2025备考电化学中的离子交换膜.docx

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提升课时8电化学中的离子交换膜

学习目标1.了解常见离子交换膜的类型和功能，学会正确解答与此相关的电化学问题。2.结合离子交换膜的知识，构建电化学的解题思路，提升运用模型解决问题的能力。

提升点离子交换膜的种类和应用

1.离子交换膜的种类

阳离子

交换膜

只允许阳离子透过，不允许阴离子或某些分子透过

阴离子

交换膜

只允许阴离子透过，不允许阳离子或某些分子透过

质子交

换膜

只允许H＋透过，不允许其他阳离子和阴离子透过

双极膜

由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜特点是在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－并分别通过阳膜和阴膜，作为H＋和OH－的离子源

2.离子交换膜的应用

(1)用离子交换膜隔离某些分子和离子，防止副反应的发生。

例如氯碱工业中，阳离子交换膜的作用就是阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过，防止氯气和NaOH反应。

(2)离子交换膜制备物质、分离物质等。

以电渗析法制备H3PO2为例，其原理如图所示。

离子移动方向及交换膜类型：产品室为阳极，原料室中的阴离子H2POeq\o\al(－,2)移向产品室，膜1为阴离子交换膜；原料室中的阳离子Na＋移向阴极室，膜2为阳离子交换膜。

阳极：电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，产生的H＋结合移入的H2POeq\o\al(－,2)生成H3PO2。

阴极：电极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，产生的OH－结合移入的Na＋生成NaOH。

(3)离子交换膜使具有浓度差的离子进行选择性迁移。

离子从“浓→稀”的溶液区移出，移向“稀→浓”的溶液区。

以电化学制备K2Cr2O7为例，其原理如图所示，其中a、b均为石墨电极。

左侧：为“稀→浓”的溶液区，则右侧的K＋通过K＋交换膜移向左侧，a极为阴极，电极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，产生的OH－结合移入的K＋生成KOH。

右侧：b极为阳极，电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，使溶液中的反应2CrOeq\o\al(2－,4)＋2H＋Cr2Oeq\o\al(2－,7)＋H2O正向进行，生成K2Cr2O7。

考向1利用交换膜进行物质的分离与提纯

[例1]双极膜在电渗析中应用广泛，它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层，工作时水层中的H2O解离成H＋和OH－，并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。下图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。

下列说法正确的是()

A.出口2的产物为HBr溶液

B.出口5的产物为硫酸溶液

C.Br－可从盐室最终进入阳极液中

D.阴极电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑

答案D

解析电解时，溶液中的阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，溶液中的Na＋向阴极移动，与双极膜提供的氢氧根离子结合，故出口2的产物为NaOH溶液，A错误；电解时，溶液中的阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，溶液中的Br－向阳极移动，与双极膜提供的氢离子结合，故出口4的产物为HBr溶液，钠离子不能通过双极膜，故出口5不是硫酸，B错误；结合选项B，Br－不会从盐室最终进入阳极液中，C错误；电解池阴极处，发生的反应是物质得到电子被还原，发生还原反应，水解离成H＋和OH－，则在阴极处发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑，D正确。

考向2利用交换膜进行物质制备

[例2]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

答案D

解析由图可知，b电极为阳极，电解时阳极上水失电子发生氧化反应生成O2和H＋，a电极为阴极，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H＋通过阳膜进入产品室，在产品室中H＋与B(OH)eq\o\al(－,4)发生反应生成H3BO3，a、b两电极反应式分别为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－、2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，理论上每生成1mol产品，b极生成1molH＋，a极产生0.5molH2。

考向3利用交换膜进行污水处理

[例3]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SOeq\o\al(2－,4)可通过