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专题十三　离子交换膜的作用及其拓展应用
[考试要点]　1.掌握离子交换膜的作用。　2.掌握离子交换膜判断的方法。
考点
离子交换膜的拓展应用
1．离子交换膜的分类
2．离子交换膜的作用
3．判断离子交换膜种类的方法
(1)判断离子交换膜的用途是制取物质，还是避免电极产物之间发生反应。
(2)根据电解质溶液呈电中性的原则，判断离子交换膜的种类。明确电极反应及产物，写出阴、阳极上的电极反应。
(3)依据电极反应式判断该电极附近剩余哪种离子，考虑交换膜的用途，结合溶液呈电中性的原则，判断离子移动的方向，确定离子交换膜的种类。
1．(2024·湖北卷，14)我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂，用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸，原理如图，双极膜中H2O解离的H＋和OH－在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中，甲醛转化为HOCH2O－，存在平衡HOCH2O－＋OH－ [OCH2O]2-＋H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2-－e－===HCOO－＋H·。下列说法错误的是(　　)
A．电解一段时间后阳极区c(OH－)减小
B．理论上生成1 mol H3N＋CH2COOH双极膜中有4 mol H2O解离
C．阳极总反应式为2HCHO＋4OH－－2e－===2HCOO－＋H2↑＋2H2O
D．阴极区存在反应H2C2O4＋2H＋＋2e－===CHOCOOH＋H2O
解析：B　左侧PbCu电极的Pb表面 ，发生脱
氧的还原反应，Cu表面 ，发生脱
氧、加氢的还原反应，因此PbCu电极为阴极；根据题干信息，右侧Cu电极上发生失电子的氧化反应，因此Cu电极为阳极。根据题干信息可知，Cu电极所在的阳极区先后发生反应：HCHO＋OH－ HOCH2O－、HOCH2O－＋OH－ [OCH2O]2-＋H2O、[OCH2O]2-－e－===HCOO－＋H·，H·可转化为H2，则阳极总反应式为2HCHO＋4OH－－2e－===2HCOO－＋H2↑＋2H2O，C正确；根据阳极总反应可知，每消耗4个OH－，电路
转化为
转化为
中通过2e－，根据电荷守恒，双极膜中有2个OH－向阳极迁移，即阳极区c(OH－)减小，A正确；由题给信息知，阴极H2C2O4、NH2OH得电子转化为H3N＋CH2COOH，电极反应式为H2C2O4＋NH2OH＋6e－＋7H＋=== H3N＋CH2COOH＋3H2O，每生成1 mol H3N＋CH2COOH，电路中通过6 mol e－，双极膜中需有 6 mol H2O解离出6 mol H＋向阴极迁移，B错误；双极膜中H2O解离出的H＋向阴极移动，因此H2C2O4在阴极Pb电极上转化为CHOCOOH的反应为H2C2O4＋2H＋＋2e－===CHOCOOH＋H2O，D正确。
A
解析：A　电池分析
单离子交换膜
1．某燃料电池主要构成要素如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A．电池可用于乙醛的制备
B．b电极为负极
C．电池工作时，a电极附近pH降低
D．a电极的反应式为O2＋4e－＋4H＋
===2H2O
C
解析：C　燃料电池中通入O2的一极为正极，则a电极为正极，发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，b电极为负极，则a极附近pH升高，b电极处生成乙醛，故选C。
2．科学家设计了一种高效、低能耗制备H2O2的装置，如图所示。下列有关说法不正确的是(　　)
A．阴极区产生2 mol OH－时，参加反应的O2在标准状况下的体积为11.2 L
B．a为电源的正极
C．阳极区电极反应为
－2e－＋3OH－===
＋2H2O
D．该装置中，离子交换膜为阴离子交换膜
A
解析：A　右边O2变成H2O2，氧元素化合价降低，说明右边是阴极，则b为负极，a为正极，左边为阳极，据此分析解题。A.阴极电极反应式为O2＋2e－＋2H2O===H2O2＋2OH－，则阴极区产生2 mol OH－时，参加反应的O2为1 mol，在标准状况下的体积为22.4 L，故A错误；B.由分析可知，a为电源的正极，故B正确；C.由分析可知，左边是阳极， 被氧
化，因此阳极区电极反应式为 －2e－＋3OH－=== ＋2H2O，故C正确；D.该装置中，OH－在阳极被消耗，因此阴极产生的OH－转移到阳极区域，则离子交换膜为阴离子交换膜，故D正确。
双离子交换膜
3．相同金属在其不同浓度盐溶液中可形成浓差电池。如图所示装置是利用浓差电池电解Na2SO4溶液(a、b电极均为石墨电极)，可以制得O2、H2、H2SO4和NaOH。下列说法错误的是(　　)
D
多离子交换膜
4．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H2O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．阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
D
解析：D　电解时，双极膜中的氢氧根离子向阳极移动，进入交换室1，盐室中的Na＋向阴极移动，进入交换室1，则出口2的产物为NaOH溶液，A错误；H＋通过双极膜移向交换室2，OH－移向阳极液放电，故出口5不是硫酸溶液，B错误；Br－通过阴离子交换膜进入交换室2，但是不能通过双极膜，所以Br－不会从盐室最终进入阳极液中，C错误；电解池阴极处，发生还原反应，水解离成H＋和OH－，则在阴极发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑，D正确。
5．H3PO2也可用电渗析法制备。“四室电渗析法”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)：
(1)写出阳极的电极反应式：_____。
(2)分析产品室可得到H3PO2的原因：__________________。
微点提升3
常考常新的电化学原理的深层剖析
利用如图装置(电极材料均为石墨，右侧装置为原电池)从废旧锂离子电池正极材料LiCoO2中回收金属钴。装置工作时借助细菌降解乙酸盐生成CO2，并通过泵定时将Q极室溶液转移至N极室。下列说法正确的是(　　)
A．装置工作时，Q极电势低于R极
B．M极和R极的电极反应式均为CH3COO－＋2H2O＋8e－===2CO2↑＋7H＋
C．装置工作一段时间后，Q极室应补充盐酸
D．若泵不工作时，N极室Co2+浓度减少量是Q极室Co2+浓度增加量的二倍
解析：C　图解剖析
装置工作时，右侧装置为原电池，由图可知，Q极上LiCoO2→Co2+，发生还原反应，Q极是正极，其电势高于R极，A项错误；M极、R极室的电解质溶液均为乙酸盐溶液，由题干信息“装置工作时借助细菌降解乙酸盐生成CO2”，可推知M极和R极的电极反应式均为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，B项错误；由于Q极的电极反应式是LiCoO2＋e－＋4H＋===Li＋＋Co2+＋2H2O，消耗H＋，故装置工作一段时间后，Q极室应补充盐酸，C项正确；没有说明溶液的体积，不能确定浓度变化，D项错误。
A．电极B为阴极，应与电源负极相连
B．溶液a为KCl和KOH的混合溶液
C．若η(EO)＝100%，则溶液b的溶质为KCl
D．电极A的电极反应式：CH2===CH2－2e－＋Cl－＋H2O―→HOCH2CH2Cl＋H＋
解析：D　分析图示可知，电极A上Cl－→Cl2，发生氧化反应，为阳极，则电极B为阴极，应与电源负极相连，A项正确；阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，阳极Cl－放电后，K＋通过阳离子膜进入阴极区，生成KOH，故得到的溶液a为KCl和KOH的混合溶液，B项正确；若η(EO)＝100%，则说明在阳极区最终只有碳元素的化合价发生变化，其他元素化合价没有变化，故所得溶液b的溶质为KCl，C项正确；电极A为阳极，其电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，生成的Cl2与水反应生成HClO，HClO再发生反应HClO＋CH2===CH2―→HOCH2CH2Cl，D项错误。
2．为适应可再生能源的波动性和间歇性，我国科学家设计了一种电化学装置，其原理如图所示。当闭合K1和K3、打开K2时，装置处于蓄电状态；当打开K1和K3、闭合K2时，装置处于放电状态。放电状态时，双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－并分别向两侧迁移。下列说法错误的是(　　)
A．放电时，双极膜中OH－向锌电极迁移
B．放电时，每消耗1 mol Zn，双极膜内的水减少1 mol
C．蓄电时，碳锰电极的电极反应式为Mn2+＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋
D．蓄电时，若收集22.4 L O2(标准状况下)，理论上消耗ZnO的质量为162 g
解析：B　当闭合K1和K3、打开K2时，装置处于蓄电状态，则为电解池，a极上H＋得电子生成H2，则a极为阴极，碳锰电极上Mn2+失电子生成MnO2，碳锰电极为阳极；ZnO得电子生成Zn，则锌电极为阴极，b极上OH－失电子生成O2，则b极为阳极。当打开K1和K3、闭合K2时，装置处于放电状态，则为原电池，锌电极为负极，碳锰电极为正极。放电时，阴离子向负极移动，故双极膜中OH－向锌电极迁移，A正确；放电时，每消耗1 mol Zn，转移2 mol电子，理论上双极膜中间层中有2 mol H2O解离为H＋和OH－，并分别向两侧迁移，所以双极膜内的水减少2 mol，B错误；蓄电时，左侧为电解池，碳锰电极为电解池的阳极，电极反应式为Mn2+＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋，C正确；根据得失电子守恒可得到关系式O2～2ZnO，若收集1 mol O2，理论上消耗2 mol(162 g)ZnO，D正确。
3．我国科学家研究出一种新型水系Zn-C2H2电池(结构如图)，既能实现乙炔加氢又能发电，其开路电位、峰值功率密度和能量密度均远高于Zn-CO2电池，同时这种电池设计可广泛适用于其他炔烃。已知放电时Zn转化为ZnO，电池工作时，下列说法正确的是(　　)
A．电流由b电极经外电路流向a电极
B．右侧电极室中c(KOH)增大
C．a极的电极反应式为C2H2＋2e－＋2H2O===C2H4＋2OH－
D．每有0.2 mol OH－通过阴离子交换膜，a极消耗2.24 L C2H2
C
解析：C　已知放电时Zn转化为ZnO，则b极上Zn失电子被氧化，为电池的负极，负极电极反应式为Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2O；a极为正极，正极上C2H2得电子产生C2H4，电极反应式为C2H2＋2e－＋2H2O===C2H4＋2OH－，电极总反应式为C2H2＋Zn＋H2O===C2H4＋ZnO。电流由正极a电极经外电路流向负极b电极，A错误；由以上分析可知，右侧电极室中c(KOH)减小，B错误；
根据反应C2H2＋2e－＋2H2O===C2H4＋2OH－可知，每有0.2 mol OH－通过阴离子交换膜，a极消耗0.1 mol C2H2，但没说明标准状况下，不一定为2.24 L，D错误。
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1
2
1．一种Zn-PbO2电池工作原理如装置图所示。下列说法正确的是(　　)
A．电池工作时电能转化为化学能
B．放电过程中电极a区溶液的pH增大
C．电池工作一段时间后K2SO4浓度增大
D．b极区的反应为PbO2＋4H＋＋4e－===
Pb2+＋2H2O
课时作业
训练(十三)　离子交换膜的作用及其拓展应用
C
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1
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2
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2．采用惰性电极，以氮气和水为原料通过电解法制备氨的装置如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A．电解时，溶液中K＋向a极移动
B．电解时，电子由电源负极经导线流向a极
C．电解时，a极上发生反应：N2＋6e－＋6H＋===2NH3
D．电解一段时间后，b极附近溶液的pH减小
C
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解析：C　由图可知，a极上N2转化为NH3，元素N化合价降低，发生还原反应，a极为阴极；b极上OH－转化为O2，元素O化合价升高，发生氧化反应，b极为阳极。电解质溶液为KOH溶液，电解时，a极的电极反应式为N2＋6e－＋6H2O===2NH3＋6OH－，C项错误。
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3．科学家研发出了“全氢电池”，其工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
A
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解析：A　由电子的流动方向可以得知左边吸附层为负极，发生氧化反应；右边吸附层为正极，发生还原反应，A错误；负极的电极反应是H2－2e－＋2OH－===2H2O，B正确；正极的电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，根据正、负极的反应可知总反应为OH－＋H＋===H2O，C正确；阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，D正确。
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4．在国际二次电池展中，一种以Fe[Fe(CN)6]为代表的新型可充电钠离子电池格外引人注目，其放电工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．充电时，阴极反应式为Fe[Fe(CN)6]＋2Na＋＋2e－===Na2Fe[Fe(CN)6]
B．充电时，Mg箔接电源的正极
C．放电时，Na＋通过离子交换膜从右室移向左室
D．放电时，外电路中通过0.4 mol电子时，负极质量变化为 9.2 g
C
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1
解析：C　放电时，Mg箔为负极，发生氧化反应，充电时，Mg箔上得电子，发生还原反应，所以为阴极，根据题图，阴极反应式为[Mg2Cl2]2+＋4e－===2Mg＋2Cl－，故A错误；充电时，Mg箔为电解池阴极，与电源的负极相连，故B错误；放电时为原电池，原电池中阳离子向正极迁移，Mg箔为负极，Mo箔为正
极，所以钠离子通过离子交换膜从右室移向左室，故C正确；放电时负极反应式为2Mg＋2Cl－－4e－===[Mg2Cl2]2+，所以外电路中通过0.4 mol电子时，有0.2 mol Mg转化为Mg2+，负极质量变化为0.2 mol×24 g/mol＝4.8 g，故D错误。
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7
5．硼酸(H3BO3)大量应用于玻璃工业，能改善玻璃制品性能。通过电解Na[B(OH)4]溶液的方法可以制备硼酸，工作原理如图。下列叙述错误的是(　　)
A.N为电源负极
B．产品室中的反应为[B(OH)4]－＋H＋===H3BO3＋H2O
C．b膜为阳离子交换膜
D．每生成1 mol H3BO3，两极共生成标准状况下16.8 L气体
C
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0.5 mol H2、E室生成0.25 mol O2，则两极共生成标准状况下气体0.75 mol，体积为16.8 L，D正确。
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6．微生物电解池产甲烷技术是一种有望成为缓解能源危机与温室效应的重要新型途径。它以外界输入的较小电能为能量来源，以微生物为催化剂，微生物电解池耦合厌氧消化系统产甲烷的工作原理如图所示。下列有关说法错误的是(　　)
A．a为电源的正极，b为电源的负极
B．电子的移动方向：从b→导线→Y电极，再经X→导线→a
C．Y电极发生的反应：CO2＋8H＋＋8e－===CH4＋2H2O、8H＋＋8e－===4H2↑、CO2＋4H2===CH4＋2H2O
D．若用铅酸电池为电源，理论上消耗98 g H2SO4时，此装置中有2 mol H＋发生迁移
D
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解析：D　由图可知，右侧CO2得电子转化为CH4，则右侧Y电极为阴极，则b为电源负极，a为电源正极，阳极上有机化合物失电子生成CO2。a为电源的正极，b为电源的负极，A正确；由上述分析可知，电子的移动方向：从b→导线→Y电极，再经X→导线→a，B正确；Y电极为阴极，发生还原反应，则Y电极发生反应CO2＋8H＋＋8e－===CH4＋2H2O、8H＋＋8e－===4H2↑、CO2＋4H2===CH4＋2H2O，C正确；根据铅酸电池的总反应Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O可知，若用铅酸电池为电源，理论上消耗98 g H2SO4(1 mol)时转移1 mol e－，根据电子守恒可知，此装置中有1 mol H＋发生迁移，D错误。
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2
7．某海水中主要离子的含量如下表，现利用“电渗析法”进行淡化，技术原理如图所示(两端为惰性电极，阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过)。
下列有关说法错误的是(　　)
离子 Na＋ K＋ Ca2+ Mg2+
含量
(mg/L) 9360 83 200 1100 16000 1200 118
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A．甲室的电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑
B．乙室和丁室中部分离子的浓度增大，淡水的出口为b
C．当戊室收集到22.4 L(标准状况)气体时，通过甲室阳膜的离子的物质的量一定为2 mol
D．淡化过程中易在戊室形成水垢
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