电化学中离子交换膜的应用及常见题型解析-《中学生数理化》高考理化2025年6月刊

电化学中离子交换膜的应用及常见题型解析 ■安徽省六安第二中学 尹建慧 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, 由高分子特殊材料制成。因其具有离子选择 透过性,故又称离子选择透过性膜。在电化 学中常见的离子交换膜有阳离子交换膜、阴 离子交换膜、质子交换膜、双极膜。纵观近几 年的高考真题,“含膜”考题中往往借助离子 交换膜进行物质制备、分离、除杂等。这类题 目往往“源于教材而又高于教材”,它们不仅 涵盖了电化学领域的基础知识,还时常融入 该领域的最新研究成果,使试题内容贴近真 实情境,问题情境丰富多样,充分体现了题目 的时代性。同时,这类题目注重考查考生的 分析综合能力和逻辑推理能力,是选拔性考 试中的典型题型。具体来说,它们侧重于考 查考生对原电池和电解池工作原理的理解、 电极的判断、电极反应和总反应方程式的书 写能力、对电流(或电子)流动方向和离子移 动方向的把握,以及根据反应式进行相关化 学计算的能力,是核心素养为导向的高考化 学试题的典型代表。 一、备考知识点 (1)为了实现特定功能需求,往往在电化 学装置中增加离子交换膜,将原电池或电解 池分隔成两个或多个独立的室。其中隔离膜 的作用:①隔离某些物质,防止发生反应; ②用于物质的制备(电解后溶液阴极区或阳 极区得到所制备的物质);③物质分离、提纯 等。在分析某室质量的变化时,既要考虑该 区(或该电极)的化学反应,又要考虑通过“交 换膜”的离子带来的质量变化。 带隔膜电化学装置的分析思路:①分清 隔膜类型,即交换膜属于阳膜、阴膜、质子膜 中的哪一种,判断允许哪种离子通过隔膜; ②写出电极反应式,判断交换膜两侧离子变 化,推断电荷变化,根据电荷平衡判断离子迁 移方向;③分析隔膜作用。 (2)离子交换膜分类:双极膜由一张阳膜 和一张阴膜复合制成的阴阳复合膜。该膜的 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。而阳离 子交换膜仅允许阳离子通过并阻挡阴离子和 气体;阴离子交换膜则反之。质子交换膜只 允许质子(H+)通过。 二、离子交换膜应用题型 1.利用离子交换膜进行物质的制备。 例 1 利用膜技术原理和电化学原理 制备少量硫酸和绿色硝化剂N2O5,装置如图 1所示,下列说法正确的是 ( )。 图1 A.电极b反应式是O2+4e-+2H2O􀪅􀪅 4OH- B.甲中每消耗64 g SO2,乙中有1 mol H+通过隔膜 C.每转移2 mol电子,生成2 mol N2O5 和1 mol H2SO4 D.c电极反应式为N2O4-2e-+H2O􀪅􀪅 N2O5+2H+ 解析:由分析可知,甲装置为原电池,电 极b为正极,酸性条件下,氧气在正极得到电 子发生还原反应生成水,电极反应式为O2+ 4e-+4H+􀪅􀪅2H2O,A项错误。64 g二氧 化硫 的 物 质 的 量 为 64 g 64 g·mol-1 =1 mol, 1 mol二氧化硫失去2 mol电子生成硫酸,由 得失电子数目守恒可知,d电极上2 mol氢离 子放电生成氢气,则有2 mol氢离子通过隔 膜由左侧移向右侧, B项错误。由分析可知, 电极a为负极,二氧化硫在负极失去电子发 生氧化反应生成硫酸,电极c为电解池的阳 极,在无水硝酸作用下,四氧化二氮在阳极失 7 知识篇 知识结构与拓展 高考理化 2025年6月 去电子发生氧化反应生成五氧化二氮,由得 失电子数目守恒可知,每转移2 mol电子,电 极c生成2 mol五氧化二氮,电极a生成 1 mol硫酸,C项正确。由分析可知,电极c为 电解池的阳极,在无水硝酸作用下,四氧化二 氮在阳极失去电子发生氧化反应生成五氧化 二氮,电极反应式为N2O4-2e-+2HNO3 􀪅􀪅 2N2O5+2H+,D项错误。 答案:C 2.利用离子交换膜进行物质的分离或 提纯。 例 2 电渗析法淡化海水装置如图2 所示,电解槽中阴离子交换膜和阳离子交换 膜相间排列,将电解槽分隔成多个独立的间 隔室,海水充满在各个间隔室中。通电后,一 个间隔室的海水被淡化,而其相邻间隔室的 海水被浓缩,从而实现了淡水和浓缩海水分 离。下列说法正确的是 ( )。 图2 A.离子交换膜b为阳离子交换膜 B.各间隔室的排出液中,①③⑤⑦为淡水 C.通电时,电极1附近溶液的pH 比电 极2附近溶液的pH变化明显 D.淡化过程中,得到的浓缩海水没有任 何使用价值 解析:由图分析可知,电极1为电解池阳 极,氯离子放电生成氯气,电极反应为2Cl- -2e-􀪅􀪅Cl2↑,电极2为阴极,溶液中水电 离出的氢离子得到电子生成氢气,电极反应 为2H2O+2e-􀪅􀪅H2↑+2OH-,离子交换 膜a是阳离子交换膜,离子交换膜b是阴离 子交换膜,A项错误。结合阴阳离子移向可 知,各间隔室的排出液中,①③⑤⑦为淡水,B 项正 确。通 电 时,阳 极 反 应 式 为 2Cl- - 2e-􀪅􀪅Cl2↑,阴极电极反应式为2H2O+ 2e-􀪅􀪅H2↑+2OH-,电极2附近溶液的 pH比电极1附近溶液的pH变化明显,C项 错误。淡化过程中,得到的浓缩海水可以提 取氯化钠、镁、溴等,有使用价值,D项错误。 答案:B 3.利用离子交换膜将光能转化为化学能。 例 3 Li-O2 电池比能量高,在汽车、航 天等领域具有良好的应用前景。近年来科学 家研究了一种光照充电Li-O2 电池(如图3 所示)。光照时,光催化电极产生电子(e-)和 空穴(h+),驱动阴极反应(Li++e-􀪅􀪅Li)和 阳极反应(Li2O2+2h+􀪅􀪅2Li++O2)对电池 进行充电。下列叙述错误的是 ( )。 图3 A.充电时,Li+ 从阴极穿过离子交换膜 向阳极迁移 B.放电时,正极发生反应 O2+2Li+ + 2e-􀪅􀪅Li2O2 C.左槽和右槽只能使用非水电解质溶液 D.该蓄电池可实现如下能量转化:光能→ 电能→化学能→电能 解析:光照时,光催化电极产生电子和空 穴,驱动阴极反应(Li++e-􀪅􀪅Li)和阳极反 应(Li2O2+2h+􀪅􀪅2Li++O2),则充电时总 反应为Li2O2 􀪅􀪅2Li+O2↑,结合图示,充电 时金属Li电极为阴极,光催化电极为阳极; 则放电时金属Li电极为负极,光催化电极为 正极。充电时,Li+ 向阴极迁移,A 项错误。 放电时总反应为2Li+O2 􀪅􀪅Li2O2,正极反 应为 O2+2Li+ +2e- 􀪅􀪅Li2O2,B项正确。 电池有活泼碱金属锂参与反应,只能使用非 水电解质溶液,C项正确。蓄电池先由光催 化产生电能,电解Li2O2,电能转化为化学能, 然后Li与 O2 反应放电又将化学能转为电 能,实现能量转化:光能→电能→化学能→电 能,D项正确。 答案:A (责任编辑 谢启刚) 8 知识篇 知识结构与拓展 高考理化 2025年6月