2018年高考化学一轮复习热点专题突破系列(五)电化学中“离子交换膜”的应用课件
高中电化学中“离子交换膜”的理解和应用
高中电化学中“离子交换膜”的理解和应用作者：杜雪文来源：《文理导航·教育研究与实践》 2020年第5期浙江省金华市第六中学杜雪文【摘要】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，在电化学的工业生产中应用广泛。
高中教材对于交换膜的介绍非常有限，但在近几年的选考试题中带膜的电化学装置却频频出现，有质子交换膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜等。
如何判断膜的类型，理解膜的作用？本文特选取几道与离子交换膜有关的试题来理解、探究其在解决电化学问题中的应用。
【关键词】交换膜；离子；迁移高中阶段离子交换膜通常分为四种类型：①阳离子交换膜（只允许阳离子和水分子通过，其他的阴离子和气体分子不能通过）；②阴离子交换膜（只允许阴离子和水分子通过，其他的阳离子和气体分子不能通过）；③质子交换膜（只允许氢离子和水分子通过，其他的离子和气体分子都不能通过）。
离子交换膜在电化学工业中应用非常广泛，因此浙江省的选考试题中带离子交换膜的电化学装置备受亲睐。
一、离子交换膜在原电池中的应用离子交换膜可以选择性的通过离子，不仅可以起到平衡电荷、形成闭合回路，还能阻止两极区域的物质直接反应从而提高电池的电流效率。
离子交换膜有盐桥的作用，但又不需要像盐桥一样定时更换或再生，它是盐桥的延伸。
例：某新型水系钠离子电池工作原理如下图所示。
TiO2光电极能使电池在太阳光照下充电，充电时Na2S4转化为Na2S。
下列说法正确的是（）。
A.充电时，太阳能转化为化学能，化学能又转化为电能B.放电时，a为负极C.充电时，阳极的电极反应式为I3--2e-=3I-D.M可以使用阴离子交换膜解析：充电时，太阳能转化为电能，电能又转化为化学能储存起来，A错误；充电时Na2S4转化为Na2S，a为阴极，那么放电时Na2S转化为Na2S4，a为负极，B正确；充电时，阳极发生氧化反应，电极反应式为3I--2e-=I3-，C错误；电池放电时负极区域S2-被氧化，正极区域I3-被还原，只有采用阳离子交换膜才能避免S2-和I3-直接接触，提高电流效率，D错误。
高三化学一轮复习离子交换膜在电化学中的应用课件
阳极的电极反应式为
,阴极产生的物质A的化学式为 H2 。
4CO32- + 2H2O - 4e- =4HCO3- + O2
例3
物质的分离提纯
普通电解精炼铜的方法所制备的铜中仍含杂质，利用下面的双膜(阴离 子交换膜和过滤膜)电解装置可制备高纯度的Cu。下列有关叙述中正确的
是( D)
A．电极a为粗铜，电极b为精铜 B．甲膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区 C．乙膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区 D．当电路中通过1 mol电子时，可生成32 g精铜
小试身手
电解除污
2.用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的NH4+，模拟装置 如图所示。下列说法正确的是( C )
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
学以致用
已知：电流效率＝电路中通过的电子数与消耗负极失去电子总数之比。 现有两个电池Ⅰ、Ⅱ，装置如图所示。
下列说法正确的是( C )
A．Ⅰ和Ⅱ的电池反应不同 B．Ⅰ和Ⅱ的能量转化形式不同 C．Ⅰ的电流效率低于Ⅱ的电流效率 D．放电一段时间后，Ⅰ、Ⅱ中都只含1种溶质
1.分类：
离子交换膜
2.功能：使离子选择性定向迁移，平衡整个溶液的离子浓度或电荷。 隔离某些物质，防止其发生副反应
例2
隔离物质
H3PO2(具有较强还原性)可用电渗析法制备, “四室电渗析法”工作原理如图Z7-11所示。
①写出阳极的电极反应式:
。
②分析产品室可得到H3PO2的原因: 。
高考化学专项突破 离子交换膜在电化学装置中的应用
高考化学专项突破----离子交换膜在电化学装置中的应用一、离子交换膜的功能：使离子有选择性的定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。
二、离子交换膜在电化学中的作用(1)能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触。
防止副反应的发生，避免影响所制取产品的质量；防止引发不安全因素。
(如在电解饱和食盐水中，利用阳离子交换膜，防止阳极产生的Cl2进入阴极室与氢氧化钠反应，导致所制产品不纯；防止与阴极产生的H2混合发生爆炸)。
(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)用于物质的制备、分离、提纯等。
三、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，简称阳膜，只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过；阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，质子交换膜只允许质子(H＋)通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
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。
注意：①反应物相同，不同的交换膜，迁移的离子种类不同。
②同种交换膜，转移相同的电子数，如果离子所带电荷数不同，迁移离子数不同。
③离子迁移依据电荷平衡，而离子数目变化量可能不相等。
四、离子交换膜类型的判断根据电解质溶液呈中性的原则，判断膜的类型。
判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应式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，从而判断出离子移动的方向，进而确定离子交换膜的类型，如电解饱和食盐水时，阴极反应式为2H＋＋2e－=H2↑，则阴极区域破坏水的电离平衡，OH－有剩余，阳极区域的Na＋穿过离子交换膜进入阴极室，与OH－结合生成NaOH，故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。
五、真题再现1、(2019·全国卷Ⅰ)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，示意图如下所示。
高中化学离子交换膜在电化学中的应用微课精品课件
巩固训练
2.利用反应6NO2+8NH3====7N2+12H2O构成电池，既能实现有效消除 氮氧化物的排放，减轻环境污染，又能充分利用化学能，装置如图所
示。下列说法不正确的是( C )
A.电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极 B.为使电池持续放电，离子交换膜选用阴离子交换膜 C.电极A反应式为2NH3-6e-====N2+6H+ D.当有4.48 L NO2(标准状况)被处理时，转移电子为0.8 mol
1.隔离两极区，防止发生副反应
例2：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．
请利用交换膜技术，根据上图框架，设计一个电解
Na2SO4溶液制NaOH溶液和H2SO4溶液的装置，标出进
出物质的化学式(已知E为Na2SO4溶液)：
A膜aO为2
G
阴
离H子2S交O4换膜B （H填2 “C阳”N或aO“H阴”；）．
。
②若电解过程中转移了2mol电子，则膜两侧电解液的质量变化差
(Δm左－Δm右)为 14.4 g。
巩固训练
3.人工肾脏可采用间接电化学方法除去代谢产物中的尿素，原理如下图。
①电源的负极为 B (填“A”或“B”)。
②阳极室中发生的反应依次为
6Cl－－6e－ = 3Cl2↑
、
CO()2＋3Cl2＋H2O = N2＋CO2＋6HC。l
③电解结束后，阴极室溶液的pH与电解前相
比将 不变 ；若两极共收集到气体13.44
三、分离、提纯某些物质
例5: 工业品氢氧化钾溶液中含 有某些含氧酸根杂质，可用离 子交换膜法电解提纯。电解槽 内装有离子交换膜，其工作原理如 图所示。下列说法中不正确的
高考化学电化学专题训练离子交换膜在电化学中的作用(附解析)
高考化学电化学专题训练离子交换膜在电化学中的作用（解析附后）1.NaBH4燃料电池具有电压高、能量密度大等优点。
以该燃料电池为电源电解精炼铜的装置如图所示。
下列说法不正确的是( )A．离子交换膜应为阳离子交换膜，Na＋由左极室向右极室迁移B．该燃料电池的负极反应式为BH－4＋8OH－－8e－===BO－2＋6H2OC．电解池中的电解质溶液可以选择 CuSO4溶液D．每消耗2.24 L O2(标准状况)时，A电极的质量减轻12.8 g2.一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化,其工作原理如图所示,图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示。
下列有关说法不正确的是( )A.Cl-由中间室移向左室B.X气体为CO2C.处理后的含NO3-废水的pH降低D.电路中每通过4 mol电子,产生X气体的体积在标准状况下为22.4 L3.四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH]常用作电子工业清洗剂，以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]为原料，采用电渗析法合成(CH3)4NOH，其工作原理如下图所示(a、b为石墨电板，c、d、e为离子交换膜)，下列说法正确的是（）A. M 为正极B. 制备1mol(CH 3)4NOH ,a 、b 两极共产生0.5mol 气体C. c 、e 均为阳离子交换膜D. b 极电极反应式：2H 2O −4e −=O 2↑+4H +4.利用电化学原理还原CO 2制取ZnC 2O 4的装置如图所示(电解液不参加反应),下列说法正确的是( )A.可用H 2SO 4溶液作电解液B.阳离子交换膜的主要作用是增强导电性C.工作电路中每流过0.02 mol 电子,Zn 电极质量减重0.65 gD.Pb 电极的电极反应式是2CO 2-2e -C 2O 42-5. NaClO 2是重要的消毒剂和漂白剂,可用如图所示装置制备。
下列说法正确的是 ( ) A.电极b 为负极 B.阳极区溶液的pH 增大 C.电极D 的反应式为ClO 2+e -Cl O 2-D.电极E 上生成标准状况下22.4 L 气体时,理论上阴极区溶液质量增加135 g6.如图所示阴阳膜组合电解装置用于循环脱硫，用NaOH 溶液在反应池中吸收尾气中的二氧化硫，将得到的Na 2SO 3溶液进行电解又制得NaOH 。
电化学中“离子交换膜”的应用——专题突破
例3、现有离子交换膜、石墨电极和如图所示 的电解槽，电解KI的淀粉溶液制取KOH，一 段时间后Ⅲ区附近变蓝色，下列叙述中错误
B 的是( )
A.KOH、H2均在Ⅰ区产生; B.图中A为阴离子交换膜; C.Ⅲ区的电极连接电源的正极; D.阴极反应式为2H+ + 2e-= H2↑。
例4、室温时，在FeCl3酸性溶液中加少量锌粒 后，Fe3+立即被还原成Fe2+，组成的原电池装 置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子
B 下列说法错误的是( )
A. 甲中H+透过质子交换膜由左向右移动 B. 乙池中Fe棒应与甲池中的M极相连 C. M极电极反应式：
H2N(CH2)2NH2+4H2O-16e-=2CO2↑+N2↑+16H+ D. 若溶液中减少了0.OlmolCr2O72-，则电路中至少转移了 0.06 mol电子
例12、现在污水治理越来越引起人们的重视，通过膜电池
D.M为阳离子交换膜，A室获得副产品NaOH; 若去掉B室 双极膜，B室产物不变
例8、硼化钒（VB2）-空气电池是目前储电能力最 高的电池，电池示意图如下：该电池工作时的反应 为4VB2＋11O2=4B2O3＋2V2O5。下列说法正确的
D 是( )
A.电极a为电池负极 B.反应过程中溶液的pH升高 C.电池连续反应过程中，选择性透过膜采用阳离 子选择性膜 D.VB2极的电极反应式为：
C 正确的是( )
A.阴极材料可以是Fe,含氧酸根杂质不参与电极反应
B.该电解槽的阳极反应式为4OH--4e-====2H2O+O2↑ C.通电后，该电解槽阴极附近溶液的pH会逐渐减小 D.除去杂质后，氢氧化钾溶液从出口B导出来
高中化学离子交换膜在电化学中的应用学案
I II III a b + － 离子交换膜在电化学中的应用新洲一中阳逻校区高二化学组在近几年高考中，涉及离子交换膜的试题比较多，且常考常新。
离子交换膜是一种含有离子基团的、对溶液中的离子具有选择透过能力的高分子膜，也称为离子选择透过性膜。
1.常见的离子交换膜:根据透过的微粒，离子交换膜可以分为多种，在高中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。
2.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_______________________）。
例题1：下图电解装置可用于制备烧碱，a 、b 均为离子交换膜，Ⅱ区加入NaCl 溶液，则下列叙述中错误的是（ ）A.NaOH 、H 2均在Ⅰ区产生B.图中a 为阴离子交换膜C.使用离子交换膜可以有效地隔离NaOH 和Cl 2，阻止二者之间的反应D.电解时往Ⅲ区的溶液中滴加几滴甲基橙，溶液先变红后褪色例2：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．请利用交换膜技术，根据上图框架，设计一个电解Na 2SO 4溶液制取NaOH 和H 2SO 4的装置，标出下列物质的化学式(已知E 为Na 2SO 4溶液)：A G ；B C ；膜a 为 离子交换膜（填“阳”或“阴”）．例题:3：加碘食盐中含有碘酸钾(KIO 3)，现以电解法制备碘酸钾，实验装置如图所示。
先将一定量的碘溶于过量氢氧化钾溶液，发生反应：3I 2+6KOH=5KI+KIO 3+3H 2O ，将反应后的溶液加入阳极区，另将氢氧化钾溶液加入阴极区，开始电解。
下列说法中正确的是（ ）A ．电解过程中OH -从a 极区通过离子交换膜c 进入b 极区B ．c 为阳离子交换膜C ．a 电极反应式：I --6e -+6OH -= IO 3-+3H 2O ，a 极区的KI 最终转变为KIO 3D ．当阳极有0.1mol I -放电时，阴极生成6.72LH 2例题4: H 3PO 2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__________________。
专题突破 ——电化学中“离子交换膜”的应用
例15、【2016浙江卷】金属（M）–空气电池（如图）具有原料易
得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源。
该类电池放电的总反应方程式为：4M +nO2 + 2nH2O == 4M(OH)n 已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放
出的最大电能。下列说法不正确的是(
A.该原电池的正极反应是Zn-2e-====Zn2+； B.电池工作一段时间后，甲池的c(Cl-)增大； C.一段时间后，乙池中溶液的红色逐渐褪去； D.石墨电极上发生氧化反应。
例5、工业品氢氧化钾溶液中含有某些含氧酸根杂 质，可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳 离子交换膜，其工作原理如图所示。下列说法中不原 Nhomakorabea是。
阳极产生O2，pH减小，HCO3-浓度降低；K+部分迁
移至阴极区。
例18、【2020新课标1卷】焦亚硫酸钠（Na2S2O5） 在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。回 答下列问题：
制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如 图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。
电流从右侧电极经过负载后流向左
01
侧电极；
为使电池持续放电，离子交换膜选
02
用阴离子交换膜；
电极A反应式为2NH3-6e-
03
====N2+6H+；
当有4.48 L NO2(标准状况)被处
04
理时，转移电子为0.8 mol。
例3、现有离子交换膜、石墨电极和如图所示 的电解槽，电解KI的淀粉溶液制取KOH，一 段时间后Ⅲ区附近变蓝色，下列叙述中错误
一．阳离子交换膜只允许阳离子通过， 阻止阴离子和气体通过；
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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。
【解析】选A。根据碳元素的化合价的变化，二氧化碳 中碳元素的化合价为最高价+4价，所以生成二氧化碳 的反应为氧化反应，应在负极生成，其电极反应式应 为C6H12O6+6H2O-24e-====24H++6CO2↑，A错误；在微生 物的作用下，该装置为原电池装置，反应速率比化学 反应速率快，所以微生物促进了反应的发生，B正确； 原电池中阳离子(质子)向正极移动，C正确；电池的总 反应实质是葡萄糖的氧化反应，D正确。
3.现有离子交换膜、石墨电极和如图所示的电解槽， 电解KI的淀粉溶液制取KOH，一段时间后Ⅲ区附近变蓝 色，下列叙述中错误的是( )
A.KOH、H2均在Ⅰ区产生 B.图中A为阴离子交换膜 C.Ⅲ区的电极连接电源的正极 D.阴极反应式为2H++2e-====H2↑
【解析】选B。电解KI淀粉溶液类似电解饱和食盐水， Ⅲ区变蓝色，生成I2为阳极，连接电源的正极，KOH、 H2均在阴极区产生，A、C正确；Ⅰ区H+放电，KOH在此 生成，图中A能让K+通过，为阳离子交换膜，B错误；
【解析】选C。该电池的总反应为Zn+2Fe3+====2Fe2++ Zn2+，Zn为负极，电极反应为Zn-2e-====Zn2+，A错误； 阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，两池中 c(Cl-)不变，B错误；由于乙池中的Fe3+被还原为Fe2+，
所以乙池中溶液的红色逐渐褪去，C正确；石墨电极为
热点专题突破系列（五）
电化学中“离子Βιβλιοθήκη 换膜”的应用【透视热点考情】
在近几年高考中，涉及离子交换膜的试题比较多，且 常考常新。其考情如下：
命题点
阳离子交换膜 阴离子交换膜 质子交换膜
五年考情
2016·乙·T11，2014·乙·T27， 2013·甲·T13 2016·乙·T11，2014·乙·T27 2015·乙·T11
【高考模拟预测】 1.(2015·乙卷)微生物电池是指在微生物的作用下将化 学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列 有关微生物电池的说法错误的是( )
世纪金榜导学号30682099
A.正极反应中有CO2生成 B.微生物促进了反应中电子的转移 C.质子通过交换膜从负极区移向正极区 D.电池总反应为C6H12O6+6O2====6CO2+6H2O
2.(2017·洛阳模拟)利用反应6NO2+8NH3====7N2+12H2O 构成电池，既能实现有效消除氮氧化物的排放，减轻 环境污染，又能充分利用化学能，装置如图所示。下 列说法不正确的是( )
A.电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极 B.为使电池持续放电，离子交换膜选用阴离子交换膜 C.电极A反应式为2NH3-6e-====N2+6H+ D.当有4.48 L NO2(标准状况)被处理时，转移电子为
【解析】选C。电解池反应的实质是电解水，阴极反应 是2H++2e-====H2↑，pH增大，A正确，C错误；阳极反 应是4OH--4e-====2H2O+O2↑，B正确；K+通过阳离子交 换膜流向阴极与产生的OH-结合，以KOH溶液的形式从
出口B导出，D正确。
【备考必记必会】 离子交换膜是一种含有离子基团的、对溶液中的离子 具有选择透过能力的高分子膜，也称为离子选择透过 性膜。
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。
0.8 mol
【解析】选C。根据化学方程式判断，氨气发生氧化反 应，电极A是负极，电极B是正极，电流从右侧电极经 过负载后流向左侧电极，A正确；因电解质溶液为碱性， NH3失去电子与OH-结合，电极A反应式为2NH3-6e-+6OH====N2+6H2O，则该离子交换膜应允许OH-通过，是阴离 子交换膜，B正确，C错误；4.48L标准状况下的NO2是 0.2 mol，N的化合价从+4价降到0价，转移电子为0.2 mol×4=0.8 mol，D正确。
阴极是H+放电，发生2H++2e-====H2↑，D正确。
4.(2017·宜春模拟)室温时，在FeCl3酸性溶液中加少 量锌粒后，Fe3+立即被还原成Fe2+，组成的原电池装置 如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子 通过，下列有关叙述正确的是( )
A.该原电池的正极反应是Zn-2e-====Zn2+ B.电池工作一段时间后，甲池的c(Cl-)增大 C.一段时间后，乙池中溶液的红色逐渐褪去 D.石墨电极上发生氧化反应
正极，得电子，发生还原反应，D错误。
【加固训练】 (2017·唐山模拟)工业品氢氧化钾溶液中含有某些含氧 酸根杂质，可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装 有阳离子交换膜，其工作原理如图所示。下列说法中
不正确的是(
)
A.阴极材料可以是Fe，含氧酸根杂质不参与电极反应 B.该电解槽的阳极反应式为4OH--4e-====2H2O+O2↑ C.通电后，该电解槽阴极附近溶液的pH会逐渐减小 D.除去杂质后，氢氧化钾溶液从出口B导出来