含離子交換膜電池的應用

王曉波

(內蒙古赤峰市內蒙古師范大學錦山實驗中學 024400)

近幾年全國卷的高考中，涉及離子交換膜的試題較多，且常考常新.離子交換膜是一種含有離子基團的、對溶液中離子具有選擇性透過的高分子膜.根據透過的微粒類型，離子交換膜可以分為多種，在高考試題中，主要出現的是陽離子交換膜(如2018·全國卷ⅠT27、2018·全國卷ⅢT27)、陰離子交換膜和質子交換膜(2018·全國卷ⅠT13、)三種，其功能是在于選擇性通過某些離子和阻斷某些離子或隔離某些物質，從而制備、分離或提純某些物質.

一、重難點撥

1．離子交換膜的類型和作用

2．多室電解池

多室電解池是利用離子交換膜的選擇透過性，即允許帶某種電荷的離子通過而限制帶相反電荷的離子通過，將電解池分為兩室、三室、多室等，以達到濃縮、凈化、提純及電化學合成的目的.

(1)兩室電解池

①制備原理：工業上利用如圖兩室電解裝置制備燒堿

②陽離子交換膜的作用

它只允許Na+通過，而阻止陰離子(Cl-)和氣體(Cl2)通過.這樣既防止了兩極產生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和陰極產生的NaOH反應生成NaClO而影響燒堿的質量.

(2)三室電解池

利用三室電解裝置制備NH4NO3，其工作原理如圖所示.

(3)多室電解池

利用“四室電滲析法”制備H3PO2(次磷酸)，其工作原理如圖所示.

二、考法精析

應用一 用于物質的分離和提純

典例1 一種三室微生物燃料電池可用于污水凈化、海水淡化，其工作原理如圖所示，圖中有機廢水中有機物可用C6H10O5表示.下列有關說法不正確的是( ).

A．Cl-由中間室移向左室

B．X氣體為CO2

D．電路中每通過4 mol電子，產生標準狀況下X氣體的體積為22.4 L

備考方略含離子交換膜電化學裝置題的解題步驟(如圖所示).

應用二 用于物質的制備

類型一 判斷離子的遷移方向

典例2 (1)(2018·全國卷Ⅲ節選)KIO3可采用“電解法”制備，裝置如圖所示.

①寫出電解時陰極的電極反應式____.

②電解過程中通過陽離子交換膜的離子主要為____，其遷移方向是____.

(2)(2018·全國卷Ⅰ節選)制備Na2S2O5可采用三室膜電解技術，裝置如圖所示，其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3.陽極的電極反應式為____.電解后，____室的NaHSO3濃度增加.將該室溶液進行結晶脫水，可得到Na2S2O5.

備考方略有“膜”條件下離子定向移動方向的判斷方法(如圖所示).

類型二 判斷離子交換膜的類型

典例3 四室式電滲析法制備鹽酸和NaOH的裝置如圖所示.a、b、c為陰、陽離子交換膜.已知：陰離子交換膜只允許陰離子透過，陽離子交換膜只允許陽離子透過.下列敘述正確的是( ).

A．b、c分別依次為陽離子交換膜、陰離子交換膜

B．通電后Ⅲ室中的Cl-透過c遷移至陽極區

C．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高

解析由圖中信息可知，左邊電極與負極相連為陰極，右邊電極為陽極，所以通電后，陰離子向右定向移動，陽離子向左定向移動，陽極上H2O放電生成O2和H+，陰極上H2O放電生成H2和OH-；H+透過c，Cl-透過b，二者在b、c之間的Ⅲ室形成鹽酸，鹽酸濃度變大，所以b、c分別為陰離子交換膜和陽離子交換膜；Na+透過a，NaOH的濃度變大，所以a也是陽離子交換膜，故A、B兩項均錯誤；電解一段時間后，Ⅰ中的溶液的c(OH-)升高，pH升高，Ⅱ中為NaCl溶液，pH不變，Ⅲ中有HCl生成，故c(H+)增大，pH減小，Ⅳ中H+移向Ⅲ，H2O放電生成O2，使水的量減小，c(H+)增大，pH減小，C不正確.答案：D

備考方略離子交換膜類型的判斷方法：