专题研究 5 隔膜在电化学装置中的应用 1．关于“膜”的认识 (1)电化学中的“离子交换膜”本质是电荷守恒的应用。原电池中的离子交换膜可替代盐桥，具有平衡电荷、导通电流的作用，有时还具有防止电极产物与电解质溶液反应、提高电流效率的作用。电解池中使用离子交换膜，有时是为了阻止副反应的发生、提高产品纯度或防止造成危险；有时是为了限制某些离子(或分子)的定向移动、分离提纯物质；有时是为了物质的制备。具体如下： (2)离子交换膜除了常见类型之外，还有： ①两性离子交换膜既可以作为阳离子交换膜又可以作为阴离子交换膜。 ②双极性膜是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的 H2O 解离成 H＋和 OH－并分别通过阳膜和阴膜，作为 H＋和 OH－离子源。双极性膜简称双极膜(BM)。常见电化学的双极膜认识模型如图所示： 2．常见含“膜”电化学装置解读示例 (1)单膜双室 ①带阳离子交换膜的氯碱工业电解模型 此时，阳离子交换膜的作用是平衡电荷，形成闭合回路；防止Cl2和H2混合而引起爆炸；避免Cl2与NaOH反应生成NaClO，影响NaOH的产量；避免Cl－进入阴极区导致制得的NaOH不纯。 ②微生物电池———将化学能转化为电能 如图所示是利用一种微生物将废水中的有机物(如淀粉)和废气NO的化学能直接转化为电能。 (2)双膜三室 水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。 分析如下： 考向1| 离子交换膜类型 1．(2024·黑吉辽卷)“绿色零碳”氢能前景广阔。为解决传统电解水制“绿氢”阳极电势高、反应速率缓慢的问题，科技工作者设计耦合HCHO高效制H2的方法，装置如图所示。部分反应机理为 。下列说法错误的是( ) A．相同电量下H2理论产量是传统电解水的1.5倍 B．阴极反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑ C．电解时 OH－通过阴离子交换膜向b极方向移动 D．阳极反应：2HCHO＋4OH－－2e－===2HCOO－＋2H2O＋H2↑ A 解析：据图示可知，该装置为电解池，b电极上HCHO转化为HCOO－，为氧化反应，所以b电极为阳极，a电极为阴极，HCHO为阳极反应物，由反应机理 可知，反应 后生成的－转化为HCOOH。由原子守恒和电荷守恒可知，在生成HCOOH 的同时还生成了H－，生成的HCOOH再与KOH发生酸碱中和反应：HCOOH＋OH－===HCOO－＋H2O，而生成的H－在阳极失电子发生氧化反应生成氢气，即2H－－2e===H2↑，阴极水得电子生成氢气：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。由以上分析可知，阳极反应为①HCHO＋OH－－e－―→HCOOH＋H2，②HCOOH＋OH－===HCOO－＋H2O，阴极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，即转移2 mol电子时，阴、阳两极各生成1 mol H2，共2 mol H2，而传统电解水的反应为2H2O2H2↑＋O2↑，转移2 mol电子，只有阴极生成1 mol H2，所以相同电量下H2理论产量是传统电解水的2倍，故A错误；阴极水得电子生成氢气，阴极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故B正确；由电极反应可知，电解过程中阴极生成OH－，负电荷增多，阳极负电荷减少，要使电解质溶液呈电中性，OH－通过阴离子交换膜向阳极移动，即向b极方向移动，故C正确；由以上分析可知，阳极反应涉及：①HCHO＋OH－－e－―→HCOOH＋H2，②HCOOH＋OH－===HCOO－＋H2O，由(①＋②)×2得阳极反应为2HCHO＋4OH－－2e－===2HCOO－＋2H2O＋H2↑，故D正确。 2．(2024·日照模拟)以“全氢电池”为电源直接电解氯化钠溶液制备H2和HClO的装置如图所示(工作时，H2O在双极膜界面处被催化解离成H＋和OH－)。下列说法错误的是( ) A．“全氢电池”的总反应为H＋＋OH－===H2O B．“全氢电池”的双极膜中产生的H＋向右移动，OH－向左移动 C．阳极区发生的电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑ D．理论上负极消耗1 mol H2，电解池阳极区减少1 mol阳离子(忽略HClO ... ...
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