高中化学：电化学中离子交换膜的作用
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1、离子交换膜的类型和作用
2、“隔膜”电解池的解题步骤
第一步:分清隔膜类型。即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过隔膜
第二步: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
第三步:分析隔膜作用。在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或避免产物因发生反应而造成危险
多室电解池中膜的应用: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，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的
(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:2H20+2e-==H2↑+20H-，阴极区H+放电，破坏了水的电离平衡，使OH- 浓度增大，阳极c（CL-）放电，使溶液中的(CI)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
防止了两极产生的 H2和Cl2混合爆炸。避免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 NH4+:NO+5e-+6H+=====NH4++H2O，NH4+通过阳离子交换膜进入中间室，阳极的 NO 被氧化为 NO3-:NO-3e-+2H20=== NO3-+4H+，NO3-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+7H2O===电解====3NH4NO3+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。
(3)多室解池
利用“四室电渗析法”制备 H;PO2(次磷酸)，其工作原理如图所示。
电解稀硫酸的阳极反应: 2H20-4e-====02↑ +4H+，产生的H+通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2PO2-穿过阴离子交换膜进入产品室，与 H+结合生成弱电解质 H3PO2; 电解 NaOH 稀溶液的阴极反应:原料室中的Na+通过阳离子交换膜进入阴极室
应用一 用于物质的分离和提纯
一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化，其工作原理如图所示，图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示。下列有关说法不正确的是( )
A．Cl－由中间室移向左室
B．X气体为CO2
C．处理后的含NO废水的pH降低
D．电路中每通过4 mol电子，产生标准状况下X气体的体积为22.4 L
应用二 判断离子的迁移方向
2、KIO3可采用“电解法”制备，装置如图所示。
①写出电解时阴极的电极反应式
________________________________
②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为________，其迁移方向是________
3、制备Na2S2O5可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为
____________。电解后，________室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5
应用三 判断离子交换膜的类型
4、四室式电渗析法制备盐酸和NaOH的装置如图所示。a、b、c为阴、阳离子交换膜。已知：阴离子交换膜只允许阴离子透过，阳离子交换膜只允许阳离子透过。下列叙述正确的是( )
A．b、c分别依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜
B．通电后Ⅲ室中的Cl－透过c迁移至阳极区
C．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高
D．电池总反应为4NaCl＋6H2O通电4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑
解析：
应用一 用于物质的分离和提纯
1、C[解析] 该电池中，NO得电子发生还原反应，则装置中右边电极是正极，电极反应为2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，装置左边电极是负极，负极上有机物失电子发生氧化反应生成X，电极反应C6H10O5－24e－＋7H2O===6CO2↑＋24H＋。放电时，电解质溶液中阴离子Cl－移向负极室(左室)，A项正确；X气体为CO2，B项正确；正极反应为2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，H＋参加反应导致溶液酸性减弱，溶液的pH增大，C项错误；根据负极电极反应C6H10O5－24e－＋7H2O===6CO2↑＋24H＋知，电路中每通过4 mol电子，产生标准状况下CO2气体的体积为4mol/24×6×22.4 L·mol－1＝22.4 L，D项正确。
应用二 判断离子的迁移方向
2、①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑②K＋a到b
[解析]①该装置为电解池，电解时阴极电解质为KOH，水中氢离子放电，故电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑；②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为K＋，在电解池中离子移动方向为阳离子移向阴极，故K＋由a到b。
3、2H2O－4e－===4H＋＋O2↑a
[解析]根据题中的图示，左侧为电解池的阳极，右侧为电解池的阴极，离子交换膜均为阳离子交换膜，只允许阳离子通过，阳极的电解质溶液为硫酸，所以阳极的电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，则阳极的氢离子会透过阳离子交换膜进入a室，与a室中的SO2碱吸收液中含有的Na2SO3发生反应生成NaHSO3，所以a室中的NaHSO3浓度增加。
4、D[解析] 由图中信息可知，左边电极与负极相连为阴极，右边电极为阳极，所以通电后，阴离子向右定向移动，阳离子向左定向移动，阳极上H2O放电生成O2和H＋，阴极上H2O放电生成H2和OH－；H＋透过c，Cl－透过b，二者在b、c之间的Ⅲ室形成盐酸，盐酸浓度变大，所以b、c分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜；Na＋透过a，NaOH的浓度变大，所以a也是阳离子交换膜，故A、B两项均错误；电解一段时间后，Ⅰ中的溶液的c(OH－)升高，pH升高，Ⅱ中为NaCl溶液，pH不变，Ⅲ中有HCl生成，故c(H＋)增大，pH减小，Ⅳ中H＋移向Ⅲ，H2O放电生成O2，使水的量减小，c(H＋)增大，pH减小，C不正确。
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