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【热点题型】30 电化学中的交换膜
1．离子交换膜的功能
使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。
2．离子交换膜在电化学中的作用
(1)隔离某些物质防止发生反应。
(2)用于物质的制备。
(3)物质分离、提纯等。
3．离子交换膜的类型
根据透过的微粒，离子交换膜可以分为多种，在高考试题中主要出现阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜三种。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，质子交换膜只允许质子(H＋)通过。可见离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些离子来隔离某些物质。
4．应用原理
交换膜隔离两种电解质溶液，避免负极材料与能发生反应的电解质溶液直接接触，能提高电流效率。在这种装置中，交换膜起到盐桥作用，且优于盐桥(盐桥需要定时替换或再生)。通过限制离子迁移，使指定离子在溶液中定向移动形成闭合回路，完成氧化剂和还原剂在不接触条件下发生氧化还原反应。
【专题训练】
1．生物电化学系统还原CO2是另一种产生甲烷的方法，装置如图所示，下列说法正确的是
A．电极A为阴极
B．此交换膜为阴离子交换膜
C．电极A中消耗1 mol CH3COO-时，产生8 mol H＋
D．电极B电极反应式为：CO2＋8H＋＋8e-=CH4＋2H2O
2．四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C1-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
D．电池总反应为4NaCl+6H2O4NaOH+4HCl+2H2↑+O2↑
3．电渗析法是一种利用离子交换膜进行海水淡化的方法，工作原理如图所示。下列有关说法错误的是
A．阳极可发生电极反应：
B．a膜为阴离子交换膜， b膜为阳离子交换膜
C． 阴极附近溶液的pH减小
D． I、II分别是淡水、浓海水出口
4．双极膜()为复合膜，可在直流电的作用下，将膜间的水分子解离，提供、。利用双极膜与离子交换膜组合可以实现含硫酸钠工业废水的净化和资源回收，原理如图所示。下列说法错误的是
A．可有效阻隔和的通过
B．A为阳离子交换膜，C为阴离子交换膜
C．X为溶液、Y为溶液
D．一段时间后，阴、阳极产生气体的物质的量之比为
5．某工厂采用如图装置处理化石燃料开采、加工过程产生的H2S废气，已知电解池中的两个电极均为惰性电极。下列说法不正确的是
A．若交换膜为质子交换膜，则NaOH溶液的浓度逐渐变大，需要定期更换
B．若交换膜为阳离子交换膜，b 电极区会产生红褐色沉淀
C．电极 a 为阳极
D．反应池中处理H2S的反应是H2S +2Fe3+ = 2Fe2+ +S↓+2H+
6．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OH-。下列说法正确的是
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
7．三室式电渗析法处理含乳酸表示乳酸分子，表示乳酸根离子废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，下列说法正确的是
A．负极区电极反应式为
B．交换膜cd为阳离子交换膜，从正极区通过交换膜向浓缩室移动
C．通过一段时间后浓缩室水的量减少，导致乳酸溶液浓度上升
D．当电路中通过电子的电量时，两极共产生标准状况下气体
8．如图是质子交换膜氢氧燃料电池，下列叙述正确的是（ ）
A．溶液中透过质子交换膜从右向左迁移
B．b极发生氧化反应
C．电子从a极流出，经溶液到b极
D．该电池在使用过程中，的物质的量保持不变
9．双极膜在电渗析中应用广泛，它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层，工作时水层中的H2О解离成H+和OH-，并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。下图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。
下列说法正确的是
A．出口2的产物为HBr溶液 B．出口5的产物为硫酸溶液
C．Br-可从盐室最终进入阳极液中 D．阴极电极反应式为2H++2e-=H2↑
10．双极膜(BP)是阴、阳复合膜，在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH-，作为H+和OH-离子源。利用双极膜电渗析法电解食盐水可获得淡水、NaOH和HCl，其工作原理如图所示，M、N为离子交换膜。下列说法错误的是（ ）
A．Y电极与电源正极相连，发生的反应为4OH--4e-=O2+2H2O↑
B．M为阴离子交换膜，N为阳离子交换膜
C．“双极膜组”电渗析法也可应用于从盐溶液(MX)制备相应的酸(HX)和碱(MOH)
D．若去掉双极膜(BP)，电路中每转移1mol电子，两极共得到0.5mol气体
11．现有阳离子交换膜、阴离子交换膜、石墨电极，请用氯碱工业中的膜技术原理，回答下列问题。
（1）写出氯碱工业中电解饱和食盐水的离子方程式____________________；
（2）请利用交换膜技术，根据上图框架，设计一个电解硫酸钠溶液制氢氧化钠溶液和硫酸溶液的装置，标出进出物质的化学式：
A_________；C_________； E_________；膜b为_____离子交换膜（填“阳”或“阴”）。
12．运用工业上离子交换膜法制烧碱的原理，用如图所示装置电解K2SO4溶液，既能得到硫酸又能得到氢氧化钾。
(1)左侧离子交换膜是_______离子交换膜(填写“阴”“阳”)。
(2)该电解槽的阳极反应式为_______，通过阴离子交换膜的离子数_______(填“>”“<”或“=”)通过阳离子交换膜的离子数。
(3)图中a、b、c、d分别表示有关溶液的pH，则a、b、c、d由小到大的顺序为_______。
(4)电解一段时间后，B口与C口产生气体的质量比为_______。
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【热点题型】30 电化学中的交换膜
1．离子交换膜的功能
使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。
2．离子交换膜在电化学中的作用
(1)隔离某些物质防止发生反应。
(2)用于物质的制备。
(3)物质分离、提纯等。
3．离子交换膜的类型
根据透过的微粒，离子交换膜可以分为多种，在高考试题中主要出现阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜三种。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，质子交换膜只允许质子(H＋)通过。可见离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些离子来隔离某些物质。
4．应用原理
交换膜隔离两种电解质溶液，避免负极材料与能发生反应的电解质溶液直接接触，能提高电流效率。在这种装置中，交换膜起到盐桥作用，且优于盐桥(盐桥需要定时替换或再生)。通过限制离子迁移，使指定离子在溶液中定向移动形成闭合回路，完成氧化剂和还原剂在不接触条件下发生氧化还原反应。
【专题训练】
1．生物电化学系统还原CO2是另一种产生甲烷的方法，装置如图所示，下列说法正确的是
A．电极A为阴极
B．此交换膜为阴离子交换膜
C．电极A中消耗1 mol CH3COO-时，产生8 mol H＋
D．电极B电极反应式为：CO2＋8H＋＋8e-=CH4＋2H2O
【答案】D
【分析】
电极A为阳极，电极方程式：CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2+7H+,电极B为阴极，电极B电极反应式为：CO2＋8H＋＋8e-=CH4＋2H2O，由此解答。
【解析】
A． 二氧化碳中碳化合价降低变为甲烷，在电解池阴极上发生反应，电极B为阴极，电极A为阳极，故A错误；
B． 电极A上产生的氢离子向电极B移动，此交换膜为阳离子交换膜，故B错误；
C． 由电极方程式：CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2+7H+,电极A中消耗1 mol CH3COO-时，产生7mol H＋,故C错误；
D． 碳由+4价降为-4价，电极B电极反应式为：CO2＋8H＋＋8e-=CH4＋2H2O，故D正确；
故选D。
2．四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C1-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
D．电池总反应为4NaCl+6H2O4NaOH+4HCl+2H2↑+O2↑
【答案】D
【解析】
试题分析：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OH-放电生成O2、阴极上H+放电生成H2；氢离子透过c，氯离子透过b，二者在bc之间形成盐酸，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；钠离子透过a， NaOH的浓度变大，所以a也是阳离子交换膜。A. b、c 分别依次为阴离子交换膜、阳离子交换膜，A不正确；B. 通电后Ⅲ室中的Cl-不能透过阳离子交换膜c 迁移至IV室，B不正确；C. 电解一段时间后，Ⅰ中的溶液的pH升高，Ⅱ中的溶液的pH不变，Ⅲ和Ⅳ两室中的溶液的pH均减小，C不正确；D. 电池总反应为4NaCl+6H2O4NaOH+4HCl+2H2↑+O2↑，D正确。本题选D。
3．电渗析法是一种利用离子交换膜进行海水淡化的方法，工作原理如图所示。下列有关说法错误的是
A．阳极可发生电极反应：
B．a膜为阴离子交换膜， b膜为阳离子交换膜
C． 阴极附近溶液的pH减小
D． I、II分别是淡水、浓海水出口
【答案】C
【解析】
试题分析：A、阳极是溶液中的阴离子反应，即氯离子反应生成氯气，正确；B、阳极是阴离子反应消耗，所以a为阴离子交换膜，阴极是阳离子反应，所以b为阳离子交换膜，正确；C、阴极是溶液中的阳离子反应，即氢离子反应生成氢气，溶液的pH增大，错误； D、通过离子交换膜，阴离子和阳离子分别到Ⅱ，所以Ⅰ为淡水，Ⅱ为浓海水，正确。
4．双极膜()为复合膜，可在直流电的作用下，将膜间的水分子解离，提供、。利用双极膜与离子交换膜组合可以实现含硫酸钠工业废水的净化和资源回收，原理如图所示。下列说法错误的是
A．可有效阻隔和的通过
B．A为阳离子交换膜，C为阴离子交换膜
C．X为溶液、Y为溶液
D．一段时间后，阴、阳极产生气体的物质的量之比为
【答案】B
【分析】
根据题意和图示，该装置为电解池，与电源正极相连的为阳极，与电源负极相连的为阴极，则左侧为阳极，右侧为阴极，阳极上反应为：2H2O-4e-=O2↑+4H+，阴极上反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，根据膜中H+向右移动，OH-向左移动，电解池中阴离子向阳极移动、阳离子向阴极移动，则A为阴离子交换膜，C为阳离子交换膜，X为H2SO4，Y为NaOH。
【解析】
A．根据题意，利用双极膜与离子交换膜之间生成硫酸和氢氧化钠，可以实现硫酸钠工业废水的净化和资源回收，则能有效阻隔和的通过，故A正确；
B．根据分析可知，A为阴离子交换膜，C为阳离子交换膜，故B错误；
C．根据分析可知，X为溶液、Y为溶液，故C正确；
D．根据阳极上反应为：2H2O-4e-=O2↑+4H+，阴极上反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，一段时间后，当阳极上生成1mol O2时转移4mol电子，则阴极上产生2mol H2，则阴、阳极产生气体的物质的量之比为，故D正确；
答案选B。
5．某工厂采用如图装置处理化石燃料开采、加工过程产生的H2S废气，已知电解池中的两个电极均为惰性电极。下列说法不正确的是
A．若交换膜为质子交换膜，则NaOH溶液的浓度逐渐变大，需要定期更换
B．若交换膜为阳离子交换膜，b 电极区会产生红褐色沉淀
C．电极 a 为阳极
D．反应池中处理H2S的反应是H2S +2Fe3+ = 2Fe2+ +S↓+2H+
【答案】A
【分析】
由装置可知，反应池中的反应物为硫化氢废气与氯化铁溶液发生氧化还原反应生成硫、氯化氢和氯化亚铁，反应的化学方程式为H2S+2FeCl3=2FeCl2+S↓+2HCl，反应生成的氯化亚铁在阳极a电极上失电子发生氧化反应生成氯化铁，生成的氯化铁进入反应池循环使用，电极b为电解池阴极，水在阴极上得电子发生还原反应生成氢气和氢氧根。
【解析】
A项、若交换膜为质子交换膜，氢离子由左向右移动加入阴极室，与放电生成的氢氧根发生中和反应生成水，阴极室中NaOH溶液的浓度不变，故A错误；
B项、若交换膜为阳离子交换膜，三价铁离子由左向右移动加入阴极室，在b 电极区与氢氧根反应生成红褐色氢氧化铁沉淀，故B正确；
C项、电极 a 为阳极，氯化亚铁在阳极上失电子发生氧化反应生成氯化铁，生成的氯化铁进入反应池循环使用，故C正确；
D项、由装置可知，反应池中的反应物为硫化氢废气与氯化铁溶液发生氧化还原反应生成硫、氯化氢和氯化亚铁，反应的离子方程式为H2S +2Fe3+ = 2Fe2+ +S↓+2H+，故D正确；
故选A。
6．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OH-。下列说法正确的是
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
【答案】C
【解析】
A.氢氧根离子向左侧移动，这说明电极Y为阴极，所以电极Y连接电源的负极，发生还原反应，故A错误；
B.浓海水中的氯离子向左侧移动，钠离子向右侧移动；双极膜中，氢离子向右侧迁移、氢氧根离子向左侧迁移，因此Ⅱ口排出的是淡水，I口排出的是盐酸、Ⅲ口排出的是碱液，故B错误；
C.由于氯离子放电会产生有毒的气体氯气，加入Na2SO4溶液，目的是增加溶液的导电性，氯离子移向Ⅰ室，氢离子通过a移向Ⅰ室，在Ⅰ室得到HCl，可避免有害气体的产生，故C正确；
D.钠离子移向Ⅲ室，c为阳离子交换膜，氢氧根离子向左侧移动，所以a左侧膜为阴离子交换膜，故D错误。
故选C。
7．三室式电渗析法处理含乳酸表示乳酸分子，表示乳酸根离子废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，下列说法正确的是
A．负极区电极反应式为
B．交换膜cd为阳离子交换膜，从正极区通过交换膜向浓缩室移动
C．通过一段时间后浓缩室水的量减少，导致乳酸溶液浓度上升
D．当电路中通过电子的电量时，两极共产生标准状况下气体
【答案】B
【解析】
A. 负极区即阴极，是氢离子放电得到电子生成氢气，故A错误；
B. 左边电极是阴极，反应式为，溶液中从左侧通过交换膜ab进入浓缩室，所以ab为阴离子交换膜，氢离子从正极区通过阳离子交换膜即cd膜进入浓缩室，故B正确；
C. 阳极放电，增大，从阳极通过阳离子交换膜进入浓缩室，通过阴离子交换膜从阴极进入浓缩室，，乳酸浓度增大，故C错误；
D. 阳极产生氧气，阴极产生氢气，且满足关系式：O2 ~ 2H2 ~ 4e-，则当电路中通过电子时，根据整个闭合回路中电子转移的数目相等可得，氧气的物质的量0.25mol，氢气是0.5mol，标准状况下的体积共计(0.25mol+0.5mol)×22.4L/mol=16.8L，故D错误；
故选B。
8．如图是质子交换膜氢氧燃料电池，下列叙述正确的是（ ）
A．溶液中透过质子交换膜从右向左迁移
B．b极发生氧化反应
C．电子从a极流出，经溶液到b极
D．该电池在使用过程中，的物质的量保持不变
【答案】D
【分析】
质子交换膜氢氧燃料电池，b极通入的是氧气，氧气在正极得电子发生还原反应，正极的电极反应式为，a极通入的是氢气，氢气在负极失电子发生氧化反应，负极的电极反应式为，电池总反应为，即可解题。
【解析】
A．原电池放电时，阳离子向正极移动，通入氧气的电极是正极，所以溶液中透过质子交换膜从左向右迁移，故A项错误；
B．b极通入的是氧气，氧气在正极得电子发生还原反应，故B项错误；
C．原电池中电子从负极经导线流向正极，即从a极经导线流向b极，故C项错误；
D．负极的电极反应式为，正极的电极反应式，电池总反应为，所以该电池在使用过程中，的物质的量保持不变，故D项正确；
故答案选：D。
9．双极膜在电渗析中应用广泛，它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层，工作时水层中的H2О解离成H+和OH-，并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。下图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。
下列说法正确的是
A．出口2的产物为HBr溶液 B．出口5的产物为硫酸溶液
C．Br-可从盐室最终进入阳极液中 D．阴极电极反应式为2H++2e-=H2↑
【答案】D
【解析】
A． 电解时， 溶液中的阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，溶液中的Na+向阴极移动，与双极膜提供的氢氧根离子结合，出口2的产物为NaOH溶液，A错误；
B． 电解时， 溶液中的阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，溶液中的Br-向阳极移动，与双极膜提供的氢离子结合，故出口4的产物为HBr溶液，钠离子不能通过双极膜，故出口5不是硫酸，B错误；
C． 结合选项B，Br-不会从盐室最终进入阳极液中，C错误；
D． 电解池阴极处，发生的反应是物质得到电子被还原，发生还原反应，水解离成H+和OH ，则在阴极处发生的反应为2H++2e-=H2↑，D正确；
答案选D。
10．双极膜(BP)是阴、阳复合膜，在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH-，作为H+和OH-离子源。利用双极膜电渗析法电解食盐水可获得淡水、NaOH和HCl，其工作原理如图所示，M、N为离子交换膜。下列说法错误的是（ ）
A．Y电极与电源正极相连，发生的反应为4OH--4e-=O2+2H2O↑
B．M为阴离子交换膜，N为阳离子交换膜
C．“双极膜组”电渗析法也可应用于从盐溶液(MX)制备相应的酸(HX)和碱(MOH)
D．若去掉双极膜(BP)，电路中每转移1mol电子，两极共得到0.5mol气体
【答案】BD
【分析】
盐室加入NaCl浓溶液，阴离子向Y电极移动，则Y电极为阳极，则氯离子向Y电极移动，则N为阴离子交换膜；则X电极为阴极。
【解析】
A．分析可知，Y电极为阳极，与电源正极相连，发生的反应为4OH--4e-=O2+2H2O↑，A说法正确；
B．分析可知，M为阳离子交换膜，N为阴离子交换膜，B说法错误；
C．“双极膜组”电渗析法利用阴阳离子的定向移动，可应用于从盐溶液(MX)制备相应的酸(HX)和碱(MOH)，C说法正确；
D．若去掉双极膜(BP)，电路中每转移1mol电子，两极可产生0.5mol氯气和0.5mol的氢气，共得到1mol气体，D说法错误；
答案为BD。
11．现有阳离子交换膜、阴离子交换膜、石墨电极，请用氯碱工业中的膜技术原理，回答下列问题。
（1）写出氯碱工业中电解饱和食盐水的离子方程式____________________；
（2）请利用交换膜技术，根据上图框架，设计一个电解硫酸钠溶液制氢氧化钠溶液和硫酸溶液的装置，标出进出物质的化学式：
A_________；C_________； E_________；膜b为_____离子交换膜（填“阳”或“阴”）。
【答案】2Cl-＋2H2O2OH-＋Cl2↑＋H2↑ O2 NaOH Na2SO4(溶液） 阳
【解析】
试题分析：（1）电解饱和食盐水生成氯气、氢气、氢氧化钠，
离子方程式为2Cl-＋2H2O2OH-＋Cl2↑＋H2↑；
（2）电解硫酸钠实际是电解水，要想得到氢氧化钠和硫酸，在阴极是氢氧根离子放电，所以氢氧根离子浓度增大，所以氢氧化钠应在阴极区得到，则膜b应是阳离子交换膜，只允许阳离子Na+通过，而氢氧根离子留在阴极区，从而得到氢氧化钠；阳极是氢离子氢氧根离子放电生成氧气，氢离子浓度相对增大，要想得到硫酸，则膜a应是阴离子交换膜，只允许阴离子通过，而氢离子留在阳极区，与硫酸根留在形成硫酸。所以A气体是O2，C是NaOH，E是Na2SO4(溶液）；b是阳离子交换膜。
12．运用工业上离子交换膜法制烧碱的原理，用如图所示装置电解K2SO4溶液，既能得到硫酸又能得到氢氧化钾。
(1)左侧离子交换膜是_______离子交换膜(填写“阴”“阳”)。
(2)该电解槽的阳极反应式为_______，通过阴离子交换膜的离子数_______(填“>”“<”或“=”)通过阳离子交换膜的离子数。
(3)图中a、b、c、d分别表示有关溶液的pH，则a、b、c、d由小到大的顺序为_______。
(4)电解一段时间后，B口与C口产生气体的质量比为_______。
【答案】阴 2H2O-4e-═O2↑+4H+ ＜ b＜a＜c＜d 8：1
【解析】
(1)左侧电极与电源正极相连，作阳极，阳极失电子发生氧化反应，则电极反应方程式为2H2O-4e-═O2↑+4H+，OH-被氧化生成O2，通过阴离子交换膜向阳极移动，故答案为：阴；
(2)阳极失电子发生氧化反应，则电极反应方程式为2H2O-4e-═O2↑+4H+；电解硫酸钾溶液，阳极发生氧化反应，OH-被氧化生成O2，通过阴离子交换膜向阳极移动，钾离子通过阳离子交换膜向阴极移动，由电荷守恒知钾离子数目大于硫酸根离子数目，故答案为：2H2O-4e-═O2↑+4H+；＜；
(3)阳极上阴离子OH-被氧化，pH减小，阴极阳离子氢离子发生还原反应生成H2和OH-，pH增大，则pH为b＜a＜c＜d，故答案为：b＜a＜c＜d；
(4)B口生成氧气，C生成氢气，根据电子转移守恒知，物质的量之比为1：2，则质量之比为32：4=8：1，故答案为：8：1。
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