化学自习室移动版

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2019·全国卷ⅠT₁₂、2019·江苏卷T₂₀、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。

类型一：离子交换膜的种类

【考必备清单】

1.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。

3.分类和应用

4.三类离子交换膜应用实例

探题源•规律

[例1]　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。

[规律方法]　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。

类型二　离子交换膜在物质制备、分离提纯中的应用

考必备•清单

应用离子交换膜的常考装置——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，以达到物质制备、浓缩、净化、提纯的目的。

(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NH₄^＋：NO＋5e^-＋6H^＋===NH₄^＋＋H₂O，NH₄^＋通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的NO被氧化为NO₃^－：NO－3e^-＋2H₂O===NO₃^－＋4H^＋，NO₃^－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H₂PO₂^－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。

探题源•规律

应用一　物质的制备

[例2]　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)₄^－

D．每增加1 mol H₃BO₃产品，NaOH溶液增重22 g

[解析]　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)₄^-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)₄^-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。

[规律方法]　

有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法

应用二　物质的分离和提纯

[例3]　用电解法可提纯含有某种钾的含氧酸盐杂质(如硫酸钾、碳酸钾等)的粗KOH溶液，其工作原理如图所示。下列说法正确的是 (　　)

A．电极N为阳极，电极M上H^＋发生还原反应

B．电极M的电极反应式为4OH^－－4e^-===2H₂O＋O₂↑

C．D处流进粗KOH溶液，E处流出纯KOH溶液

D．b处每产生11.2 L 气体，必有1 mol K^＋穿过阳离子交换膜

[解析]　根据图示，K^＋移向电极N，所以N是阴极，M极是阳极，OH^－发生氧化反应生成氧气，电极反应式为4OH^－－4e^-===2H₂O＋O₂↑，故A错误，B正确；C处流进粗KOH溶液，F处流出纯KOH溶液，故C错误；N极是阴极，H^＋发生还原反应生成氢气，非标准状况下11.2 L 氢气的物质的量不一定是0.5 mol，故D错误。

[规律方法]　含离子交换膜电化学装置题的解题步骤

夯基础•小题

3．一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X气体的体积为22.4 L

解析：该电池中，NO₃^－得电子发生还原反应，则装置中右边电极是正极，电极反应式为2NO₃^－＋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，电极反应式为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2NO₃^－＋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；因题目未指明标准状况，故无法计算产生CO₂(X)气体的体积，D项错误。

答案：CD