离子交换膜专题.docx
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离子交换膜专题
离子交换膜专题训练
1.髙考真题
1[2020新高考全国卷1（山东），13]采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如下图所示。
忽略温度变化的影响，下列说法错误的是（）
A.阳极反应为2H：
O-4e=4H‘+0?
t
B.
-三-三极三-二三三三一--------------------三三Jsrt=!
-一二-疥fII交换膜
电解一段时间后，阳极室的pH未变
C.电解过程中，H'由a极区向b极区迁移
D.电解一段时间后，a极生成的6与b极反应的6等量
2（2020威海一模）工业电解Na^COs溶液的装置如图所示，A、B两极均为惰性电极。
下列说法正确的是（）
A.该装置可用于制备NaHCO3溶液，其中A极发生还原反应
B.生成a溶液的电极室中反应为：
2H2O-4e+4COj=O2t+4HCO3
C.A极还可能有少量CO?
产生，A、B两极产生的气体M和R体积比略大于2:
1
D.当a=lmolL_1,q=9molL】时，则另一室理论上可制备2mol溶质a（假设右室溶液体积为0.5L）
3（2020全国卷I,12）科学家近年发明了一种新型Z1Y02水介质电池。
电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO?
被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
双极隔膜
下列说法错误的是（）
A.放电时，负极反应为Zn-2e+40H=Zn（OH）J
B.放电时，1molC02转化为HCOOH,转移的电子数为2mol
C・充电时，电池总反应为2Zn（OH）4=2Zn+O2t+40H+2H?
0
D・充电时，正极溶液中OH浓度升高
4.[2014噺课标全国卷I,27（4）]HsPO2也可用电渗析法制备。
“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）：
石墨
n阳朕阴脱阳膜口石麦
•'
■
■♦・
■■**MM
•••••••••
1=1匸L-.r•£■-二二二二二二M三二三
三崟三一
MS-EK-
；NaH>PO；；浓溶液i
NaOH€Z
二圭:
稀溶液三
言i匪兰HJ0e
»—•—•—•—•■<•■■—・
稀溶遵j
阳极室产品室原料室阴极室
1写岀阳极的电极反应式：
2分析产品室可得到HsPO：
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HsPCh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。
英缺点是产品中混有杂质。
该杂质产生的原因是o
二、模型建立
1.常见的离子交换膜：
（1）阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，不允许阴离子通过。
（2）阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
（3）质子交换膜，只允许F通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
2.离子交换膜的作用
（1）能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防I匕发生化学反应。
（2）能选择性通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3.解题步骤：
芬诸隔触丽?
即交撤触屈于阳触、朋礙
|第一步|_i或质子膜中的哪一种•判断允许哪种离]
子通过隔膜。
i
第
二步一
写出电极反应式•判断交换膜两测离子]变化•推断电荷变化•根据电荷平衡判断.离子迁移方向。
i
第三步
分析隔膜作用。
:
3.强化训练
1.（2019#岛市爲三3月教学质量检测）水系锌藹子电池是一种新型二次电池，工作原理如
下图。
该电池以粉末多孔锌电极（锌粉.活性炭及粘结剂等）为负极，V2O5为正极，三氟甲磺
C负戎或电源
粉水多孔锌电扱V.Oj/Zn.V/）.
=Z1XyV2O5
酸锌［Zii（CF3SO3）2］为电解液。
下列叙述错误的是（）
A.放电时，Zn"向V2O5电极移动
B.充电时，阳极区电解液的浓度变大
C.充电时，粉末多孔锌电极发生还原反应
D.放电时，V2O5电极上的电极反应式为：
V2O54-AZn2l+2xe
2・某新型水系钠离子电池工作原理如下图所示。
TiOj光电极能使电池在太阳光照射下充电,
充电时Na2S4被还原为Na2So下列说法错误的是（）
■■■■■■■1
・]-・—1
-sa・
I;•…
A.
离了咬换肢M
Na*-
■■■■■■■■■■■■■■
其装置如下图所示。
下列叙述
充电时，太阳能转化为电能，又转化为化学能
B.放电时，a极的电极反应式为：
4S2「一6e=SV
C.充电时，阳极的电极反应式为：
31-2e=13
D・M是阴离子交换膜3・用电渗析法可将含硝酸钠的废水再生为硝酸和氢氧化钠,
不正确的是（）
A.膜a、膜c分别是阴码子交换膜、阳离子交换膜
B.阳极室、阴极室的产品分别是氢氧化钠、硝酸
C.阳极的电极反应式为2H：
O-4e=4H*+O2t
D.该装置工作时，电路中每转移0.2mol电子，两极共生成气体3.36L（标准状况）4..（2020•青岛三模）近期，美国某研究小组在《NatureEnergy》报道了一种CO?
电解装歆
膜界面处的离子通过中间通道重组直接制备髙纯HCOOH溶液，其工作原理如图。
下列说
法正确的是（）
A.a电极连接直流电源的正极
B.该电解池工作原理2CO2+2H2O垄亘2HCOOH+O2
C.M、N分别是阴离子交换膜、阳离子交换膜
D.电路中转移1mole时，阳极产生5.6LO：
5.酸性废水中的NH4可在一上条件下利用硝酸盐菌转化为NO3,再用如图所示的电化学装
■■■■■■■■
•••••二
:
:
nos：
・■■■■
•八2
二/
直流电源
离子交换膜
置除去no3;下列有关说法正确的是（）
A.a端是直流电源的负极
B.该装置把化学能转化为电能
C・图中离子交换膜应为阴离子交换膜
D・阴极的电极反应式为2NO3+12H+10e=N2t+6H2O
6.科学家尝试用微生物电池除去废水中的有害有机物，其原理如图所示:
下列有关说法错误的是（
A.A极电极反应式为门（）H+2e'+H，
+C1
B.B极电极反应式为CHsCOO-8e+4HmO=2HCO3+9H
C.溶液中的阴离子由A极向B极移动
D.该微生物电池在髙温条件下无法正常工作
7.・微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。
某微生物燃料电
池的工作原理如图所示，下列说法正确的是（）
A.HS在硫氧化菌作用下转化为S0「的反应为HS+4H2O-8e=SOf+9H
B.电子从b极流出，经外电路流向a极
C.如果将反应物直接燃烧，能量的利用率不会变化
D.若该电池中处理0.1molHS,则有0.45molH'通过质子交换膜
8.・（2020-烟台一模）相同金属在其不同浓度盐溶液中可形成浓差电池。
如下图所示装置是
利用浓差电池电解Na2SO4溶液（a、b电极均为石墨电极），可以制得O2>H2.H2S0“和NaOHo
下列说法不正确的是（
A.a电极的电极反应为4H2O+4e=2H：
t+4OH'
B.c、d离子交换膜依次为阳离子交换膜和阴离子交换膜
C.电池放电过程中，Cu（l）电极上的电极反应为Cu：
l+2e=Cu
D・电池从开始工作到停止放电，电解池理论上可制得320gNaOH
9.双极膜电渗析一步法盐制酸碱的技术进入到了工业化阶段，某科研小组研究采用BMED膜堆（如图所示），模拟以精制浓海水为原料直接制备酸和碱。
BMED膜堆包括阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜（a、d）已知：
在直流电源的作用下，双极膜内中间界面层发生水的解离，生成H'和0H°下列说法正确的是（）
叩水
电极丫
0.
A.电极Y连接电源的正极，发生还原反应
B.I口排出的是混合碱，II口排出的是淡水
C.电解质溶液采用Na2SO4溶液可避免有害气体的产生
D.a左侧膜为阳离子交换膜，c为阴离子交换膜
10.某实验小组利用下列装置探究电解质溶液的浓度对金属腐蚀的影响:
装置
现象
电流计指针不发生偏转
的NaCl溶液if?
液+45mL蒸憎水装应H
电流计指针发生偏转
下列有关说法正确的是（）
A.装置【中的铁片均不会发生任何腐蚀
B.铁片d上可能发生的电极反应为：
Fe-3e=Fe3'
C.利用K3[Fe（CN）6]溶液可确泄装置II中的正、负极
D.铁片a、c所处的NaCl溶液的浓度相等，二者腐蚀速率相等
11.按要求回答下列问题
（1）我国科学家在天然气脱硫研究方而取得了新进展.利用如图装置可发生反应:
②乙池溶液中发生反应的离子方程式：
（2）SO2主要来源于煤的燃烧。
燃烧烟气的脱硫减排是减少大气中含硫化介物污染的关键。
——11
（NH,）2SO4
浓溶液和A
SO；.二三NO
Itl
（NH.LSO,
怖溶液
如上方图示的电解装置，可将雾霾中的NO、SO?
转化为硫酸钱.从而实现废气的回收再利
用。
通入NO的电极反应式为；若通入的NO体积为4.48L（标
况下），则另外一个电极通入的SO?
质量至少为ge
（3）电极微生物膜电解脱硝是电化学和微生物工艺的组合。
某微生物膜能利用电解产生的活性原子将N03还原为工作原理如下图所示。
若阳极生成标准状况下2.24L气体，理论
上可除去NOs的物质的量为moL
石炭电极、
电源『
出水
微生物腹多孔性发泡谏电极
（4）钟元素（Ce）是魏系金属中自然丰度最髙的一种，常见有+3、+4两种价态。
雾霾中含有大量的污染物NO,可以被含Ce，的溶液吸收，生成NO?
、NCh（两者物质的量之比为1：
1）。
可釆用电解法将上述吸收液中的NO?
转化为无毒物质，同时再生Ce4\其原理如图所示。
/
质子交换膜
®Ce4'从电解槽的（填字母）口流岀。
②写出阴极的电极反应式：
（5）［2019•海南，16⑶］LlSCh电池具有髙输岀功率的优点。
其正极为可吸附SO?
的多孔碳电极，负极为金属锂，电解液为溶解有LiBr的碳酸丙烯酯一乙睛溶液。
电池放电时，正极上
发生的电极反应为2SO2+2e=S203,电池总反应式为
该电池不可用水替代混合有机溶剂，其原因是
（6）［2019-浙江4月选考，30⑷］以钳阳极和石墨阴极设计电解池，通过电解NH4HSO4溶液产生（NH4）2S2O8,再与水反应得到H2O2,其中生成的NH4HSO4可以循环使用。
1阳极的电极反应式是
2制备H2O2的总反应方程式是
12.（2020年北京四城6月）双极膜由阳离子交换膜、催化剂层和阴离子交换膜组合而成,在直流电场作用下可将水解离，在双极膜的两侧分别得到H-和OH,将英与阳离子交换膜（阳膜）、阴离子交换膜（阴膜）组合，可有多种应用。
（1）海水淡化：
模拟海水淡化，双极膜组合电解装宜示意图如下。
溶液溶液
1X极是极（填“阴”或“阳”）。
2电解后可获得较浓的盐酸和较浓的NaOH溶液，上图中双极膜的右侧得到的是（填
“IT”或“OH”）。
（2）钠碱循环法脱除烟气中的SO2,并回收SO2：
用pH>8的Na?
SO3溶液作吸收液，脫除烟气中的SO2,至pH<6时，吸收液的主要成分为
NaHSOs，需再生。
I.加热pH<6时的吸收液使其分解，回收SO?
并再生吸收液。
所得的再生吸收液对SO?
的吸收率降低，结合离子方程式解释原因：
C
II.双极膜和阴膜组合电渗析法处理pH<6时的吸收液，可直接获得再生吸收液和含较髙
浓度HSO3-的溶液,
阴极
pH<6时的吸收液
室流出（填“A”或）.
①再生吸收液从.
②简述含较高浓度HSCh■的溶液的生成原理:
答案
高考真题：
LD2.B3.D
4・答案①2H?
O-4e=0：
t+4H
②阳极室的H'穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H：
P02穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2
®porH2PO2或H3PO2彼氧化
解析①阳极发生氧化反应，在反应中0IT失去电子，电极反应式为2HQ—4e「=0j+4H\
2H2O放电产生H",If进入产品室，原料室的H2PO2穿过阴膜扩散至产品室，二者发生反应：
H'+H^PO]H3PO20
3如杲撤去阳膜，HiPOd或H3PO2可能会被氧化。
强化训练：
l.B2.D3.B4.B5.D6.C7.A8.A
9.C10.C
11・答案（1KD甲②H£+l3=3I+S!
+2H
（2）6H+NO+5e=NH；+H2O32
（3）0.08
⑷①a②2NO：
+8Hl+6e=N2t+4H?
O
（5）2Li+2SO2=Li2S2O4Li与水反应
（6）①2HSCU-2e=S20s+2H或2S0j-2e=S20s②2H2O—H2O2+H2t
解析
（1）①从示意图中看出，电子流向碳棒一极，该极为正极，氢离子从乙池移向甲池：
②乙池溶液中，硫化氢.与E发生氧化还原反应：
硫化氢失电子变为硫单质，百得电子变为I
离子反应为H2S+I；=3r+SI+2H\
（2）根据电解装置,NO和SO2转化为硫酸铁，说明NO转化成NH；,即NO在阴极上发生NO+6H^+5e"=NH4+H2O:
阳极反应式为SO24-2H2O-2e'=4H，4-SOf,根扌居得失电
448L1
子数目守恒.因此有2NO〜10亡〜5SO：
求出SO?
的质量为.?
4LmolX5X5X64gmor1=
32g。
（3）阳极发生氧化反应，溶液中的氢氧根离子失电子生成氧气，标准状况下，2.24LA气的物
224L
质的董=〒7亍亍显1mol,转移的电子为0.1molX4=0.4mol,活性原子将NO3还原为N2.存在关系NO3〜扣"〜5』，理论上可除去NO3的物质的量=卩4畀=0.08mol。
⑷①釆用电解法将NO?
转化为无毒物质.同时再生Ce4+,过程中O化合价升高，为失电子反应，电解池中阳极的反应为失电子反应，根据H°的移向，左侧为阳极室，所以Ce屮从电解槽的a处流出；②电解池阴极发生还原反应，根据装置图，H’到阴极参加反应，NO?
转化为无毒物质，可判断为N?
则阴极的电极反应式：
2NO2+8H4+6e=N2t+4H2Oo
（6）①电解池使用惰性电极，阳极本身不参与反应，阳极吸?
|HSO4（或SO厂）离子，并放电生成S2Of,因而电极反应式为2HSO；-2e==S20r+2H>或2SO厂一2e「=S2O厂。
②通过电解NH4HSO4溶液产生（NH4）2S2O8和H”由题中信息可知，生成的NH4HSO4可以循环使用，说明（NH4）2S20s与水反应除了生成H?
02.还有NH4HSO4生成，因而总反应中只中if
有水作反应物，产物为H2O2和H2,故总反应方程式为2H2O—H2O2+H2to
12.答案
（1）①阳（1分）
®H-
（2）I.加热pH<6时的吸收液，分解的过程中还发生反应：
2SO32-+O2=2SO42-,
2HSO3-+O2=SO42-+2H+,且加热加快化学反应速率，造成再生吸收液中
c（SO32-）降低，使SO2的吸收率降低
II.®B（1分）
2B室中的SO32-和HSO3-在电场作用下通过阴膜进入A室，A室中双极膜
产生的H-和溶液中的SO32-反应生成HSO3-,提高HSO3-的浓度
3II中可直接获得再生吸收液，减少因加热氧化生成大量的SO42-,而降低再生吸收液对
S02的吸收率；I］中可获得较髙浓度的HSO3-的溶液，进而获得比I中浓度髙的S02
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