“B”）。
②阳极室中发生的反应依次为
、。
③电解结束后，阴极室溶液的pH与电解前相比将；若两极共收集到气体13．44L（标准状况），则除去的尿素为g（忽略气体的溶解）．
10．（2013渝）化学在环境保护中起着十分重要的作用，催化反硝化法和电化学降解法可用于治理水中硝酸盐的污染。
电化学降解NO3－的原理如图所示。
①电源正极为（填A或B），阴极反应式为。
②若电解过程中转移了2mol电子，则膜两侧电解液的质量变化差(Δm左－Δm右)为g。
11．(2012京)直接排放含SO2的烟气会形成酸雨，危害环境。
利用钠碱循环法可脱除烟气中的SO2。
(1)在钠碱循环法中，Na2SO3溶液作为吸收液，可由NaOH溶液吸收SO2制得，该反应的离子方程式是
(2)吸收液吸收SO2的过程中，pH随n(SO32－)，n(HSO3－)变化关系如下表：
①上表判断Na2SO3溶液显性，用化学平衡原理解释:
②当吸收液呈中性时，溶液中离子浓度关系正确的是(选填字母):
a．c(Na＋) = 2c(SO32－)＋c(HSO3－)
b．c(Na＋)>c(HSO3－)>c(SO32－)>c(H＋) = c(OH－)
c．c(Na＋)＋c(H＋)=c(SO32－)＋c(HSO3－)＋c(OH－)
(3)当吸收液的pH降至约为6时，即送至电解槽再生。
再生示意图如下:
①HSO3−在阳极放电的电极反应式是。
②当阴极室中溶液PH升至8以上时，吸收液再生并循环利用。
简述再生原理:
12．（2014全国课标Ⅰ）次磷酸（H3PO2）是一种精细磷化工产品，具有较强还原性。
H3PO2可用电渗析法制备，“四室电渗析法”工作原理如图所示（阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过）：
①写出阳极的电极反应式。
②分析产品室可得到H3PO2的原因。
③早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2，将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。
其缺点是产品中混有杂质，该杂质产生的原因是。
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