1、微专题3 离子交换膜在电化学中的应用微突破1.离子交换膜的功能及类型离子交换膜的功能和类型：功能：使离子定向移动，选择性通过某些离子或隔离某些离子、物质，平衡整个溶液的离子浓度或电荷种类：阳离子交换膜：只允许阳离子和水分子通过，阻止阴离子和气体通过阴离子交换膜：只允许阴离子和水分子通过，阻止阳离子和气体通过质子交换膜：只允许质子（氢离子）和水分子通过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互相接触,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。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 溶液反应,导致制得
2、产品不纯;防止Cl2 与阴极产生的H2 混合发生爆炸。（2）用于物质的制备。电解后在溶液阴极区或阳极区产生所要制备的物质,例如,电解法制备KIO3 ,只有使用阴离子交换膜,才能保证阴极区的I- 定向移动到阳极区被氧化为IO3- ,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+ 、Cl- 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。（4）应用举例：如电解法可将含有AnBm 的废水再生为HnB 和A(OH)m ,已知A 为金
3、属活动性顺序中H 前金属,Bn- 为含氧酸根离子。2.阴、阳离子交换膜的判断（1）看清图示,是否在交换膜上标注了阴、阳离子,是否标注了电源的正、负极,是否标注了电子流向、电流流向等,明确阴、阳离子的移动方向。（2）根据原电池、电解池中阴、阳离子的移动方向,结合给出的制备、电解物质等信息,找出物质生成或消耗的电极区域,确定移动的阴、阳离子,从而推知离子交换膜的种类。（3）实例：判断电解饱和食盐水装置（如图）中离子交换膜类型的方法。方法1 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+ 通过离子交换膜进入阴极室,与OH- 结合得到NaOH ,故电解
4、饱和食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。方法2 由图可知,阳极加入精制饱和食盐水,排出的是淡盐水,因为阳极反应式为2Cl-2e-=Cl2 ,根据溶液呈电中性原则,阳极区Na+ 多于Cl- ,则Na+ 向阴极区移动,故电解饱和食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。例1（2020山东,10,2分）微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置,利用微生物处理有机废水获得电能,同时可实现海水淡化。现以NaCl 溶液模拟海水,采用惰性电极,用下图装置处理有机废水（以含CH3COO- 的溶液为例）。下列说法错误的是( )A.负极反应为CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2+7H+B.隔膜1为阳离子交换膜,隔
5、膜2为阴离子交换膜C.当电路中转移1mol 电子时,模拟海水理论上除盐58.5gD.电池工作一段时间后,正、负极产生气体的物质的量之比为2:1答案：B解析：A项,结合题给微生物脱盐电池装置可知,a 极的电极反应式为CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2+7H+ ,故a极为负极,b极为正极,正确。B项,a极区有H+ 产生,阳离子增多,为保证溶液呈电中性,Cl- 需定向迁移到a 极区,隔膜1为阴离子交换膜; 同理,b 极的电极反应式为2H+2e-=H2 ,需Na+ 定向迁移到b极区,隔膜2为阳离子交换膜,错误。C项,当电路中转移1mol 电子时,有1molNa+ 和1molCl- 发生定向迁移
6、,故理论上除盐58.5g ,正确。D项,结合电极反应式,得8e-2CO24H2 ,故电池工作一段时间后,正、负极产生的气体的物质的量之比为2:1,正确。例2常温下,NCl3 是一种黄色黏稠状液体,是制备新型水消毒剂ClO2 的原料,可以采用如图所示装置制备NCl3 。下列说法正确的是( )A.每生成1molNCl3 ,理论上有4molH+ 经质子交换膜由右侧向左侧迁移B.可用湿润的淀粉-KI 试纸检验气体MC.石墨极的电极反应式为NH4+3Cl-6e-=NCl3+4H+D.电解过程中,质子交换膜右侧溶液的pH 会减小答案：C解析：根据题图可知,石墨电极是阳极,该电极上发生失电子的氧化反应：NH
7、4+3Cl-6e-=NCl3+4H+ ,每生产1molNCl3 ,理论上有6molH+ 经质子交换膜由右侧向左侧迁移，A错误、C正确; Pt 是阴极,在阴极上发生氢离子得电子的还原反应,电极反应式为2H+2e-=H2 ,不能用湿润的淀粉-KI 试纸检验氢气,B错误; 电解过程中,质子交换膜右侧溶液中每生成4molH+ ,将有6molH+ 通过质子交换膜向阴极区移动,所以右侧溶液的pH 会增大,D错误。解题感悟三步法解答有关“膜”装置题第一步分清交换膜类型：即交换膜属于阳离子交换膜、阴离子交换膜或质子交换膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过交换膜第二步写出电极反应式，判断交换膜两侧离子的变化，推断
8、电荷变化，根据电荷平衡判断离子迁移的方向第三步分析交换膜的作用：在产品制备中交换膜的作用主要是提高产品精纯度，避免产物之间发生反应微训练1.已知反应：2CrO42-(黄)+2H+=Cr2O72-(橙)+H2O ，设计如图所示装置（均为惰性电极）电解Na2CrO4 溶液制取Na2Cr2O7 ，下列有关叙述正确的是( )A.CrO42- 生成Cr2O72- 的反应为非氧化还原反应,不能通过电解法获得B.电源左侧是正极C.右侧电极的电极反应为2H2O+2e-=H2+2OH-D.Na+ 从右侧通过膜进入左侧答案：D解析：已知反应：2CrO42-(黄)+2H+=Cr2O72-(橙)+H2O ，电解时阳极
9、OH- 失去电子,同时生成H+ ，H+ 浓度增大,化学平衡向右移动,CrO42- 转化成Cr2O72- ,所以可以通过电解法获得,故A错误; 根据题图可知左侧H+ 放电,左侧是阴极,所以电源左侧是负极,故B错误; 左侧是阴极,发生还原反应：2H2O+2e-=H2+2OH- ，故C错误; 阳离子移向阴极,左侧为阴极,所以Na+ 从右侧通过膜进入左侧,故D正确。2.（2021山东联合调研）电解法制取Na2FeO4 的同时获得H2 ，工作原理如图所示。已知FeO42- 只有在强碱性条件下才能稳定存在,下列说法错误的是( )A.Fe 电极作阳极,电极反应式为Fe-6e-+8OH-=FeO42-4+4H
10、2OB.离子交换膜为阳离子交换膜C.电解一段时间后,阳极区NaOH 浓度降低D.由于Na2FeO4 具有强氧化性,电解过程中,需将阴极产生的气体及时排出答案：B解析：Fe 电极连接电源正极,为电解池的阳极,Fe 失电子生成FeO42- ，电极反应式为Fe+8OH-6e-=FeO42-+4H2O ,碱性减弱; Ni 电极连接电源负极,为电解池的阴极,H2O 电离产生的H+ 在阴极得电子生成H2 ，电极反应式为2H2O+2e-=H2+2OH- ，碱性增强; 因为H2 具有还原性,Na2FeO4 具有强氧化性,两者会发生反应,故需及时排出生成的H2 ；由于FeO42- 只有在强碱性条件下才能稳定存在,故阴极生成的OH- 需移向阳极,即离子交换膜为阴离子交换膜。
