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第八章　化学反应与能量
微点突破8　隔膜(离子交换膜)在电化学装置中的应用
1．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)能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
2．离子交换膜的类型
(1)阳离子交换膜(简称阳膜)：只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过。
(2)阴离子交换膜(简称阴膜)：只允许阴离子通过，阻止阳离子和气体通过。
(3)质子交换膜：只允许质子(H＋)通过，不允许其他阳离子或阴离子通过。
(4)双极膜：特种离子交换膜，它是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－并分别通过阳膜和阴膜，作为H＋和OH－离子源。
3．三类交换膜应用实例
种类 装置图 说明
阳离子交换膜 锌铜原电池 ①负极反应式：
Zn－2e－===Zn2+
②正极反应式：Cu2+＋2e－===Cu
③Zn2+通过阳离子交换膜进入正极区
④阳离子：透过阳离子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极)
种类 装置图 说明
阴离子交换膜 以Pt为电极电解淀粉-KI溶液，中间用阴离子交换膜隔开 ①阴极反应式：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
②阳极反应式：2I－－2e－===I2
③阴极产生的OH－移向阳极与阳极产物反应：3I2＋6OH－===＋5I－＋3H2O
④阴离子：透过阴离子交换膜→电解池阳极(或原电池的负极)
种类 装置图 说明
质子交 换膜 在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH)，可获得清洁能源H2 ①阴极反应式：2H＋＋2e－===H2↑
②阳极反应式：CH3COOH－8e－＋2H2O===2CO2↑＋8H＋
③阳极产生的H＋通过质子交换膜移向阴极
④H＋：透过质子交换膜→电解池的阴极
(或原电池正极)
种类 装置图 说明
双极膜 利用双极膜组合电解法模拟海水淡化 ①阴极反应式：2H＋＋2e－===H2↑
②阳极反应式：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O
③总反应为2H2O2H2↑＋O2↑
④离子移动方向如左图所示
1．Li-O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好应用前景。近年来，科学家研究了一种光照充电Li-O2电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子(e－)和空穴(h＋)，驱动阴极反应(Li＋＋e－===Li)和阳极反应(Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是(　　)
√
A．充电时，电池的总反应为Li2O2===2Li＋O2
B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C．放电时，Li＋从正极穿过离子交换膜向负极迁移
D．放电时，正极发生反应O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2
C　[充电时为电解池，由题目信息知，光照时，光催化电极产生电子(e－)和空穴(h＋)，电子通过外电路转移到锂电极发生反应Li＋＋e－===Li，光催化电极上发生反应Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2，总反应为Li2O2===2Li＋O2，因此充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，A、B项正确；放电时，阳离子移向正极，因此放电时，Li＋从负极穿过离子交换膜向正极迁移，C项错误；放电时，正极发生还原反应，其电极反应式为O2＋2e－＋2Li＋===Li2O2，D项正确。]
2．科学家发明了一种Mg-PbO2电池，电解质为Na2SO4、H2SO4、NaOH，通过M和N两种离子交换膜将电解质溶液隔开，形成A、B、C三个电解质溶液区域(已知：a>b)，装置如图。下列说法不正确的是(　　)
A．Na＋通过M膜移向B区，离子
交换膜N为阴离子交换膜
B．B区域的电解质浓度逐渐减小
C．放电时，Mg电极反应为Mg＋
2OH－－2e－===Mg(OH)2
D．消耗2.4 g Mg时，C区域电解质溶液减少16.0 g
√
B　[由图和题给信息可知，Mg电极为原电池的负极，A区溶液应为NaOH溶液，碱性条件下镁失去电子生成氢氧化镁，电极反应式为Mg＋2OH－－2e－===Mg(OH)2，A区溶液中OH－浓度减小，则Na＋通过阳离子交换膜M进入B区。PbO2为正极，酸性条件下PbO2在正极发生还原反应生成PbSO4，电极反应为＋2e－===PbSO4＋2H2O，C区溶液中消耗H＋的物质的量为的4倍，则溶液中通过阴离子交换膜进入B区，则B区中Na2SO4溶液的浓度增大，故A、C正确，B错误；原电池工作时，消耗2.4 g Mg时，转移电子×2＝0.2 mol，C区放电消耗0.4 mol H＋、，同时有移向B区，相当于溶液中减少0.2 mol H2SO4，同时生成0.2 mol H2O，则C区实际减少质量为0.2 mol×98 g·mol-1－0.2 mol×18 g·mol-1＝16.0 g，故D正确。]
3．硼酸(H3BO3)可以通过电解NaB(OH)4溶液的方法制备，工作原理如图所示。下列有关表述错误的是(　　)
A．M室的电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
B．N室中，进口和出口的溶液浓度大小关系为a%C．b膜为阴离子交换膜，产品室发生反应为H＋＋[B(OH)4]－===H3BO3＋H2O
D．理论上每生成1 mol H3BO3，阴极室可生成5.6 L(标准状况)气体
√
D　[由题意知，通过电解NaB(OH)4溶液的方法制备硼酸，左边为阳极室，右边为阴极室。阳极上水失电子生成O2和H＋，所以a膜为阳离子交换膜、b膜为阴离子交换膜，产品室发生反应为===H3BO3＋H2O；阴极上水得电子生成H2和OH－，c膜为阳离子交换膜，所以电解后氢氧化钠溶液的浓度变大。M室发生的电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，A项正确；N室中，进口和出口的溶液浓度大小关系为a%4．(2025·金丽衢十二校高三第一次联考)电化学合成氨进一步提高了人类合成氨的产量。现采用双极膜(H2O解离出H＋、OH－分别移至两极室溶液)，通过电解KNO3溶液制取氨，该装置的工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．电极b接电源的负极
B．电解一段时间后Ⅰ室的pH增大
C．双极膜中H2O解离出的H＋向电极b极移动
D．理论上电极a与电极b上产生的气体的物质的量之比为2∶1
√
B　[该装置为电解池装置，Ⅰ室中电极a发生电极反应：＋8e－＋9H＋===NH3↑＋3H2O，为电解池阴极，则Ⅱ室中电极b为电解池阳极，发生电极反应：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。根据分析可知，电极b为阳极，应与电源正极相连，A错误；Ⅰ室中电极a发生电极反应：＋8e－＋9H＋===NH3↑＋3H2O，溶液中氢离子浓度减少，则电解一段时间后Ⅰ室的pH增大，B正确；电解池中阳离子向阴极移动，即双极膜中H2O解离出的H＋向电极a极移动，C错误；结合电极a发生电极反应：＋8e－＋9H＋===NH3↑＋3H2O，电极b发生电极反应：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，根据得失电子守恒可知，电极a与电极b上产生的气体的物质的量之比为1∶2，D错误。]
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