电解池中离子交换膜的三种类型与高考真题等典例详析.docx

1、电解池中离子交换膜的三种类型与高考真题等典例详析电解池中离子交换膜的三种类型和作用1离子交换膜的类型和作用2. “隔膜”电解池的解题步骤 第一步：分清隔膜类型。即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过隔膜。 第二步：写出电极反应式，判断交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，根据电荷平衡判断离子迁移方向。 第三步：分析隔膜作用。在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或避免产物因发生反应而造成危险。3多室电解池中膜的应用（本文中重点介绍电解池膜的应用，原电池请类比练习）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

2、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：2Cl2e=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防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸。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

3、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：NO5e6H=NHH2O，NH通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的NO被氧化为NO：NO3e2H2O=NO4H，NO通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得电解总反应：8NO7H2O3NH4NO32HNO3，为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量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：2H2O4e=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

4、，与H结合生成弱电解质H3PO2；电解NaOH稀溶液的阴极反应：4H2O4e=2H24OH，原料室中的Na通过阳离子交换膜进入阴极室。【典例分析】应用一用于物质的分离和提纯例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C6H10O5表示。下列有关说法不正确的是()ACl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D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应用二用于物质的制备类型(一)判断离子的迁移方向例2：(1)(2018全国卷节选)KIO3可采用“电解法”制备，装置如图所示。写出电解时阴极的电极

5、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Na2S2O5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。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

6、液的pH均升高D电池总反应为4NaCl6H2O4NaOH4HCl2H2O2【课堂练习】1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。下列说法正确的是()A阳极室溶液由无色变成棕黄色B阴极的电极反应式为4OH4e=2H2OO2C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(NH4)3PO42.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Fe6e8OH=FeO4H2OB为防止高铁酸根扩散被还原，则离子交换膜

7、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4OH4e=O22H2O【课后作业】1.海水中含有大量Na、Cl及少量Ca2、Mg2、SO，用电渗析法对该海水样品进行淡化处理，如图所示。下列说法正确的是()Ab膜是阳离子交换膜BA极室产生气泡并伴有少量沉淀生成C淡化工作完成后A、B、C三室中pH大小为pHApHBpHCDB极室产生的气体可使湿润的KI淀粉试纸变蓝2.用电解法可提纯含有某种钾的含氧酸盐杂质(如硫酸钾、碳酸钾等)的粗KOH溶液，其工作原理如图所示。下列说法正确的是()A电极N为阳极，电极M上H发生还原反应B电极M的电极反应式为4OH4e=2H2

8、OO2Cd处流进粗KOH溶液，e处流出纯KOH溶液Db处每产生11.2 L气体，必有1 mol K穿过阳离子交换膜3如图是一种正投入生产的大型蓄电系统。放电前，被膜隔开的电解质为Na2S2和NaBr3，放电后分别变为Na2S4和NaBr。下列叙述正确的是()A放电时，负极反应为3NaBr2e=NaBr32NaB充电时，阳极反应为2Na2S22e=Na2S42NaC放电时，Na经过离子交换膜由b池移向a池D用该电池电解饱和食盐水，产生2.24 L H2时，b池生成17.40 g Na2S44电解Na2CO3溶液制取NaHCO3溶液和NaOH溶液的装置如图所示。下列说法中不正确的是()A阴极产生的

9、物质A是H2B溶液中Na由阳极室向阴极室迁移C阳极OH放电，H浓度增大，CO转化为HCOD物质B是NaCl，其作用是增强溶液导电性5(2018全国卷)最近我国科学家设计了一种CO2H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示，其中电极分别为ZnO石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为EDTAFe2e=EDTAFe32EDTAFe3H2S=2HS2EDTAFe2该装置工作时，下列叙述错误的是()A阴极的电极反应：CO22H2e=COH2OB协同转化总反应：CO2H2S=COH2OSC石墨烯上的电势比ZnO石墨烯上的低D若采用Fe3/Fe2取代E

10、DTAFe3/EDTAFe2，溶液需为酸性6(2019防城港一模)一定条件下，利用如图所示装置可实现有机物的储氢，下列有关说法正确的是()A气体X是氢气，电极E是阴极BH由左室进入右室，发生还原反应C该储氢过程就是C6H6与氢气反应的过程D电极D的电极反应式为C6H66H6e=C6H127.在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH)，可获得清洁能源H2。其原理如图所示。下列有关说法不正确的是()A电源B极为负极B通电后，若有0.1 mol H2生成，则转移0.2 mol电子C通电后，H通过质子交换膜向右移动，最终右侧溶液pH减小D与电源A极相连的惰性电极上发生的反应为CH3COOH8e2H

11、2O=2CO28H8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2H2O4e=4HO2C得到1 mol产品HI，阳极室溶液质量减少8 gD通电过程中，NaI的浓度逐渐减小9一种浓差电池如图所示，阴、阳离子交换膜交替放置，中间的间隔交替充以河水和海水，选择性透过Cl-和Na+，在两电极板形成电势差，进而在外部产生电流。下列关于该电池的说法错误的是（ ）Aa电极为电池的正极，电极反应为BA为阴离子交换膜，C为阳离子交换膜C阳极（负极）隔室的电中性溶液通过阳极表面的氧化作用维

12、持D该电池的缺点是离子交换膜价格昂贵，电极产物也没有经济价值10利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是A相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能B阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+2H+2MV+C正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3D电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动11甲醇燃料电池能量转化率高、对环境无污染，可作为常规能源的替代品而越来越受到关注，其工作示意图如图，其总反应为：2CH3OH3O22CO24H2O。下列说法不正确的是A电极A是负极，发生氧化反应B电

13、池工作时，电解液中的H通过质子交换膜向B电极迁移C放电前后电解质溶液的pH不变Db物质在电极上发生的电极反应式为：O24e4H2H2O12钛被誉为第三金属，广泛用于航天航空等领域。硼化钒（VB2）-空气电池的放电反应为4VB2+11O2=4B2O3+2V2O5，以该电池为电源制备钛的装置如图所示。下列说法正确的是（ ）A电解过程中，OH-由阴离子交换膜右侧向左侧迁移BPt极反应式为2VB2+22OH-22e-=V2O5+2B2O3+11H2OC电解过程中，铜极附近电解质溶液的pH减小D若石墨极只收集到4.48LCl2气体，则理论上制备4.8gTi13磷酸亚铁锂(LiIFePO4)电池(如图所示

14、)是新能源汽车的动力电池之一。M电极是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li的高分子材料，隔膜只允许Li通过，电池的总反应为LixC6Li1xFePO4LiFePO4+6C。下列说法正确的是A放电时，Li向M电极移动B充电时电路中每通过0.5mol电子，就有36g碳和金属锂复合在一起C放电时，M电极的电极反应为D充电时，N电极的电极反应为LiFePO4xexLiLi1xFePO414现在污水治理越来越引起人们重视，可以通过膜电池除去废水中的乙酸钠和对氯苯酚（），其原理如下图所示，下列说法正确的是A.该装置为电解装置，B为阳极B.A极的电极反应式为 + e- = Cl

15、 + C.当外电路中有0.1 mol e-转移时，A极区增加的H+的个数为0.1 NAD.电子从B极沿导线经小灯泡流向A极15如图所示装置为新型电池，放电时电池的总反应式为NaBr3+2Na2S23NaBr+Na2S4，下列说法正确的是（）A.放电时A电极的反应式为2Na2S2+2eNa2S4+2Na+B.放电时Na+从左向右通过阳离子交换膜C.外电路中的电流方向为A灯泡BD.放电时B电极发生氧化反应答案与分析【典例分析】例一解析该电池中，NO得电子发生还原反应，则装置中右边电极是正极，电极反应为2NO10e12H=N26H2O，装置左边电极是负极，负极上有机物失电子发生氧化反应生成X，电极反

16、应C6H10O524e7H2O=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2NO10e12H=N26H2O，H参加反应导致溶液酸性减弱，溶液的pH增大，C项错误；根据负极电极反应C6H10O524e7H2O=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 Lmol122.4 L，D项正确。答案C例二解析(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=2OHH2；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

17、，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2H2O4e=4HO2，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)2H2O2e=2OHH2Ka到b(2)2H2O4e=4HO2a例三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

18、，Cl透过b，二者在b、c之间的室形成盐酸，盐酸浓度变大，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，H2O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【课堂练习】1解析：选CFe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2H2e=H2，B错误；电解过程中阴

19、极上消耗H，则阴极室溶液的pH升高，C正确；电解时，(NH4)2SO4溶液中NH向阴极室迁移，故阴极室溶液中的溶质可能为(NH4)3PO4、(NH4)2HPO4、NH4H2PO4等，D错误。2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Fe6e8OH=FeO4H2O，故A正确；阳离子交换膜可以阻止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4OH4e=O22H2O，故D正确。3解析：选C放电时，负极上Na2S2被氧化生成

20、Na2S4，电极反应式为2Na2S22e=Na2S42Na，A错误；充电时，阳极上NaBr失电子被氧化生成NaBr3，电极反应式为3NaBr2e=NaBr32Na，B错误；放电时，阳离子向正极移动，故Na经过离子交换膜，由b池移向a池，C正确；题目未指明2.24 L H2是否处于标准状况下，无法计算b池中生成Na2S4的质量，D错误。【课后作业】1解析：选A因为阴极是阳离子反应，所以b膜为阳离子交换膜，选项A正确；A极室Cl在阳极失电子产生氯气，但不产生沉淀，选项B错误；淡化工作完成后，A室Cl失电子产生氯气，部分溶于水溶液呈酸性，B室H得电子产生氢气，OH浓度增大，溶液呈碱性，C室溶液呈中性

21、，pH大小为pHApHCpHB，选项C错误；B极室H得电子产生氢气，不能使湿润的KI淀粉试纸变蓝，选项D错误。2解析：选B根据图示，K移向电极N，所以N是阴极，M极是阳极，OH发生氧化反应生成氧气，电极反应式为4OH4e=2H2OO2，故A错误、B正确；c处流进粗KOH溶液，f处流出纯KOH溶液，故C错误；N极是阴极，H发生还原反应生成氢气，非标准状况下11.2 L氢气的物质的量不一定是0.5 mol，故D错误。4解析：选D阴极上发生还原反应，电极反应式为2H2O2e=2OHH2，则阴极上产生的物质A是H2，A正确；电解池中阳离子向阴极移动，则Na由阳极室向阴极室迁移，B正确；由图可知，阳极上

22、产生O2，则阳极反应式为2H2O4e=4HO2，溶液中c(H)增大，CO转化为HCO，C正确；由图可知，阴极区得到NaOH溶液，为不引入杂质，物质B应为NaOH，其作用是增强溶液的导电性，D错误。5解析：选C由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则ZnO石墨烯电极为阴极。由题图可知，电解时阴极反应式为CO22H2e=COH2O，A项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2H2S=COH2OS，B项正确；阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO石墨烯上的高，C项错误；Fe3、Fe2只能存在于酸性溶液中，D项正确。6解析：选D由图可知，苯(

23、C6H6)在D电极加氢还原生成环己烷(C6H12)，则电极D是阴极，电极E是阳极，阳极反应式为2H2O4e=4HO2，故气体X是氧气，A错误；电解池中阳离子向阴极移动，则H由右室进入左室，发生还原反应，B错误；阴极上苯(C6H6)被还原生成环己烷(C6H12)，电极反应式为C6H66H6e=C6H12，根据阴、阳极上发生的反应及得失电子守恒推知电池总反应式为2C6H66H2O=2C6H123O2，故该储氢过程就是C6H6与水反应的过程，C错误，D正确。7解析：选C电解有机废水(含CH3COOH)，在阴极上氢离子得电子生成氢气，即2H2e=H2，则连接阴极的B极为负极，选项A正确；通电后，若有0

24、.1 mol H2生成，根据电极反应式2H2e=H2可知转移0.2 mol电子，选项B正确；在阴极上氢离子得电子生成氢气，但是氢离子会经过质子交换膜向右移动进入阴极室，阴极室的pH几乎保持不变，选项C不正确；与电源A极相连的惰性电极是阳极，电极反应式为CH3COOH8e2H2O=2CO28H，选项D正确。8解析：选C通电后，阴极电极反应式为2H2O2e=2OHH2，则溶液的pH增大，故A正确；阳极上发生氧化反应，电极反应式为2H2O4e=4HO2，故B正确；根据阳极电极反应式可知得到1 mol产品HI，则转移1 mol电子，阳极室溶液质量减少9 g，故C错误；通电过程中，原料室中的Na移向阴极

25、室，I移向产品室，所以NaI的浓度逐渐减小，故D正确。9【答案】DA. b电极电子流出，b为电池的负极，a电极为电池的正极，电极反应为，故A正确；B. 钠离子向a电极方向移动，氯离子向b电极方向移动，所以A为阴离子交换膜，C为阳离子交换膜，故B正确；C. 阳极（负极）隔室中氯离子放电产生氯气，保持溶液中的电荷守恒，故C正确；D. 电极产物有氢气，是很好的清洁能源，氯气是重要的化工原料，经济价值是非常高的，故D错误；10A项、相比现有工业合成氨，该方法选用酶作催化剂，条件温和，同时利用MV+和MV2+的相互转化，化学能转化为电能，故可提供电能，故A正确；B项、左室为负极区，MV+在负极失电子发生

26、氧化反应生成MV2+，电极反应式为MV+e= MV2+，放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+，反应的方程式为H2+2MV2+=2H+2MV+，故B错误；C项、右室为正极区，MV2+在正极得电子发生还原反应生成MV+，电极反应式为MV2+e= MV+，放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+，故C正确；D项、电池工作时，氢离子（即质子）通过交换膜由负极向正极移动，故D正确。故选B。11【答案】CA根据图示，电子由A极流出，沿导线流向B极，则A为负极、B为正极，A极发生氧化反应，故A正确；B原电池工作时，电解质溶液中阳离子H+向正极B移动，故B正确；C

27、电池反应式为2CH3OH+3O22CO2+4H2O，有水生成导致溶液体积增大，溶质浓度减小，则c(H+)减小，所以溶液的pH增大，故C错误；D正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，正极的电极反应式为：O2+4e-+4H+=2H2O，故D正确；12【答案】BA、Pt是负极，原电池中阴离子移向负极，OH-由阴离子交换膜左侧向右侧迁移，故A错误；B、Pt是负极，VB2发生氧化反应，负极反应式为2VB2-22e-+22OH-=V2O5+2B2O3+11H2O， 故B正确；C、铜是正极，正极反应是O2+2H2O+4e-=4OH-，正极生成OH-，铜极附近电解质溶液pH增大，故C错误；D、没有指明氯气是否处

28、于“标准状况”，不能根据摩尔体积22.4Lmol-1计算，故D项错误。13【答案】DA.放电时，原电池内部阳离子向正极移动，即Li向N极移动，A错误；B.充电时电路中每通过0.5mol电子，则有0.5molLi生成，就有36/xg碳和金属锂复合在一起，B错误；C.放电时，C的化合价未变，Li失电子生成锂离子，M电极的电极反应为LixC-xe-=xLi+6C，C错误；D.充电时，N电极的电极反应为LiFePO4xexLiLi1xFePO4，D正确；14【答案】DA该装置中没有电源，为原电池，根据氢离子的移动方向可知，A为正极，B为负极，故A错误；B + e- = Cl + 质量不守恒，A为正极，

29、正极有氢离子参与反应，电极反应式为 + 2e-+H+ = Cl + ，故B错误；C根据电荷守恒，当外电路中有0.2mole-转移时，通过质子交换膜的H+的个数为0.2NA，而发生 + 2e-+H+ = Cl + ，则A极区增加的H+的个数为0.1NA，故C错误；D原电池中电子从负极B沿导线经小灯泡流向正极A，故D正确；15【答案】BA、由放电时电池的总反应式为NaBr3+2Na2S23NaBr+Na2S4可知，A为原电池的负极，反应为2S22-2eS42-，故A错误；B、放电时Na+从负极通过阳离子交换膜移向正极，A为原电池的负极，B为原电池的正极，所以Na+从左向右通过阳离子交换膜，故B正确；C、A为原电池的负极，B为原电池的正极，所以电流方向为B灯泡A，故C错误；D、B为原电池的正极，发生还原反应，故D错误；