1、1第 7 课时 化学能与电能(5)含离子交换膜电池的应用(过热点)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 2018全国卷T 27、2018全国卷T 27)、阴离子交换膜(2014全国卷T 27)和质子交换膜(2018全国卷T 13、2015全国卷T 11)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。重难点拨1离子交换膜的类型和作用2多室电解池多室电解池是利用离子交换膜
2、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)两室电解池 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：2H2O2e =H22OH ，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。阳离子交换膜的作用它只允许 Na 通过，而阻
3、止阴离子(Cl )和气体(Cl 2)通过。这样既防止了两极产生的2H2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 NH ：NO5e 6H =NH H 2O，NH 通过阳离子交换膜进入 4 4 4中间室；阳极的 NO 被氧化为 NO ：NO3e 2H 2O=NO 4H ，NO 通过阴离子交换膜 3 3 3进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得电解总反应：8NO7H 2O 3NH4NO32HNO 3，为使电解产物全部转化为 NH4NO3，补充适量
4、= = = = =电 解 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：2H 2O4e =O24H ，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 2H3PO2；电解 NaOH 稀溶液的阴极反应：4H 2O4e =2H24OH ，原料室中的 Na 通过阳离子交换膜进入阴极室。考法精析应用一 用于物质的分离和提纯典例 1 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
5、C6H10O5表示。下列有关说法不正确的是( )3ACl 由中间室移向左室BX 气体为 CO2C处理后的含 NO 废水的 pH 降低 3D电路中每通过 4 mol 电子，产生标准状况下 X 气体的体积为 22.4 L解析 该电池中，NO 得电子发生还原反应，则装置中右边电极是正极，电极反应 3为 2NO 10e 12H =N26H 2O，装置左边电极是负极，负极上有机物失电子发生氧 3化反应生成 X，电极反应 C6H10O524e 7H 2O=6CO224H 。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2NO 10e 12H =
6、N2 6H2O，H 参加反应导致溶液酸性减弱，溶液的 pH 增大，C 项 3错误；根据负极电极反应 C6H10O524e 7H 2O=6CO224H 知，电路中每通过 4 mol 电子，产生标准状况下 CO2气体的体积为 622.4 Lmol1 22.4 L，D 项正确。4 mol24答案 C备考方略 含离子交换膜电化学装置题的解题步骤应用二 用于物质的制备类型(一) 判断离子的迁移方向典例 2 (1)(2018全国卷节选)KIO 3可采用“电解法”制备，装置如图所示。写出电解时阴极的电极反应式_。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_。(2)(2018全国卷节选)制备 Na
7、2S2O5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。4解析 (1)该装置为电解池，电解时阴极电解质为 KOH，水中氢离子放电，故电极反应式为 2H2O2e =2OH H 2；电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为 K ，在电解池中离子移动方向为阳离子移向阴极，故 K 由 a 到 b。(2)根据题中的图示，左侧为电解池的阳极，右侧为电解池的阴极，离子交换膜均为阳离子交换膜，只允许阳离子通过，阳极的电解质溶液为硫酸，所以阳极的电极反应式为 2
8、H2O4e =4H O 2，则阳极的氢离子会透过阳离子交换膜进入 a 室，与 a 室中的 SO2碱吸收液中含有的 Na2SO3发生反应生成 NaHSO3，所以 a 室中的 NaHSO3浓度增加。答案 (1)2H 2O2e =2OH H 2 K a 到 b (2)2H 2O4e =4H O 2 a备考方略 有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法类型(二) 判断离子交换膜的类型典例 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( )Ab、c 分别依次为阳离子交换膜、阴离子
9、交换膜B通电后室中的 Cl 透过 c 迁移至阳极区C、四室中的溶液的 pH 均升高D电池总反应为 4NaCl6H 2O 4NaOH4HCl2H 2O 2= = = = =电 解 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 之间的室形成盐酸，盐酸5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
10、时间后，中的溶液的 c(OH )升高，pH 升高，中为 NaCl 溶液，pH 不变，中有 HCl 生成，故 c(H )增大，pH 减小，中 H 移向，H 2O 放电生成 O2，使水的量减小， c(H )增大，pH 减小，C 不正确。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，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
11、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。综合训练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 H22e 2OH =2H2OC电池的总反应是 2H2O 2=2H2OD电解质溶液中 Na 向右移动，ClO 向左移动 4解析：选 C A 选项，右边吸附层中发生反应：2H 2e =H2，为还原反应，正确；B 选项，负极的电极反应为 H22e 2OH =2H2O，正确；C 选项，外界未通入氧气，总反应为 HClO4NaOH= =H2O NaClO4
12、，错误；D 选项，由电子移动方向知，阴离子向左移动，阳离子向右移动，正确。2用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的 NH ，模拟装置如图所示。下 4列说法正确的是( )6A阳极室溶液由无色变成棕黄色B阴极的电极反应式为 4OH 4e =2H2OO 2C电解一段时间后，阴极室溶液的 pH 升高D电解一段时间后，阴极室溶液中的溶质一定是(NH 4)3PO4解析：选 C Fe 电极与电源正极相连，则 Fe 作阳极，电极反应式为Fe2e =Fe2 ，反应中生成 Fe2 ，溶液由无色变为浅绿色，A 错误；阴极上 H 得电子发生还原反应，电极反应式为 2H 2e =H2，B 错误；电解过程中阴极上消
13、耗 H ，则阴极室溶液的 pH 升高，C 正确；电解时，(NH 4)2SO4溶液中 NH 向阴极室迁移，故阴极室溶 4液中的溶质可能为(NH 4)3PO4、(NH 4)2HPO4、NH 4H2PO4等，D 错误。3.高铁酸盐(如 Na2FeO4)已经被广泛应用在水处理方面，以铁质材料为阳极，在高浓度强碱溶液中利用电解的方式可以制备高铁酸盐，装置如图。下列说法不正确的是( )Aa 为阳极，电极反应式为Fe6e 8OH =FeO 4H 2O24B为防止高铁酸根扩散被还原，则离子交换膜为阳离子交换膜C在电解过程中溶液中的阳离子向 a 极移动D铁电极上有少量气体产生原因可能是4OH 4e =O22H 2O解析：选 C 铁电极材料为阳极，在高浓度强碱溶液中利用电解的方式可以制备高铁酸盐，所以铁是阳极，电极反应式为 Fe6e 8OH =FeO 4H 2O，故 A 正确；阳离子24交换膜可以阻止 FeO 进入阴极区域，故 B 正确；在电解过程中溶液中的阳离子向阴极移24动，所以阳离子向 b 极移动，故 C 错误；铁电极上发生氧化反应，所以生成的气体可能是氧气，电极反应式是 4OH 4e =O22H 2O，故 D 正确。7
