2020届高考化学微专题五离子交换膜在电化学中的应用教案（含解析）

离子交换膜在电化学中的应用　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

[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、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：

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)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Ⅰ，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

[例2]　(2016·全国卷Ⅰ)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SO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SO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SO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(　　)

A．a、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

D．b极的电极反应式为：CH3COO－＋4H2O－8e－===2HCO＋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CH3COO－→HCO，碳元素从平均0价失电子升至＋4 价，电极b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＋H＋＋2e－→＋Cl－，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CH3COO－＋4H2O－8e－===2HCO＋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)2＋6OH－－6e－===N2↑＋CO2↑＋5H2O

B．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)2＋6OH－－6e－===N2↑＋CO2↑＋5H2O；通氧气的一极为正极，发生还原反应，电极反应为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，以此解答该题；A.负极发生的反应为：CO(NH2)2＋6OH－－6e－===N2↑＋CO2↑＋5H2O，A正确；B.正极附近发生电极反应O2＋4e－＋2H2O===4OH－，产生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 mol，根据正极反应可得消耗的O2为： mol××22.4 mol·L－1＝0.56 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η＝×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C—H键的断裂实现氢的储存

C．生成目标产物的电极反应式为C6H6＋6e－＋6H＋===C6H12

D．若η＝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，C—H键没有断裂，形成新的C—H键，B错误；C.储氢是将苯转化为环己烷，电极反应式为C6H6＋6e－＋6H＋===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2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，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η＝75%，则生成苯消耗的电子数为6.4 mol×75%＝4.8 mol，苯发生的反应C6H6＋6e－＋6H＋===C6H12，参加反应的苯的物质的量为4.8 mol/6＝0.8 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(　　)

A．b极附近溶液的pH增大

B．a极发生的反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋

C．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2Li＋＋2H2O＋2e－===H2↑＋2LiOH，故b极附近溶液的pH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2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，故B正确；C.a极发生的反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，SO移向a极可以与H＋结合生成硫酸，b极反应方程式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，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.2Li＋＋2H2O＋2e－===H2↑＋2LiOH，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)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋

(2)阳极室的H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2

(3)PO　H2PO或H3PO2被氧化