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
①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：2H2O＋2e===H2↑＋2OH，阴极区H
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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。
②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
利用三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如图所示。
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阴极的NO被还原为NH4：NO＋5e＋6H===NH4＋H2O，NH4通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的NO被氧化为NO3：NO－3e＋2H2O===NO3＋4H，NO3通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子电解
数相等可得电解总反应：8NO＋7H2O=====3NH4NO3＋2HNO3，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。
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电解稀硫酸的阳极反应：2H2O－4e===O2↑＋4H，产生的H通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2PO2穿过阴离子交换膜进入产品室，与H结合生成弱电解质H3PO2；电解NaOH稀溶液的阴极反应：4H2O＋4e===2H2↑＋4OH，原料室中的Na通过阳离子交换膜进入阴极室。
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【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( )
A．Cl由中间室移向左室 B．X气体为CO2
C．处理后的含NO3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
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例2：(1)(2018·全国卷Ⅲ节选)KIO3可采用“电解法”制备，装置如图所示。
①写出电解时阴极的电极反应式________________________________。
②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Ⅰ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( )
A．b、c分别依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜 B．通电后Ⅲ室中的Cl透过c迁移至阳极区 C．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高
电解
D．电池总反应为4NaCl＋6H2O=====4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑
【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NH4，模拟装置如图所示。下列说法正确的是( )
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A．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===2H2O＋O2↑ C．电解一段时间后，阴极室溶液的pH升高
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D．电解一段时间后，阴极室溶液中的溶质一定是(NH4)3PO4
2.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( )
A．a为阳极，电极反应式为 Fe－6e＋8OH===FeO24＋4H2O
B．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===O2↑＋2H2O
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【课后作业】
1.海水中含有大量Na、Cl及少量Ca2、Mg2、SO24，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( )
A．b膜是阳离子交换膜
B．A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pHA 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4OH－4e===2H2O＋O2↑ C．d处流进粗KOH溶液，e处流出纯KOH溶液 D．b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3NaBr－2e===NaBr3＋2Na B．充电时，阳极反应为2Na2S2－2e===Na2S4＋2Na C．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 Na2S4 4．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( ) ＋ － ＋ － ＋ 4 A．阴极产生的物质A是H2 B．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，CO23转化为HCO3 D．物质B是NaCl，其作用是增强溶液导电性 5．(2018·全国卷Ⅰ)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S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 ①EDTAFe2－e===EDTAFe3 ②2EDTAFe3＋H2S===2H＋S＋2EDTAFe2 ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ － ＋ － － ＋ 该装置工作时，下列叙述错误的是( ) A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋2e===CO＋H2O B．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低 D．若采用Fe3/Fe2取代EDTAFe3/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 B．H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C6H6＋6H＋6e===C6H12 5 ＋ － ＋ 7.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CH3COOH－8e＋2H2O===2CO2↑＋8H 8．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2H2O－4e===4H＋O2↑ C．得到1 mol产品HI，阳极室溶液质量减少8 g D．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（ ） － ＋ A．a电极为电池的正极，电极反应为2H2eH2 B．A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 6 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NH3 D．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：2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O。下列说法不正确的是 ．．． A．电极A是负极，发生氧化反应 B．电池工作时，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 D．b物质在电极上发生的电极反应式为：O2＋4e－＋4H＋＝2H2O 12．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 B．Pt极反应式为2VB2+22OH--22e-===V2O5+2B2O3+11H2O C．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4.8gTi 13．磷酸亚铁锂(LiIFePO4)电池(如图所示)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LixC6＋Li1－xFePO4 LiFePO4+6C。下列说法正确的是 7 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C6-xe=6C D．充电时，N电极的电极反应为LiFePO4－xe－＝xLi＋＋Li1－xFePO4 14．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 ）， x-- 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－ + 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 NA D.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+2Na2S2＝3NaBr+Na2S4，下列说法正确的是（ ） A.放电时A电极的反应式为2Na2S2+2e﹣═Na2S4+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→B D.放电时B电极发生氧化反应 8 答案与分析 【典例分析】 例一[解析] 该电池中，NO3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2NO3＋10e＋12H===N2↑＋6H2O，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，电极反应C6H10O5－24e＋7H2O===6CO2↑＋24H。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2NO3＋10e＋12H===N2↑＋6H2O，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C6H10O5－24e＋7H2O===6CO2↑＋24H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 4 mol－ ×6×22.4 L·mol1＝22.4 L，D项正确。[答案] C 24 － ＋ － － ＋ ＋ － ＋ － ＋ － － － 例二[解析] (1)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2H2O＋2e===2OH＋H2↑；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2H2O－4e===4H＋O2↑，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)①2H2O＋2e===2OH＋H2↑ ②K a到b (2)2H2O－4e===4H＋O2↑ a 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，Cl透过b，二者在b、c之间的Ⅲ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，Ⅰ中的溶液的c(OH)升高，pH升高，Ⅱ中为NaCl溶液，pH不变，Ⅲ中有HCl生成，故c(H)增大，pH减小，Ⅳ中H ＋ － ＋ ＋－ ＋ － ＋ － － ＋ － ＋ － ＋ ＋ － － ＋ 移向Ⅲ，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C Fe电极与电源正极相连，则Fe作阳极，电极反应式为Fe－2e===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耗H，则阴极室溶液的pH升高，C正确；电解时，(NH4)2SO4溶液中NH4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Fe－6e＋8OH===FeO2故A正确；阳离子交换膜可以阻止FeO2故B4＋4H2O，4进入阴极区域，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4OH－4e===O2↑＋2H2O，故D正确。 3解析：选C 放电时，负极上Na2S2被氧化生成Na2S4，电极反应式为2Na2S2－2e===Na2S4＋2Na，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3NaBr－2e===NaBr3＋2Na，B错误； 9 － ＋ － ＋ － － － － － － ＋ ＋ ＋＋－ 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，pH大小为pHA 4解析：选D 阴极上发生还原反应，电极反应式为2H2O＋2e===2OH＋H2↑，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，阳极上产生O2，则阳极反应式为2H2O－4e===4H＋O2↑，溶液中c(H)增大，CO23转化为HCO3，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CO2＋2H＋2e===CO＋H2O，A项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，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(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2H2O－4e===4H＋O2↑，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C6H6＋6H ＋ ＋6e===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2C6H6＋6H2O===2C6H12＋3O2 － ↑，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2H＋2e===H2↑，则连接阴极的B极为负极，选项A正确；通电后，若有0.1 mol H2生成，根据电极反应式2H＋2e===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CH3COOH－8e＋2H2O===2CO2↑＋8H，选项D正确。 8解析：选C 通电后，阴极电极反应式为2H2O＋2e===2OH＋H2↑，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2H2O－4e===4H＋O2↑，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移向阴极室，I移向产品室，所以NaI的浓度逐渐减小，故D正确。 9【答案】D 10 － ＋ － ＋ － － － ＋ ＋ － ＋ － +-A. 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2H+2e=H2，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】C A．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．电池反应式为2CH3OH+3O2═2CO2+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】B A、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于“标准状况”，不能根据摩尔体积22.4L·mol计算，故D项错误。 13【答案】D A.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LiFePO4－xe－＝xLi＋＋Li1－xFePO4，D正确； 14【答案】D A．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； 11 -1 --- B． + e- = Cl－ + + 2e-+H+ = Cl－ + 质量不守恒，A为正极，正极有氢离子参与反应，电极反应式为，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】B ﹣ A、A为原电池的负极，由放电时电池的总反应式为NaBr3+2Na2S2＝3NaBr+Na2S4可知，反应为2S22-﹣2e＝S42-， 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； 12 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容