2020版高考一轮复习化学新课改省份专用学案：第五章第7课时　化学能与电能（5）——含离子交换膜电池的应用（过热点）

第7课时　化学能与电能(5)——含离子交换膜电池的应用(过热点)

近几年全国卷的高考中，涉及离子交换膜的试题较多，且常考常新。离子交换膜是一种含有离子基团的、对溶液中离子具有选择性透过的高分子膜。根据透过的微粒类型，离子交换膜可以分为多种，在高考试题中，主要出现的是阳离子交换膜(如2018·全国卷ⅠT27、2018·全国卷ⅢT27)、阴离子交换膜(2014·全国卷ⅠT27)和质子交换膜(2018·全国卷ⅠT13、2015·全国卷ⅠT11)三种，其功能是在于选择性通过某些离子和阻断某些离子或隔离某些物质，从而制备、分离或提纯某些物质。

[重难点拨]

1．离子交换膜的类型和作用

2．多室电解池

多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为两室、三室、多室等，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。

(1)两室电解池

①制备原理：工业上利用如图两室电解装置制备烧碱

阳极室中电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区H＋放电，破坏了水的电离平衡，使OH－浓度增大，阳极区Cl－放电，使溶液中的c(Cl－)减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na＋通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH－结合，得到浓的NaOH溶液。利用这种方法制备物质，纯度较高，基本没有杂质。

②阳离子交换膜的作用

它只允许Na＋通过，而阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应生成NaClO而影响烧碱的质量。

(2)三室电解池

利用三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如图所示。

阴极的NO被还原为NH：NO＋5e－＋6H＋===NH＋H2O，NH通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的NO被氧化为NO：NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，NO通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得电解总反应：8NO＋7H2O3NH4NO3＋2HNO3，为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3。

(3)多室电解池

利用“四室电渗析法”制备H3PO2(次磷酸)，其工作原理如图所示。

电解稀硫酸的阳极反应：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，产生的H＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2PO穿过阴离子交换膜进入产品室，与H＋结合生成弱电解质H3PO2；电解NaOH稀溶液的阴极反应：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室。

[考法精析]

应用一　用于物质的分离和提纯

[典例1]　一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化，其工作原理如图所示，图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示。下列有关说法不正确的是(　　)

A．Cl－由中间室移向左室

B．X气体为CO2

C．处理后的含NO废水的pH降低

D．电路中每通过4 mol电子，产生标准状况下X气体的体积为22.4 L

[解析]　该电池中，NO得电子发生还原反应，则装置中右边电极是正极，电极反应为2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，装置左边电极是负极，负极上有机物失电子发生氧化反应生成X，电极反应C6H10O5－24e－＋7H2O===6CO2↑＋24H＋。放电时，电解质溶液中阴离子Cl－移向负极室(左室)，A项正确；X气体为CO2，B项正确；正极反应为2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，H＋参加反应导致溶液酸性减弱，溶液的pH增大，C项错误；根据负极电极反应C6H10O5－24e－＋7H2O===6CO2↑＋24H＋知，电路中每通过4 mol电子，产生标准状况下CO2气体的体积为×6×22.4 L·mol－1＝22.4 L，D项正确。

[答案]　C

[备考方略]　含离子交换膜电化学装置题的解题步骤

应用二　用于物质的制备

类型(一)　判断离子的迁移方向

[典例2]　(1)(2018·全国卷Ⅲ节选)KIO3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________。

(2)(2018·全国卷Ⅰ节选)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NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。

[解析]　(1)①该装置为电解池，电解时阴极电解质为KOH，水中氢离子放电，故电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑；②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为K＋，在电解池中离子移动方向为阳离子移向阴极，故K＋由a到b。(2)根据题中的图示，左侧为电解池的阳极，右侧为电解池的阴极，离子交换膜均为阳离子交换膜，只允许阳离子通过，阳极的电解质溶液为硫酸，所以阳极的电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，则阳极的氢离子会透过阳离子交换膜进入a室，与a室中的SO2碱吸收液中含有的Na2SO3发生反应生成NaHSO3，所以a室中的NaHSO3浓度增加。

[答案]　(1)①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑　②K＋　a到b　(2)2H2O－4e－===4H＋＋O2↑　a

[备考方略]　有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法

类型(二)　判断离子交换膜的类型

[典例3]　四室式电渗析法制备盐酸和NaOH的装置如图所示。a、b、c为阴、阳离子交换膜。已知：阴离子交换膜只允许阴离子透过，阳离子交换膜只允许阳离子透过。下列叙述正确的是(　　)

A．b、c分别依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜

B．通电后Ⅲ室中的Cl－透过c迁移至阳极区

C．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高

D．电池总反应为4NaCl＋6H2O4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑

[解析]　由图中信息可知，左边电极与负极相连为阴极，右边电极为阳极，所以通电后，阴离子向右定向移动，阳离子向左定向移动，阳极上H2O放电生成O2和H＋，阴极上H2O放电生成H2和OH－；H＋透过c，Cl－透过b，二者在b、c之间的Ⅲ室形成盐酸，盐酸浓度变大，所以b、c分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜；Na＋透过a，NaOH的浓度变大，所以a也是阳离子交换膜，故A、B两项均错误；电解一段时间后，Ⅰ中的溶液的c(OH－)升高，pH升高，Ⅱ中为NaCl溶液，pH不变，Ⅲ中有HCl生成，故c(H＋)增大，pH减小，Ⅳ中H＋移向Ⅲ，H2O放电生成O2，使水的量减小，c(H＋)增大，pH减小，C不正确。

[答案]　D

[备考方略]　离子交换膜类型的判断方法

根据电解质溶液呈中性的原则，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。

[综合训练]

1．(2018·浙江11月选考)最近，科学家研发了“全氢电池”，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．右边吸附层中发生了还原反应

B．负极的电极反应是H2－2e－＋2OH－===2H2O

C．电池的总反应是2H2＋O2===2H2O

D．电解质溶液中Na＋向右移动，ClO向左移动

解析：选C　A选项，右边吸附层中发生反应：2H＋＋2e－===H2↑，为还原反应，正确；B选项，负极的电极反应为H2－2e－＋2OH－===2H2O，正确；C选项，外界未通入氧气，总反应为HClO4＋NaOH===H2O＋NaClO4，错误；D选项，由电子移动方向知，阴离子向左移动，阳离子向右移动，正确。

2．用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的NH，模拟装置如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．阳极室溶液由无色变成棕黄色

B．阴极的电极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

C．电解一段时间后，阴极室溶液的pH升高

D．电解一段时间后，阴极室溶液中的溶质一定是(NH4)3PO4

解析：选C　Fe电极与电源正极相连，则Fe作阳极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，反应中生成Fe2＋，溶液由无色变为浅绿色，A错误；阴极上H＋得电子发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，B错误；电解过程中阴极上消耗H＋，则阴极室溶液的pH升高，C正确；电解时，(NH4)2SO4溶液中NH向阴极室迁移，故阴极室溶液中的溶质可能为(NH4)3PO4、(NH4)2HPO4、NH4H2PO4等，D错误。

3.高铁酸盐(如Na2FeO4)已经被广泛应用在水处理方面，以铁质材料为阳极，在高浓度强碱溶液中利用电解的方式可以制备高铁酸盐，装置如图。下列说法不正确的是(　　)

A．a为阳极，电极反应式为

Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4H2O

B．为防止高铁酸根扩散被还原，则离子交换膜为阳离子交换膜

C．在电解过程中溶液中的阳离子向a极移动

D．铁电极上有少量气体产生原因可能是

4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

解析：选C　铁电极材料为阳极，在高浓度强碱溶液中利用电解的方式可以制备高铁酸盐，所以铁是阳极，电极反应式为Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4H2O，故A正确；阳离子交换膜可以阻止FeO进入阴极区域，故B正确；在电解过程中溶液中的阳离子向阴极移动，所以阳离子向b极移动，故C错误；铁电极上发生氧化反应，所以生成的气体可能是氧气，电极反应式是4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，故D正确。