电解池中离子交换膜的三种类型与高考真题等典例详析

10电解池中离子交换膜的三种类型和作用离子交换膜的类型和作用“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，推断允许哪种离子通过隔膜。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，避开产物之间发生反响，或避免产物因发生反响而造成危急。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，以到达浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。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响：2C－－2－===C2↑，阴极室中的电极反响：2＋2－===2↑＋2O－，阴极区＋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NaOH纯度较高，根本没有杂质。②阳离子交换膜的作用防止了两极产生的H2和Cl2Cl2和阴极产生的NaOH反响生成NaClO而影响烧碱的质量。三室电解池利用三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如下图。NONH＋：NO＋5e－＋6H＋===NH＋＋HO，NH＋通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的4 4 2 4NO被氧化为NO－：NO－3e－＋2HO===NO－＋4H＋，NO－通过阴离子交换膜进入中间室。依据电路中转移电子3 2 数相等可得电解总反响：8NO＋ 电解

3＋2HNONH

NO，补充适量72O====3NHNO3 3 4 33NH3HNO3NH4NO。3多室电解池利用“四室电渗析法”制备H3PO2(次磷酸)，其工作原理如下图。2电解稀硫酸的阳极反响：2H2O－4e－===O↑＋4H＋H＋223H2PO－H＋H23

PO；电解NaOH稀溶液的阴极反响：4HO222＋4e－===2H↑＋4OH－Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室。222【典例分析】应用一用于物质的分别和提纯例1：一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化，其工作原理如下图，图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示。以下有关说法不正确的选项是( )A．Cl－由中间室移向左室B．XCO23CNO－废水的pH降低3D4molX22.4L应用二用于物质的制备类型(一) 推断离子的迁移方向2：(1)(2023·全国卷Ⅲ节选)KIO3可承受“电解法”制备，装置如下图。①写出电解时阴极的电极反响式 。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 。35(2)(2023·全国卷Ⅰ节选)制备Na2S2O5可承受三室膜电解技术，装置如下图，其中SO2碱吸取液中含有NaHSO3和Na2SO。阳极的电极反响式为 。电解后， 室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进展结晶脱水，可得到Na2S2O。35类型(二) 推断离子交换膜的类型[3]四室式电渗析法制备盐酸和NaOH的装置如下图。a、b、c为阴、阳离子交换膜。：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。以下表达正确的选项是()b、c分别依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜Cl－c迁移至阳极区C．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均上升D．电池总反响为4NaCl＋ 电解

＋4HCl＋2H↑＋O↑62O====4NaOH 2 2【课堂练习】4用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的NH＋，模拟装置如下图。以下说法正确的选项是( )4A．阳极室溶液由无色变成棕黄色C．电解一段时间后，阴极室溶液的pH上升D．电解一段时间后，阴极室溶液中的溶质肯定是(NH4)3PO4的方式可以制备高铁酸盐，装置如图。以下说法不正确的选项是(A．a为阳极，电极反响式为)的方式可以制备高铁酸盐，装置如图。以下说法不正确的选项是(A．a为阳极，电极反响式为)42B．为防止高铁酸根集中被复原，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缘由可能是4OH－－4e－===O↑＋2HO2 2【课后作业】4Na＋、Cl－Ca2＋、Mg2＋、SO2－，用电渗析法对该海水样品进展淡化处理，如图所4示。以下说法正确的选项是()A．b膜是阳离子交换膜示。以下说法正确的选项是()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CA、B、CpH大小为pHA<pHB<pHC用电解法可提纯含有某种钾的含氧酸盐杂质()的粗KOH以下说法正确的选项是()N为阳极，电极MH＋发生复原反响电极M的电极反响式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑C．以下说法正确的选项是()N为阳极，电极MH＋发生复原反响电极M的电极反响式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑C．dKOH溶液，eKOH溶液3为Na2S4和NaBr。以下表达正确的选项是( )33NaBr－2e－===NaBr＋2Na＋32NaS－2e－===NaS＋2Na＋22 24放电时，Na＋经过离子交换膜由b池移向a池2.24LH2时，b17.40gNa2S4电解Na2CO3溶液制取NaHCO3溶液和NaOH溶液的装置如下图。以下说法中不正确的选项是( )A是H2溶液中Na＋由阳极室向阴极室迁移OH－放电，H＋浓度增大，CO2－HCO－3 3BNaCl，其作用是增加溶液导电性5．(2023·全国卷Ⅰ)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转扮装置，实现对自然气中CO2H2S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响为①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋该装置工作时，以下表达错误的选项是( )A．阴极的电极反响：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2OB．协同转化总反响：CO2＋H2S===CO＋H2O＋SC．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低DFe3＋/Fe2＋取代EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为酸性6．(2023·防城港一模)肯定条件下，利用如下图装置可实现有机物的储氢，以下有关说法正确的选项是( )AX是氢气，电极E是阴极B．H＋由左室进入右室，发生复原反响CC6H6与氢气反响的过程DD的电极反响式为C6H6＋6H＋＋6e－===C6H127.在微生物作用下电解有机废水(CH3COOH)H2确的是( )B极为负极通电后，假设有7.在微生物作用下电解有机废水(CH3COOH)H2确的是( )B极为负极通电后，假设有H2生成，则转移0.2mol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2氢碘酸(HI)可用“四室电渗析法”制备，其工作原理如下图(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)。以下表达错误的选项是( )2A．通电后，阴极室溶液的pH增大2C1molHI8gD．通电过程中，NaI的浓度渐渐减小一种浓差电池如下图，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。以下关于该电池的说法错误的选项是〔 〕A．a电极为电池的正极，电极反响为2H

2e

H 2B．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外表的氧化作用维持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利用生物燃料电池原理争论室温下氨的合成，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。以下说法错误的选项是A．相比现有工业合成氨，该方法条件温顺，同时还可供给电能B．阴极区，在氢化酶作用下发生反响H2+2MV2+2H++2MV+C．正极区，固氮酶为催化剂，B．阴极区，在氢化酶作用下发生反响H2+2MV2+2H++2MV+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，其总反响为：2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O。以下说法的是A．电极A是负极，发生氧化反响B．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响式为：O2＋4e－＋4H＋＝2H2O12．钛被誉为第三金属，广泛用于航天航空等领域。硼化钒〔VB2〕-空气电池的放电反响为4VB2+11O2===4B2O3+2V2O5，以该电池为电源制备钛的装置如下图。以下说法正确的选项是〔 〕A．电解过程中，OH-由阴离子交换膜右侧向左侧迁移B．Pt极反响式为2VB2+22OH--22e-===V2O5+2B2O3+11H2OC．电解过程中，铜极四周电解质溶液的pH减小D4.48LCl24.8gTiLi1xFePO4－LiFePO4+6C。以下说法正确的选项是13．磷酸亚铁锂(LiIFePO4)电池(如下图)是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＋Li1xFePO4－LiFePO4+6C。以下说法正确的选项是放电时，Li＋M电极移动0.5mol36g碳和金属锂复合在一起放电时，M电极的电极反响为Cx--xe-=6C6－充电时，N电极的电极反响为LiFePO4－xe－＝xLi＋＋Li1xFePO4－14〔14〔，B.A极的电极反响式为+ e-B.A极的电极反响式为+ e-= Cl－+H+0.1NAD.B极沿导线经小灯泡流向A极15．如下图装置为型电池，放电时电池的总反响式为NaBr3+2Na2S2＝3NaBr+Na2S4，以下说法正确的选项是〔 〕放电时A电极的反响式为2Na2S2+2e﹣═Na2S4+2Na+Na+从左向右通过阳离子交换膜外电路中的电流方向为A→灯泡→BD.B电极发生氧化反响答案与分析【典例分析】例一[解析] 该电池中，NO－得电子发生复原反响，则装置中右边电极是正极，电极反响为2NO－＋10e－＋3 312H＋===N↑＋6HO，装置左边电极是负极，负极上有机物失电子发生氧化反响生成X，电极反响CH O－2 2 6 10 5XCO，2 2B2NO－＋10e－＋12H＋===N↑＋6HO，H＋参与反响导致溶液酸性减弱，溶液的pH增大，3 2 2C项错误；依据负极电极反响C6H10O－24e－＋7H2O===6CO↑＋24H＋4mol电子，产生标5 24mol准状况下CO2气体的体积为24 ×6×22.4L·mol－1＝22.4L，D项正确。[答案] C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，故电极反响式为2H2O2＋2e－===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＋ab。(2)依据题中的图示，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，所以阳极的电极反响式为2H2O－4e－===4H＋＋22 2 2 OaaSONaSO2 2 2 NaHSOaNaHSO

浓度增加。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－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＋a，NaOHa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c(OH－)上升，pH上升，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H2＋移向Ⅲ，H2O放电生成O，使水的量减小，c(H＋)增大，pH减小，C不正确。2[答案] D【课堂练习】24解析：选C Fe电极与电源正极相连，则Fe作阳极，电极反响式为Fe－2e－===Fe2＋，反响中生成Fe2＋，溶液由无色变为浅绿色，A错误；阴极上H＋得电子发生复原反响，电极反响式为2H＋＋2e－===H↑，B错误；电解过程中阴极上消耗H＋，则阴极室溶液的pH上升，C正确；电解时，(NH4)2SO4溶液中NH＋向阴极室迁移，24442故阴极室溶液中的溶质可能为(NH4)3PO、(NH)442

HPO

等，D错误。4424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，4424OAFeO2－B4 2 4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响，4OH－－4e－===O↑＋2HOD正确。2 22解析：选C 生成Na2

S，电极反响式为2NaS

－2e－===NaS

＋2Na＋，A42224错误；充电时，阳极上NaBrNaBr3NaBr－2e－===NaBr＋2Na＋，B错误；422243 3放电时，阳离子向正极移动，故Na＋ba池，C2.24LH2是否处于标准状况下，无法计算bNa2S4的质量，D错误。【课后作业】B解析：选A 由于阴极是阳离子反响，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，局部溶于水溶液呈酸性，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<pHC<pH，选项CB错误；BH＋得电子产生氢气，不能使潮湿的KI淀粉试纸变蓝，选项D错误。2解析：选B 依据图示，K＋移向电极N，所以N是阴极，M极是阳极，OH－发生氧化反响生成氧气，电故A错误、B正确；c处流进粗KOH溶液，f处流出纯KOH溶液，2C错误；N极是阴极，H＋11.2L0.5mol，D错误。解析：选D 阴极上发生复原反响，电极反响式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，则阴极上产生的物质A2H，ANa＋由阳极室向阴极室迁移，B正确；由图可知，阳极上产生2O2HO－4e－===4H＋＋O↑，溶液中c(H＋)增大，CO2－HCO－，C正确；由图可知，2 2 2 3 3NaOHB应为NaOH，其作用是增加溶液的导电性，D错误。2 2 2 解析选C 由题中信息可知石墨烯电极发生氧化反响为电解池的阳极则ZnO@石墨烯电极为阴极。由题图可知，电解时阴极反响式为CO＋2H＋＋2e－===CO＋HO，A项正确；将阴、阳两极反响式合并可得总反响式为CO＋HS===CO＋HO＋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，D2 2 2 26D由图可知，苯(C6H6)D电极加氢复原生成环己烷(C6H12)DE是阳2H2O－4e－===4H＋＋OX是氧气，AH＋由右室进入左室，发生复原反响，B错误；阴极上苯(C6H6)被复原生成环己烷(C6H12)，电极反响式为C6H＋6H26＋＋6e－===C6H 2CH

＋6H

O===2CH ＋3O12↑，故该储氢过程就是C6H6与水反响的过程，C错误，D正确。

6 6

6 12 222解析：选C电解有机废水(CH3COOH)，在阴极上氢离子得电子生成氢气，即2H＋＋2e－===H↑，则B极为负极，选项A0.1molH22H＋＋2e－===H↑可知0.2mol电子，选项B22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，电极反响式为2CH3COOH－8e－＋2H2O===2CO↑＋8H＋D正确。2C2H2O＋2e－===2OH－＋H2pHA正确；22－4－===4＋＋B1molHI1mol9g，故C错误；通电过程中，原料室中的Na＋移向阴极室，I－NaID正确。9【答案】D11b电极电子流出，b为电池的负极，a电极为电池的正极，电极反响为2H++2e-=H ，故A正确；2a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；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；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，经济价值是格外高的，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，条件温顺，同时利用MV+MV2+的相互转化，化学能转化为电能，故可供给电能，故A正确；B项、左室为负极区，MV+在负极失电子发生氧化反响生成MV2+，电极反响式为MV+—e—=MV2+，放电生成MV2+H2H+MV+H2+2MV2+=2H++2MV+B错误；C项、右室为正极区，MV2+MV+，电极反响式为MV2++e—=MV+，放电生成的MV+N2在固氮酶的作用下反响生成NH3MV2+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DB。11【答案】CAAB极，则A为负极、B为正极，A极发生氧化反响，故A正确；B．原电池工作时，电解质溶液中阳离子H+BB正确；C