考點(diǎn)二十一離子交換膜在電化學(xué)裝置中的應(yīng)用1.常見的離子交換膜種類允許通過的離子及移動(dòng)方向說明陽離子交換膜陽離子→移向電解池的陰極或原電池的正極陰離子和氣體不能通過陰離子交換膜陰離子→移向電解池的陽極或原電池的負(fù)極陽離子和氣體不能通過質(zhì)子交換膜質(zhì)子→移向電解池的陰極或原電池的正極只允許H＋通過2.離子交換膜的功能(1)選擇性透過離子，平衡電荷，形成閉合回路(2)隔離某些分子和離子，防止副反應(yīng)——氯堿工業(yè)(3)應(yīng)用于制備物質(zhì)、分離物質(zhì)等【解題模型】三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如下圖所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場(chǎng)的作用下，兩膜中間的Na＋和SOeq\o\al(2－,4)可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進(jìn)入中間隔室。判斷ab、cd是什么交換膜；判斷離子的遷移方向；書寫電極反應(yīng)式；判斷電極產(chǎn)物。①弄清是原電池還是電解池，電極有外接電源→電解池；n→陽極，m→陰極②根據(jù)電極判斷離子的移動(dòng)方向和交換膜的種類Na＋→通過ab→陰極?ab是陽離子交換膜SOeq\o\al(2－,4)→通過cd→陽極?cd是陰離子交換膜③根據(jù)放電順序?qū)懗鲭姌O反應(yīng)式陰極，陽離子競爭放電，放電順序：H＋>Na＋，陰極的電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－；陽極，陰離子競爭放電，放電順序：OH－>SOeq\o\al(2－,4)，陽極的電極反應(yīng)式為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋。④根據(jù)電極反應(yīng)式和離子移動(dòng)方向確定電極反應(yīng)物陰極H＋放電生成H2，剩余OH－與遷移過來的Na＋生成NaOH；陽極OH－放電生成O2，剩余H＋與遷移過來的SOeq\o\al(2－,4)生成H2SO4。

【典例分析】(2021·河北卷)電池結(jié)構(gòu)如圖，a和b為兩個(gè)電極，其中之一為單質(zhì)鉀片。關(guān)于該電池，下列說法錯(cuò)誤的是()A.隔膜允許通過，不允許通過B.放電時(shí)，電流由b電極沿導(dǎo)線流向a電極；充電時(shí)，b電極為陽極C.產(chǎn)生1Ah電量時(shí)，生成的質(zhì)量與消耗的質(zhì)量比值約為2.22D.用此電池為鉛酸蓄電池充電，消耗3.9g鉀時(shí)，鉛酸蓄電池消耗0.9g水【答案】D【解析】本題考查電池的工作原理。由題圖可知，自發(fā)的氧化還原反應(yīng)為，所以單質(zhì)鉀片為負(fù)極，即a電極為負(fù)極，且在b極生成，所以隔膜允許通過，不允許O2通過，A項(xiàng)正確；放電時(shí)a為負(fù)極，b為正極，電流由b電極沿導(dǎo)線流向a電極，充電時(shí)b電極為陽極，B項(xiàng)正確；根據(jù)電池反應(yīng)原理，生成的質(zhì)量與消耗的質(zhì)量比值恒為，C項(xiàng)正確；根據(jù)，消耗3.9g鉀時(shí)，轉(zhuǎn)移0.1mol電子，鉛酸蓄電池反應(yīng)，由得失電子守恒可知，轉(zhuǎn)移0.1mol，電子，鉛酸蓄電池消耗0.1mol水，質(zhì)量為1.8g，D項(xiàng)錯(cuò)誤。2．(2018·全國卷Ⅰ，13)最近我國科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種CO2＋H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如下所示，其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯電極區(qū)發(fā)生反應(yīng)為：①EDTA-Fe2＋－e－=EDTA-Fe3＋②2EDTA-Fe3＋＋H2S=2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋該裝置工作時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是()A．陰極的電極反應(yīng)：CO2＋2H＋＋2e－=CO＋H2OB．協(xié)同轉(zhuǎn)化總反應(yīng)：CO2＋H2S=CO＋H2O＋SC．石墨烯上的電勢(shì)比ZnO@石墨烯上的低D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需為酸性答案C解析由題中信息可知，石墨烯電極發(fā)生氧化反應(yīng)，為電解池的陽極，則ZnO@石墨烯電極為陰極。陽極接電源正極，電勢(shì)高，陰極接電源負(fù)極，電勢(shì)低，故石墨烯上的電勢(shì)比ZnO@石墨烯上的高，C項(xiàng)錯(cuò)誤；由題圖可知，電解時(shí)陰極反應(yīng)式為CO2＋2H＋＋2e－=CO＋H2O，A項(xiàng)正確；將陰、陽兩極反應(yīng)式合并可得總反應(yīng)式為CO2＋H2S=CO＋H2O＋S，B項(xiàng)正確；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D項(xiàng)正確。3．(2020·安徽省皖南八校高三模擬)微生物燃料電池能將污水中的乙二胺(H2NCH2CH2NH2)氧化成環(huán)境友好的物質(zhì)，示意圖如圖所示，a、b均為石墨電極。下列說法錯(cuò)誤的是()A．a(chǎn)電極的電極反應(yīng)為H2NCH2CH2NH2－16e－＋4H2O=2CO2↑＋N2↑＋16H＋B．電池工作時(shí)質(zhì)子通過交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)C．a(chǎn)電極上的電勢(shì)比b電極上的電勢(shì)低D．電池工作時(shí)b電極附近溶液的pH保持不變答案D解析H2N(CH2)2NH2在負(fù)極a上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氮?dú)?、二氧化碳和H＋，電極反應(yīng)式為H2NCH2CH2NH2－16e－＋4H2O=2CO2↑＋N2↑＋16H＋，A選項(xiàng)正確；原電池中，陽離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，因此，電池工作時(shí)質(zhì)子(H＋)通過質(zhì)子交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)，B選項(xiàng)正確；a電極為負(fù)極，b電極為正極，故a電極上的電勢(shì)比b電極上的電勢(shì)低，C選項(xiàng)正確；電池工作時(shí)，氧氣在正極b上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O2＋4e－＋4H＋=2H2O，H＋濃度減小，故b電極附近溶液的pH增大，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。4．(1)(2020·北京石景山區(qū)模擬)我國研制出非貴金屬鎳鉬基高效電催化劑，實(shí)現(xiàn)電解富尿素廢水低能耗制H2，裝置如圖甲，總反應(yīng)：CO(NH2)2＋H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))3H2↑＋N2↑＋CO2↑。①A電極連接電源的______極(填“正”或“負(fù)”)。②A電極的電極反應(yīng)為_______________________________。(2)(2020·四川綿陽月考)電解制備KMnO4的裝置如圖乙所示。①b與電源的______(填“正”或“負(fù)”)極相連，電解液中最好選擇______(填“陽”或“陰”)離子交換膜。②電解時(shí)，陽極反應(yīng)式為__________________________________。答案(1)①正②CO(NH2)2＋H2O－6e－=N2↑＋CO2↑＋6H＋(2)①負(fù)陽②MnOeq\o\al(2－,4)－e－=MnOeq\o\al(－,4)解析(1)B電極上逸出氫氣，發(fā)生還原反應(yīng)，故B電極為陰極，A電極為陽極，電極反應(yīng)為CO(NH2)2＋H2O－6e－=N2↑＋CO2↑＋6H＋。(2)電解K2MnO4溶液制備KMnO4，則左側(cè)惰性電極是陽極，a與電源的正