6 专题突破17 电化学中离子交换膜的分析与应用

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－xFePO4＋LixC6。下列说法错误的是
()
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第6章 化学反应与能量
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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－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4
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第6章 化学反应与能量
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(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；
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。
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第6章 化学反应与能量
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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，
④H＋→通过质子交换膜→阴极。
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第6章 化学反应与能量
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(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：
D．放电一段时间后，Ⅰ、Ⅱ中都只含 1 种溶质
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第6章 化学反应与能量
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解析：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
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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。
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第6章 化学反应与能量
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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 HSO3－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＋＋SO24－
第6章 化学反应与能量
专题突破17 电化学中离子交换膜的分析 与应用
化学
第6章 化学反应与能量
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1．离子交换膜的功能和作用
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第6章 化学反应与能量
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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。
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第6章 化学反应与能量
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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．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章 化学反应与能量
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解析：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－xFePO4 发生还原反应：Li1－xFePO4＋ xLi＋＋xe－===LiFePO4，故 B 正确；电池工作时，负极反应为 LixC6－xe－ ===xLi＋＋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。
√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
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第6章 化学反应与能量
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解析：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，
√D．若有 1 mol Na＋通过离子交换膜，则可处理 64 g SO2
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第6章 化学反应与能量
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解析：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＋＋SO24－，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。
附近溶液的 pH 变化明显，C 项错误；浓缩海水中含有很丰富的元素，有很
大的使用价值，D 项错误。
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第6章 化学反应与能量
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第6章 化学反应与能量
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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。
交换膜向电极 2 移动，则离子交换膜 a 为阳离子交换膜，离子交换膜 b 为
阴离子交换膜，A 项错误；①③⑤⑦中的阴、阳离子分别透过阴、阳离子交
换膜移向相邻间隔室，海水被淡化，而相邻间隔室②④⑥中的海水被浓缩，
B 项正确；电极 1 上 Cl－放电生成 Cl2，电极 2 上 H＋放电生成 H2，故电极 2
3I2＋6OH－===IO－ 3 ＋5I－＋3H2O； ④阴离子→通过阴离子交换膜→阳极。
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第6章 化学反应与能量
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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，
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第6章 化学反应与能量
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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
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第6章 化学反应与能量
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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。
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第6章 化学反应与能量
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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
法正确的是( )
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第6章 化学反应与能量
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A．离子交换膜 b 为阳离子交换膜
√B．①③⑤⑦间隔室的排出液为淡水
C．通电时，电极 1 附近溶液的 pH 比电极 2 附近溶液的 pH 变化明显 D．淡化过程中，得到的浓缩海水没有任何使用价值
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第6章 化学反应与能量
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解析：电极 2 上 H＋→H2，所以电极 2 为阴极，电极 1 为阳极，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，Na＋需通过阳离子
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。
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第6章 化学反应与能量