2020年高考化学专项突破13 隔膜在电化学装置中的应用

专项突破(十三) 隔膜在电化学装置中
的应用
1．隔膜的分类
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。

2．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)能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。

注意：①反应物相同，不同的交换膜，迁移的离子种类不同。

②同种交换膜，转移相同的电子数，如果离子所带电荷数不同，迁移离子数不同。

③离子迁移依据电荷平衡，而离子数目变化量可能不相等。

[典例导航]
(2016·全国卷Ⅰ，T11)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SO2－4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。

下列叙述正确的是()
A．通电后中间隔室的SO2－4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2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，负极区溶液pH降低
D．当电路中通过1 mol电子的电量时，会有0.5 mol的O2生成
[思路点拨] 直流电场作用→图中的“－”极和“＋”极就是阴极和阳极――――――――――――――→根据电解时，阳离子移向阴极阴离子移向阳极
SO 2－4移向“＋”极，Na ＋移向“－”极―→ab 为阳离子交换膜，cd 为阴离子交换膜―→“－”极反应为2H ＋＋2e －===H 2↑，pH 增大；“＋”极反应为4OH －－4e －===O 2↑＋2H 2O ，pH 减小。

答案：B
(1)ab 为________________(填“阴”或“阳”，下同)离子交换膜，cd 为________离子交换膜。

(2)正极区的电极反应式为______________________________________， 正极区的pH 变________(填“大”或“小”)，从平衡角度解释原因___________________________________________________________
___________________________________________________________。

(3)当正极产生0.5 mol 气体时，通过cd 膜的离子数目为________。

答案：(1)阳 阴
(2)4OH －－4e －===O
2↑＋2H 2O 小 正极区溶液中存在H 2O
H ＋＋OH －，OH －放电，c (OH －)减小，上述平衡右移，使c (H ＋)>c (OH －)，且c (H ＋)逐渐增大，pH 减小
(3)6.02×1023(或N A )
[对点训练]
1．(2019·保定模拟)用Na 2SO 3溶液吸收硫酸工业尾气中的二氧化硫，将所得的混合液进行电解循环再生，这种新工艺叫再生循环脱硫法。

其中阴、阳离子交换膜组合循环再生机理如图所示，下列有关说法中不正确的是( )
A ．X 为直流电源的负极，Y 为直流电源的正极
B．阳极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．图中的b>a
D．该过程中的产品主要为H2SO4和H2
B[根据Na＋和SO2－3的移向可知Pt(Ⅰ)为阴极，反应为2H＋＋2e－===H2，Pt(Ⅱ)为阳极，反应为SO2－3－2e－＋H2O===SO2－4＋2H＋。

]
2．(2014·全国卷Ⅰ，改编)次磷酸(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)左电极为________极，电极反应式为_______________________________
___________________________________________________________。

(2)阳极室中的________通过阳膜进入产品室；原料室中________通过阳膜进入阴极室；原料室中________通过阴膜进入产品室。

(3)产品室中发生的离子反应方程式为______________________________。

(4)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___________________________________________________________ ___________________________________________________________。

答案：(1)阳4OH－－4e－===2H2O＋O2↑(或2H2O－4e－===4H＋＋O2↑)
(2)H＋Na＋H2PO－2
(3)H＋＋H2PO－2===H3PO2
(4)PO3－4H2PO－2(或H3PO2)被氧化
3．某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2===2AgCl。

(1)当电路中转移a mol e－时，交换膜左侧溶液中约减少________mol离子。

交换膜右侧溶液中c(HCl)________(填“>”“<”或“＝”)1 mol·L－1(忽略溶液体积变化)。

(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(标准状况)参与反应，则必有________mol ________(填离子符号)由交换膜________侧通过交换膜向________侧迁移。

交换膜右侧溶液中c(HCl)________(填“>”“<”或“＝”)1 mol·L－1(忽略溶液体积变化)。

解析：(1)正极的电极反应式为Cl2＋2e－===2Cl－，负极的电极反应式为Ag －e－＋Cl－===AgCl，隔膜只允许氢离子通过，转移a mol电子，必有a mol Cl－形成沉淀。

为了维持电荷平衡，交换膜左侧溶液中必有a mol H＋向交换膜右侧迁移，故交换膜左侧共减少2a mol离子(a mol Cl－＋a mol H＋)。

交换膜右侧溶液中氯化氢浓度增大。

(2)n(Cl2)＝0.5 mol，n(Cl－)＝1 mol。

正极的电极反应式为Cl2＋2e－===2Cl－，n(e－)＝1 mol，Ag－e－＋Cl－===AgCl，交换膜右侧溶液中增加了1 mol负电荷(或增加了1 mol Cl－)，左侧减少了1 mol负电荷(或减少了1 mol Cl－)。

如果质子交换膜换成阴离子交换膜，只允许阴离子(Cl－)通过交换膜，不允许H＋通过。

为了维持电荷平衡，必有1 mol Cl－从交换膜右侧溶液中通过交换膜向左侧迁移，氯离子迁移之后，两侧溶液中盐酸浓度保持不变。

答案：(1)2a>(2)1Cl－右左＝。