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。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。

一、离子交换膜类型及应用

离子交换膜的选择依据：离子的定向移动！

二、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.单膜应用(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.双膜(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。

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。

三、实际应用

【应用一】用于物质的分离和提纯

质子交换膜—身轻个小穿空隙，漂洋过海来看你

【例题1】.如图是电化学催化还原二氧化碳制备一氧化碳的装置示意图，质子交换膜将电解池分隔为阴极室和阳极室。下列说法中正确的是( )

A.a是阴极

B.B极室的反应是CO₂＋2e^-＋2H^＋===CO＋H₂O

C.一段时间后，A极室中溶液的pH增大

D.电子由B极室流向A极室

【答案】B

【备考方略】含离子交换膜电化学装置题的解题步骤

【练习】.生产硝酸钙的工业废水常含有NH₄NO₃，可用电解法净化。其工作原理如图所示。下列有关说法正确的是

A．a极为电源负极，b极为电源正极

B．装置工作时电子由b极流出，经导线、电解槽流入a极

C．Ⅰ室能得到副产品浓硝酸Ⅲ室能得到副产品浓氨水

D．阴极的电极反应式为2NO₃^－＋12H^＋＋10e^-=N₂↑＋6H₂O

【答案】C

【应用二】隔离某些离子，防止副反应

【例题】

【答案】A

【练习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，ClO₄^－向左移动

【答案】C

【应用三】利用离子交换膜制备纯净产品

类型(一)　判断离子的迁移方向

阳离子交换膜—如果不相见，便可不相恋

【例题1】.[2018新课标II节选](1)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)。

(2)[2018新课标I节选]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。

【答案】(1).2H₂O＋2e^-===2OH^－＋H₂↑ K^＋ a到b 产生Cl₂易污染环境等

(2)2H₂O－4e^-＝4H^＋＋O₂↑    a

【解析】(2)阳极发生氧化反应，电极反应式为2H₂O－4e^-＝4H^＋＋O₂↑，H^＋通过阳离子交换膜由阳极向a室移动，得到NaHSO₃，故a室NaHSO₃增多。

多膜电解—莫说没有出路，终将各有归宿

【例题2】.H₃PO₂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】①2H₂O－4e^-===O₂↑＋4H^＋

②阳极室的H^＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H₂PO₂^－穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H₃PO₂

③PO₄^3－H₂PO₄^－或H₃PO₂被氧化

【详解】

(1)由于阳极中阴离子为SO₄^2－、OH^－和H₂PO₂^－，其中放电能力最强的是OH^－，则阳极发生的电极反应为：2H₂O－4e^-====O₂↑＋4H^＋或者4OH^－－4e^-===O₂↑＋2H₂O；

(2)产品室可得到H₂PO₃的原因是因为：阳极室的生成的H^＋穿过阳膜扩散至产品室，而阴极发生的是2H₂O＋2e^-====H₂↑＋2OH^－，阴离子浓度增大，原料室中Na^＋通过阳离子交换膜进入阴极室，中和电性，原料室中的H₂PO₂^－穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H₃PO₂；

(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，其缺点是阳极产生的氧气会把H₂PO₂^－或H₃PO₂氧化成PO₄^3－，产品中混有PO₄^3－。

总结

解释电化学装置中，物质在某区域产生的原因，答题要点一般可考虑以下四点：

①说明某区域的电极反应(该区域没有电极反应，则不必说明电极反应)；

②说明电极反应对某平衡的影响(不存在平衡体系时，则不必考虑平衡移动)；

③说明离子通过离子交换膜的移动情况；

④说明各种物质的生成情况。

【备考方略】有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法

【练习1】.(2019·泸州一诊)氢碘酸(HI)可用“四室电渗析法”制备，其工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)。下列叙述错误的是(　　)

A．通电后，阴极室溶液的pH增大

B．阳极电极反应式是2H₂O－4e^-===4H^＋＋O₂↑

C．得到1 mol 产品HI，阳极室溶液质量减少8 g

D．通电过程中，NaI的浓度逐渐减小

【答案】C

类型(二)　判断离子交换膜的类型

多膜电解—莫说没有出路，终将各有归宿

【例题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＋6H₂O===4NaOH＋4HCl＋2H₂↑＋O₂↑

【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。

离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子，目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷，利用离子交换膜的这一功能可用来制备物质，解题时应先分析出应制备或提纯的物质，后确定装置的正、负极，根据离子交换膜的功能判断特定离子的移动方向，进而逐一解答。

【练习】H₃BO₃可以通过电解NaB(OH)₄溶液的方法制备，其工作原理如图，下列叙述错误的是( )

A.M室发生的电极反应为2H₂O－4e^-====O₂↑＋4H^＋

B.N室中:a%＜b%

C.b膜为阴离子膜，产品室发生反应的化学原理为强酸制弱酸

D.理论上每生成1 mol 产品，阴极室可生成标准状况下5.6 L 气体

【答案】D

【应用四】离子交换膜的相关计算

跨膜转移的电荷数=电极反应转移的电子数

【例题1】【海南省海南中学2018届高三第五次月考】(双选)一种高能纳米级Fe₃S₄和镁的二次电池，其工作原理为：Fe₃S₄＋4Mg3Fe＋4MgS，装置如图所示。下列说法不正确的是(      )

A． 放电时，电路中转移0.5mol 电子则阴离子交换膜上移动0.5mol S^2-

B． 放电时，正极的电极反应式为Fe₃S₄＋8e^-＝3Fe＋4s^2-

C． 充电时，阴极的电极反应式为MgS＋2e^-＝Mg＋S^2-

D． 充电时，S^2-从阴离子交换膜左侧向右侧迁移

【答案】AD

【分析】根据电池反应式知，放电时为原电池反应，Mg失电子发生氧化反应，则Mg是负极，电极反应式为Mg－2e^-=Mg^2＋，Fe₃S₄为正极，正极反应式为Fe₃S₄＋8e^-=3Fe＋4S^2-

【例题2】．已知:2CrO₄^2－(黄色)＋2H^＋===Cr₂O₇^2－(橙色)＋H₂O。以铬酸钾(右室起始加入0.4 mol K₂CrO₄)为原料，电化学法制备重铬酸钾的实验装置示意图如图所示，下列说法正确的是 (　　)

A.在阳极室，通电后溶液逐渐由橙色变为黄色

B.电路中有0.2 mol 电子通过时，阳极与阴极溶液减少的质量差为1.4 g

C.若测得右室中K与Cr的物质的量之比为3∶2，则此过程电路中共转移电子数为0.1N_A

D.若测定阳极液中K与Cr的物质的量之比为d，则此时铬酸钾的转化率为2－d

【练习】【节选(3)】Ⅲ中离子隔膜电解池的装置如图。

①A的化学式是_________，A在_________口产生。

②m为_______(填“阴”或“阳”)离子交换膜。

③结合化学用语和文字说明解释NaOH产生的原因：______________________________。

(4)目前已开发出用电解法制取ClO₂的新工艺。

①图中用石墨作电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取ClO₂。则阳极产生ClO₂的电极反应式为____________。

②电解一段时间，当阴极产生的气体体积为112 mL(标准状况)时，停止电解。通过阳离子交换膜的阳离子的物质的量为________mol。

【答案】(3)①H₂SO₄　E　②阴　③阴极反应为2H₂O＋2e^-===H₂↑＋2OH^－，反应室中的Na^＋透过阳离子交换膜进入阴极室，和阴极区产生的OH^－生成NaOH

(4)①Cl^－－5e^-＋2H₂O===ClO₂↑＋4H^＋　②0.01

【总结】：

1.掌握电化学中的离子移动方向，结合离子交换膜类型轻松判断离子移动及电极方程式书写。

2.离子交换膜作用：制备纯净产品及分离提纯某些物质