高考化学专项突破 离子交换膜在电化学装置中的应用

高考化学专项突破----离子交换膜在电化学装置中的应用一、离子交换膜的功能：使离子有选择性的定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。

二、离子交换膜在电化学中的作用(1)能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触。

防止副反应的发生，避免影响所制取产品的质量；防止引发不安全因素。

(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Cl2进入阴极室与氢氧化钠反应，导致所制产品不纯；防止与阴极产生的H2混合发生爆炸)。

(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。

(3)用于物质的制备、分离、提纯等。

三、离子交换膜的类型根据透过的微粒，离子交换膜可以分为多种，在高考试题中主要出现阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜三种。

阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过；阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，质子交换膜只允许质子(H＋)通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。

可见离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些离子来隔离某些物质。

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。

四、离子交换膜类型的判断根据电解质溶液呈中性的原则，判断膜的类型。

判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余，因该电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向，进而确定离子交换膜的类型，如电解饱和食盐水时，阴极反应式为2H＋＋2e－=H2↑，则阴极区域破坏水的电离平衡，OH－有剩余，阳极区域的Na＋穿过离子交换膜进入阴极室，与OH－结合生成NaOH，故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。

五、真题再现1、(2019·全国卷Ⅰ)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，示意图如下所示。

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H 2+2MV2+2H++2MV+C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动【答案】B【解析】【分析】由生物燃料电池的示意图可知，左室电极为燃料电池的负极，MV+在负极失电子发生氧化反应生成MV2+，电极反应式为MV+−e−= MV2+，放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+，反应的方程式为H2+2MV2+=2H++2MV+；右室电极为燃料电池的正极，MV 2+在正极得电子发生还原反应生成MV +，电极反应式为MV 2++e −= MV +，放电生成的MV +与N 2在固氮酶的作用下反应生成NH 3和MV 2+，反应的方程式为N 2+6H ++6MV +=6MV 2++NH 3，电池工作时，氢离子通过交换膜由负极向正极移动。

【详解】A 项、相比现有工业合成氨，该方法选用酶作催化剂，条件温和，同时利用MV +和MV 2+的相互转化，化学能转化为电能，故可提供电能，故A 正确；B 项、左室为负极区，MV +在负极失电子发生氧化反应生成MV 2+，电极反应式为MV +−e −=MV 2+，放电生成的MV 2+在氢化酶的作用下与H 2反应生成H +和MV +，反应的方程式为H 2+2MV 2+=2H ++2MV +，故B 错误；C 项、右室为正极区，MV 2+在正极得电子发生还原反应生成MV +，电极反应式为MV 2++e −= MV +，放电生成的MV +与N 2在固氮酶的作用下反应生成NH 3和MV 2+，故C 正确； D 项、电池工作时，氢离子（即质子）通过交换膜由负极向正极移动，故D 正确。

故选B 。

2、(2019·天津)我国科学家研制了一种新型的高比能量锌−碘溴液流电池，其工作原理示意图如下。

图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。

下列叙述不正确．．．的是 A ．放电时，a 电极反应为2I Br 2e 2I Br ----++B ．放电时，溶液中离子的数目增大C ．充电时，b 电极每增重0.65g ，溶液中有0.02mol I -被氧化D．充电时，a电极接外电源负极【答案】D【解析】【分析】放电时，Zn是负极，负极反应式为Zn−2e−═Zn2＋，正极反应式为I2Br−+2e−=2I −+Br−，充电时，阳极反应式为Br−+2I−−2e−=I2Br−、阴极反应式为Zn2＋+2e−=Zn，只有阳离子能穿过交换膜，阴离子不能穿过交换膜，据此分析解答。

【详解】A、放电时，a电极为正极，碘得电子变成碘离子，正极反应式为I2Br−+2e−=2I −+Br−，故A正确；B、放电时，正极反应式为I2Br−+2e−=2I−+Br−，溶液中离子数目增大，故B正确；C、充电时，b电极反应式为Zn2＋+2e−=Zn，每增加0.65g，转移0.02mol电子，阳极反应式为Br−+2I−−2e−=I2Br−，有0.02molI−失电子被氧化，故C正确；D、充电时，a是阳极，应与外电源的正极相连，故D错误；故选D。

3、(2019·江苏节选)CO2的资源化利用能有效减少CO2排放，充分利用碳资源。

（2）电解法转化CO2可实现CO2资源化利用。

电解CO2制HCOOH的原理示意图如下。

①写出阴极CO2还原为HCOO−的电极反应式：▲。

②电解一段时间后，阳极区的KHCO 3溶液浓度降低，其原因是 ▲ 。

【答案】（2）①CO 2+H ++2e−HCOO −或CO 2+3HCO -+2e−HCOO −+23CO -②阳极产生O 2，pH 减小，3HCO -浓度降低；K +部分迁移至阴极区【解析】（2）①根据电解原理，阴极上得到电子，化合价降低，CO 2＋HCO 3−＋2e −=HCOO−＋CO 32−，或CO 2＋H ＋＋2e − =HCOO −；②阳极反应式为2H 2O −4e −=O 2↑＋4H ＋，阳极附近pH减小，H ＋与HCO 3−反应，同时部分K ＋迁移至阴极区，所以电解一段时间后，阳极区的KHCO 3溶液浓度降低。

4、(2018·全国卷Ⅰ)最近我国科学家设计了一种CO 2+H 2S 协同转化装置，实现对天然气中CO 2和H 2S 的高效去除。

示意图如图所示，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-Fe 2+-e -＝EDTA-Fe 3+②2EDTA-Fe 3++H 2S ＝2H ++S+2EDTA-Fe 2+该装置工作时，下列叙述错误的是 A ．阴极的电极反应：CO 2+2H ++2e -＝CO+H 2O B ．协同转化总反应：CO 2+H 2S ＝CO+H 2O+S C ．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低D ．若采用Fe 3+/Fe 2+取代EDTA-Fe 3+/EDTA-Fe 2+，溶液需为酸性【答案】C【解析】该装置属于电解池，CO 2在ZnO@石墨烯电极上转化为CO ，发生得到电子的还原反应，为阴极，石墨烯电极为阳极，发生失去电子的氧化反应，据此解答。

A 、CO 2在ZnO@石墨烯电极上转化为CO ，发生得到电子的还原反应，为阴极，电极反应式为CO 2+H ＋+2e －＝CO+H 2O ，A 正确；B 、根据石墨烯电极上发生的电极反应可知①+②即得到H 2S －2e －＝2H ＋+S ，因此总反应式为CO 2+H 2S ＝CO+H 2O+S ，B 正确；C 、石墨烯电极为阳极，与电源的正极相连，因此石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯电极上的高，C 错误；D 、由于铁离子、亚铁离子均易水解，所以如果采用Fe 3＋/Fe 2＋取代EDTA-Fe 3＋/EDTA-Fe 2＋，溶液需要酸性，D 正确。

答案选C 。

5、(2018·全国卷Ⅰ，T 27（3）)制备225Na S O 也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中2SO 碱吸收液中含有3NaHSO 和23Na SO 。

阳极的电极反应式为 。

电解后， 室的3NaHSO 浓度增加。

将该室溶液进行结晶脱水，可得到225Na S O 。

【答案】（3）222H O 4e 4H O -+-=+↑ a6、(2018·全国卷Ⅲ，T 27（3）)3KIO 也可采用“电解法”制备，装置如图所示。

① 写出电解时阴极的电极反应式 。

② 电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为 ，其迁移方向是 。

7．[2018年11月浙江选考]最近，科学家研发了“全氢电池”，其工作原理如图所示。

下列说法不正确．．．的是A．右边吸附层中发生了还原反应B．负极的电极反应是H2－2e－＋2OH－ ==== 2H2OC．电池的总反应是2H2＋O2 ==== 2H2OD．电解质溶液中Na＋向右移动，ClO向左移动【答案】C【解析】由电子的流动方向可以得知左边为负极，发生氧化反应；右边为正极，发生还原反应，故选项A、B正确；电池的总反应没有O2参与，总反应方程式不存在氧气，故C选项不正确；在原电池中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故D选项正确。

答案选C。

8、(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SO 2－4向正极迁移，正极区溶液pH 增大B ．该法在处理含Na 2SO 4废水时可以得到NaOH 和H 2SO 4产品C ．负极反应为2H 2O －4e －===O 2↑＋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O 2生成 【答案】B【解析】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。

【变式训练】(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_______________。