第4章 专题提升(7)离子交换膜在电化学中的应用-【正禾一本通】2025-2026学年高二化学选择性必修1同步课堂高效讲义教师用书（人教版单选）

本高中化学讲义聚焦离子交换膜在电化学中的应用，先系统梳理阳离子、阴离子、质子、双极膜的类型及功能，再结合电化学原理构建解题思路，连接工业制备、废水处理等实际应用，形成从基础到实践的学习支架。 资料通过分类例题（如化学电源、电解分离）和应用实例（K₂Cr₂O₇制备、含酚废水处理），培养科学思维（模型构建、证据推理）与科学态度（资源回收、环境保护）。课中例题解析助于理解，课后实例可巩固，提升解决真实问题能力。

专题提升 (七)离子交换膜在电化学中的应用 【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。 1．离子交换膜的种类 膜的类型 膜的特点 膜的作用 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 电解饱和食盐水利用的就是阳离子交换膜，防止阳极产生的氯气进入阴极室与氢氧化钠溶液反应，导致产品不纯；也可防止氯气与阴极产生的氢气混合发生爆炸 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 例如海水淡化，就需要利用阴、阳离子交换膜通过电解的方法除去海水中的Cl－和Na＋，得到淡水 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 既可以作为电解质提供氢离子的通道，又可以作为隔膜隔离两极反应产生的气体 双极膜 由一层双极复合薄膜构成，一侧是阳离子透过膜极板，另一侧是阴离子透过膜极板 双极膜的作用是对电极反应产生调节作用，电解过程中能吸收或释放阴、阳离子，对冲电极产生或消耗的正、负电荷。如该膜在直流电作用下，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，可作为H＋和OH－的来源 2.电化学中的离子交换膜解题思路 类型1　化学电源中的离子交换膜 【例1】 (2025·湖南衡阳四中期中)某储能电池的工作原理如图所示，溶液中c(H＋)＝2.0 mol·L-1，阴离子为SO，a、b均为惰性电极，充电过程中左槽溶液颜色由蓝色变为黄色。下列叙述正确的是(　　) A．当右槽溶液颜色由绿色变为紫色时，电池中能量转化形式为化学能转化为电能 B．储能电池a、b两极间的电解质溶液中通过电子的定向移动形成闭合回路 C．充电过程中，a极的电极反应式为VO2+－e－＋H2O===VO＋2H＋ D．放电时，H＋从左槽迁移进入右槽 解析：选C。充电过程中左槽溶液颜色由蓝色变为黄色，则外接电源左侧为正极，右侧为负极，a为阳极，b为阴极，放电过程中a为正极，b为负极。当右槽溶液颜色由绿色变为紫色，V3+得到电子，化合价降低，发生还原反应，b作阴极，此时电池中的能量转化形式为电能转化为化学能，A错误；储能电池a、b两极间的电解质溶液中通过离子的定向移动形成闭合回路，B错误；充电过程中，a为阳极，VO2+失去电子变成VO，电极反应式为VO2+－e－＋H2O===VO＋2H＋，C正确；放电过程中H＋移向正极，D错误。 类型2　电解工业中膜的功能 1．利用交换膜进行物质的分离与提纯 【例2】 某有色金属工业的高盐废水中主要含有H＋、Cu2+、Zn2+、SO、F－和Cl－，利用如图电解装置可回收ZnSO4、CuSO4并尽可能除去F－和Cl－，其中双极膜(BP)中间层的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移，M膜、N膜为相同的一价离子交换膜。下列说法错误的是(　　) A．BP膜中OH－均向左侧溶液移动，M膜为一价阳离子交换膜 B．当阴极产生22.4 L气体(标准状况下)时，M膜和N膜各有2 mol离子通过 C．溶液a的主要溶质为ZnSO4和CuSO4 D．电解过程中，高盐废水pH不宜过高 解析：选A。该装置为电解池，左侧电极为阳极，右侧电极为阴极，用于回收ZnSO4、CuSO4，并除去F－和Cl－，工作时阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，且M膜、N膜为相同的一价离子交换膜，则M膜为阴离子交换膜，阳极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，阴极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，双极膜(BP)中解离的OH－移向高盐废水室中与H＋发生中和反应，所以溶液a主要为ZnSO4、CuSO4，溶液b主要为HF、HCl。电解池中阳离子向阴极移动，BP膜中H＋均向右侧溶液迁移，F－和Cl－通过M膜向左侧迁移，则M膜为一价阴离子交换膜，A错误；阴极反应为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，当阴极产生22.4 L气体(标准状况下为1 mol)时有2 mol离子通过M膜和N膜，B正确；电解池工作时F－和Cl－通过M膜向左侧迁移，H＋与右侧双极膜迁移出来的OH－中和，则反应后得到的溶液a的溶质主要为ZnSO4和CuSO4，C正确；电解过程中，若pH过高则会导致Zn2+、Cu2+转化为沉淀，故应控制高盐废水的pH不能过高，D正确。 [应用实例] 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2CrO＋2H＋⥫⥬Cr2O＋H2O正向进行，生成K2Cr2O7。 2．电渗析法制备物质 【例3】 (2025·广东湛江高二期末)工业上电解硫酸钠制备硫酸和NaOH的工作原理如下图所示。下列说法不正确的是(　　) A．电极X与电源负极相连 B．膜b为阳离子交换膜 C．电极Y上电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ D．理论上每制备1 mol硫酸同时制备2 mol NaOH 解析：选A。电解硫酸钠实质是电解水，X电极水中的氢氧根失电子生成氧气，剩余氢离子，Y电极水中的氢离子得电子生成氢气，剩余氢氧根，所以电极X与电源正极相连，为阳极；电极Y与电源负极相连，为阴极。Na＋向阴极移动，即电极Y，所以膜b为阳离子交换膜，B正确；电极Y上电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，C正确。 [应用实例] 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H2PO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H2PO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．利用交换膜进行“三废”处理和环境保护 【例4】 在直流电源作用下，双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，利用双极膜电解池产生强氧化性的羟基自由基(·OH)，处理含苯酚(C6H6O)废水和含SO2的烟气的工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　) A.电势：N电极＞M电极 B．阴极电极反应式为O2＋2e－＋2H＋===2·OH C．每处理9.4 g苯酚，理论上有2.8 mol H＋透过膜a D．若·OH只与苯酚和SO2反应，则参加反应的苯酚和SO2的物质的量之比为1∶14 解析：选C。M极上O2得电子生成羟基自由基(·OH)，说明M极为阴极，连接电源的负极，N极为阳极，故电势：N电极＞M电极，A正确；M为阴极，阴极上O2得电子生成羟基自由基(·OH)，电极反应式为O2＋2e－＋2H＋===2·OH，B正确；1 mol苯酚转化为CO2，转移28 mol电子，每处理9.4 g苯酚(即0.1 mol)，理论上有2.8 mol电子转移，则有2.8 mol H＋透过膜b，C错误；若·OH只与苯酚和SO2反应，转移电子数之比为28∶2，则参加反应的苯酚和SO2的物质的量之比为1∶14，D正确。 4．运用离子交换膜从废旧电池中回收金属 【例5】 电解精炼铜的废液中含大量Cu2+和SO，利用双膜三室电沉积法回收铜的装置如图。 (1)交换膜b为______离子交换膜(填“阴”或“阳”)。 (2)阳极的电极反应式为______________。 (3)若从浓缩室收集到1 L 0.5 mol/L的Na2SO4溶液，则阴极可回收________g铜(不考虑副反应)。 解析：由题图可知，Na＋与SO透过交换膜进入浓缩室，由离子移动方向可知右侧电极为阴极，左侧电极为阳极。(1)阴极区SO通过交换膜b进入浓缩室，故交换膜b为阴离子交换膜。(3)若浓缩室得到1 L 0.5 mol·L-1的Na2SO4溶液，则有0.4 mol SO进入浓缩室，电路上有0.8 mol电子通过，可析出0.4 mol Cu，其质量为25.6 g。 答案：(1)阴　(2)2Cl－－2e－===Cl2↑　(3)25.6 学科网（北京）股份有限公司 $