復習與練習例談電化學中的“離子交換膜”問題

劉成寶

“離子交換膜”是一種含離子基團、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜，有廣泛應用。

一、化學電源中的離子交換膜

圖1

例1某新型電池，以NaBH4（B的化合價為+3價）和H2O2作原料，該電池可用作深水勘探等無空氣環(huán)境電源，其工作原理如圖1所示。下列說法正確的是（ ）。

A.電池工作時Na+從b極區(qū)移向a極區(qū)

B.每消耗3 mol H2O2，轉(zhuǎn)移3 mol e-

C.b極上的電極反應式為：H2O2+2e-+2H+2H2O

D.a極上的電極反應式為：BH-4+8OH--8e-BO-2+6H2O

解析鈉離子交換膜只允許Na+通過，Na+的移動情況要結合電極反應式進行判斷。該電池的總反應方程式為NaBH4+4H2O2NaBO2+6H2O，a電極（負極）反應式為BH-4+8OH--8e-BO-2+6H2O，b電極（正極）反應式為4H2O2+8e-8OH-。因此a極區(qū)負電荷減少，b極區(qū)負電荷增多，Na+從a極區(qū)移向b極區(qū)。

圖2

例2如圖2裝置Ⅰ是一種可充電電池，裝置Ⅱ為電解池。裝置Ⅰ的離子交換膜只允許Na+通過，已知電池放電的化學方程式為：2Na2S2+NaBr3Na2S4+3NaBr，當閉合開關K時，X電極附近溶液變紅。下列說法正確的是（ ）。

A.閉合開關K時，鈉離子從右到左通過離子交換膜

B.閉合開關K時，負極反應式為：3NaBr-2e-NaBr3+2Na+

C.閉合開關K時，X電極反應式為：2Cl--2e-Cl2↑

D.閉合開關K時，當有0.1 mol Na+通過離子交換膜時，X電極上放出標準狀況下氣體1.12 L

解析X電極附近溶液變紅，說明X極區(qū)產(chǎn)生OH-，因此X為陰極，裝置Ⅰ的左端為負極。由該電池的反應方程式可知，負極反應式為2Na2S2-2e-Na2S4+2Na+，正極反應式為NaBr3+2e-+2Na+3NaBr，則Na+從左通過離子交換膜移向右側(cè)。當有0.1 mol Na+通過交換膜時，外電路中轉(zhuǎn)移0.1 mol電子，則X電極上生成的H2為0.05 mol。圖3

例3人工光合作用能夠借助太陽能，用CO2和H2O制備化學原料。圖3是通過人工光合作用制備HCOOH的原理示意圖，下列說法不正確的是（ ）。

A.該過程是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能的過程

B.催化劑a表面發(fā)生氧化反應，有O2產(chǎn)生

C.催化劑a附近酸性減弱，催化劑b附近酸性增強

D.催化劑b表面的反應是CO2+2H++2e-HCOOH

解析光合作用在將化學能轉(zhuǎn)化為電能的同時，將產(chǎn)生O2，因此該電池反應的方程式為2CO2+2H2O→2HCOOH+O2。由電子的流動方向及H+的移動方向可知，左側(cè)為負極，電極反應式為2H2O-4e-O2+4H+，右側(cè)為正極，電極反應式為2CO2+4H++4e-2HCOOH，因此催化劑a附近酸性增強。

圖4

例4鋰離子電池已經(jīng)成為應用最廣泛的可充電電池。某種鋰離子電池的結構示意圖如圖4，其中兩極區(qū)間的隔膜只允許Li+通過。電池充電時的總反應化學方程式為：LiCoO2Li1-xCoO2+xLi。關于該電池的推論錯誤的是（ ）。

A.放電時，Li+主要從負極區(qū)通過隔膜移向正極區(qū)

B.放電時，負極反應xLi-xe-xLi+

C.充電時，將電能轉(zhuǎn)化為化學能

D.充電時，負極（C）上鋰元素被氧化

解析由題知放電時的反應為：Li1-xCoO2+xLiLiCoO2，則負極反應為xLi-xe-xLi+，正極反應為Li1-xCoO2+xe-+xLi+LiCoO2，Li+從負極區(qū)通過隔膜移向正極區(qū)。

二、電解池中的離子交換膜

圖5

例5有一種節(jié)能的氯堿工業(yè)新工藝，將電解池與燃料電池相組合，相關流程如圖5所示（電極未標出），回答下列有關問題：

（1）燃料電池中陽離子的移動方向（填“從左向右”或“從右向左”）。

（2）a、b、c的大小關系為：。

解析燃料電池以NaOH溶液為電解質(zhì)，負極、正極的電極反應式分別為2H2-4e-+4OH-4H2O、O2+4e-+2H2O4OH-，正極區(qū)負電荷增多，則Na+通過離子交換膜從左向右移動。由于陽離子交換膜只允許陽離子通過，在負極室內(nèi)有H2O生成，導致負極室內(nèi)NaOH溶液濃度減小，即a%>b%，而正極室內(nèi)NaOH溶液濃度增大，即c%>a%，因此c%>a%>b%。在電解池中，陰極的電極反應式為2H2O+2e-H2↑+2OH-，因此Na+通過離子交換膜由陽極向陰極移動，也可判斷出a%>b%。在電解池中，由于陽離子交換膜只允許陽離子通過，從而避免陽極產(chǎn)生的Cl2與陰極產(chǎn)生的H2、NaOH發(fā)生反應，以確保安全及所得NaOH溶液的純度。

圖6

例6人工腎臟可采用間接電化學方法除去代謝產(chǎn)物中的尿素，原理如圖6所示。電解結束后，陰極室溶液的pH與電解前相比將；若兩極共收集到氣體13.44 L（標準狀況），則除去的尿素為g（忽略氣體的溶解）。

解析電解時右端產(chǎn)生H2，左端生成Cl2，確定A為電源的正極，B為負極，陽極室中發(fā)生的反應依次為2Cl--2e-Cl2↑，CO（NH2）2+3Cl2+H2ON2↑+CO2↑+6HCl，陰極反應為2H2O+2e-2OH-+H2↑（或2H++2e-H2↑），由電子轉(zhuǎn)移守恒關系可知在陰、陽極上產(chǎn)生的OH-與H+的物質(zhì)的量相等，陽極室中反應產(chǎn)生的H+通過質(zhì)子交換膜進入陰極室與OH-恰好反應生成水，所以陰極室中電解前后溶液的pH不變。計算略。

圖7

例7以鉻酸鉀為原料，電化學法制備重鉻酸鉀的實驗裝置示意圖如圖7，下列說法不正確的是（ ）。

A.在陰極室，發(fā)生的電極反應為：2H2O+2e-2OH-+H2↑

B.在陽極室，通電后溶液逐漸由黃色變?yōu)槌壬?，是因為陽極區(qū)H+濃度增大，使平衡2CrO2-4+2H+Cr2O2-7+H2O向右移動

C.該制備過程中總反應的化學方程式為：4K2CrO4+4H2O2K2Cr2O7+4KOH+2H2↑+O2↑

D.測定陽極液中K和Cr的含量，若K與Cr的物質(zhì)的量之比（n（K）/n（Cr））為d，則此時鉻酸鉀的轉(zhuǎn)化率為1-d/2

解析陰極反應為4H2O+4e-4OH-+2H2↑，陽極反應為2H2O-4e-4H++O2↑，溶液中的陽離子通過交換膜由陰極室進入陽極室。在陽極室由于H+濃度增大，使平衡2CrO2-4+2H+Cr2O2-7+H2O右移，從而得到K2Cr2O7。由電子轉(zhuǎn)移守恒關系及電荷守恒關系可知，每有2 mol K2CrO4反應或1 mol K2Cr2O7生成時，將有2 mol K+由陰極室進入陽極室。故設最初陽極室中的K2CrO4為1 mol，轉(zhuǎn)化的K2CrO4為

x mol，則陽極室n（K）=（2-x）mol，n（K）/n（Cr）=（2-x）mol/1 mol=d，計算出K2CrO4的轉(zhuǎn)化率為：2-d1×100%。

例8電解裝置如圖所示，電解槽內(nèi)裝有KI及淀粉溶液，中間用陰離子交換膜隔開。在一定的電壓下通電，發(fā)現(xiàn)左側(cè)溶液變藍色，一段時間后，藍色逐漸變淺（已知：3I2+6OH-IO-3+5I-+3H2O）。下列說法不正確的是（ ）。

A.右側(cè)發(fā)生的電極方程式：2H2O+2e-H2↑+2OH-

B.電解結束時，右側(cè)溶液中含有IO-3

C.電解槽內(nèi)發(fā)生反應的總化學方程式：KI+3H2OKIO3+3H2↑

D.如果用陽離子交換膜代替陰離子交換膜，電解槽內(nèi)發(fā)生的總化學方程式不變

解析左側(cè)先變藍的原因是由于2I--2e-I2，遇淀粉呈現(xiàn)藍色。右側(cè)發(fā)生反應為2H2O+2e-H2↑+2OH-，因此OH-能夠通過陰離子交換膜進入左側(cè)，發(fā)生反應3I2+6OH-IO-3+5I-+3H2O，從而得到KIO3，而IO-3又可以通過陰離子交換膜進入右側(cè)。若使用陽離子交換膜，則在兩電極產(chǎn)生的I2與OH-因不能接觸而不反應。此時的總反應方程式為2KI+2H2OI2+3H2↑+2KOH。

（收稿日期：2014-12-10）