2021届高三化学二轮复习——电化学离子交换膜的分析与应用(有答案和详细解析)

电化学：盐桥与离子交换膜一、盐桥在双液原电池中，用阴、阴离子迁移速率相近的盐制成胶状（通常用琼脂，保证阴、阳离子在其中能自由扩散），要求盐与双液电池中的电解质溶液不发生化学反应，通常可以是KCl、KNO3等，但在电解质溶液中存在还原性强的离子，一般KNO3就不能用(NO3—在有H+时的氧化性)。

2020年全国I卷化学第27(2)题：电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。

盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率(u∝)应尽可能地相近。

根据下表数据，阳离子u∝×108/(m2·S—1·V—1)阴离子u∝×108/(m2·S—1·V—1)Li+ 4.07 HCO3—4.61Na +5.19 NO3—7.40Ca2+6.59 Cl—7.91K+7.62 SO42—8.27K+与Cl—或NO3—，组合Li+与HCO3—。

但Li+与HCO3—的电迁移率(u∝)小且可能反应生成Li2CO3，故不宜选用。

Ca2+与SO42—不仅电迁移率(u∝)差较大且属微溶物质，故不宜选用。

“阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应”，题给的电解质溶液含有Fe2+和，不能选用含HCO3—和NO3—的盐。

综合考虑，只能选用KCl。

二、离子交换膜具有离子选择性透过的聚合物薄膜。

在电化学和电渗领域有广泛的应用。

离子交换膜(有阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜等)不仅可以在电解质溶液中作隔膜，防止某离子或气体通过，保证得到电解产物或提高产物纯度，而且可以包裹住电极防止电极与电解质溶液反应。

（1）在原电池中的应用水溶液锂电池能让Li+通过H2O和H+不能通过的特制聚合物薄膜紧密包裹的金属锂，外层紧密套上锂导电陶瓷（使得金属锂与水隔绝）作电池负极，与锂离子电池的传统正极材料及水溶液构成高能量密度、高能量利用率的电动汽车新型水锂电池。

【辨析】锂电池与锂离子电池是两种不同的电池，但都同属锂系电池。

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。

离子交换膜在电化学中的应用[知识必备]离子交换膜在原电池和电解池中均有较广泛的应用，且常出常新。

1．离子交换膜的功能使离子选择性定向迁移，其目的是平衡整个电解质的离子电荷守恒。

2．交换膜在电化学中的作用(1)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)用于物质的分离、提纯等。

(3)用于制备纯净的物质。

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过阳离子交换膜、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，另外还有特殊离子交换膜，只允许相应的离子通过。

4．离子交换膜类型的判断根据电解质溶液呈电中性的原则，判断膜的类型：(1)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。

(2)根据溶液呈电中性，判断出离子移动的方向，从而确定离子交换膜的类型。

(3)在利用电解原理制备物质时，选择离子交换膜的类型，既要考虑阴、阳极电极反应式，同时也要考虑产品室和原料室在装置图中的位置。

如：利用电解NaB(OH)4溶液制备H3BO3，装置图如下：阳极室放出O2，消耗OH－余出H＋，则H＋应向产品室移动，阴极室放出H2，消耗H＋余出OH－，则原料室中的Na＋应向阴极室移动，B(OH)－4应向产品室移动，所以a膜、c膜为阳离子交换膜、b膜为阴离子交换膜，选择离子交换膜时产品室和原料室的位置也起到关键性的作用。

[例1](2018·全国Ⅰ，节选)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛，生产Na2S2O5通常是由NaHSO3过饱和溶液经结晶脱水制得。

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。

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__________________。

电化学基础1．用小粒径零价铁(ZVI )的电化学腐蚀处理三氯乙烯(23C HCl )，进行水体修复的过程如图所示。

H +、2O 、3NO -等共存物的存在会影响水体修复效果。

定义单位时间内ZVI 释放电子的物质的量为t n ，其中用于有效腐蚀的电子的物质的量为e n 。

下列说法错误的是( )A ．反应①②③④均在正极发生B ．④的电极反应式为342NO 10H 8e NH 3H O -+-+++=+C ．单位时间内，三氯乙烯脱去a mol Cl 时e n a mol =D ．过程中有可能形成()3Fe OH2．近日，我国学者在Science 报道了一种氯离子介导的电化学合成方法，能将乙烯高效清洁、选择性地转化为环氧乙烷，电化学反应的具体过程如图所示。

在电解结束后，将阴、阳极电解液输出混合，便可反应生成环氧乙烷。

下列说法错误的是A ．Ni 电极与电源负极相连B ．工作过程中阴极附近pH 增大C ．电解结束后，输出混合过程前两极电解液KCl 浓度相同D ．该过程的总反应为222CH CH H O =+→2H +3．有机物液流电池因其电化学性能可调控等优点而备受关注。

南京大学研究团队设计了一种水系分散的聚合物微粒“泥浆”电池(图1)。

该电池在充电过程中，聚对苯二酚(图2)被氧化，下列说法错误的是( )A ．放电时，电流由a 电极经外电路流向b 电极B ．充电时，a 电极附近的pH 减小C ．充电时，b 电极的电极反应方程式为+4ne -+4nH +=D．电池中间的隔膜为特殊尺寸半透膜，放电时H+从a极区经过半透膜向b极区迁移4．利用CH4燃料电池电解制备Ca(H2PO4)2并得到副产物NaOH、H2、Cl2，装置如图所示。

下列说法不正确的是( )A．a极反应：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2OB．A、C膜均为阳离子交换膜，B膜为阴离子交换膜C．可用铁电极替换阴极的石墨电极D．a极上通入2.24L甲烷，阳极室Ca2+减少0.4mol5．多伦多大学EdwardSargent教授团队研发了一种将乙烯高效转化为环氧乙烷的电化学合成方法。

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 。

电化学离子交换膜的分析与应用(1)阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)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)。

(2)质子交换膜(只允许H＋和水分子通过)在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH)，可获得清洁能源H2①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→原电池正极(或电解池的阴极)。

(3)阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过)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－===IO－3＋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)。

(4)电渗析法将含A n B m的废水再生为H n B和A(OH)m的原理：已知A为金属活动顺序表H之前的金属，B n－为含氧酸根离子。

类型一 “单膜”电解池1．(2018·全国卷Ⅰ，13)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。

示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：①EDTA-Fe2＋－e－===EDTA-Fe3＋②2EDTA-Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋该装置工作时，下列叙述错误的是()A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2OB．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋SC．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需为酸性答案 C解析 由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴极。

DAY7高考化学之电化学离子交换膜的分析与应用电化学离子交换膜是一种能够选择性地通过离子的膜材料，其在电化学反应和离子传输方面具有重要的分析和应用价值。

本文将从电化学离子交换膜的原理、分析方法和应用方面进行阐述。

首先，电化学离子交换膜的原理是基于离子在电场作用下的迁移特性。

它是由具有离子交换基团的聚合物材料构成的，其中离子交换基团能够选择性地吸附和释放离子。

当在电场存在下，离子交换膜会根据离子的电荷和大小而选择性地通过一些离子，从而实现离子的分离和纯化。

其次，电化学离子交换膜在分析中具有广泛的应用。

其中一种重要的应用是电化学分析，例如电化学法测定溶液中离子浓度和电荷的方法。

通过放置电化学离子交换膜在电化学池中，可以选择性地通过特定离子，然后测量通过离子交换膜的离子电流，进而计算出溶液中的离子浓度。

此外，电化学离子交换膜还可以用于电化学合成、电解制备和阳极保护等过程的离子传输。

此外，电化学离子交换膜还广泛应用于电池、燃料电池、电解池等器件中。

在电池中，电化学离子交换膜作为隔膜起到分隔阳极和阴极的作用，防止电子直接传递而产生短路。

在燃料电池中，离子交换膜则起到将氢离子从阴极传输到阳极，同时阻止氧气与氢离子直接反应的作用。

在电解池中，电化学离子交换膜可以选择性地传输特定离子，实现离子的纯化和分离。

总之，电化学离子交换膜在电化学分析和电化学器件中具有重要的分析和应用价值。

通过选择性地通过离子，它可以实现离子浓度的测定、离子传输的控制和离子分离纯化的目的。

未来，电化学离子交换膜的研究和应用将会越来越受到关注，并在更多领域中得到广泛应用。

2024年高考化学二轮复习讲练测（新教材新高考）离子交换膜的分析与应用目 录1 2【真题研析·规律探寻】 2考点一 “单膜”池 2考点二 “双膜”池 10考点三 “多膜”池 12 【核心提炼·考向探究】 131．隔膜的作用 132．离子交换膜的类型 133．离子交换膜类型的判断 14 【题型特训·命题预测】 15 题型一 “单膜”池 15 题型二 “双膜”池 27 题型三 “多膜”池 32考点一“单膜”池1．(2023•湖北省选择性考试，10)我国科学家设计如图所示的电解池，实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。

该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变，电解生成氢气的速率为x mol·h-1。

下列说法错误的是( )A．b电极反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH-B．离子交换膜为阴离子交换膜C．电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜D．海水为电解池补水的速率为2x mol·h-1【答案】D【解析】由图可知，该装置为电解水制取氢气的装置，a电极与电源正极相连，为电解池的阳极，b电极与电源负极相连，为电解池的阴极，阴极反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，阳极反应为4OH--4e-=O2↑+2H2O，电池总反应为2H2O2H2↑+O2↑。

A项，b电极反应式为b电极为阴极，发生还原反应，电极反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，故A正确；B项，该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH浓度不变，阳极发生的电极反应为4OH--4e-=O2↑+2H2O，为保持OH-离子浓度不变，则阴极产生的OH-离子要通过离子交换膜进入阳极室，即离子交换膜应为阴离子交换摸，故B正确；C项，电解时电解槽中不断有水被消耗，海水中的动能高的水可穿过PTFE膜，为电解池补水，故C正确；D项，由电解总反应可知，每生成1molH2要消耗1molH2O，生成H2的速率为x mol·h-1，则补水的速率也应是x mol·h-1，故D错误；故选D。