電解池中離子交換膜的三種類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型和作用離子交換膜的類型和作用“隔膜”電解池的解題步驟第一步：分清隔膜類型。即交換膜屬于陽膜、陰膜或質子膜中的哪一種，推斷允許哪種離子通過隔膜。第三步：分析隔膜作用。在產品制備中，隔膜作用主要是提高產品純度，避開產物之間發(fā)生反響，或避免產物因發(fā)生反響而造成危急。多室電解池中膜的應用〔本文中重點介紹電解池膜的應用，原電池請類比練習〕多室電解池是利用離子交換膜的選擇透過性，即允許帶某種電荷的離子通過而限制帶相反電荷的離子通過，將電解池分為兩室、三室、多室等，以到達濃縮、凈化、提純及電化學合成的目的。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，陽極區(qū)Cl－放電，使溶液中的c(Cl－)減小，為保持電荷守恒，陽極室中的Na＋通過陽離子交換膜與陰極室中生成的OH－結合NaOH純度較高，根本沒有雜質。②陽離子交換膜的作用防止了兩極產生的H2和Cl2Cl2和陰極產生的NaOH反響生成NaClO而影響燒堿的質量。三室電解池利用三室電解裝置制備NH4NO3，其工作原理如下圖。NONH＋：NO＋5e－＋6H＋===NH＋＋HO，NH＋通過陽離子交換膜進入中間室；陽極的4 4 2 4NO被氧化為NO－：NO－3e－＋2HO===NO－＋4H＋，NO－通過陰離子交換膜進入中間室。依據(jù)電路中轉移電子3 2 數(shù)相等可得電解總反響：8NO＋ 電解

3＋2HNONH

NO，補充適量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＋通過陽離子交換膜進入陰極室。222【典例分析】應用一用于物質的分別和提純例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，圖中有機廢水中有機物可用C6H10O5表示。以下有關說法不正確的選項是( )A．Cl－由中間室移向左室B．XCO23CNO－廢水的pH降低3D4molX22.4L應用二用于物質的制備類型(一) 推斷離子的遷移方向2：(1)(2023·全國卷Ⅲ節(jié)選)KIO3可承受“電解法”制備，裝置如下圖。①寫出電解時陰極的電極反響式 。②電解過程中通過陽離子交換膜的離子主要為 ，其遷移方向是 。35(2)(2023·全國卷Ⅰ節(jié)選)制備Na2S2O5可承受三室膜電解技術，裝置如下圖，其中SO2堿吸取液中含有NaHSO3和Na2SO。陽極的電極反響式為 。電解后， 室的NaHSO3濃度增加。將該室溶液進展結晶脫水，可得到Na2S2O。35類型(二) 推斷離子交換膜的類型[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、陽離子交換膜。：陰離子交換膜只允許陰離子透過，陽離子交換膜只允許陽離子透過。以下表達正確的選項是()b、c分別依次為陽離子交換膜、陰離子交換膜Cl－c遷移至陽極區(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】4用一種陰、陽離子雙隔膜三室電解槽處理廢水中的NH＋，模擬裝置如下圖。以下說法正確的選項是( )4A．陽極室溶液由無色變成棕黃色C．電解一段時間后，陰極室溶液的pH上升D．電解一段時間后，陰極室溶液中的溶質肯定是(NH4)3PO4的方式可以制備高鐵酸鹽，裝置如圖。以下說法不正確的選項是(A．a為陽極，電極反響式為)的方式可以制備高鐵酸鹽，裝置如圖。以下說法不正確的選項是(A．a為陽極，電極反響式為)42B．為防止高鐵酸根集中被復原，則離子交換膜為陽離子交換膜C．在電解過程中溶液中的陽離子向a極移動D．鐵電極上有少量氣體產生緣由可能是4OH－－4e－===O↑＋2HO2 2【課后作業(yè)】4Na＋、Cl－Ca2＋、Mg2＋、SO2－，用電滲析法對該海水樣品進展淡化處理，如圖所4示。以下說法正確的選項是()A．b膜是陽離子交換膜示。以下說法正確的選項是()A．b膜是陽離子交換膜B．A極室產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()的粗KOH以下說法正確的選項是()N為陽極，電極MH＋發(fā)生復原反響電極M的電極反響式為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑C．以下說法正確的選項是()N為陽極，電極MH＋發(fā)生復原反響電極M的電極反響式為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑C．dKOH溶液，eKOH溶液3為Na2S4和NaBr。以下表達正確的選項是( )33NaBr－2e－===NaBr＋2Na＋32NaS－2e－===NaS＋2Na＋22 24放電時，Na＋經過離子交換膜由b池移向a池2.24LH2時，b17.40gNa2S4電解Na2CO3溶液制取NaHCO3溶液和NaOH溶液的裝置如下圖。以下說法中不正確的選項是( )A是H2溶液中Na＋由陽極室向陰極室遷移OH－放電，H＋濃度增大，CO2－HCO－3 3BNaCl，其作用是增加溶液導電性5．(2023·全國卷Ⅰ)最近我國科學家設計了一種CO2＋H2S協(xié)同轉扮裝置，實現(xiàn)對自然氣中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，以下表達錯誤的選項是( )A．陰極的電極反響：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2OB．協(xié)同轉化總反響：CO2＋H2S===CO＋H2O＋SC．石墨烯上的電勢比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現(xiàn)有機物的儲氫，以下有關說法正確的選項是( )AX是氫氣，電極E是陰極B．H＋由左室進入右室，發(fā)生復原反響CC6H6與氫氣反響的過程DD的電極反響式為C6H6＋6H＋＋6e－===C6H127.在微生物作用下電解有機廢水(CH3COOH)H2確的是( )B極為負極通電后，假設有7.在微生物作用下電解有機廢水(CH3COOH)H2確的是( )B極為負極通電后，假設有H2生成，則轉移0.2mol電子C．通電后，H＋通過質子交換膜向右移動，最終右側溶液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(陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過)。以下表達錯誤的選項是( )2A．通電后，陰極室溶液的pH增大2C1molHI8gD．通電過程中，NaI的濃度漸漸減小一種濃差電池如下圖，陰、陽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Cl-和Na+，在兩電極板形成電勢差，進而在外部產生電流。以下關于該電池的說法錯誤的選項是〔 〕A．a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為陽離子交換膜C．陽極〔負極〕隔室的電中性溶液通過陽極外表的氧化作用維持D．該電池的缺點是離子交換膜價格昂貴，電極產物也沒有經濟價值利用生物燃料電池原理爭論室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。以下說法錯誤的選項是A．相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫順，同時還可供給電能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化率高、對環(huán)境無污染，可作為常規(guī)能源的替代品而越來越受到關注，其工作示意圖如圖，其總反響為：2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O。以下說法的是A．電極A是負極，發(fā)生氧化反響B(tài)．H＋通過質子交換膜向B電極遷移C．放電前后電解質溶液的pH不變D．b物質在電極上發(fā)生的電極反響式為：O2＋4e－＋4H＋＝2H2O12．鈦被譽為第三金屬，廣泛用于航天航空等領域。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。以下說法正確的選項是〔 〕A．電解過程中，OH-由陰離子交換膜右側向左側遷移B．Pt極反響式為2VB2+22OH--22e-===V2O5+2B2O3+11H2OC．電解過程中，銅極四周電解質溶液的pH減小D4.48LCl24.8gTiLi1xFePO4－LiFePO4+6C。以下說法正確的選項是13．磷酸亞鐵鋰(LiIFePO4)電池(如下圖)是能源汽車的動力電池之一。M電極是金屬鋰和碳的復合材料(碳作為金屬鋰的載體)，電解質為一種能傳導Li＋Li1xFePO4－LiFePO4+6C。以下說法正確的選項是放電時，Li＋M電極移動0.5mol36g碳和金屬鋰復合在一起放電時，M電極的電極反響為Cx--xe-=6C6－充電時，N電極的電極反響為LiFePO4－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極沿導線經小燈泡流向A極15．如下圖裝置為型電池，放電時電池的總反響式為NaBr3+2Na2S2＝3NaBr+Na2S4，以下說法正確的選項是〔 〕放電時A電極的反響式為2Na2S2+2e﹣═Na2S4+2Na+Na+從左向右通過陽離子交換膜外電路中的電流方向為A→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，裝置左邊電極是負極，負極上有機物失電子發(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＋參與反響導致溶液酸性減弱，溶液的pH增大，3 2 2C項錯誤；依據(jù)負極電極反響C6H10O－24e－＋7H2O===6CO↑＋24H＋4mol電子，產生標5 24mol準狀況下CO2氣體的體積為24 ×6×22.4L·mol－1＝22.4L，D項正確。[答案] C例二[解析](1)①該裝置為電解池，電解時陰極電解質為KOH，水中氫離子放電，故電極反響式為2H2O2＋2e－===2OH－＋H↑；②電解過程中通過陽離子交換膜的離子主要為K＋，在電解池中離子移動方向為陽離子移向陰極，故K＋ab。(2)依據(jù)題中的圖示，左側為電解池的陽極，右側為電解池的陰極，離子交換膜均為陽離子交換膜，只允許陽離子通過，陽極的電解質溶液為硫酸，所以陽極的電極反響式為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，左邊電極與負極相連為陰極，右邊電極為陽極，所以通電后，陰離子向右定向移動，陽離子向左定向移動，陽極上H2O放電生成O2和H＋，陰極上H2O放電生成H2和OH－；H＋透過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離子交換膜；Na＋a，NaOHa也是陽離子交換膜，故A、B兩項均錯誤；電解一段時間后，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】24解析：選C Fe電極與電源正極相連，則Fe作陽極，電極反響式為Fe－2e－===Fe2＋，反響中生成Fe2＋，溶液由無色變?yōu)闇\綠色，A錯誤；陰極上H＋得電子發(fā)生復原反響，電極反響式為2H＋＋2e－===H↑，B錯誤；電解過程中陰極上消耗H＋，則陰極室溶液的pH上升，C正確；電解時，(NH4)2SO4溶液中NH＋向陰極室遷移，24442故陰極室溶液中的溶質可能為(NH4)3PO、(NH)442

HPO

等，D錯誤。4424解析選C 鐵電極材料為陽極在高濃度強堿溶液中利用電解的方式可以制備高鐵酸鹽所以鐵是陽極，4424OAFeO2－B4 2 4正確；在電解過程中溶液中的陽離子向陰極移動，所以陽離子向b極移動，故C錯誤；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錯誤；充電時，陽極上NaBrNaBr3NaBr－2e－===NaBr＋2Na＋，B錯誤；422243 3放電時，陽離子向正極移動，故Na＋ba池，C2.24LH2是否處于標準狀況下，無法計算bNa2S4的質量，D錯誤。【課后作業(yè)】B解析：選A 由于陰極是陽離子反響，所以b膜為陽離子交換膜，選項A正確；A極室Cl－在陽極失電子產生氯氣，但不產生沉淀，選項B錯誤；淡化工作完成后，A室Cl－失電子產生氯氣，局部溶于水溶液呈酸性，B室H＋得電子產生氫氣，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CB錯誤；BH＋得電子產生氫氣，不能使潮濕的KI淀粉試紙變藍，選項D錯誤。2解析：選B 依據(jù)圖示，K＋移向電極N，所以N是陰極，M極是陽極，OH－發(fā)生氧化反響生成氧氣，電故A錯誤、B正確；c處流進粗KOH溶液，f處流出純KOH溶液，2C錯誤；N極是陰極，H＋11.2L0.5mol，D錯誤。解析：選D 陰極上發(fā)生復原反響，電極反響式為2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，則陰極上產生的物質A2H，ANa＋由陽極室向陰極室遷移，B正確；由圖可知，陽極上產生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應為NaOH，其作用是增加溶液的導電性，D錯誤。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極則ZnO@石墨烯電極為陰極。由題圖可知，電解時陰極反響式為CO＋2H＋＋2e－===CO＋HO，A項正確；將陰、陽兩極反響式合并可得總反響式為CO＋HS===CO＋HO＋S，B項正確；陽極接電源正極，電勢高，陰極接電源負極，電勢低，故石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯上的高，C項錯誤；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D2 2 2 26D由圖可知，苯(C6H6)D電極加氫復原生成環(huán)己烷(C6H12)DE是陽2H2O－4e－===4H＋＋OX是氧氣，AH＋由右室進入左室，發(fā)生復原反響，B錯誤；陰極上苯(C6H6)被復原生成環(huán)己烷(C6H12)，電極反響式為C6H＋6H26＋＋6e－===C6H 2CH

＋6H

O===2CH ＋3O12↑，故該儲氫過程就是C6H6與水反響的過程，C錯誤，D正確。

6 6

6 12 222解析：選C電解有機廢水(CH3COOH)，在陰極上氫離子得電子生成氫氣，即2H＋＋2e－===H↑，則B極為負極，選項A0.1molH22H＋＋2e－===H↑可知0.2mol電子，選項B22陰極室，陰極室的pH幾乎保持不變，選項C不正確；與電源A極相連的惰性電極是陽極，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錯誤；通電過程中，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，氯離子向b電極方向移動，所以A為陰離子交換膜，C為陽離子交換膜，故B正確；陽極〔負極〕隔室中氯離子放電產生氯氣，保持溶液中的電荷守恒，故C正確；電極產物有氫氣，是很好的清潔能源，氯氣是重要的化工原料，經濟價值是格外高的，故D錯誤；10A項、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，同時利用MV+MV2+的相互轉化，化學能轉化為電能，故可供給電能，故A正確；B項、左室為負極區(qū)，MV+在負極失電子發(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錯誤；C項、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、電池工作時，氫離子〔即質子〕通過交換膜由負極向正極移動，故DB。11【答案】CAAB極，則A為負極、B為正極，A極發(fā)生氧化反響，故A正確；B．原電池工作時，電解質溶液中陽離子H+BB正確；C