1、微专题五 离子交换膜在电化学中的应用 高考总复习大二轮 化 学 知识必备离子交换膜在原电池和电解池中均有较广泛的应用，且常出常新。1离子交换膜的功能使离子选择性定向迁移，其目的是平衡整个电解质的离子电荷守恒。2交换膜在电化学中的作用(1)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)用于物质的分离、提纯等。(3)用于制备纯净的物质。3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过阳离子交换膜、
2、阴离子交换膜和质子交换膜三种。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，质子交换膜只允许质子(H)通过，另外还有特殊离子交换膜，只允许相应的离子通过。4离子交换膜类型的判断根据电解质溶液呈电中性的原则，判断膜的类型：(1)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。(2)根据溶液呈电中性，判断出离子移动的方向，从而确定离子交换膜的类型。(3)在利用电解原理制备物质时，选择离子交换膜的类型，既要考虑阴、阳极电极反应式，同时也要考虑产品室和原料室在装置图中的位置。如：利用电解 NaB(OH)4 溶液制备 H3BO3，装置图如下：
3、阳极室放出 O2，消耗 OH余出 H，则 H应向产品室移动，阴极室放出 H2，消耗 H余出 OH，则原料室中的 Na应向阴极室移动，B(OH)4 应向产品室移动，所以 a 膜、c 膜为阳离子交换膜、b膜为阴离子交换膜，选择离子交换膜时产品室和原料室的位置也起到关键性的作用。例 1(2018全国，节选)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛，生产 Na2S2O5 通常是由 NaHSO3 过饱和溶液经结晶脱水制得。制备 Na2S2O5 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
4、NaHSO3 浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到 Na2S2O5。解析：阳极发生氧化反应 2H2O4e=4HO2，阳极室 H向 a 室迁移，a 室中的 Na2SO3 转化成 NaHSO3。阴极发生还原反应，析出 H2，OH增多，Na由 a 室向 b 室迁移，则 b 室中 Na2SO3 浓度增大。答案：2H2O4e=4HO2 a例 2(2016全国卷)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 SO24 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
5、的 SO24 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 2H2O4e=O24H，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 生成解析：B A.电解池中阴离子向阳极区移动，因此通电后中间隔室的 SO24 离子向正极迁移；正极区氢氧根放电，产生氢离子，所以正极区溶液 pH 减小，错误；B.阳极区氢氧根离子放电，产生硫酸，阴极区氢离子放电，产生氢氧化钠，因此该法在处理含 Na2SO4 废水时可以得到 NaOH 和 H2SO4 产品，正确；C.负极区氢离子得到电子使溶
6、液中 c(H)减小，所以负极区溶液 pH 升高，错误；D.当电路中通过 1 mol 电子的电量时，会有 0.25 mol 的 O2 生成，错误。对点训练1下图为利用电化学方法处理有机废水的原理示意图。下列说法正确的是()Aa、b 极不能使用同种电极材料B工作时，a 极的电势低于 b 极的电势C工作一段时间之后，a 极区溶液的 pH 增大Db 极的电极反应式为：CH3COO4H2O8e=2HCO3 9H解析：D A 项：电极 a、b 上发生的反应不同，因而两极间形成电势差，故电极材料可同可异，A 错误；B 项：工作时，电极 b上 CH3COOHCO3，碳元素从平均 0 价失电子升至4 价，电极b
7、 是原电池的负极，则电极 a 是电池的正极，a 极的电势高于 b 极的电势，B 错误；C 项：电极 a(正极)电极反应为H2eCl，正极每得到 2 mol 电子时，为使溶液电中性，必有 2 mol H通过质子交换膜进入 a 极溶液，同时电极反应消耗 1 mol H。故工作一段时间之后，a 极区溶液中 H浓度增大，pH 减小，C 错误；D 项：据图中物质转化，考虑到质量守恒和电荷守恒关系，电极 b(负极)反应为 CH3COO4H2O8e=2HCO3 9H，D 正确。2近年来，尿素电氧化法处理富含尿素的工业废水和生活污水得到了广泛关注，该法具有操作简易、处理量大、运行周期长等优点，且该过程在碱性条
8、件下产生无毒的 CO2、N2。电池工作时，下列说法错误的是()A负极发生的反应为：CO(NH2)26OH6e=N2CO25H2OB正极附近溶液的 pH 增大C隔膜只允许阳离子通过D处理掉废水中尿素 1.0 g 时消耗 O2 0.56 L(标准状况)解析：C 由电池工作时的图像可知，通尿素的一极为负极，发生氧化反应，电极反应为：CO(NH2)26OH6e=N2CO25H2O；通氧气的一极为正极，发生还原反应，电极反应为：O24e2H2O=4OH，以此解答该题；A.负极发生的反应为：CO(NH2)26OH6e=N2CO25H2O，A 正确；B.正极附近发生电极反应 O24e2H2O=4OH，产生
9、OH，使溶液的pH 增大，B 正确；C.为维持溶液的电中性，正极附近产生的 OH通过隔膜进入负极被消耗，隔膜允许阴离子通过，C 错误；D.根据电极反应可知负极每消耗尿素 1.0 g 时转移的电子为 110 mol，根据正极反应可得消耗的 O2 为：110 mol1422.4 molL10.56 L，D 正确。3(单膜)下图为一定条件下采用多孔惰性电极的储氢电池充电装 置(忽 略 其 他 有 机 物)。已 知 储 氢 装 置 的 电 流 效 率 生成目标产物消耗的电子数转移的电子总数100%，下列说法不正确的是()A采用多孔电极增大了接触面积，可降低电池能量损失B过程中通过 CH 键的断裂实现氢
10、的储存C生成目标产物的电极反应式为 C6H66e6H=C6H12D若 75%，则参加反应的苯为 0.8 mol解析：B A.多孔电极可增大电极与电解质溶液接触面积，降低能量损失，A 正确；B.该过程苯被还原为环己烷，CH 键没有断裂，形成新的 CH 键，B 错误；C.储氢是将苯转化为环己烷，电极反应式为 C6H66e6H=C6H12，C 正确；D.根据图示，苯加氢发生还原反应生成环己烷，装置中右侧电极为阳极，根据放电顺序，左侧电极反应式为 2H2O4e=O24H，生成 1.6 mol O2 失去的电子量为 6.4 mol，根据阴阳得失电子守恒，阴极得到电子总数为6.4 mol，若 75%，则生
11、成苯消耗的电子数为 6.4 mol75%4.8 mol，苯发生的反应 C6H66e6H=C6H12，参加反应的苯的物质的量为 4.8 mol/60.8 mol，D 正确。4(双膜)氢氧化锂是制取锂和锂的化合物的原料，用电解法制备氢氧化锂的工作原理如图所示。下列叙述不正确的是()Ab 极附近溶液的 pH 增大Ba 极发生的反应为 2H2O4e=O24HC该法制备 LiOH 还可得到硫酸和氢气等产品D当电路中通过 1 mol 电子时，可得到 2 mol LiOH解析：D A.阳离子移向阴极，故阴极得电子发生还原反应，则电极反应方程式为 2Li2H2O2e=H22LiOH，故 b 极附近溶液的 pH
12、 增大，故 A 正确；B.阴离子移向阳极，故 a 为阳极失电子发生氧化反应，故 a 极发生的反应为 2H2O4e=O24H，故 B 正确；C.a 极发生的反应为 2H2O4e=O24H，SO24 移向 a 极可以与 H结合生成硫酸，b 极反应方程式为 2H2O2e=H22OH，则可得到氢气，故该法制备 LiOH 还可得到硫酸和氢气等产品，故 C 正确；D.2Li2H2O2e=H22LiOH，故当电路中通过 1 mol 电子时，可得到 1 mol LiOH，故 D 错误。5(多膜)H3PO2 也可用电渗析法制备。“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)写出阳极的电极反应式：_。(2)分析产品室可得到 H3PO2 的原因：_。(3)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)2H2O4e=O24H(2)阳极室的 H穿过阳膜扩散至产品室，原料室的 H2PO2 穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成 H3PO2(3)PO34 H2PO2 或 H3PO2 被氧化