電解池中離子交換膜的三種類(lèi)型與高考真題等典例詳析

10電解池中離子交換膜的三種類(lèi)型和作用離子交換膜的類(lèi)型和作用“隔膜”電解池的解題步驟第一步：分清隔膜類(lèi)型。即交換膜屬于陽(yáng)膜、陰膜或質(zhì)子膜中的哪一種，推斷允許哪種離子通過(guò)隔膜。第三步：分析隔膜作用。在產(chǎn)品制備中，隔膜作用主要是提高產(chǎn)品純度，避開(kāi)產(chǎn)物之間發(fā)生反響，或避免產(chǎn)物因發(fā)生反響而造成危急。多室電解池中膜的應(yīng)用〔本文中重點(diǎn)介紹電解池膜的應(yīng)用，原電池請(qǐng)類(lèi)比練習(xí)〕多室電解池是利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，即允許帶某種電荷的離子通過(guò)而限制帶相反電荷的離子通過(guò)，將電解池分為兩室、三室、多室等，以到達(dá)濃縮、凈化、提純及電化學(xué)合成的目的。兩室電解池①制備原理：工業(yè)上利用如圖兩室電解裝置制備燒堿陽(yáng)極室中電極反響：2C－－2－===C2↑，陰極室中的電極反響：2＋2－===2↑＋2O－，陰極區(qū)＋放電，破壞了水的電離平衡，使OH－濃度增大，陽(yáng)極區(qū)Cl－放電，使溶液中的c(Cl－)減小，為保持電荷守恒，陽(yáng)極室中的Na＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜與陰極室中生成的OH－結(jié)合NaOH純度較高，根本沒(méi)有雜質(zhì)。②陽(yáng)離子交換膜的作用防止了兩極產(chǎn)生的H2和Cl2Cl2和陰極產(chǎn)生的NaOH反響生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)量。三室電解池利用三室電解裝置制備N(xiāo)H4NO3，其工作原理如下圖。NONH＋：NO＋5e－＋6H＋===NH＋＋HO，NH＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入中間室；陽(yáng)極的4 4 2 4NO被氧化為NO－：NO－3e－＋2HO===NO－＋4H＋，NO－通過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入中間室。依據(jù)電路中轉(zhuǎn)移電子3 2 數(shù)相等可得電解總反響：8NO＋ 電解

3＋2HNONH

NO，補(bǔ)充適量72O====3NHNO3 3 4 33NH3HNO3NH4NO。3多室電解池利用“四室電滲析法”制備H3PO2(次磷酸)，其工作原理如下圖。2電解稀硫酸的陽(yáng)極反響：2H2O－4e－===O↑＋4H＋H＋223H2PO－H＋H23

PO；電解NaOH稀溶液的陰極反響：4HO222＋4e－===2H↑＋4OH－Na＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入陰極室。222【典例分析】應(yīng)用一用于物質(zhì)的分別和提純例1：一種三室微生物燃料電池可用于污水凈化、海水淡化，其工作原理如下圖，圖中有機(jī)廢水中有機(jī)物可用C6H10O5表示。以下有關(guān)說(shuō)法不正確的選項(xiàng)是( )A．Cl－由中間室移向左室B．XCO23CNO－廢水的pH降低3D4molX22.4L應(yīng)用二用于物質(zhì)的制備類(lèi)型(一) 推斷離子的遷移方向2：(1)(2023·全國(guó)卷Ⅲ節(jié)選)KIO3可承受“電解法”制備，裝置如下圖。①寫(xiě)出電解時(shí)陰極的電極反響式 。②電解過(guò)程中通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的離子主要為 ，其遷移方向是 。35(2)(2023·全國(guó)卷Ⅰ節(jié)選)制備N(xiāo)a2S2O5可承受三室膜電解技術(shù)，裝置如下圖，其中SO2堿吸取液中含有NaHSO3和Na2SO。陽(yáng)極的電極反響式為 。電解后， 室的NaHSO3濃度增加。將該室溶液進(jìn)展結(jié)晶脫水，可得到Na2S2O。35類(lèi)型(二) 推斷離子交換膜的類(lèi)型[3]四室式電滲析法制備鹽酸和NaOH的裝置如下圖。a、b、c為陰、陽(yáng)離子交換膜。：陰離子交換膜只允許陰離子透過(guò)，陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子透過(guò)。以下表達(dá)正確的選項(xiàng)是()b、c分別依次為陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜Cl－c遷移至陽(yáng)極區(qū)C．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均上升D．電池總反響為4NaCl＋ 電解

＋4HCl＋2H↑＋O↑62O====4NaOH 2 2【課堂練習(xí)】4用一種陰、陽(yáng)離子雙隔膜三室電解槽處理廢水中的NH＋，模擬裝置如下圖。以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是( )4A．陽(yáng)極室溶液由無(wú)色變成棕黃色C．電解一段時(shí)間后，陰極室溶液的pH上升D．電解一段時(shí)間后，陰極室溶液中的溶質(zhì)肯定是(NH4)3PO4的方式可以制備高鐵酸鹽，裝置如圖。以下說(shuō)法不正確的選項(xiàng)是(A．a(chǎn)為陽(yáng)極，電極反響式為)的方式可以制備高鐵酸鹽，裝置如圖。以下說(shuō)法不正確的選項(xiàng)是(A．a(chǎn)為陽(yáng)極，電極反響式為)42B．為防止高鐵酸根集中被復(fù)原，則離子交換膜為陽(yáng)離子交換膜C．在電解過(guò)程中溶液中的陽(yáng)離子向a極移動(dòng)D．鐵電極上有少量氣體產(chǎn)生緣由可能是4OH－－4e－===O↑＋2HO2 2【課后作業(yè)】4Na＋、Cl－Ca2＋、Mg2＋、SO2－，用電滲析法對(duì)該海水樣品進(jìn)展淡化處理，如圖所4示。以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()A．b膜是陽(yáng)離子交換膜示。以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()A．b膜是陽(yáng)離子交換膜B．A極室產(chǎn)生氣泡并伴有少量沉淀生成CA、B、CpH大小為pHA<pHB<pHC用電解法可提純含有某種鉀的含氧酸鹽雜質(zhì)()的粗KOH以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()N為陽(yáng)極，電極MH＋發(fā)生復(fù)原反響電極M的電極反響式為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑C．以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()N為陽(yáng)極，電極MH＋發(fā)生復(fù)原反響電極M的電極反響式為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑C．dKOH溶液，eKOH溶液3為Na2S4和NaBr。以下表達(dá)正確的選項(xiàng)是( )33NaBr－2e－===NaBr＋2Na＋32NaS－2e－===NaS＋2Na＋22 24放電時(shí)，Na＋經(jīng)過(guò)離子交換膜由b池移向a池2.24LH2時(shí)，b17.40gNa2S4電解Na2CO3溶液制取NaHCO3溶液和NaOH溶液的裝置如下圖。以下說(shuō)法中不正確的選項(xiàng)是( )A是H2溶液中Na＋由陽(yáng)極室向陰極室遷移OH－放電，H＋濃度增大，CO2－HCO－3 3BNaCl，其作用是增加溶液導(dǎo)電性5．(2023·全國(guó)卷Ⅰ)最近我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種CO2＋H2S協(xié)同轉(zhuǎn)扮裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然氣中CO2H2S的高效去除。示意圖如下所示，其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯電極區(qū)發(fā)生反響為①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋該裝置工作時(shí)，以下表達(dá)錯(cuò)誤的選項(xiàng)是( )A．陰極的電極反響：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2OB．協(xié)同轉(zhuǎn)化總反響：CO2＋H2S===CO＋H2O＋SC．石墨烯上的電勢(shì)比ZnO@石墨烯上的低DFe3＋/Fe2＋取代EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需為酸性6．(2023·防城港一模)肯定條件下，利用如下圖裝置可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的儲(chǔ)氫，以下有關(guān)說(shuō)法正確的選項(xiàng)是( )AX是氫氣，電極E是陰極B．H＋由左室進(jìn)入右室，發(fā)生復(fù)原反響CC6H6與氫氣反響的過(guò)程DD的電極反響式為C6H6＋6H＋＋6e－===C6H127.在微生物作用下電解有機(jī)廢水(CH3COOH)H2確的是( )B極為負(fù)極通電后，假設(shè)有7.在微生物作用下電解有機(jī)廢水(CH3COOH)H2確的是( )B極為負(fù)極通電后，假設(shè)有H2生成，則轉(zhuǎn)移0.2mol電子C．通電后，H＋通過(guò)質(zhì)子交換膜向右移動(dòng)，最終右側(cè)溶液pH減小2氫碘酸(HI)可用“四室電滲析法”制備，其工作原理如下圖(陽(yáng)膜和陰膜分別只允許陽(yáng)離子、陰離子通過(guò))。以下表達(dá)錯(cuò)誤的選項(xiàng)是( )2A．通電后，陰極室溶液的pH增大2C1molHI8gD．通電過(guò)程中，NaI的濃度漸漸減小一種濃差電池如下圖，陰、陽(yáng)離子交換膜交替放置，中間的間隔交替充以河水和海水，選擇性透過(guò)Cl-和Na+，在兩電極板形成電勢(shì)差，進(jìn)而在外部產(chǎn)生電流。以下關(guān)于該電池的說(shuō)法錯(cuò)誤的選項(xiàng)是〔 〕A．a(chǎn)電極為電池的正極，電極反響為2H

2e

H 2B．A為陰離子交換膜，C為陽(yáng)離子交換膜C．陽(yáng)極〔負(fù)極〕隔室的電中性溶液通過(guò)陽(yáng)極外表的氧化作用維持D．該電池的缺點(diǎn)是離子交換膜價(jià)格昂貴，電極產(chǎn)物也沒(méi)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值利用生物燃料電池原理爭(zhēng)論室溫下氨的合成，電池工作時(shí)MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。以下說(shuō)法錯(cuò)誤的選項(xiàng)是A．相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫順，同時(shí)還可供給電能B．陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反響H2+2MV2+2H++2MV+C．正極區(qū)，固氮酶為催化劑，B．陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反響H2+2MV2+2H++2MV+甲醇燃料電池能量轉(zhuǎn)化率高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可作為常規(guī)能源的替代品而越來(lái)越受到關(guān)注，其工作示意圖如圖，其總反響為：2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O。以下說(shuō)法的是A．電極A是負(fù)極，發(fā)生氧化反響B(tài)．H＋通過(guò)質(zhì)子交換膜向B電極遷移C．放電前后電解質(zhì)溶液的pH不變D．b物質(zhì)在電極上發(fā)生的電極反響式為：O2＋4e－＋4H＋＝2H2O12．鈦被譽(yù)為第三金屬，廣泛用于航天航空等領(lǐng)域。硼化釩〔VB2〕-空氣電池的放電反響為4VB2+11O2===4B2O3+2V2O5，以該電池為電源制備鈦的裝置如下圖。以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是〔 〕A．電解過(guò)程中，OH-由陰離子交換膜右側(cè)向左側(cè)遷移B．Pt極反響式為2VB2+22OH--22e-===V2O5+2B2O3+11H2OC．電解過(guò)程中，銅極四周電解質(zhì)溶液的pH減小D4.48LCl24.8gTiLi1xFePO4－LiFePO4+6C。以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是13．磷酸亞鐵鋰(LiIFePO4)電池(如下圖)是能源汽車(chē)的動(dòng)力電池之一。M電極是金屬鋰和碳的復(fù)合材料(碳作為金屬鋰的載體)，電解質(zhì)為一種能傳導(dǎo)Li＋Li1xFePO4－LiFePO4+6C。以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是放電時(shí)，Li＋M電極移動(dòng)0.5mol36g碳和金屬鋰復(fù)合在一起放電時(shí)，M電極的電極反響為Cx--xe-=6C6－充電時(shí)，N電極的電極反響為L(zhǎng)iFePO4－xe－＝xLi＋＋Li1xFePO4－14〔14〔，B.A極的電極反響式為+ e-B.A極的電極反響式為+ e-= Cl－+H+0.1NAD.B極沿導(dǎo)線經(jīng)小燈泡流向A極15．如下圖裝置為型電池，放電時(shí)電池的總反響式為NaBr3+2Na2S2＝3NaBr+Na2S4，以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是〔 〕放電時(shí)A電極的反響式為2Na2S2+2e﹣═Na2S4+2Na+Na+從左向右通過(guò)陽(yáng)離子交換膜外電路中的電流方向?yàn)锳→燈泡→BD.B電極發(fā)生氧化反響答案與分析【典例分析】例一[解析] 該電池中，NO－得電子發(fā)生復(fù)原反響，則裝置中右邊電極是正極，電極反響為2NO－＋10e－＋3 312H＋===N↑＋6HO，裝置左邊電極是負(fù)極，負(fù)極上有機(jī)物失電子發(fā)生氧化反響生成X，電極反響CH O－2 2 6 10 5XCO，2 2B2NO－＋10e－＋12H＋===N↑＋6HO，H＋參與反響導(dǎo)致溶液酸性減弱，溶液的pH增大，3 2 2C項(xiàng)錯(cuò)誤；依據(jù)負(fù)極電極反響C6H10O－24e－＋7H2O===6CO↑＋24H＋4mol電子，產(chǎn)生標(biāo)5 24mol準(zhǔn)狀況下CO2氣體的體積為24 ×6×22.4L·mol－1＝22.4L，D項(xiàng)正確。[答案] C例二[解析](1)①該裝置為電解池，電解時(shí)陰極電解質(zhì)為KOH，水中氫離子放電，故電極反響式為2H2O2＋2e－===2OH－＋H↑；②電解過(guò)程中通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的離子主要為K＋，在電解池中離子移動(dòng)方向?yàn)殛?yáng)離子移向陰極，故K＋ab。(2)依據(jù)題中的圖示，左側(cè)為電解池的陽(yáng)極，右側(cè)為電解池的陰極，離子交換膜均為陽(yáng)離子交換膜，只允許陽(yáng)離子通過(guò)，陽(yáng)極的電解質(zhì)溶液為硫酸，所以陽(yáng)極的電極反響式為2H2O－4e－===4H＋＋22 2 2 OaaSONaSO2 2 2 NaHSOaNaHSO

濃度增加。3 322[答案] (1)①2H2O＋2e－===2OH－＋H↑②K＋ a到b (2)2H2O－4e－===4H＋＋O↑a22例三[解析] 由圖中信息可知，左邊電極與負(fù)極相連為陰極，右邊電極為陽(yáng)極，所以通電后，陰離子向右定向移動(dòng)，陽(yáng)離子向左定向移動(dòng)，陽(yáng)極上H2O放電生成O2和H＋，陰極上H2O放電生成H2和OH－；H＋透過(guò)c，Cl－b，二者在b、c之間的Ⅲ室形成鹽酸，鹽酸濃度變大，所以b、c分別為陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜；Na＋a，NaOHa也是陽(yáng)離子交換膜，故A、B兩項(xiàng)均錯(cuò)誤；電解一段時(shí)間后，Ⅰ中的溶c(OH－)上升，pH上升，Ⅱ中為NaCl溶液，pH不變，Ⅲ中有HCl生成，故c(H＋)增大，pH減小，Ⅳ中H2＋移向Ⅲ，H2O放電生成O，使水的量減小，c(H＋)增大，pH減小，C不正確。2[答案] D【課堂練習(xí)】24解析：選C Fe電極與電源正極相連，則Fe作陽(yáng)極，電極反響式為Fe－2e－===Fe2＋，反響中生成Fe2＋，溶液由無(wú)色變?yōu)闇\綠色，A錯(cuò)誤；陰極上H＋得電子發(fā)生復(fù)原反響，電極反響式為2H＋＋2e－===H↑，B錯(cuò)誤；電解過(guò)程中陰極上消耗H＋，則陰極室溶液的pH上升，C正確；電解時(shí)，(NH4)2SO4溶液中NH＋向陰極室遷移，24442故陰極室溶液中的溶質(zhì)可能為(NH4)3PO、(NH)442

HPO

等，D錯(cuò)誤。4424解析選C 鐵電極材料為陽(yáng)極在高濃度強(qiáng)堿溶液中利用電解的方式可以制備高鐵酸鹽所以鐵是陽(yáng)極，4424OAFeO2－B4 2 4正確；在電解過(guò)程中溶液中的陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)，所以陽(yáng)離子向b極移動(dòng)，故C錯(cuò)誤；鐵電極上發(fā)生氧化反響，4OH－－4e－===O↑＋2HOD正確。2 22解析：選C 生成Na2

S，電極反響式為2NaS

－2e－===NaS

＋2Na＋，A42224錯(cuò)誤；充電時(shí)，陽(yáng)極上NaBrNaBr3NaBr－2e－===NaBr＋2Na＋，B錯(cuò)誤；422243 3放電時(shí)，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，故Na＋ba池，C2.24LH2是否處于標(biāo)準(zhǔn)狀況下，無(wú)法計(jì)算bNa2S4的質(zhì)量，D錯(cuò)誤。【課后作業(yè)】B解析：選A 由于陰極是陽(yáng)離子反響，所以b膜為陽(yáng)離子交換膜，選項(xiàng)A正確；A極室Cl－在陽(yáng)極失電子產(chǎn)生氯氣，但不產(chǎn)生沉淀，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；淡化工作完成后，A室Cl－失電子產(chǎn)生氯氣，局部溶于水溶液呈酸性，B室H＋得電子產(chǎn)生氫氣，OH－濃度增大，溶液呈堿性，C室溶液呈中性，pH大小為pHA<pHC<pH，選項(xiàng)CB錯(cuò)誤；BH＋得電子產(chǎn)生氫氣，不能使潮濕的KI淀粉試紙變藍(lán)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。2解析：選B 依據(jù)圖示，K＋移向電極N，所以N是陰極，M極是陽(yáng)極，OH－發(fā)生氧化反響生成氧氣，電故A錯(cuò)誤、B正確；c處流進(jìn)粗KOH溶液，f處流出純KOH溶液，2C錯(cuò)誤；N極是陰極，H＋11.2L0.5mol，D錯(cuò)誤。解析：選D 陰極上發(fā)生復(fù)原反響，電極反響式為2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，則陰極上產(chǎn)生的物質(zhì)A2H，ANa＋由陽(yáng)極室向陰極室遷移，B正確；由圖可知，陽(yáng)極上產(chǎn)生2O2HO－4e－===4H＋＋O↑，溶液中c(H＋)增大，CO2－HCO－，C正確；由圖可知，2 2 2 3 3NaOHB應(yīng)為NaOH，其作用是增加溶液的導(dǎo)電性，D錯(cuò)誤。2 2 2 解析選C 由題中信息可知石墨烯電極發(fā)生氧化反響為電解池的陽(yáng)極則ZnO@石墨烯電極為陰極。由題圖可知，電解時(shí)陰極反響式為CO＋2H＋＋2e－===CO＋HO，A項(xiàng)正確；將陰、陽(yáng)兩極反響式合并可得總反響式為CO＋HS===CO＋HO＋S，B項(xiàng)正確；陽(yáng)極接電源正極，電勢(shì)高，陰極接電源負(fù)極，電勢(shì)低，故石墨烯上的電勢(shì)比ZnO@石墨烯上的高，C項(xiàng)錯(cuò)誤；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D2 2 2 26D由圖可知，苯(C6H6)D電極加氫復(fù)原生成環(huán)己烷(C6H12)DE是陽(yáng)2H2O－4e－===4H＋＋OX是氧氣，AH＋由右室進(jìn)入左室，發(fā)生復(fù)原反響，B錯(cuò)誤；陰極上苯(C6H6)被復(fù)原生成環(huán)己烷(C6H12)，電極反響式為C6H＋6H26＋＋6e－===C6H 2CH

＋6H

O===2CH ＋3O12↑，故該儲(chǔ)氫過(guò)程就是C6H6與水反響的過(guò)程，C錯(cuò)誤，D正確。

6 6

6 12 222解析：選C電解有機(jī)廢水(CH3COOH)，在陰極上氫離子得電子生成氫氣，即2H＋＋2e－===H↑，則B極為負(fù)極，選項(xiàng)A0.1molH22H＋＋2e－===H↑可知0.2mol電子，選項(xiàng)B22陰極室，陰極室的pH幾乎保持不變，選項(xiàng)C不正確；與電源A極相連的惰性電極是陽(yáng)極，電極反響式為2CH3COOH－8e－＋2H2O===2CO↑＋8H＋D正確。2C2H2O＋2e－===2OH－＋H2pHA正確；22－4－===4＋＋B1molHI1mol9g，故C錯(cuò)誤；通電過(guò)程中，原料室中的Na＋移向陰極室，I－NaID正確。9【答案】D11b電極電子流出，b為電池的負(fù)極，a電極為電池的正極，電極反響為2H++2e-=H ，故A正確；2a電極方向移動(dòng)，氯離子向b電極方向移動(dòng)，所以A為陰離子交換膜，C為陽(yáng)離子交換膜，故B正確；陽(yáng)極〔負(fù)極〕隔室中氯離子放電產(chǎn)生氯氣，保持溶液中的電荷守恒，故C正確；電極產(chǎn)物有氫氣，是很好的清潔能源，氯氣是重要的化工原料，經(jīng)濟(jì)價(jià)值是格外高的，故D錯(cuò)誤；10A項(xiàng)、相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法選用酶作催化劑，條件溫順，同時(shí)利用MV+MV2+的相互轉(zhuǎn)化，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，故可供給電能，故A正確；B項(xiàng)、左室為負(fù)極區(qū)，MV+在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反響生成MV2+，電極反響式為MV+—e—=MV2+，放電生成MV2+H2H+MV+H2+2MV2+=2H++2MV+B錯(cuò)誤；C項(xiàng)、右室為正極區(qū)，MV2+MV+，電極反響式為MV2++e—=MV+，放電生成的MV+N2在固氮酶的作用下反響生成NH3MV2+C正確；D項(xiàng)、電池工作時(shí)，氫離子〔即質(zhì)子〕通過(guò)交換膜由負(fù)極向正極移動(dòng)，故DB。11【答案】CAAB極，則A為負(fù)極、B為正極，A極發(fā)生氧化反響，故A正確；B．原電池工作時(shí)，電解質(zhì)溶液中陽(yáng)離子H+BB正確；C