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专题7 离子交换膜在电化学装置中的应用学号姓名1．（2018年11月浙江选考17题）最近，科学家研发了“全氢电池”，其工作原理如图所示。
下列说法不正确．．．的是（）A．右边吸附层中发生了还原反应B．负极的电极反应是H2－2e－＋2OH－＝2H2OC．电池的总反应是2H2 ＋O2＝2H2OD．电解质溶液中Na＋向右移动，ClO4－向左移动2．（2019年高考天津卷6题）我国科学家研制了一种新型的高比能量锌--碘溴液流电池，其工作原理示意图如下。
图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。
下列叙述不正确的是A.放电时，a电极反应为I2Br－+ 2e－=2I－+ Br－B.放电时，溶液中离子的数目增大C.充电时，b 电极每增重0.65 g ，溶液中有0.02mol I －被氧化D.充电时，a 电极接外电源负极3．（2019 年全国卷 I 12) 利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV 2+/MV +在电极与酶之间传递电子，下列说法错误的是 A ．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能B ．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H 2 + 2MV 2+ = 2H + + 2MV +C ．正极区，固氮酶为催化剂，N 2发生还原反应生成NH 3D ．电池工作时，质子通过交换膜由负极区向正极区移动4．（2016年全国卷 I 11）三室式电渗析法处理含 Na 2SO 4 废水的原理如图3所示，采用惰性电极，ab 、cd 均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na ＋和SO 42－可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室．下列叙述正确的是(B )A ．通电后中间隔室的SO 42－向正极迁移，正极区溶液pH 增大B ．该法在处理含Na 2SO 4。
废水时可以得到NaOH 和H 2SO 4产品C ．负极反应为2H 2O － 4e - = O 2＋ 4H ＋，负极区溶液pH 降低D ．当电路中通过1mol 电子的电量时，会有0.5 mol 的O 2生成5．（2018年全国卷Ⅰ 27节选）焦亚硫酸钠(Na 2S 2O 5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应有广泛，加答下列问题：MV +MV 2+N 2 NH 3H 2 H + MV + MV 2+ 电极 电 极氢化酶 固氮酶 2SO 4负极区正极区浓Na 2SO 4溶液a bc d ＋－⑶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Na2SO3和NaHSO3。
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。
专题突破(六)“隔膜”在电化学中的应用“隔膜”又叫离子交换膜，在新型化学电源或电解池中有广泛的应用，高考试题中经常出现带有“隔膜”的电化学装置，此类试题源于最新科研成果或化工生产实际，使高考试题情境更加真实，要求考生在复杂的电化学情境中对必备知识和关键能力进行综合运用，体现《中国高考评价体系》关于学习掌握、实践探索、思维方法等学科素养的考查，要求考生运用学科相关能力，高质量地认识电化学问题，分析并解决问题。
1．常见离子交换膜的种类离子交换膜由高分子特殊材料制成，通常分三类：(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
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)能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
应用示例：用下图装置电解饱和食盐水，其中阳离子交换膜的作用：①平衡电荷，形成闭合回路；②防止Cl2和H2混合而引起爆炸；③避免Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量；④避免Cl－进入阴极区导致制得的NaOH不纯。
3．离子交换膜选择的依据依据电极反应及电解质溶液中离子的定向移动进行选择。
4．离子交换膜的应用应用燃料电池海水淡化——阴、阳离子交换膜（电渗法）物质制备氯碱工业——离子交换膜电解槽(2021·黔东南州检测)二甲醚(CH3OCH3)燃料电池的工作原理如图，下列有关叙述正确的是( )A ．该装置能实现化学能100%转化为电能B ．电子移动方向为a 极→b 极→质子交换膜→a 极C ．a 电极的电极反应式为CH 3OCH 3＋3H 2O ＋12e －===2CO 2＋12H ＋D ．当b 电极消耗标准状况下22.4 L O 2时，质子交换膜有4 mol H ＋通过D [化学能转化为热能和电能，不可能100%转化为电能，A 项错误；电子不能经过电解质溶液，则电子由a 极――→导线b 极，B 项错误；a 为负极，发生氧化反应，电极反应式为CH 3OCH 3－12e －＋3H 2O===2CO 2＋12H ＋，C 项错误；当b 电极消耗标准状况下22.4 L O 2时， 电路中通过4 mol e －，结合b 电极反应式(O 2＋4H ＋＋4e －===2H 2O)可知，反应消耗4 mol H ＋，为维持电解质溶液呈电中性，应有4 mol H ＋通过质子交换膜，D 项正确。
题型专攻(五)电化学离子交换膜的分析与应用类型一“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：①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋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EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，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。
阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高，C项错误；由题图可知，电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，A项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B项正确；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D项正确。
2．[2018·全国卷Ⅲ，27(3)①②]KIO3也可采用“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____________。
答案①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑②K＋由电极a到电极b解析①电解液是KOH溶液，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。
②电解过程中阳极反应为I－＋6OH－－6e－===IO－3＋3H2O。
专项突破(十三) 隔膜在电化学装置中的应用1．隔膜的分类隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。
离子交换膜分三类：(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
2．隔膜的作用(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。
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。
[典例导航](2016·全国卷Ⅰ，T11)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na ＋和SO2－4可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。
下列叙述正确的是()A．通电后中间隔室的SO2－4向正极迁移，正极区溶液pH增大B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品C．负极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，负极区溶液pH降低D．当电路中通过 1 mol电子的电量时，会有0.5 mol的O2生成[思路点拨]直流电场作用→图中的“－”极和“＋”极就是阴极和阳极――――――――――――――→根据电解时，阳离子移向阴极阴离子移向阳极SO 2－4移向“＋”极，Na ＋移向“－”极―→ab 为阳离子交换膜，cd 为阴离子交换膜―→“－”极反应为2H ＋＋2e －===H 2↑，pH 增大；“＋”极反应为4OH －－4e －===O 2↑＋2H 2O ，pH 减小。
答案：B(1)ab 为________________(填“阴”或“阳”，下同)离子交换膜，cd 为________离子交换膜。
第三篇化学反应与能量专项23 膜在电化学中的应用近年来，新型电化学装置中的“膜”层出不穷，高考试题中往往以此为契入点，考查电化学基础知识。
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。
因为一般在应用时主要是利用它透过的离子，所以也称为离子选择透过性膜。
隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。
离子交换膜分三类：(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过；(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过；(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
隔膜的作用：(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)能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
真题回顾1．(2022•全国甲卷)一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH) 42-存在)。
电池放电时，下列叙述错误的是( )A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅱ区迁移B．Ⅱ区的SO42-通过隔膜向Ⅱ区迁移C．MnO2电极反应：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2OD．电池总反应：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH) 42-+Mn2++2H2O【答案】A【解析】根据图示的电池结构和题目所给信息可知，Ⅱ区Zn为电池的负极，电极反应为Zn-2e-+4OH-=Zn(OH) 42-，Ⅱ区MnO2为电池的正极，电极反应为MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O；电池在工作过程中，由于两个离子选择隔膜没有指明的阳离子隔膜还是阴离子隔膜，故两个离子隔膜均可以通过阴、阳离子，因此可以得到Ⅱ区消耗H+，生成Mn2+，Ⅱ区的K+向Ⅱ区移动或Ⅱ区的SO42-向Ⅱ区移动，Ⅱ区消耗OH-，生成Zn(OH) 42-，Ⅱ区的SO42-向Ⅱ区移动或Ⅱ区的K+向Ⅱ区移动。
A项，Ⅱ区的K+只能向Ⅱ区移动，A错误；B项，Ⅱ区的SO42-向Ⅱ区移动，B正确；C项，MnO2电极的电极反应式为MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O，C正确；D项，电池的总反应为Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH) 42-+Mn2++2H2O，D正确；故选A。
“离子交换膜”在电化学中的应用作者：魏春明来源：《理科考试研究·高中》2018年第10期摘要：“离子交换膜”在电化学中的应用是近年来高考的热点题型。
本文对常见的几种交换膜进行了总结，并对涉及到的计算难点进行归纳小结.关键词：电化学；离子交换膜；高考作者简介：魏春明（1982-），女，湖北宜都人，本科，中学一级教师，研究方向：高中化学教学.对比近两年考纲，笔者发现在电化学这一块，对原电池和电解池的考查要求提高了很多.由原来的“了解原电池和电解池的工作原理及应用，能写出电极反应和总反应方程式.”改为“理解原电池和电解池的构成、工作原理及应用，能写出电极反应和总反应方程式.”从字面上来看虽然只是由“了解”变为“理解”，但是意义却明显不同，因为理解是要领会所学化学知识的含义及其适用条件，能够正确判断、解释和说明有关化学现象和问题，能“知其然”，还能“知其所以然”.而近几年全国卷高考电化学装置一般都带有离子交换膜，此类题目新颖度高，学生常因理不清交换膜与阴、阳离子移动方向的关系而出现错误.一、离子交换膜的定义及分类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.因为一般在应用时主要是利用它的离子选择性透过，所以也称为离子选择性透过膜.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以下三种：（1）阳离子交换膜：阳离子交换膜有很多微孔，孔道上有许多带负电荷的基团，阳离子可以自由通过孔道，即通过交换膜，而阴离子移动到孔道处时受到孔道带负电荷基团的排斥而不能进入，因而不能通过交换膜.（2）质子交换膜：质子交换膜是阳离子交换膜的特例，仅允许质子（H+）通过，其他离子不能通过.（3）阴离子交换膜：阴离子交换膜有很多微孔，孔道上有许多带正电荷的基团，阴离子可以自由通过孔道，即通过交换膜，而阳离子移动到孔道处时受到孔道带正电荷基团的排斥而不能进入，因而不能通过交换膜.二、离子交换膜的作用（1）隔离某些物质防止发生反应.（2）用于物质的制备.（3）物质的分离、提纯.三、常考题型（1）使用阳离子交换膜的电化学装置例1 （2015上海卷，五）氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制取氯气、氢气、烧碱和氯的含氧酸盐等系列化工产品.上图是离子交换膜法电解食盐水的示意图，图中的离子交换膜只允许阳离子通过.完成下列填空：①写出电解饱和食盐水的离子方程式.②离子交换膜的作用为：、.③精制饱和食盐水从图中位置补充，氢氧化钠溶液从图中位置流出.（选填“a”“b”“c”或“d”）答案①2Cl-+2H2O通电Cl2↑+H2↑+2OH-.②阻止OH-进入阳极室，与Cl2发生副反应：2NaOH+Cl2NaCl+NaClO+H2O；阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸.③a；d.解析①离子交换膜的加入不会改变反应原理，所以溶液中的阳离子H+在阴极得到电子变为H2，阴离子Cl-在阳极失去电子生成Cl2，反应的离子方程式是2Cl-+2H2O通电Cl2↑+H2↑+2OH-②图中的是阳离子交换膜，仅允许阳离子通过，这样就可以阻止阴极区溶液中的OH-进入阳极室，避免与氯气发生反应.同时隔离Cl 2 和H2，阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸.③随着电解的进行，溶质NaCl不断被消耗，所以应该及时补充.Cl-在阳极放电，故精制饱和食盐水从与阳极连接的图中a位置补充，在阴极，水电离出的H+不断放电，留下大量的OH-，与通过阳离子交换膜的Na+结合，形成NaOH，从图中d位置流出.水不断消耗，所以从b口不断加入蒸馏水，为增强溶液可换成稀NaOH溶液，从c位置流出的是稀NaCl溶液.（2）使用质子交换膜的电化学装置例2 （2015新课标I卷，11）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C6H12O6+6O26CO2+6H2O答案 A解析根据微生物电池工作原理示意图可知：可类比酸性环境下的燃料电池，C6H12O6在负极上发生氧化反应；O2在正极上发生还原反应，负极有CO2生成，A项错误；B项，由题干信息在微生物的作用下将化学能转化为电能可知，正确；C项，质子通过交换膜从负极区移向正极区，正确；D项，电池总反应为C6H12O6+6O26CO2+6H2O，正确.（3）使用阴离子交换膜的电化学装置例3 （2017·洛阳模拟）利用反应：6NO2+8NH37N2+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448 L NO2（标准状况）被处理时，转移电子为08 mol答案 C解析由总反应可知NO2发生还原反应，作正极，故电流的流向由右到左， A项正确；正极发生还原反应6NO2+12H2O+24e-3N2+24OH-，负极发生氧化反应8NH3+24OH--24e-4N2+12H2O正极区溶液中阴离子增多，负极区溶液中阴离子减少，故向OH-正极迁移，选择阴离子交换膜，B正确；C选项可直接看介质的酸碱性，在碱性环境下不能出现氢离子，C错误.D选项可直接由总反应进行分析.（4）阴、阳离子交换膜共用的电化学装置例4 用NaOH溶液吸收烟气中的SO2，将所得的Na2SO3溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H2SO4，其原理如图4所示（电极材料为石墨）.①图中a极要连接电源的（填“正”或“负”）极，C口流出的物质是.②SO2-3放电的电极反应式为.③电解过程中阴极区碱性明显增强，用平衡移动原理解释原因.答案①负硫酸②SO2-3-2e-+H2OSO2-4+2H+③在阴极水电离出的H+放电生成H2，c（H+）减小，水的电离平衡正向移动，碱性增强解析根据Na+、SO2-3的移向判断阴、阳极.Na+移向阴极区，a应接电源负极，b应接电源正极，其电极反应式分别为阳极：SO2-3-2e-+H2OSO2-4+2H+；阴极：2H++2e-H2↑.所以从C口流出的是H2SO4，在阴极区，由于H+放电，破坏水的电离平衡，c（H+）减小，c（OH-）增大，生成NaOH，碱性增强，从B口流出的是浓度较大的NaOH溶液.（5）与离子交换膜有关的计算例5 （2017·湖北宜昌调研）以铅蓄电池为电源，石墨为电极电解CuSO4溶液，装置如图5.若一段时间后Y电极上有64 g红色物质析出，停止电解.下列说法正确的是（）A.a为铅蓄电池的负极B.电解过程中SO2-4向右侧移动C.电解结束时，左侧溶液质量增重8 gD.铅蓄电池工作时正极电极反应式为：PbSO4+2e-Pb+SO2-4答案 C解析 Y极有Cu析出，发生还原反应，Y极为阴极，故b为负极，a为正极，A错误；电解过程中阴离子向阳极移动，B错误；阴极反应式为Cu2++2e-Cu，阳极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O，当有64 g Cu析出时，转移02 mol e-，左侧生成16 g O2，同时有01 mol （96 g）SO2-4进入左侧，则左侧质量净增加96 g-16 g=8 g，C正确；铅蓄电池的负极是Pb，正极是PbO2，正极反应式为PbO2+2e-+4H++SO2-4PbSO4+2H2O，D错误.（6）利用离子交换膜浓缩或稀释溶液例6 （2017·湖北武汉调研）厨房垃圾发酵液可通过电渗析法处理，同时得到乳酸的原理如图6所示（图中HA表示乳酸分子，A-表示乳酸根离子）.下列说法正确的是（）A.通电后，阳极附近pH增大B.电子从负极经电解质溶液回到正极C.通电后，A-通过阴离子交换膜从阴极进入浓缩室D.当电路中通过2 mol电子的电量时，会有1 mol的O2生成答案 C解析由图示判断左侧为阳极，右侧为阴极，阳极电极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O，氢离子浓度增大，pH减小，A错误；电子从电源的负极到电解池的阴极，由阳极回到电源的正极，电子不能进入电解质溶液，电解质溶液中靠离子传递电荷，B错误；氢离子由阳极室进入浓缩室，A-由阴极室进入浓缩室，得到乳酸，C正确；由电极反应式4OH--4e-O2↑+2H2O可知，当电路中通过2 mol电子的电量时，会有05 mol O2生成，D错误.例7 （2016新课标Ⅰ卷，11）三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图7所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na+和SO2-4可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室.下列叙述正确的是（）A.通电后中间隔室的SO2-4离子向正极迁移，正极区溶液pH增大B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品C.负极反应为2H2O-4e-O2↑+4H+，负极区溶液pH降低D.当电路中通过1 mol电子的电量时，会有05 mol的O2生成答案 B解析 A项正极区发生的反应为2H2O-4e-O2↑+4H+，由于生成H+，正极区溶液中阳离子增多，故中间隔室的SO2-4向正极迁移，正极区溶液的pH减小.B项负极区发生的反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-，阴离子增多，中间隔室的Na+向负极迁移，故负极区产生NaOH，正极区产生H2SO4.C项由B项分析可知，负极区产生OH-，负极区溶液的pH升高.D项正极区发生的反应为2H2O-4e-O2↑+4H+，当电路中通过1 mol电子的电量时，生成025mol O2.在解答这类题时，学生一定要做到有的放矢，交换膜的存在不会改变电化学的反应原理，对离子通过交换膜的情况，可以简记“是什么交换膜就允许什么离子通过”.在涉及离子交换膜的计算时需注意两点：1.迁移离子所带的电荷数=外电路上转移的电子数.2.溶液物质变化量=电极反应引起的物质变化和离子迁移引起的物质变化量之和.。
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 。
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。
下列说法错误的是A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H 2+2MV2+2H++2MV+C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动【答案】B【解析】【分析】由生物燃料电池的示意图可知，左室电极为燃料电池的负极，MV+在负极失电子发生氧化反应生成MV2+，电极反应式为MV+−e−= MV2+，放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+，反应的方程式为H2+2MV2+=2H++2MV+；右室电极为燃料电池的正极，MV 2+在正极得电子发生还原反应生成MV +，电极反应式为MV 2++e −= MV +，放电生成的MV +与N 2在固氮酶的作用下反应生成NH 3和MV 2+，反应的方程式为N 2+6H ++6MV +=6MV 2++NH 3，电池工作时，氢离子通过交换膜由负极向正极移动。
【详解】A 项、相比现有工业合成氨，该方法选用酶作催化剂，条件温和，同时利用MV +和MV 2+的相互转化，化学能转化为电能，故可提供电能，故A 正确；B 项、左室为负极区，MV +在负极失电子发生氧化反应生成MV 2+，电极反应式为MV +−e −=MV 2+，放电生成的MV 2+在氢化酶的作用下与H 2反应生成H +和MV +，反应的方程式为H 2+2MV 2+=2H ++2MV +，故B 错误；C 项、右室为正极区，MV 2+在正极得电子发生还原反应生成MV +，电极反应式为MV 2++e −= MV +，放电生成的MV +与N 2在固氮酶的作用下反应生成NH 3和MV 2+，故C 正确； D 项、电池工作时，氢离子（即质子）通过交换膜由负极向正极移动，故D 正确。
故选B 。
2、(2019·天津)我国科学家研制了一种新型的高比能量锌−碘溴液流电池，其工作原理示意图如下。
图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。
下列叙述不正确．．．的是 A ．放电时，a 电极反应为2I Br 2e 2I Br ----++B ．放电时，溶液中离子的数目增大C ．充电时，b 电极每增重0.65g ，溶液中有0.02mol I -被氧化D．充电时，a电极接外电源负极【答案】D【解析】【分析】放电时，Zn是负极，负极反应式为Zn−2e−═Zn2＋，正极反应式为I2Br−+2e−=2I −+Br−，充电时，阳极反应式为Br−+2I−−2e−=I2Br−、阴极反应式为Zn2＋+2e−=Zn，只有阳离子能穿过交换膜，阴离子不能穿过交换膜，据此分析解答。
【详解】A、放电时，a电极为正极，碘得电子变成碘离子，正极反应式为I2Br−+2e−=2I −+Br−，故A正确；B、放电时，正极反应式为I2Br−+2e−=2I−+Br−，溶液中离子数目增大，故B正确；C、充电时，b电极反应式为Zn2＋+2e−=Zn，每增加0.65g，转移0.02mol电子，阳极反应式为Br−+2I−−2e−=I2Br−，有0.02molI−失电子被氧化，故C正确；D、充电时，a是阳极，应与外电源的正极相连，故D错误；故选D。
3、(2019·江苏节选)CO2的资源化利用能有效减少CO2排放，充分利用碳资源。
（2）电解法转化CO2可实现CO2资源化利用。
电解CO2制HCOOH的原理示意图如下。
①写出阴极CO2还原为HCOO−的电极反应式：▲。
②电解一段时间后，阳极区的KHCO 3溶液浓度降低，其原因是 ▲ 。
【答案】（2）①CO 2+H ++2e−HCOO −或CO 2+3HCO -+2e−HCOO −+23CO -②阳极产生O 2，pH 减小，3HCO -浓度降低；K +部分迁移至阴极区【解析】（2）①根据电解原理，阴极上得到电子，化合价降低，CO 2＋HCO 3−＋2e −=HCOO−＋CO 32−，或CO 2＋H ＋＋2e − =HCOO −；②阳极反应式为2H 2O −4e −=O 2↑＋4H ＋，阳极附近pH减小，H ＋与HCO 3−反应，同时部分K ＋迁移至阴极区，所以电解一段时间后，阳极区的KHCO 3溶液浓度降低。
4、(2018·全国卷Ⅰ)最近我国科学家设计了一种CO 2+H 2S 协同转化装置，实现对天然气中CO 2和H 2S 的高效去除。
示意图如图所示，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-Fe 2+-e -＝EDTA-Fe 3+②2EDTA-Fe 3++H 2S ＝2H ++S+2EDTA-Fe 2+该装置工作时，下列叙述错误的是 A ．阴极的电极反应：CO 2+2H ++2e -＝CO+H 2O B ．协同转化总反应：CO 2+H 2S ＝CO+H 2O+S C ．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低D ．若采用Fe 3+/Fe 2+取代EDTA-Fe 3+/EDTA-Fe 2+，溶液需为酸性【答案】C【解析】该装置属于电解池，CO 2在ZnO@石墨烯电极上转化为CO ，发生得到电子的还原反应，为阴极，石墨烯电极为阳极，发生失去电子的氧化反应，据此解答。
A 、CO 2在ZnO@石墨烯电极上转化为CO ，发生得到电子的还原反应，为阴极，电极反应式为CO 2+H ＋+2e －＝CO+H 2O ，A 正确；B 、根据石墨烯电极上发生的电极反应可知①+②即得到H 2S －2e －＝2H ＋+S ，因此总反应式为CO 2+H 2S ＝CO+H 2O+S ，B 正确；C 、石墨烯电极为阳极，与电源的正极相连，因此石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯电极上的高，C 错误；D 、由于铁离子、亚铁离子均易水解，所以如果采用Fe 3＋/Fe 2＋取代EDTA-Fe 3＋/EDTA-Fe 2＋，溶液需要酸性，D 正确。
答案选C 。
5、(2018·全国卷Ⅰ，T 27（3）)制备225Na S O 也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中2SO 碱吸收液中含有3NaHSO 和23Na SO 。
阳极的电极反应式为 。
电解后， 室的3NaHSO 浓度增加。
将该室溶液进行结晶脱水，可得到225Na S O 。
【答案】（3）222H O 4e 4H O -+-=+↑ a6、(2018·全国卷Ⅲ，T 27（3）)3KIO 也可采用“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 。
7．[2018年11月浙江选考]最近，科学家研发了“全氢电池”，其工作原理如图所示。
下列说法不正确．．．的是A．右边吸附层中发生了还原反应B．负极的电极反应是H2－2e－＋2OH－ ==== 2H2OC．电池的总反应是2H2＋O2 ==== 2H2OD．电解质溶液中Na＋向右移动，ClO向左移动【答案】C【解析】由电子的流动方向可以得知左边为负极，发生氧化反应；右边为正极，发生还原反应，故选项A、B正确；电池的总反应没有O2参与，总反应方程式不存在氧气，故C选项不正确；在原电池中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故D选项正确。
答案选C。
8、(2016·全国卷Ⅰ，T11)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SO2－4可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。
下列叙述正确的是( )A ．通电后中间隔室的SO 2－4向正极迁移，正极区溶液pH 增大B ．该法在处理含Na 2SO 4废水时可以得到NaOH 和H 2SO 4产品C ．负极反应为2H 2O －4e －===O 2↑＋4H ＋，负极区溶液pH 降低D ．当电路中通过1 mol 电子的电量时，会有0.5 mol 的O 2生成 【答案】B【解析】直流电场作用→图中的－极和＋极就是阴极和阳极――――――――――――――→根据电解时，阳离子移向阴极阴离子移向阳极SO 2－4移向“＋”极，Na ＋移向“－”极―→ab 为阳离子交换膜，cd 为阴离子交换膜―→“－”极反应为2H ＋＋2e －===H 2↑，pH 增大；“＋”极反应为4OH －－4e －===O 2↑＋2H 2O ，pH 减小。
【变式训练】(1)ab 为_____(填“阴”或“阳”，下同)离子交换膜，cd 为_____离子交换膜。
(2)正极区的电极反应式为_________________________________，正极区的pH 变____(填“大”或“小”)，从平衡角度解释原因_______________。
