含离子交换膜电池的应用

摘 要：结合高考题对含离子交换膜电池的应用进行了分析.

关键词：交换膜;离子;电池;高中化学

中图分类号：G632      文献标识码：A      文章编号：1008-0333（2020）10-0092-03

收稿日期：2020-01-05

作者简介：王晓波（1981.4-），男，内蒙古赤峰市人，硕士，中学一级教师，从事高中化学教学研究.

近几年全国卷的高考中，涉及离子交换膜的试题较多，且常考常新.离子交换膜是一种含有离子基团的、对溶液中离子具有选择性透過的高分子膜.根据透过的微粒类型，离子交换膜可以分为多种，在高考试题中，主要出现的是阳离子交换膜（如2018·全国卷ⅠT27、2018·全国卷ⅢT27）、阴离子交换膜和质子交换膜（2018·全国卷ⅠT13、）三种，其功能是在于选择性通过某些离子和阻断某些离子或隔离某些物质，从而制备、分离或提纯某些物质.

一、重难点拨

1.离子交换膜的类型和作用

2.多室电解池

多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为两室、三室、多室等，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的.

（1）两室电解池

①制备原理：工业上利用如图两室电解装置制备烧碱

阳极室中电极反应：2Cl--2e-Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O+2e-H2↑+2OH-，阴极区H+放电，破坏了水的电离平衡，使OH-浓度增大，阳极区Cl-放电，使溶液中的c（Cl-）减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na+通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH-结合，得到浓的NaOH溶液.利用这种方法制备物质，纯度较高，基本没有杂质.

②阳离子交换膜的作用

它只允许Na+通过，而阻止阴离子（Cl-）和气体（Cl2）通过.这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应生成NaClO而影响烧碱的质量.

（2）三室电解池

利用三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如图所示.

阴极的NO被还原为NH+4：NO+5e-+6H+NH+4+H2O，NH+4通过阳离子交换膜进入中间室;阳极的NO被氧化为NO-3：NO-3e-+2H2ONO-3+4H+，NO-3通过阴离子交换膜进入中间室.根据电路中转移电子数相等可得电解总反应：8NO+7H2O通电3NH4NO3+2HNO3，为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3.

（3）多室电解池

利用“四室电渗析法”制备H3PO2（次磷酸），其工作原理如图所示.

电解稀硫酸的阳极反应：2H2O-4e-O2↑+4H+，产生的H+通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2PO-2穿过阴离子交换膜进入产品室，与H+结合生成弱电解质H3PO2;电解NaOH稀溶液的阴极反应：4H2O+4e-2H2↑+4OH-，原料室中的Na+通过阳离子交换膜进入阴极室.

二、考法精析

应用一 用于物质的分离和提纯

典例1 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CO2

C.处理后的含NO-3废水的pH降低

D.电路中每通过4 mol电子，产生标准状况下X气体的体积为22.4 L

解析 该电池中，NO-3得电子发生还原反应，则装置中右边电极是正极，电极反应为2NO-3+10e-+12H+N2↑+6H2O，装置左边电极是负极，负极上有机物失电子发生氧化反应生成X，电极反应C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+.放电时，电解质溶液中阴离子Cl-移向负极室（左室），A项正确;X气体为CO2，B项正确;正极反应为2NO-3+10e-+12H+N2↑+6H2O，H+参加反应导致溶液酸性减弱，溶液的pH增大，C项错误;根据负极电极反应C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+知，电路中每通过4 mol电子，产生标准状况下CO2气体的体积为4 mol24×6×22.4 L·mol-1=22.4 L，D项正确.答案：C

备考方略 含离子交换膜电化学装置题的解题步骤（如图所示）.

应用二 用于物质的制备

类型一 判断离子的迁移方向

典例2 （1）（2018·全国卷Ⅲ节选）KIO3可采用“电解法”制备，装置如图所示.

①写出电解时阴极的电极反应式

.

②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为，其迁移方向是

.

（2）（2018·全国卷Ⅰ节选）制备Na2S2O5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.阳极的电极反应式为.电解后，室的NaHSO3浓度增加.将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5.

解析 （1）①该装置为电解池，电解时阴极电解质为KOH，水中氢离子放电，故电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑;②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为K+，在电解池中离子移动方向为阳离子移向阴极，故K+由a到b.（2）根据题中的图示，左侧为电解池的阳极，右侧为电解池的阴极，离子交换膜均为阳离子交换膜，只允许阳离子通过，阳极的电解质溶液为硫酸，所以阳极的电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑，则阳极的氢离子会透过阳离子交换膜进入a室，与a室中的SO2碱吸收液中含有的Na2SO3发生反应生成NaHSO3，所以a室中的NaHSO3浓度增加.

答案：（1）①2H2O+2e-2OH-+H2↑ ②K+ a到b （2）2H2O-4e-4H++O2↑ a

备考方略 有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法（如图所示）.

类型二 判断离子交换膜的类型

典例3 四室式电渗析法制备盐酸和NaOH的装置如图所示.a、b、c为阴、阳离子交换膜.已知：阴离子交换膜只允许阴离子透过，阳离子交换膜只允许阳离子透过.下列叙述正确的是（  ）.

A.b、c分别依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜

B.通电后Ⅲ室中的Cl-透过c迁移至阳极区

C.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高

D.电池总反应为4NaCl+6H2O通电4NaOH+4HCl+2H2↑+O2↑

解析 由图中信息可知，左边电极与负极相连为阴极，右边电极为阳极，所以通电后，阴离子向右定向移动，阳离子向左定向移动，阳极上H2O放电生成O2和H+，阴极上H2O放电生成H2和OH-;H+透过c，Cl-透过b，二者在b、c之間的Ⅲ室形成盐酸，盐酸浓度变大，所以b、c分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜;Na+透过a，NaOH的浓度变大，所以a也是阳离子交换膜，故A、B两项均错误;电解一段时间后，Ⅰ中的溶液的c（OH-）升高，pH升高，Ⅱ中为NaCl溶液，pH不变，Ⅲ中有HCl生成，故c（H+）增大，pH减小，Ⅳ中H+移向Ⅲ，H2O放电生成O2，使水的量减小，c（H+）增大，pH减小，C不正确.答案：D

备考方略  离子交换膜类型的判断方法：

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.

参考文献：

[1]王晓波.化学反应原理综合应用[J].数理化解题研究，2019（25）：86-87.

[责任编辑：季春阳]