能力课时8　离子交换膜在电化学中的应用

1．离子交换膜的含义和作用

(1)含义：

离子交换膜又叫隔膜，由高分子特殊材料制成。

(2)作用：

①能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。

②能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。

2．离子交换膜分类和应用

3．离子交换膜类型的判断方法

根据电解质溶液呈电中性的原则，判断膜的类型，判断时首先写出阴、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，因该电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向，进而确定离子交换膜的类型，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。

4．有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法

(2018·全国卷Ⅲ，27(3))KIO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示。

①写出电解时阴极的电极反应式_______________________。

②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为________，其迁移方向是________。

③与“电解法”相比，“KClO3氧化法”的主要不足之处有________________________(写出一点)。

【审题流程】　隔膜看类型，离子定方向。

[解析]　①电解法制备KIO3时，H2O在阴极得到电子，发生还原反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。②电解池中阳离子向阴极移动，即由电极a向电极b迁移，阳离子交换膜只允许阳离子通过，故主要是K＋通过阳离子交换膜。③根据工艺流程分析，“KClO3氧化法”生成的Cl2有毒，且在调pH时加入KOH的量不易控制，另外，生成的KIO3中杂质较多。

[答案]　①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑　②K＋　由a到b　③产生Cl2易污染环境等

1．Kolbe法制取乙烯的装置如图所示，电极a上的产物为乙烯和碳酸根离子。下列说法正确的是(　　)

A．该装置将化学能转化为电能

B．图中为阳离子交换膜

C．阴极周围溶液的pH不断减小

D．每生成1 mol乙烯，电路中转移2 mol电子

D　[该装置是电解池，将电能转化为化学能，A错误；电极a是阳极，电极反应式为2CH2COO－＋4OH－－2e－===CH2===CH2↑＋2CO＋2H2O，阴极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，则右侧阴极区产生的OH－要透过离子交换膜进入左侧，并参与阳极反应，故应是阴离子交换膜，B错误；阴极区周围溶液中c(OH－)逐渐增大，溶液的pH不断增大，C错误；由阳极反应式可知，生成1 mol乙烯时，电路中转移2 mol电子，D正确。]

2．(双选)用惰性电极电解法制备硼酸[H3BO3或B(OH)3]的工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子和阴离子通过)。下列有关说法正确的是(　　)

A．阴极与阳极产生的气体体积比为2∶1

B．b极的电极反应式为2H2O－2e－===O2↑＋4H＋

C．产品室中发生的反应是B(OH)3＋OH－===B(OH)

D．每增加1 mol H3BO3产品，NaOH溶液增重22 g

AD　[由图可知，b电极为阳极，电解时阳极上水失电子发生氧化反应生成O2和H＋，a电极为阴极，电解时阴极上水得电子发生还原反应生成H2和OH－，原料室中的钠离子通过阳膜进入a极室，溶液中c(NaOH)增大，原料室中B(OH)通过阴膜进入产品室，b极室中H＋通过阳膜进入产品室，在产品室中H＋与B(OH)发生反应生成H3BO3，a、b两电极反应式分别为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－、2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，理论上每生成1 mol产品，b极生成1 mol H＋，a极产生0.5 mol H2。]

电解是利用外电路电源提供电能的一种强有力的氧化还原手段，可以使不能发生的氧化还原反应强制发生。因此电解原理有着广泛的应用，可以应用电解手段制备、净化、提纯某些物质。

[问题1]　(1)CO2气体是引起温室效应和气候变暖的主要物质。《Journal of EnergyChemistry》报道我国科学家设计CO2熔盐捕获与转化装置如图。

判断a、d电极的名称，并写出电极反应式。

[提示]　根据图示可以得出d电极上发生CO转化为C的反应，根据化合价可以判断发生的是得电子的还原反应，因此电极d为阴极，电极反应式为CO＋4e－===C＋3O2－；则电极a为阳极，根据图示可以判断电极反应式为2C2O－4e－===4CO2↑＋O2↑。

[问题2]　三氧化二镍(Ni2O3)可用于制造高能电池元件。电解法制备过程如下：用NaOH溶液将NiCl2溶液的pH调至7.5，加入适量硫酸钠固体后进行电解。电解过程中产生的Cl2在弱碱性条件下生成ClO－，把二价镍(可简单写成Ni2＋)氧化为Ni3＋，再将Ni3＋经一系列反应后转化为Ni2O3。电解装置如图所示。

分析加入适量硫酸钠固体的作用。

[提示]　硫酸钠是一种强电解质，向其中加入适量硫酸钠固体，能使溶液中的离子浓度增大，从而增强溶液的导电能力。

通过本情境素材中对新颖的电解装置原理、作用的分析，训练了学生迁移应用所学知识解决实际问题的能力，提升了宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的化学核心素养。

1．海水中含有大量Na＋、Cl－及少量Ca2＋、Mg2＋、SO，用电渗析法对该海水样品进行淡化处理，如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．b膜是阳离子交换膜

B．A极室产生气泡并伴有少量沉淀生成

C．淡化工作完成后A、B、C三室中pH大小为pHA<pHB<pHC

D．B极室产生的气体可使湿润的KI­淀粉试纸变蓝

A　[因为阴极是阳离子反应，所以b膜为阳离子交换膜，选项A正确；A极室Cl－在阳极失电子产生氯气，但不产生沉淀，选项B错误；淡化工作完成后，A室Cl－失电子产生氯气，部分溶于水溶液呈酸性，B室H＋得电子产生氢气，OH－浓度增大，溶液呈碱性，C室溶液呈中性，pH大小为pHA<pHC<pHB，选项C错误；B极室H＋得电子产生氢气，不能使湿润的KI­淀粉试纸变蓝，选项D错误。]

2．普通电解精炼铜的方法所制备的铜中仍含杂质，利用下面的双膜(阴离子交换膜和过滤膜)电解装置可制备高纯度的Cu。下列有关叙述中正确的是(　　)

A．电极a为粗铜，电极b为精铜

B．甲膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区

C．乙膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区

D．当电路中通过1 mol电子时，可生成32 g精铜

D　[由题意结合电解原理可知，电极a是阴极，为精铜，电极b是阳极，为粗铜，A项错误；甲膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区，B项错误；乙膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区，C项错误；当电路中通过1 mol电子时，可生成0.5 mol精铜，其质量为32 g，D项正确。]

3．采用电化学法还原CO2是一种使CO2资源化的方法。如图是利用此法制备ZnC2O4的示意图(电解液不参与反应)。下列说法中正确的是(　　)

A．Zn与电源的负极相连

B．ZnC2O4在交换膜右侧生成

C．电解的总反应为2CO2＋ZnZnC2O4

D．通入11.2 LCO2时，转移0.5 mol电子

C　[电解过程中Zn被氧化，作阳极，所以Zn与电源的正极相连，A错误；Zn2＋透过阳离子交换膜到达左侧与生成的C2O形成ZnC2O4，B错误；没有给出气体所处的温度和压强，D错误。]

4．(双选)在电镀车间的含铬酸性废水中，铬的存在形式有Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)两种，其中Cr(Ⅵ)的毒性最大。电解法处理含铬废水的装置示意图如图，铬最终以Cr(OH)3沉淀除去。下列说法正确的是(　　)

A．Fe为阳极，反应为Fe－2e－===Fe2＋

B．阴极反应为Cr2O＋7H2O＋6e－===2Cr(OH)3↓＋8OH－

C．阳极每转移3 mol电子，可处理Cr(Ⅵ)物质的量为0.5 mol

D．离子交换膜为质子交换膜，只允许H＋穿过

AC　[对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)处理是通过转化为Cr(OH)3处理，由题图可知，同时还生成Fe(OH)3，据此推测铁棒是阳极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，Fe2＋再与Cr2O发生氧化还原反应生成Fe3＋和Cr3＋，A正确；石墨棒是阴极，电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，电解质溶液中发生反应：Cr3＋＋3OH－===Cr(OH)3↓，Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓，B错误；阳极转移3 mol电子，生成1.5 mol Fe2＋，Cr(Ⅵ)被还原为Cr(Ⅲ)，根据电子守恒可知，可处理Cr(Ⅵ)的物质的量为0.5 mol，C正确；石墨电极上反应生成OH－，左侧废水中Cr3＋、Fe3＋透过离子交换膜移向右侧，反应生成Cr(OH)3和Fe(OH)3，故离子交换膜为阳离子交换膜，D错误。]

5．(2018·全国卷Ⅰ，27(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]　阳极发生氧化反应：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，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]　2H2O－4e－===4H＋＋O2↑　a