2024年1月10日发(作者：)
专题讲座三 “隔膜”原电池、电解池模型
1．常见的隔膜
隔膜又叫离子交换膜，由特殊高分子材料制成。离子交换膜分四类：
(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，即允许OH－和其他阴离子通过，不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜，只允许H通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
(4)双极性膜，膜的一侧为阳膜，只允许阳离子通过，另一侧为阴膜，只允许阴离子通过。
2．隔膜的作用
(1)能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。
(2)能选择性地允许离子通过，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3．隔膜的选择依据：离子的定向移动。
4．隔膜的应用
＋
5．多室电解池的类型
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、三室等，以达到浓缩、净化、提纯以及电化学合成的目的。
(1)两室电解池
以惰性电极电解一定浓度的Na2CO3溶液为例，其原理如图所示：
①电极名称的判断：根据“阴阳相吸”判断，Na＋移向的乙电极是阴极；根据“阳极放氧生酸”判断，左侧有氧气生成的甲电极是阳极。
②电极反应式的书写：右侧阴极区电解液为稀氢氧化钠溶液，根据“阴极放氢生碱”，得4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，A为氢气；左侧阳极区电解液为碳酸钠溶－－－液，根据“阳极放氧生酸”，且H＋会与CO22H2O－4e－＋4CO23结合生成HCO3：3===O2↑＋4HCO－3。
(1)含离子交换膜的电解池的最大优点是能自动把产品(如该电解池产生的NaOH和NaHCO3)分离开，从而降低分离提纯成本。
(2)“阴阳相吸”是很多化学反应的微观基础。“阴阳相吸”的含义：①阴离子与阳离子相互吸引并发生迁移；②阴极吸引电解液中的阳离子，阳极吸引电解液中的阴离子，并使阳离子与阴离子发生定向移动；③正极吸引自由电子，使电子通过导线由负极定向移动到正极。
(2)三室电解池
以三室式电渗析法处理含KNO3的废水得到KOH和HNO3为例，其原理如图所示：
①阴极反应及ab膜的判断：阴极的电极反应式为4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－(放氢生碱)，生成的带负电荷的OH－吸引中间隔室的K＋向阴极迁移，得到KOH溶液，阴极区溶液的pH增大，ab膜为阳离子交换膜。
②阳极反应及cd膜的判断：阳极的电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋(放氧生酸)，生成的带正电荷的H＋吸引中间隔室的NO－得到HNO3溶液，3向阳极迁移，阳极区溶液的pH减小，cd膜为阴离子交换膜。
电解 虽然其实质是电解水，但总反应不能写成2H2O=====2H2↑＋O2↑，电解而应该写为4KNO3＋6H2O=====2H2↑＋4KOH＋O2↑＋4HNO3。
(3)四室电解池
以四室式电渗析法制备H3PO2(次磷酸)为例，其原理如图所示：
电解稀硫酸的阳极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋(放氧生酸)，产生的H＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2PO－2通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稀溶液的阴极反应式为4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－(放氢生碱)，原料室中的Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室。
1．利用原电池原理，在室温下从含低浓度铜的酸性废水中回收铜的实验装置如图所示：
下列说法错误的是( )
A．X、Y依次为阳离子、阴离子选择性交换膜
－－－B．负极的电极反应式：BH－4＋8OH－8e===B(OH)4＋4H2O
C．2室流出的溶液中溶质为Na2SO4和K2SO4
D．电路中每转移1 mol电子，电极2上有32 g Cu析出
解析：选D。由题图可知，电极1为负极，电极2为正极，1室中Na＋、K＋透－过X膜向2室迁移，3室中SO2故X、Y依次为阳离子、4透过Y膜向2室迁移，阴离子选择性交换膜，2室流出的溶液为Na2SO4溶液和K2SO4溶液，A、C项正确；在原电池中负极发生氧化反应，B项正确；正极发生还原反应，H＋和Cu2＋被还原，当转移1 mol电子时，析出的Cu少于32 g，D项错误。
2．(双选)(2022·泰安高三模拟)某微生物电池在运行时可同时实现净化有机污水、－净化含Cr2O27的废水(pH约为6)和淡化食盐水，其装置示意图如图所示。图中，D和E为离子交换膜，Z为待淡化食盐水(已知Cr3＋完全沉淀所需的pH为5.6)。下列说法不正确的是( )
A．E为阴离子交换膜
－B．X为有机污水，Y为含Cr2O27的废水
－C．理论上处理1 mol Cr2O27的同时可脱除3 mol NaCl
2－D．C室的电极反应为Cr2O7＋6e－＋8H＋===2Cr(OH)3↓＋H2O
解析：选AC。从电子流动的方向看，生物膜所在电极为负极，碳布为正极。在－－＋C室发生反应Cr2O2总体上看，C室消耗阳7＋6e＋8H===2Cr(OH)3↓＋H2O，离子比阴离子多，所以B室中的阳离子应向C室移动，阴离子应向A室移动，－即E为阳离子交换膜，A项错误；理论上处理1 mol Cr2O2转移6 mol电子，7时，则同时有6 mol Na＋进入C室，有6 mol Cl－进入A室，所以可脱除6 mol NaCl，C项错误。
3．(2022·济南高三月考)铁基液流电池有显著的成本优势和资源优势。当前正研
究的某种碱性铁基半液流电池的放电工作原理如图所示。下列说法错误的是( )
A．放电时，b极为正极；充电时，该电极连接电源正极
B．充电时，a极电极反应式为Fe3O4＋8e－＋4H2O===3Fe＋8OH－
C．石墨烯的作用是提高电极中Fe3O4/Fe的反应活性，防止电极钝化
D．放电时，负极失去1 mol电子时，一定有1 mol的阳离子通过交换膜
解析：选D。A.根据工作原理图可知，放电时，a极由Fe→Fe3O4，a极为负极；4－－b极由Fe(CN)36→Fe(CN)6，b极为正极；充电时，a极连接电源的负极，b极连接电源的正极，A正确；B.由于该电池为碱性电池，所以充电时，a极电极反应式为Fe3O4＋8e－＋4H2O===3Fe＋8OH－，B正确；C.电极材料Fe3O4为固体且致密，与溶液中离子难充分接触，常用石墨烯扩大固液的接触面积，增加其活性，C正确；D.放电时，a极电极反应式为3Fe＋8OH－－8e－===Fe3O4＋4H2O，b极4－－－电极反应式为Fe(CN)36＋e===Fe(CN)6，当负极失去1 mol电子时，由于阳离子所带电荷数未知，不能确定是否有1 mol阳离子通过交换膜，D错误。
4．(双选)(2022·淄博高三模拟)我国科技工作者设计了一种电解装置，能将甘油(C3H8O3)和二氧化碳转化为甘油醛(C3H6O3)和合成气，原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．催化电极b与电源正极相连
B．电解时催化电极a附近的pH增大
C．电解时阴离子透过交换膜向电极a迁移
D．生成的甘油醛与合成气的物质的量相等
解析：选CD。催化电极b上CO2被还原为CO，H2O(g)被还原为H2，为电解池的阴极，与电源负极相连，A项错误；催化电极a为阳极，电极上甘油被氧化为－－溶液中碳酸根甘油醛，电极反应为C3H8O3－2e－＋2CO23=== C3H6O3＋2HCO3，离子的水解程度大于碳酸氢根离子，碳酸钠溶液的碱性强于碳酸氢钠溶液，则电极附近的pH减小，B项错误。
5．光电池在光照条件下可产生电流，如图装置可以实现光能源的充分利用，双极性膜可将水解离为H＋和OH－，并实现其定向通过。下列说法不正确的是( )
A．该装置可利用光能实现水的分解
B．光照过程中阴、阳极区溶液中的pH均基本不变
催化剂C．再生池中的反应为2V2＋＋2H＋=====2V3＋＋H2↑
D．每有1 mol OH－通过双极性膜，可产生5.6 L(标准状况)O2
解析：选B。双极性膜可将水解离为H＋和OH－，由图可知，H＋进入阴极，OH－进入阳极，则双极性膜可控制其两侧溶液分别为酸性和碱性，即光照过程中阴、阳极区溶液中的pH均发生改变，故B错误。
6．(双选)(2022·聊城高三模拟)重铬酸钾是工业合成的常用氧化剂和催化剂，如图所示的微生物电池，能利用K2Cr2O7 实现对含苯酚(或醛类)废水的有效处理，
该电池工作一段时间后，中间室内的NaCl溶液浓度减小，则下列叙述正确的是( )
A．a电极为负极，电子从a电极经过中间室到达b电极
B．M为阳离子交换膜，电解过程中中间室内的 n(NaCl)减小
C．处理含苯甲醛的废水时，a电极的电极反应为C6H5CHO－32e－＋13H2O===7CO2↑＋32H＋
D．当b电极消耗等物质的量的K2Cr2O7 时，a电极消耗的C6H5OH和C6H5CHO的物质的量之比为 8∶7
解析：选CD。根据电池装置图可知，a电极上苯酚或苯甲醛反应生成CO2，碳元素化合价升高，发生氧化反应，故a电极为负极，电子从a电极经过导线到达b电极，A项错误；原电池中，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，为保证电解质溶液导电的稳定性，M应为阴离子交换膜，中间室内的 n(NaCl)减小，B项错误；处理含苯甲醛的废水时，苯甲醛中碳元素失电子，化合价升高，生成CO2，电极反应式为C6H5CHO－32e－＋13H2O===7CO2↑＋32H＋，C项正确；b－电极上，Cr2O27中铬元素化合价降低生成Cr(OH)3，每消耗1 mol K2Cr2O7 转移6 mol电子，当转移6 mol电子时，根据电极反应C6H5OH－28e－＋11H2O===6CO2↑＋28H＋、C6H5CHO－32e－＋13H2O===7CO2↑＋32H＋可知，a66电极消耗的C6H5OH和C6H5CHO的物质的量之比为28∶32＝8∶7，D项正确。
7．(1)用间接电化学法除去NO的过程如图所示：
①已知电解池的阴极室中溶液的pH在4～7之间，写出阴极的电极反应：__________________________________________________________________
_______________________________________________________________。
②用离子方程式表示吸收池中除去NO的原理：___________________________________________________________________
_______________________________________________________________。
(2)高铁酸钠(Na2FeO4)是一种高效多功能水处理剂，在强碱性条件下稳定，易被H2还原。以铁合金、Ni为电极，电解NaOH溶液制取Na2FeO4的装置如图所示。
①电解时，总反应的化学方程式为____________________________________
________________________________________________________________。
②电解槽使用阳离子交换膜的作用：____________和允许导电的Na＋通过。
③如果用铅酸蓄电池作为该电解池的电源，则铁合金应与铅酸蓄电池的____________(填“Pb”或“PbO2”)相连。阳离子交换膜每通过1 mol Na＋，铅酸蓄电池的正极将增重____________g。
2－解析：(1)①阴极发生还原反应，HSO－电极反应为2HSO－3得电子生成S2O4，3＋－－2e－＋2H＋===S2O2②S2O2生成N2和HSO－4＋2H2O。4与NO发生氧化还原反应，3，－－离子方程式为2NO＋2S2O24＋2H2O===N2＋4HSO3。
(2)①由题意可知，铁合金做阳极，Ni做阴极，阴极上的电极反应为2H2O＋2e－－===H2↑＋2OH－，阳极上的电极反应为Fe－6e－＋8OH－===FeO24＋4H2O。将电解阴、阳极电极反应合并可得总反应的化学方程式：Fe＋2H2O＋2NaOH=====
Na2FeO4＋3H2↑。
②根据题意，Na2FeO4在强碱性条件下稳定，易被H2还原，则电解槽使用阳离子交换膜的作用为阻止Na2FeO4和H2接触反应。
③铅酸蓄电池中Pb为负极，PbO2为正极，如果用铅酸蓄电池作为该电解池的电源，铁合金应与铅酸蓄电池的PbO2相连；阳离子交换膜每通过1 mol Na＋，电－路中要转移1 mol电子，铅酸蓄电池的正极电极反应为PbO2＋4H＋＋SO24＋2e－===PbSO＋2HO，由42PbO2变为PbSO4可以看作增加的为二氧化硫的质量，根1－－1＝32 g。 据硫原子守恒，n(SO2)＝n(SO24)，增重的质量为×1 mol×64 g·mol2－＋2－答案：(1)①2HSO－3＋2e＋2H===S2O4＋2H2O
－－②2NO＋2S2O24＋2H2O===N2＋4HSO3
电解(2)①Fe＋2H2O＋2NaOH=====Na2FeO4＋3H2↑
②阻止Na2FeO4和H2接触反应 ③PbO2 32
