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

2．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Cl2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。

(2)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。

(3)物质的分离与提纯。例如：海水中含有大量Na+、C1﹣及少量Ca2+、Mg2+、SO42﹣，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

离子交换膜，b为阳离子交换膜，如图所示。

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。先明确电极产物，写出阴、阳两极上的电极反应。依据电极反应式判断该电极附近剩余哪种离子，结合溶液呈电中性的原则，判断离子移动的方向，确定离子交换膜的类型。

例如：电解饱和食盐水时，阴极反应式为2H＋＋2e－=H2↑，则阴极区域破坏了水的电离平衡，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。如下图：

二、真题分类解析

1.电解池中的应用

（1）三室膜电解技术制备新物质，采用两阳离子交换膜

例1.（2018新课标Ⅰ·27节选）（3）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。阳极的电极反应式为。电解后，___室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。

解析：（3）电解池阳极为稀硫酸溶液，阳极发生氧化反应，所以应为H2O放电，产生O2和H+，则电极反应为：2H2O﹣4e﹣=O2↑+4H+；由图中信息，分隔各个室的离子膜均为阳离子交换膜，阳极区放电产生的H＋通过阳离子交换膜进入a室与Na2SO3反应生成NaHSO3。阴极是H＋放电，在b室发生反应：2H2O+2e﹣═H2↑＋2OH－，c(OH－)增大，OH－与NaHSO3反应生成Na2SO3，所以电解后a室中NaHSO3的浓度增大。

答案：2H2O﹣4e﹣═O2↑+4H+；a；

【点评】本题考查利用电解法制备Na2S2O5，考查学生提取图表信息的能力以及综合应用能力，涉及学科素养中的证据推理与模型认知。题目情景新颖，但考查的实质依然电化学的基本原理。注意题目给予的新信息SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3，以及溶液中两个膜均为阳离子交换膜，阳极区产生的H+可通过离子交换膜进入a室与Na2SO3结合，而b 室放电产生的OH－不可移向a室，电解后将a室溶液进行结晶脱水制得产品。

（2）电解池中质子交换膜的使用，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过

例2（2018•新课标Ⅰ·13·6分）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。示意图如右所示，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

解析：A．根据图知，ZnO@石墨烯电极上反应物是CO2、H+，生成物是CO、H2O，该电极上得电子发生还原反应，电极反应式为CO2+2H++2e﹣═CO+H2O，故A正确；B．根据图中

箭头方向，协同转化过程中反应物是H2S、CO2，生成物是S、CO、H2O，电池反应式为CO2+H2S═CO+H2O+S，故B正确；C．外电路中电流从高电势流向低电势，工作石墨烯电极上Fe2+失电子则石墨烯作阳极，ZnO@石墨烯电极为阴极，则石墨烯电势高于ZnO@石墨烯，故C错误；D．Fe3+、Fe2+在中性或碱性条件下产生沉淀，所以溶液应该为酸性，故D 正确。

答案：C

【点评】本题以我国科学家设计的CO2+H2S协同转化装置作为载体，巧妙地渗透了爱国教育，体现了立德树人的价值观。图中给予了质子交换膜，考查电解原理，涉及电极反应式的书写、元素化合物性质等知识点，侧重考查学生分析、判断及知识综合运用能力。注意从元素化合价变化的角度去分析氧化反应和还原反应，进而得出阴阳极。C选项结合物理知识考查电化学原理，是该题一个亮点。电池正极比电池负极的电势要高，高出的数值就是电池的电压。

（3）电渗析法处理含Na2SO4废水，阴阳离子交换膜同时使用

例3（2016新课标1卷·11·6分）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SO42﹣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2H2O﹣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

解析：A、阴离子向阳极（即正极区）移动，OH－放电pH减小，故A错误；B、通电时，OH－在阳极区放电生成H2O和O2，考虑电荷守恒，两膜中间的SO42－会进入正极区，与H+结合成H2SO4；H＋在阴极得电子生成H2，考虑电荷守恒，两膜中间的Na＋会进入负极区，与OH－结合成NaOH，故可以得到NaOH和H2SO4产品，故B正确；C、负极区氢离子得到电子，使溶液中c(OH-)＞c(H+)，所以负极区溶液pH升高，故C错误；D、每生成1mol