专题提升系列(十)　离子交换膜在电化学中的应用教学设计.docx

交换膜隔离两种电解质溶液，避免负极材料与能发生反应的电解质溶液直接接触，能提高电流效率。在这种装置中，交换膜起到盐桥作用，且优于盐桥(盐桥需要定时替换或再生)。通过限制离子迁移，使指定离子在溶液中定向移动形成闭合回路，完成氧化剂和还原剂在不接触条件下发生氧化还原反应。

1．离子交换膜的功能及类型

(1)功能：使离子定向移动，选择性通过某些离子或隔离某些离子、物质，平衡整个溶液的离子浓度或电荷。

(2)种类

阳离子交换膜：只允许阳离子和水分子通过，阻止阴离子和气体通过。

阴离子交换膜：只允许阴离子和水分子通过，阻止阳离子和气体通过。

质子交换膜：只允许质子(氢离子)和水分子通过。

2．离子交换膜在电化学中的作用

(1)将两极区隔离，阻止两极区产生的物质互相接触，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。例如，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NaOH溶液反应，导致制得产品不纯；防止Cl2与阴极产生的H2混合发生爆炸。

(2)用于物质的制备。电解后在溶液阴极区或阳极区产生所要制备的物质，例如，电解法制备KIO3，只有使用阴离子交换膜，才能保证阴极区的I－定向移动到阳极区被氧化为IOeq\o\al(－,3)，从而提高原料的利用率，同时阴极得到副产物KOH。

(3)物质的分离与提纯。例如海水中含有大量Na＋、Cl－及少量Ca2＋、Mg2＋、SOeq\o\al(2－,4)，用电渗析法对该海水样品进行淡化处理，阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，则a为阴离子交换膜，b为阳离子交换膜，如图所示。

(4)应用举例：如电解法可将含有AnBm的废水再生为HnB和A(OH)m，已知A为金属活动性顺序表中H前金属，Bn－为含氧酸根离子。

3．阴、阳离子交换膜的判断

(1)看清图示，是否在交换膜上标注了阴、阳离子，是否标注了电源的正、负极，是否标注了电子流向、电流流向等，明确阴、阳离子的移动方向。

(2)根据原电池、电解池中阴、阳离子的移动方向，结合给出的制备、电解物质等信息，找出物质生成或消耗的电极区域，确定移动的阴、阳离子，从而推知离子交换膜的种类。

(3)实例：判断电解饱和食盐水装置(如图)中离子交换膜类型的方法。

方法1：阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，则阴极区域破坏了水的电离平衡，OH－有剩余，阳极区域的Na＋通过离子交换膜进入阴极室，与OH－结合得到NaOH，故电解饱和食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。

方法2：由图可知，阳极加入精制饱和食盐水，排出的是淡盐水，因为阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，根据溶液呈电中性原则，阳极区Na＋多于Cl－，则Na＋向阴极区移动，故电解饱和食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。

用电解法可提纯含有某种含氧酸根杂质的粗KOH溶液，其工作原理如图所示。下列有关说法错误的是()

A.阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

B．通电后阴极区溶液pH会增大

C．K＋通过阳离子交换膜从阴极区移向阳极区

D．纯净的KOH溶液从b口导出

C[阳极区为粗KOH溶液，OH－失电子发生氧化反应：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，A项正确；阴极上H2O得电子发生还原反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区附近溶液中c(OH－)增大，pH增大，B项正确；电解时阳离子向阴极移动，故K＋通过阳离子交换膜从阳极区移向阴极区，C项错误；阴极区生成KOH，故纯净的KOH溶液从b口导出，D项正确。]

用惰性电极电解法制备硼酸[H3BO3或B(OH)3]的工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子和阴离子通过)。下列有关说法正确的是()

A．阴极与阳极产生的气体体积比为1∶2

B．b极的电极反应式为2H2O－2e－===O2↑＋4H＋

C．产品室中发生的反应是B(OH)3＋OH－===B(OH)eq\o\al(－,4)

D．每增加1molH3BO3产品，NaOH溶液增重22g

D[由图可知，b极为阳极，电解时阳极上水失电子发生氧化反应生成O2和H＋，a极为阴极，电解时阴极上水得电子发生还原反应生成H2和OH－，原料室中的钠离子通过阳膜进入a极室，溶液中c(NaOH)增大，原料室中B(OH)eq\o\al(－,4)通过阴膜进入产品室，b极室中氢离子通过阳膜进入产品室，在产品室中B(OH)eq\o\al(－,4)、H＋发生反应生成H3BO3；a、b电极反应式分别为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－、2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，理论上每生成1mol产品，b极生成1molH＋，a极生成0.5molH2，减少质量为1g，NaOH溶液增加的Na＋为1mo