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培优课堂　“隔膜”电化学装置分析
名师导语　 电化学试题命题时，电化学装置中大部分含有交换膜，且一般为离子交换膜。离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。因它对离子具有选择透过性，且电化学性能优良，在涉及电化学的工业生产中广泛应用。由于离子交换膜能将工业生产与化学知识有机的融合，实现资源的最优配置，考查学生的学以致用能力；因此备受高考命题者的青睐。命题的角度主要有：(1)交换膜类型的判断；(2)离子的迁移；(3)通过交换膜的离子数目计算等。
【必备智能】
1.离子交换膜的类型与作用
2.双极膜
双极膜是一种新型离子交换膜，其膜主体可分为阴离子选择层、阳离子选择层和中间界面层，水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中，水电离产生H＋ 和OH－，可在电场的作用下快速迁移到两侧溶液中，为膜两侧的半反应提供各自理想的pH 条件。
双极膜示意图
3.带隔膜电化学装置的分析思路
(1)
(2)
(3)
4.定量关系
(1)阴离子、阳离子、质子交换膜
外电路电子的转移数＝通过隔膜的阴、阳离子带的负或正电荷数。
(2)双极膜
外电路电子的转移数＝双极膜解离的[n(H＋)＋n(OH－)]×。
【典例】　(2022·全国甲卷)一种水性电解液Zn－MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH溶液中，Zn2＋以Zn(OH)存在]。电池放电时，下列叙述错误的是(　　)
A.Ⅱ区的K＋通过隔膜向Ⅲ区迁移
B.Ⅰ区的SO通过隔膜向Ⅱ区迁移
C.MnO2电极反应：MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O
D.电池总反应：Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===Zn(OH)＋Mn2＋＋2H2O
[题后归纳]　解答含膜电池题的思维模板
【培优专练】
1.(判断离子交换膜类型)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，示意图如图所示。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NH3
D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
2.(利用离子交换膜制备目标物)以铅蓄电池供电，利用双极膜(双极膜是一种复合膜，在直流电作用下，中间界面内水解离为H＋和OH－，并实现其定向通过)电解制备磷酸和氢氧化钠的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.电极a的电极反应：Pb－2e－===Pb2＋
B.产品室2制备的产品是磷酸
C.当电路中通过4 mol电子时，电极c上产生1 mol O2
D.M膜为阳离子交换膜，N膜为阴离子交换膜
3.(计算离子定向迁移的数目)设计如图装置回收金属钴。保持细菌所在环境pH稳定，借助其降解乙酸盐生成CO2，将废旧锂离子电池的正极材料LiCoO2(s)转化为Co2＋，工作时保持厌氧环境，并定时将乙室溶液转移至甲室。已知电极材料均为石墨材质，右侧装置为原电池。下列说法错误的是(　　)
A.装置工作时，甲室溶液pH逐渐减小
B.装置工作一段时间后，乙室应补充盐酸
C.乙室电极反应为LiCoO2＋2H2O＋e－===Li＋＋Co2＋＋4OH－
D.若甲室Co2＋减少200 mg，乙室Co2＋增加300 mg，则此时已进行过溶液转移
培优课堂4　“隔膜”电化学装置分析
【典例】　[思维提示]　根据题图可知，放电时Zn 为负极，电极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH) ；MnO2 为正极，电极反应为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O。A项，根据负极反应可知，为了平衡溶液中电荷，放电时Ⅲ区的钾离子向Ⅱ区迁移，错误；B项，根据正极反应可知，为了平衡溶液中电荷，放电时硫酸根离子从Ⅰ区向Ⅱ区迁移，正确；D项，将正、负极电极反应相加即可得到放电时的电池总反应，正确。
答案　A
培优专练
1.B　[该装置为原电池，左侧为负极，右侧为正极。负极反应为MV＋－e－===MV2＋，在负极区发生的协同反应为H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋；正极反应为MV2＋＋e－===MV＋，正极区发生的协同反应为6MV＋＋N2＋6H＋===6MV2＋＋2NH3，所以正极区需要H＋迁入，因此交换膜为质子交换膜，故D项正确；该装置的目的是利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，该合成氨反应在常温下进行，并形成原电池产生电能，反应不需要高温、高压和催化剂，故A项正确；左侧电极发生氧化反应，电极反应为MV＋－e－===MV2＋，为负极，不是阴极，故B项错误；正极区发生的协同反应为N2＋6MV＋＋6H＋===2NH3＋6MV2＋，N2发生还原反应生成NH3，故C项正确。]
2.C　[铅蓄电池中铅为负极，氧化铅为正极。由图可知，与直流电源正极相连的电极c为电解池的阳极，d为阴极，电解池工作时阴离子向阳极迁移，阳离子向阴极迁移，M膜为阴离子交换膜，原料室中H2PO通过M膜进入产品室1，与双极膜产生的H＋反应生成H3PO4，N膜为阳离子交换膜，原料室中钠离子通过N膜进入产品室2得到氢氧化钠。电极a是铅蓄电池的负极，反应为Pb＋SO－2e－===PbSO4，A错误；根据分析，产品室2得到氢氧化钠，B错误；电极c为电解池的阳极，OH－在阳极失电子发生氧化反应生成氧气，可知电路中通过4 mol电子时，电极c上产生氧气的物质的量为1 mol，C正确；根据分析，M膜为阴离子交换膜，N膜为阳离子交换膜，D错误。]
3.C　[甲室电极反应为Co2＋＋2e－===Co，左侧细菌电极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，氢离子、金属阳离子通过阳膜移向甲室，甲室溶液pH逐渐减小，故A正确；乙室中LiCoO2(s)→Co2＋，同时得到Li＋，LiCoO2(s)中的氧结合溶液中氢离子生成水，工作一段时间后，乙室应补充盐酸，故B正确；电解质溶液为酸性，不可能生成氢氧根离子，乙室电极反应为LiCoO2＋4H＋＋e－===Li＋＋Co2＋＋2H2O，故C错误；甲室电极反应为Co2＋＋2e－===Co，乙室电极反应为2LiCoO2＋8H＋＋2e－===2Li＋＋2Co2＋＋4H2O，根据电子转移守恒，可知没有进行溶液转移时，则乙室Co2＋增加量是甲室Co2＋减少质量的2倍，而实际二者倍数为＝1.5<2，故此时已进行过溶液转移，故D正确。]

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