下载文档原格式
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。
离子交换膜在电化学中的应用公开课导言：离子交换膜是一种特殊的薄膜，其具有离子选择性通透性，可以在电解过程中起到重要作用。
本文将探讨离子交换膜在电化学中的应用，并介绍其原理和优势。
一、离子交换膜的原理离子交换膜是由聚合物材料制成的，其内部有大量的离子交换基团。
这些基团可以选择性地吸附和释放电解质中的离子，实现离子的传输。
离子交换膜通常分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种类型，可以根据需要选择使用。
二、离子交换膜在电解过程中的应用1. 燃料电池燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其中离子交换膜起到关键作用。
在燃料电池中，离子交换膜将氢离子（H+）从阳极传输到阴极，同时阻止了氢气与氧气的直接反应，保证了电池的正常工作。
2. 电解水在电解水过程中，离子交换膜可以将水分解为氢气和氧气。
离子交换膜的选择性传输特性使得只有阳离子或阴离子能够通过，从而实现了氢气和氧气的分离。
这对于制取纯净的氢气具有重要意义。
3. 盐水淡化离子交换膜还可以应用于盐水淡化过程中。
通过将盐水通过离子交换膜，离子交换膜可以选择性地阻止盐离子的传输，从而将盐水中的盐分去除，得到淡水。
这是一种高效的海水淡化方法。
4. 电解质传感器离子交换膜还可以应用于电解质传感器中。
电解质传感器通过测量电解质的浓度来检测化学反应或生物过程的变化。
离子交换膜可以实现离子的选择性传输，从而提高传感器的灵敏度和准确性。
三、离子交换膜的优势1. 高选择性：离子交换膜可以选择性地传输特定类型的离子，从而实现分离和纯化的目的。
这种高选择性使得离子交换膜在许多电化学应用中非常有用。
2. 低电阻：离子交换膜具有较低的电阻，可以有效地传输离子。
这有助于提高电化学反应的效率，并减少能量的损耗。
3. 高稳定性：离子交换膜具有较好的化学和物理稳定性，可以在广泛的温度和pH范围内工作。
这使得离子交换膜适用于各种极端条件下的应用。
4. 易于制备：离子交换膜的制备相对简单，成本较低。
高中化学知识疑难点讲解——电化学热点问题：离子交换膜的应用1.海水淡化我国拥有较长的海岸线，在淡水资源日益紧张的今天，浩瀚的海洋是巨大的水资源宝库。
如图6所示,在电场中利用膜技术淡化海水，该方法称为电渗析法。
本文来自化学自习室！如何判断图中膜a、膜b的类型呢？可根据通电时Na＋、Cl－总体的迁移方向，结合浓缩或淡化的含义进行判断，如图1所示，对浓缩室而言， Na＋、Cl－都只进不出，故膜a应允许Na＋通过，是阳离子交换膜，膜b应允许Cl－通过，是阴离子交换膜。
2.膜法电解硫酸钠溶液，生产硫酸和氢氧化钠.用惰性电极电解硫酸钠溶液，从电极反应式可看出：电解过程中阳极OH－放电，产生H＋，阴极H＋放电，产生OH－，实质上就是电解水。
既然电解过程中有H＋和OH－生成，如果用离子交换膜将两极隔离出来，就能生产硫酸和氢氧化钠 (如图8所示）。
那么，图8中的离子交换膜类型是否一样呢？从电极反应式和产物可进行判断——阳极区应允许SO42－通过，是阴离子交换膜，阴极区应允许Na＋通过，是阳离子交换膜。
该装置既能产出满足脱硫工艺要求的氢氧化钠，又可获得较高浓度的硫酸,且节能降耗效果明显。
3.离子交换膜法电解提纯如铝和氢氧化钾都是重要的工业产品。
工业品氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸盐杂质，可用离子交换膜法电解提纯。
电解槽内装有阳离子交换膜（只允许阳离子通过），其工作原理如图9所示。
①该电解槽的阳极反应式是_____ ；②通电开始后，阴极附近溶液pH会增大，其主要原因是（填序号）；A. 阳极区的OH－移向阴极所致B. 阴极产生的金属钾与水反应生成了大量OH－C.阴极由H2O电离出的H＋放电生成H2 ，水电离平衡移动使OH －浓度增大③除去杂质后的氢氧化钾溶液从溶液出口 __(填写“A”或“B”）导出。
(答案:①4OH－－4e-==2H2O ＋ O2② C ③ B )实际上，离子交换膜的应用还有许多，如应用在有机电化学工业，制备L-半胱氨酸、葡萄糖酸、乙醛酸等有机酸，利用膜的独特性能氧化或还原制备无机或有机试剂，废水、废酸等的净化处理和回收，产品的提纯与精制，如柠檬酸、酒类等。
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。
电化学中离子交换膜的应用电化学中离子交换膜是一种用于控制电流流量的复合薄膜，因其特殊的结构和性质，在电化学反应中可以起到有效的抑制和分离的作用，并可实现液膜的有序传输。
离子交换膜的应用最广泛的是在氢能电池、燃料电池、蓄电池和电解池当中。
首先，离子交换膜可以抑制氧还原反应，减少消耗，使电池在反应过程中能量损失小，提高其能量密度。
其次，离子交换膜能够有效地防止外界电荷到燃料电池内，使之维持净电池状态，同时可以改善电流分布，延长电池的使用寿命和液体充电/放电效率。
最后，离子交换膜在电解池的应用还可以降低水的蒸发，避免形成气泡。
专题突破17电化学中离子交换膜的分析与应用1．离子交换膜的功能和作用2．离子交换膜的类型(1)阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)装置如图所示：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→通过阳离子交换膜→正极。
(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H2，电解装置如图所示：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＋→通过质子交换膜→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，电解装置如图所示：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→通过阴离子交换膜→阳极。
3．解答步骤第一步，分清离子交换膜的类型。
即离子交换膜属于阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过离子交换膜。
第二步，写出电极反应式。
判断离子交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，根据电荷平衡判断离子迁移方向。
第三步，分析离子交换膜的作用。
在产品制备中，离子交换膜的作用主要是提高产品纯度、避免产物之间发生反应、避免产物因发生反应而造成危险。
精练一离子交换膜在原电池中的应用1．(2021·河南中原名校一模)新能源汽车是国家战略产业的重要组成部分，LiFePO4电池是新能源汽车关键部件之一，其工作原理如图所示，电池工作时的总反应为LiFePO4＋6C 充电放电Li1－x FePO4＋Li x C6。
下列说法错误的是()A．充电时，电极a与电源负极连接，电极b与电源正极连接B．电池工作时，正极的电极反应为Li1－x FePO4＋x Li＋＋x e－===LiFePO4C．电池工作时，负极材料质量减少1.4 g，转移0.4 mol电子D．电池进水将会大大降低使用寿命解析：选C。
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。
第4讲电化学专题突破考点一：离子交换膜电池(应用性考点)(一)隔膜的作用及应用1．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)能选择性地允许离子通过，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
(3)隔膜的分类2．离子交换膜类型的判断方法(1)首先写出阴、阳(或正、负)两极上的电极反应。
(2)依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余。
(3)根据电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向。
(4)根据离子移动的方向，确定离子交换膜的类型。
3．应用离子交换膜的常考装置——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，以达到物质制备、浓缩、净化、提纯的目的。
(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－＋2H2O===NO－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＋7H2O3NH4NO3＋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。
微专题11离子交换膜在电化学中的应用1．离子交换膜的分类(1)阳离子交换膜：只允许阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜：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，不允许其他阳离子或阴离子通过。
(4)双极隔膜：是一种新型离子交换膜，其膜主体可分为阴离子交换层、阳离子交换层和中间界面层，水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中，水电离产物H＋和OH－可在电场力的作用下快速迁移到两侧溶液中，为膜两侧的半反应提供各自理想的pH条件。
2．离子交换膜的作用(1)平衡左右两侧电荷，得到稳定电流离子交换膜能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
(2)阻隔某些离子或分子，防止某些副反应的发生离子交换膜能将两极隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。
(3)制备某些特定产品题型一离子交换膜的判断例1(2020·山东，10)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。
现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含CH3COO－的溶液为例)。
下列说法错误的是()A．负极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜C．当电路中转移1 mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5 gD．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1答案 B解析由装置示意图可知，负极区CH3COO－发生氧化反应生成CO2和H＋，A项正确；隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，才能使模拟海水中的氯离子移向负极，钠离子移向正极，达到海水淡化的目的，B项错误；电路中有1 mol 电子通过，则模拟海水中有1 mol钠离子移向正极，1 mol氯离子移向负极，C项正确；负极产生CO2：CH3COO－＋2H2O －8e－===2CO2↑＋7H＋，正极产生H2：2H＋＋2e－===H2↑，根据得失电子守恒，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1，D项正确。
