第7课时 化学能与电能(5)——含离子交换膜电池的应用(过热点)
近几年全国卷的高考中，涉及离子交换膜的试题较多，且常考常新。离子交换膜是一种含有离子基团的、对溶液中离子具有选择性透过的高分子膜。根据透过的微粒类型，离子交换膜可以分为多种，在高考试题中，主要出现的是阳离子交换膜(如2018·全国卷ⅠT27、2018·全国卷ⅢT27)、阴离子交换膜(2014·全国卷ⅠT27)和质子交换膜(2018·全国卷ⅠT13、2015·全国卷ⅠT11)三种，其功能是在于选择性通过某些离子和阻断某些离子或隔离某些物质，从而制备、分离或提纯某些物质。
[重难点拨]
1．离子交换膜的类型和作用
2．多室电解池
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：2H2O＋2e===H2↑＋2OH，阴极区H放电，破坏了水的电离平衡，使OH浓度增大，阳极区Cl放电，使溶液中的c(Cl)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
它只允许Na通过，而阻止阴离子(Cl)和气体(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2
和Cl2混合爆炸，又避免了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＋2H2O===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=====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)多室电解池
利用“四室电渗析法”制备H3PO2(次磷酸)，其工作原理如图所示。
电解
－
－
－
＋
－
＋
－
＋
＋
＋
电解稀硫酸的阳极反应：2H2O－4e===O2↑＋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：4H2O＋4e===2H2↑＋4OH，原料室中的Na通过阳离子交换膜进入阴极室。
[考法精析]
应用一 用于物质的分离和提纯
[典例1] 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NO3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
[解析] 该电池中，NO－3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－3＋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2NO3
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，4 mol产生标准状况下CO2气体的体积为×6×22.4 L·mol－1＝22.4 L，D项正确。
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[答案] C
[备考方略] 含离子交换膜电化学装置题的解题步骤
应用二 用于物质的制备 类型(一) 判断离子的迁移方向
[典例2] (1)(2018·全国卷Ⅲ节选)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________。 (2)(2018·全国卷Ⅰ节选)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。