资源简介

拓展专题11　离子交换膜在电化学中的应用
1.离子交换膜的分类及其特点
提醒：①阳离子通过阳离子交换膜移向原电池的正极或电解池的阴极。
②阴离子通过阴离子交换膜移向原电池的负极或电解池的阳极。
③通过交换膜的离子带的电荷数等于外电路转移的电子数。
2.离子交换膜的作用
（1）能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。
（2）能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3.离子交换膜的应用
（1）用于物质的制备：通过隔膜在阴、阳极分别制备特定物质。
（2）用于物质的分离与提纯。
（3）用于污水处理。
【典题示例】 高铁酸钠（Na2FeO4）是一种新型绿色水处理剂。工业上可用电解浓NaOH溶液制备Na2FeO4，其工作原理如图所示，两端隔室中离子不能进入中间隔室。下列说法错误的是（　　）
A.阳极反应为Fe－6e－＋8OH－Fe＋4H2O
B.甲溶液可循环利用
C.离子交换膜a是阴离子交换膜
D.当电路中通过2 mol电子的电量时，会有1 mol H2生成
解析：C　阳极发生氧化反应，电极反应为Fe－6e－＋8OH－Fe＋4H2O，A项正确，阴极发生还原反应，水电离出的氢离子放电生成氢气，甲溶液为浓的氢氧化钠溶液，可循环利用，B项正确；电解池中阳离子向阴极移动，通过离子交换膜a的是Na＋，故离子交换膜a为阳离子交换膜，C项错误；阴极发生还原反应，电极反应为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，当电路中通过2 mol电子的电量时，会有1 mol H2生成，D项正确。
归纳总结
离子交换膜类型的判断
（1）根据电解质溶液呈电中性的原则，结合要制备的物质或避免发生的副反应，判断交换膜的类型。
（2）判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应确定该电极附近哪种离子剩余，因该电极附近溶液呈电中性，结合题意判断出离子移动的方向，进而确定交换膜的类型。
（一）利用离子交换膜制备物质
1.（2025·南平高二期中）Co是磁性合金的重要材料，也是维生素重要的组成元素。工业上可用如下装置制取单质Co并获得副产品盐酸（A膜、B膜均为离子交换膜）：
下列说法正确的是（　　）
A.通电一段时间后，阳极室pH不变
B.A膜为阳离子交换膜，B膜为阴离子交换膜
C.若产品室Δn（HCl）＝0.2 mol，将有0.2 mol e－流入石墨电极
D.若以铅酸蓄电池为电源，则Co电极应与PbO2电极相连接
解析：B　由题图可知，Co为阴极，电极反应式为Co2＋＋2e－Co，溶液中Cl－穿过B膜进入HCl（aq）产品室，石墨为阳极，电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，生成的H＋穿过A膜进入HCl（aq）产品室。阳极反应为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，假设转移4 mol电子，生成4 mol H＋，同时有4 mol H＋穿过A膜进入HCl（aq）产品室，但阳极室中水的量减少，硫酸浓度增大，溶液的pH将减小，A错误；H＋穿过A膜，A膜为阳离子交换膜，B膜为阴离子交换膜，B正确；若产品室Δn（HCl）＝0.2 mol，则有0.2 mol Cl－透过B膜进入HCl（aq）产品室，整个电路转移0.2 mol e－，但石墨电极是阳极，是电子流出的电极，即有0.2 mol e－流出石墨电极，C错误；Co电极为阴极，充电时，与铅酸蓄电池负极相连，应连接铅酸蓄电池的Pb电极，D错误。
2.（2025·佛山高二检测）利用多膜装置通过电解法可以制备KNO3，同时获得一定的副产品，其电解装置如图所示。下列说法正确的是（　　）
A.Y膜为阳离子交换膜
B.阴极室溶液中OH－浓度逐渐降低
C.理论上每生成标准状况下22.4 L Cl2，阳极室内溶液质量减少149 g
D.理论上每生成1 mol Cl2，阴极室溶液质量增加46 g
解析：C　阳极室电极反应：2Cl－－2e－Cl2↑；阴极室电极反应：2H2O＋2e－2OH－＋H2↑。电解法可以制备KNO3，根据图示，阳极室中的K＋进入KNO3溶液，NaNO3溶液中N进入KNO3溶液，NaNO3溶液中的Na＋进入阴极室生成氢氧化钠。NaNO3中N通过Y膜向左移生成KNO3，Y膜为阴离子交换膜，A错误；阴极室发生反应2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，NaNO3溶液中Na＋进入阴极室生成NaOH，B错误；生成标准状况下22.4 L Cl2时，转移2 mol电子，同时有2 mol K＋移向KNO3溶液，则阳极室内减少2 mol KCl，即溶液质量减少149 g，C正确；生成1 mol Cl2时，转移2 mol电子，阴极室内生成1 mol H2但补充了2 mol Na＋，因此阴极室溶液质量增加44 g，D错误。
（二）利用离子交换膜分离或提纯物质
3.电解法常用于分离提纯物质，某混合物浆液含Al（OH）3、MnO2和少量Na2CrO4。考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出，某研究小组利用设计的电解分离装置（如图），使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液进行回收利用（已知：2Cr＋2H＋Cr2＋H2O）。下列说法错误的是（　　）
A.阴极室生成的物质为NaOH和H2
B.阳极发生的电极反应是2H2O－4e－4H＋＋O2↑
C.a离子交换膜为阳离子交换膜
D.当外电路中转移2 mol电子时，阳极室可生成1 mol Cr2
解析：D　电解时，阳极上水电离出的氢氧根离子放电：2H2O－4e－O2↑＋4H＋，故Cr通过阴离子交换膜向阳极移动，从而从浆液中分离出来，因存在2Cr＋2H＋Cr2＋H2O，则分离后含铬粒子是Cr、Cr2，阴极上水电离出的氢离子放电：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，混合物浆液中的钠离子通过阳离子交换膜进入阴极，故阴极反应生成H2和NaOH。由于生成Cr2的反应为可逆反应，当外电路中转移2 mol电子时，阳极室生成Cr2的物质的量小于1 mol，D错误。
4.用电解法可提纯含有某种含氧酸根离子杂质的粗KOH溶液，其工作原理如图所示。下列有关说法错误的是（　　）
A.阳极反应式为4OH－－4e－2H2O＋O2↑
B.通电后阴极区溶液pH会增大
C.K＋通过阳离子交换膜从阴极区移向阳极区
D.纯净的KOH溶液从b口流出
解析：C　阳极区为粗KOH溶液，阳极上OH－发生氧化反应：4OH－－4e－2H2O＋O2↑，A项正确；阴极上H2O电离的H＋发生还原反应：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，阴极区附近溶液中c（OH－）增大，pH增大，B项正确；电解时阳离子向阴极移动，故K＋通过阳离子交换膜从阳极区移向阴极区，C项错误；阴极区生成KOH，故纯净的KOH溶液从b口流出，D项正确。
（三）利用离子交换膜处理污水
5.用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的N，模拟装置如图所示。下列说法正确的是（　　）
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
D.电解一段时间后，阴极室溶液中的溶质一定是（NH4）3PO4
解析：C　根据装置图可知，阳极的电极反应式为Fe－2e－Fe2＋，溶液由无色变为浅绿色，A项错误；阴极上H＋发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－H2↑，B项错误；根据阴极电极反应可知，阴极消耗H＋，电解一段时间后，阴极室溶液的pH升高，C项正确；电解一段时间后，阴极室溶液pH升高，N与OH－反应生成NH3·H2O，因此阴极室溶液中的溶质除（NH4）3PO4外，还可能有NH3·H2O，D项错误。
6.（2025·厦门高二期中）电解法可以对含亚硝酸盐（如亚硝酸钠）的污水进行处理（工作原理如图所示）。通电后，左极区产生浅绿色溶液，随后生成无色气体。下列说法错误的是（　　）
A.阳极附近溶液中反应的离子方程式为6Fe2＋＋2N＋8H＋6Fe3＋＋N2↑＋4H2O
B.该电解装置所使用的离子交换膜为阳离子交换膜
C.阴极电极反应式为2H＋＋2e－H2↑
D.当阳极（铁电极）质量减轻112 g时，理论上可处理NaNO2含量为4.6％的污水500 g
解析：D　该装置为电解池，左侧铁电极为阳极，右侧铁电极为阴极。阳极为活性电极，铁失电子生成Fe2＋，阳极有N2放出，故阳极附近溶液中反应的离子方程式为6Fe2＋＋2N＋8H＋6Fe3＋＋N2↑＋4H2O，A正确；左侧生成Fe3＋，但是流出的溶液中没有Fe3＋，说明Fe3＋通过阳离子交换膜进入右侧，B正确；阴极有H2放出，电极反应式为2H＋＋2e－H2↑，C正确；当阳极（铁电极）质量减轻112 g（即消耗2 mol Fe）时，据阳极附近溶液中的离子方程式分析，理论上可处理 mol NaNO2，其质量为×69 g＝46 g，则理论上可处理NaNO2含量为4.6％的污水的质量为＝1 000 g，D错误。
（四）离子交换膜与电有机合成
7.科学家设计了一套电解装置，图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移，如图所示。下列叙述错误的是（　　）
A.电极电势：催化电极a＞催化电极b
B.双极膜的右侧是阳离子交换膜
C.阳极反应式为
D.标准状况下，每消耗33.6 L CO2会生成1 mol
解析：D　CO2被还原转化为HCOOH，发生还原反应，催化电极b为阴极（与电源负极相连），催化电极a为阳极，阳极电极电势高于阴极电极电势，A正确；阴极反应式为CO2＋2e－＋2H＋HCOOH，消耗H＋，双极膜中间的H＋会迁移到双极膜右侧的电解池阴极区，即双极膜的右侧是阳离子交换膜，B正确；阳极反应式为＋4H2O，C正确；由阴、阳极反应式可知，标准状况下，消耗33.6 L（即1.5 mol）CO2会转移3 mol电子，则会生成0.5 mol，D错误。
1 / 2拓展专题11　离子交换膜在电化学中的应用
1.离子交换膜的分类及其特点
提醒：①阳离子通过阳离子交换膜移向原电池的正极或电解池的阴极。
②阴离子通过阴离子交换膜移向原电池的负极或电解池的阳极。
③通过交换膜的离子带的电荷数等于外电路转移的电子数。
2.离子交换膜的作用
（1）能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。
（2）能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3.离子交换膜的应用
（1）用于物质的制备：通过隔膜在阴、阳极分别制备特定物质。
（2）用于物质的分离与提纯。
（3）用于污水处理。
【典题示例】 高铁酸钠（Na2FeO4）是一种新型绿色水处理剂。工业上可用电解浓NaOH溶液制备Na2FeO4，其工作原理如图所示，两端隔室中离子不能进入中间隔室。下列说法错误的是（　　）
A.阳极反应为Fe－6e－＋8OH－Fe＋4H2O
B.甲溶液可循环利用
C.离子交换膜a是阴离子交换膜
D.当电路中通过2 mol电子的电量时，会有1 mol H2生成
归纳总结
离子交换膜类型的判断
（1）根据电解质溶液呈电中性的原则，结合要制备的物质或避免发生的副反应，判断交换膜的类型。
（2）判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应确定该电极附近哪种离子剩余，因该电极附近溶液呈电中性，结合题意判断出离子移动的方向，进而确定交换膜的类型。
（一）利用离子交换膜制备物质
1.（2025·南平高二期中）Co是磁性合金的重要材料，也是维生素重要的组成元素。工业上可用如下装置制取单质Co并获得副产品盐酸（A膜、B膜均为离子交换膜）：
下列说法正确的是（　　）
A.通电一段时间后，阳极室pH不变
B.A膜为阳离子交换膜，B膜为阴离子交换膜
C.若产品室Δn（HCl）＝0.2 mol，将有0.2 mol e－流入石墨电极
D.若以铅酸蓄电池为电源，则Co电极应与PbO2电极相连接
2.（2025·佛山高二检测）利用多膜装置通过电解法可以制备KNO3，同时获得一定的副产品，其电解装置如图所示。下列说法正确的是（　　）
A.Y膜为阳离子交换膜
B.阴极室溶液中OH－浓度逐渐降低
C.理论上每生成标准状况下22.4 L Cl2，阳极室内溶液质量减少149 g
D.理论上每生成1 mol Cl2，阴极室溶液质量增加46 g
（二）利用离子交换膜分离或提纯物质
3.电解法常用于分离提纯物质，某混合物浆液含Al（OH）3、MnO2和少量Na2CrO4。考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出，某研究小组利用设计的电解分离装置（如图），使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液进行回收利用（已知：2Cr＋2H＋Cr2＋H2O）。下列说法错误的是（　　）
A.阴极室生成的物质为NaOH和H2
B.阳极发生的电极反应是2H2O－4e－4H＋＋O2↑
C.a离子交换膜为阳离子交换膜
D.当外电路中转移2 mol电子时，阳极室可生成1 mol Cr2
4.用电解法可提纯含有某种含氧酸根离子杂质的粗KOH溶液，其工作原理如图所示。下列有关说法错误的是（　　）
A.阳极反应式为4OH－－4e－2H2O＋O2↑
B.通电后阴极区溶液pH会增大
C.K＋通过阳离子交换膜从阴极区移向阳极区
D.纯净的KOH溶液从b口流出
（三）利用离子交换膜处理污水
5.用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的N，模拟装置如图所示。下列说法正确的是（　　）
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
D.电解一段时间后，阴极室溶液中的溶质一定是（NH4）3PO4
6.（2025·厦门高二期中）电解法可以对含亚硝酸盐（如亚硝酸钠）的污水进行处理（工作原理如图所示）。通电后，左极区产生浅绿色溶液，随后生成无色气体。下列说法错误的是（　　）
A.阳极附近溶液中反应的离子方程式为6Fe2＋＋2N＋8H＋6Fe3＋＋N2↑＋4H2O
B.该电解装置所使用的离子交换膜为阳离子交换膜
C.阴极电极反应式为2H＋＋2e－H2↑
D.当阳极（铁电极）质量减轻112 g时，理论上可处理NaNO2含量为4.6％的污水500 g
（四）离子交换膜与电有机合成
7.科学家设计了一套电解装置，图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移，如图所示。下列叙述错误的是（　　）
A.电极电势：催化电极a＞催化电极b
B.双极膜的右侧是阳离子交换膜
C.阳极反应式为
D.标准状况下，每消耗33.6 L CO2会生成1 mol
4 / 4

展开更多......

收起↑