6 专题突破17 电化学中离子交换膜的分析与应用

专题突破17电化学中离子交换膜的分析与应用

1．离子交换膜的功能和作用

2．离子交换膜的类型

(1)阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)

装置如图所示：

①负极反应式：Zn－2e－===Zn2＋；

②正极反应式：Cu2＋＋2e－===Cu；

③Zn2＋通过阳离子交换膜进入正极区；

④阳离子→通过阳离子交换膜→正极。

(2)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CH3COOH)，可获得清洁能源H2，电解装置如图所示：

①阴极反应式：2H＋＋2e－===H2↑；

②阳极反应式：CH3COOH－8e－＋2H2O===2CO2↑＋8H＋；

③阳极产生的H＋通过质子交换膜移向阴极；

④H＋→通过质子交换膜→阴极。

(3)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，电解装置如图所示：

①阴极反应式：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－；

②阳极反应式：2I－－2e－===I2；

③阴极产生的OH－移向阳极与阳极产物反应：3I2＋6OH－===IO－3＋5I－＋3H2O；

④阴离子→通过阴离子交换膜→阳极。

3．解答步骤

第一步，分清离子交换膜的类型。即离子交换膜属于阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过离子交换膜。

第二步，写出电极反应式。判断离子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，分析离子交换膜的作用。在产品制备中，离子交换膜的作用主要是提高产品纯度、避免产物之间发生反应、避免产物因发生反应而造成危险。

精练一离子交换膜在原电池中的应用

1．(2021·河南中原名校一模)新能源汽车是国家战略产业的重要组成部分，LiFePO4电池是新能源汽车关键部件之一，其工作原理如图所示，电池工作时的

总反应为LiFePO4＋6C 充电

放电

Li1－x FePO4＋Li x C6。下列说法错误的是()

A．充电时，电极a与电源负极连接，电极b与电源正极连接

B．电池工作时，正极的电极反应为Li1－x FePO4＋x Li＋＋x e－===LiFePO4

C．电池工作时，负极材料质量减少1.4 g，转移0.4 mol电子

D．电池进水将会大大降低使用寿命

解析：选C。放电时，Li＋向电极b移动，则电极b为正极，电极a为负极，充电时，电极a与电源负极连接，电极b与电源正极连接，故A正确；电池工作时，Li＋向正极移动，正极上Li1－x FePO4发生还原反应：Li1－x FePO4＋x Li＋＋x e－===LiFePO4，故B正确；电池工作时，负极反应为Li x C6－x e－===x Li＋＋6C，负极材料质量减少1.4 g，说明有0.2 mol Li＋生成，则转移0.2 mol电子，故C 错误；因为Li易与水发生反应，所以电池进水将会大大降低使用寿命，故D正确。

2．(提高电流效率)已知：电流效率＝电路中通过的电子数与消耗负极失去电子总数之比。现有两个电池Ⅰ、Ⅱ，装置如图所示。

下列说法正确的是()

A．Ⅰ和Ⅱ的电池反应不同

B．Ⅰ和Ⅱ的能量转化形式不同

C．Ⅰ的电流效率低于Ⅱ的电流效率

D．放电一段时间后，Ⅰ、Ⅱ中都只含1种溶质

解析：选C。Ⅰ、Ⅱ装置中电极材料相同，电解质溶液部分相同，电池总反应、负极反应和正极反应均相同，A项错误；Ⅰ和Ⅱ装置的能量转化形式都是化

学能转化成电能，B项错误；Ⅰ装置中铜与氯化铁溶液直接接触，二者会在铜极表面发生反应，导致部分能量损失(或部分电子没有通过电路)，导致电流效率降低；而Ⅱ装置采用阴离子交换膜，铜不与氯化铁溶液直接接触，二者不会在铜极表面发生反应，放电过程中阴离子交换膜左侧负极的电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，阳离子增多，右侧正极的电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，负电荷过剩，Cl－从阴离子交换膜右侧向左侧迁移，电流效率高于Ⅰ装置，C项正确；放电一段时间后，Ⅰ装置中生成氯化铜和氯化亚铁，Ⅱ装置中阴离子交换膜左侧生成氯化铜，右侧生成氯化亚铁，二者还都可能含有氯化铁，D项错误。

精练二离子交换膜在电解池中的应用

3．(单膜电解池)(2020·成都高三月考)KIO3是一种重要的无机化合物，可作为食盐中的补碘剂，可采用“电解法”制备，装置如图所示。下列说法错误的是()

A．阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑

B．电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为K＋

C．溶液中阳离子的迁移方向是从右池到左池

D．采用“电解法”制备KIO3的优点是不产生有害气体，能减少对环境的污染

解析：选C。A．由题图可知，惰性电极b为阴极，发生还原反应，即H2O 中氢元素得电子转化为H2，所以阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，故A正确；B．阳离子交换膜只允许阳离子通过，主要交换的离子为K＋，故B正确；C．电解池工作时，阳离子向阴极移动，由题图可知，K＋的迁移方向应从左池到右池，故C错误；D．电解池工作时，阳极的电极反应式为I2－10e

－＋12OH－===2IO－3＋6H2O，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，电解产生的气体是H2，不产生有害气体，能减少对环境的污染，故D正确。

4．(双膜电解池)通过光伏电池对含有SO2的工业尾气进行电解可以得到H2SO4，其工作原理如图所示。

下列说法错误的是()

A．光伏电池中要使用大量晶体硅，能将太阳能转化为电能

B．M膜、N膜分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜，Na＋和HSO－3分别向a 极和b极迁移

C．阳极区电极反应式为HSO－3－2e－＋H2O===3H＋＋SO2－4

D．若有1 mol Na＋通过离子交换膜，则可处理64 g SO2

解析：选D。光伏电池的材料是晶体硅，能将太阳能转化为电能，A项正确；由题图可知，b极进入的是稀硫酸，出来的是浓硫酸，所以HSO－3通过N膜向b 极迁移，则N膜为阴离子交换膜，b极为阳极，a极为阴极，Na＋通过M膜向a 极迁移，M膜为阳离子交换膜，B项正确；b极为阳极，电极反应式为HSO－3－2e－＋H2O===3H＋＋SO2－4，C项正确；若有1 mol Na＋通过离子交换膜，则整个电路中有1 mol电子通过，根据转移电子数相等可知，有0.5 mol(32 g)SO2被转化为H2SO4，D项错误。

5．(多膜电解池)(2021·武汉高三模拟)电渗析法淡化海水装置如图所示，电解槽中阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列，将电解槽分隔成多个独立的间隔室，海水充满各个间隔室。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的分离。下列说法正确的是()