联招化学·电化学：离子交换膜与氯碱工业

题目性质：自编仿真题——题目、材料、选项、数据与情境均为按课程标准与联招常见考点独立编写的原创仿真题，非真题原文，未取自任何题库、教辅或试卷；解析与采分点为教研整理，非官方评分标准。

一、考点定位与做题顺序

先定装置：阳极室通精制饱和 NaCl 溶液，阳极（惰性涂层电极）上 Cl⁻ 失电子生成 Cl₂；阴极室通水（或稀 NaOH 溶液），阴极上 H₂O 得电子生成 H₂ 与 OH⁻。中间隔阳离子交换膜，只允许 Na⁺ 由阳极室迁移到阴极室，与 OH⁻ 结合成 NaOH。总反应：2NaCl + 2H₂O →(电解) 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑。

膜的两重作用要分开写：①只允许 Na⁺ 通过，使 NaOH 在阴极室生成并富集，得到较纯的烧碱；②隔开产物，阻止 Cl₂ 与 NaOH 接触生成 NaClO／NaClO₃（会降低烧碱纯度并消耗产品），也阻止 Cl₂ 与 H₂ 混合见光爆炸。定量题一律走电子守恒：n(e⁻) = It/F，再由 2e⁻ ↔ 1 H₂ ↔ 1 Cl₂ ↔ 2 NaOH 一次算全。下面装置参数与数据为自编示意数值，不代表真实工业运行参数。

二、题目呈现

题目

某自编示意氯碱电解槽：以阳离子交换膜隔开阳极室与阴极室，阳极室盛精制饱和 NaCl 溶液，阴极室盛水，电极均为惰性电极。接通直流电源，电流 I = 2.00 A，通电 t = 965 s。取法拉第常数 F = 9.65×10⁴ C/mol，气体体积按标准状况 Vm = 22.4 L/mol 计算，忽略副反应与气体溶解。

(1) 写出阳极、阴极的电极反应式与总反应方程式；

(2) 说明阳离子交换膜的作用，并解释为什么进入电解槽前必须精制盐水（除去 Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄²⁻ 等）；

(3) 计算通过回路的电子物质的量，以及生成 NaOH、H₂、Cl₂ 的物质的量和两种气体在标准状况下的体积，并做守恒回代验算。

补充问

(4) 若误用阴离子交换膜（只允许阴离子通过），阴极室还能得到较纯的 NaOH 吗？Cl₂ 与 NaOH 会发生什么反应？写出该反应的化学方程式。

三、分步解析

(1) 电极式与总反应　阳极（氧化）：2Cl⁻ − 2e⁻ = Cl₂↑。
阴极（还原）：2H₂O + 2e⁻ = H₂↑ + 2OH⁻。
总反应：2NaCl + 2H₂O →(通电) 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑。
配平核对：Na 2↔2，Cl 2↔2，H 4↔2+2=4，O 2↔2；电子 2e⁻ 得失相等 ✓。
为什么阴极是 H₂O 而不是 Na⁺ 放电：水溶液中 Na⁺ 的氧化性远弱于 H₂O，故 H₂O 优先得电子；这也是「电解饱和食盐水得 NaOH 而非金属钠」的根本原因。采分点：阳极式 1 分、阴极式 2 分（漏 OH⁻ 或漏系数扣分）、总反应含条件与气体符号 1 分、放电顺序说明 1 分。

(2) 膜的作用与精制理由　膜的作用（两重，分开写）：
① 选择性迁移：只允许 Na⁺ 从阳极室迁入阴极室，与阴极生成的 OH⁻ 结合成 NaOH，使产品在阴极室富集、浓度较高且不含大量 NaCl；同时维持两室电中性（阳极室因 Cl⁻ 消耗而正电过剩，Na⁺ 迁出正好平衡）。
② 隔离产物：阻止 OH⁻ 反向迁入阳极室、也阻止 Cl₂ 与阴极室的 NaOH、H₂ 接触——否则 Cl₂ + 2NaOH = NaCl + NaClO + H₂O 会消耗产品、降低烧碱纯度，H₂ 与 Cl₂ 混合遇光还会爆炸。
精制盐水的理由：Ca²⁺、Mg²⁺ 在阴极室碱性条件下生成 Ca(OH)₂、Mg(OH)₂ 沉淀，SO₄²⁻ 及 Ca²⁺ 也易与膜内的磺酸基结合或生成 CaSO₄ 垢，堵塞膜的孔道、增大膜电阻、降低电流效率，缩短膜寿命。故须先用 Na₂CO₃、NaOH、BaCl₂ 等除去，再进槽。
采分点：两重作用各 2 分、电中性说明 1 分、精制理由 2 分（写出「沉淀堵膜／增大电阻」才给满）。

(3) 定量计算　Q = It = 2.00 A × 965 s = 1930 C。
n(e⁻) = Q/F = 1930 / (9.65×10⁴) = 2.00×10⁻² mol。
由总反应与电极式：每转移 2 mol e⁻，生成 2 mol NaOH、1 mol H₂、1 mol Cl₂，即
n(NaOH) = n(e⁻) = 2.00×10⁻² mol；
n(H₂) = n(Cl₂) = n(e⁻)/2 = 1.00×10⁻² mol。
V(H₂) = V(Cl₂) = 1.00×10⁻² × 22.4 = 0.224 L（224 mL）。
守恒回代验算（三条，全部闭环）：
① 电子守恒：阳极 2 × n(Cl₂) = 2.00×10⁻² mol e⁻，阴极 2 × n(H₂) = 2.00×10⁻² mol e⁻，与 Q/F 一致 ✓；
② 原子守恒：生成的 NaOH 中 Na 为 2.00×10⁻² mol，恰等于迁移过膜的 Na⁺，也等于消耗的 NaCl 物质的量（2NaCl ↔ 2NaOH）✓；
③ 电荷／质量口径：阴极每得 2e⁻ 同时生成 2OH⁻，故 n(OH⁻) = n(e⁻) = n(NaOH)，与①一致 ✓。
采分点：Q=It 1 分、n(e⁻)=Q/F 2 分、三个物质的量各 1 分、气体体积各 1 分、三条验算各 1 分。

(4) 换膜的后果　不能得到较纯的 NaOH。阴离子交换膜只允许阴离子通过：阳极室的 Cl⁻ 会向阳极迁移后被氧化，阴极室生成的 OH⁻ 会反向迁入阳极室，而 Na⁺ 被挡在阳极室无法进入阴极室，阴极室缺少 Na⁺ 便无法富集 NaOH；同时 OH⁻ 进入阳极室会与 Cl₂ 直接反应：
Cl₂ + 2NaOH = NaCl + NaClO + H₂O（冷、稀碱条件下生成次氯酸钠；若热的浓碱则 3Cl₂ + 6NaOH = 5NaCl + NaClO₃ + 3H₂O）。
结果是产品中混入 NaCl／NaClO，烧碱纯度下降、电流效率降低，且 Cl₂ 泄漏与 H₂ 混合的安全隐患增大。采分点：判断「不能」1 分、说明 Na⁺ 被挡 2 分、写出方程式 2 分、指出纯度/安全后果 1 分。

四、采分点对照

五、高频易错点

• 阴极式写成 2Na⁺ + 2e⁻ = 2Na，忽略水溶液中 H₂O 优先放电。
• 膜的作用只写「让 Na⁺ 过去」，漏掉「隔离 Cl₂ 与 NaOH／H₂」这一重，或漏写维持电中性。
• 定量时把 n(NaOH) 写成 n(e⁻)/2（应与 n(e⁻) 相等），或总电阻/总电子数代错 F。
• 气体体积忘记乘标准状况摩尔体积，或把 H₂ 与 Cl₂ 的体积算成 2:1。
• 换膜题只说「效果变差」，不解释 Na⁺ 被挡、也不写 Cl₂ 与碱反应的方程式。

六、小结与自查清单

• □ 先判阳极/阴极，再写「氧化／还原」字样，最后配平电极式并检查电荷守恒。
• □ 膜的作用分「选择性迁移」与「隔离产物」两层写，并补一句电中性。
• □ 定量一律先算 n(e⁻)=It/F，再由计量比一次推出全部产物，别逐个另起炉灶。
• □ 用电子守恒、原子守恒、n(OH⁻)=n(e⁻) 三条各回代一次，确认闭环。
• □ 方程式写清条件（通电／冷稀碱）、气体符号与配平；体积带单位与状况说明。

氯碱工业题看着装置复杂，其实只有两条线：膜决定了「谁在哪一室、能不能见面」，电子守恒决定了「各产物是多少」。把这两条分开写，再用三条守恒各回代一遍，答案就既完整又自证。本题电流、时间、装置参数与产物数据均为自编示意数值，不代表真实工业运行参数。