高考新常態(tài)
——有關(guān)交換膜的電化學試題

江蘇 陳仕功

高考新常態(tài)
——有關(guān)交換膜的電化學試題

江蘇 陳仕功

近幾年高考試題來看，電化學知識成為試題明星，而有關(guān)交換膜的電化學試題更是引領(lǐng)高考新常態(tài)，緊跟社會發(fā)展和生產(chǎn)生活實際，成為明星中的明星。下面就交換膜有關(guān)知識做一分類例析。

一、使用陽離子交換膜的電化學裝置

【例1】（2015山東，節(jié)選）利用LiOH和鈷氧化物可制備鋰離子電池正極材料。LiOH可由電解法制備，鈷氧化物可通過處理鈷渣獲得。利用如圖裝置電解制備LiOH，兩電極區(qū)電解液分別為LiOH和LiCl溶液。B 極區(qū)電解液為________（填化學式）溶液，陽極電極反應式為__________ ______，電解過程中Li＋向________（填“A”或“B”）電極遷移。

【解析】B極區(qū)生產(chǎn)H2，則電極B為陰極，電極式：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，同時生成LiOH，則B極區(qū)電解液為LiOH溶液；電極A為陽極，陽極區(qū)電解液為LiCl溶液，根據(jù)放電順序，陽極上Cl－失去電子，則陽極電極反應式為2Cl－—2e－Cl2↑；根據(jù)電流方向，電解過程中Li＋向B電極遷移。

【答案】LiOH 2Cl－—2e－Cl2↑ B

【例2】（2015天津）鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，下列有關(guān)敘述正確的是（ ）

A．銅電極上發(fā)生氧化反應

C．電池工作一段時間后，乙池溶液的總質(zhì)量增加

D．陰陽離子分別通過交換膜向負極和正極移動，保持溶液中電荷平衡

【解析】該原電池反應式為Zn＋Cu2＋Zn2＋＋Cu，Zn為負極，發(fā)生氧化反應，Cu為正極，發(fā)生還原反應，故A錯誤；陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，故兩池中c（SO24－）不變，故B錯誤；甲池中的Zn2＋通過陽離子交換膜進入乙池，乙池中發(fā)生反應：Cu2＋＋2e－Cu，保持溶液呈電中性，進入乙池的Zn2＋與放電的Cu2＋的物質(zhì)的量相等，而Zn的相對原子質(zhì)量大于Cu，故乙池溶液總質(zhì)量增大，故C正確；甲池中的Zn2＋通過陽離子交換膜進入乙池，以保持溶液電荷守恒，陰離子不能通過陽離子交換膜，故D錯誤。

【答案】C

【背景知識】離子交換膜是一種含離子的基團，對溶液里的離子具有選擇透過的高分子膜，又稱離子選擇性透過膜。其中陽離子交換膜有很多微孔，孔道上有許多帶負電荷的基團，陽離子可以自由通過孔道，而陰離子移動到孔道處，受到孔道帶負電荷基團的排斥而不能進入孔道中，因而不能通過交換膜。［例1］使用陽離子交換膜，H2、OH－不能通過交換膜，保證Cl2和生成的H2、OH－不接觸，同時Li＋能通過，制得濃度更高的LiOH，而LiCl溶液濃度降低，須定時添加。［例2］使用陽離子交換膜，甲池中的Zn2＋通過陽離子交換膜進入乙池，以保持溶液電荷守恒，而SO2－4卻不能透過。

二、使用陰離子交換膜的電化學裝置

【例3】（2013浙江）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－IO3－＋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－

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】電解的電極反應：陽極2I－－2e－I2，使左側(cè)溶液變藍色；3I2＋6OH－IO＋5I－＋3H2O，則一段時間后，藍色變淺；IO通過陰離子交換膜向右側(cè)移動；陰極2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，右側(cè)放出氫氣。

如果用陽離子交換膜代替陰離子交換膜：陽極2I－－2e－I2，多余K＋通過陽離子交換膜遷移至陰極；陰極2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，保證兩邊溶液呈電中性，結(jié)果不會生成IO，總化學方程式當然不同。

【答案】D

【例4】（2013江蘇）Mg－H2O2電池可用于驅(qū)動無人駕駛的潛航器。該電池以海水為電解質(zhì)溶液，示意圖如下。該電池工作時，下列說法正確的是（ ）

A．Mg電極是該電池的正極

B．H2O2在石墨電極上發(fā)生氧化反應

C．石墨電極附近溶液的pH增大

D．溶液中Cl－向正極移動

【解析】本題考查學生對原電池工作原理的理解程度，是一道簡單的電化學試題。組成的原電池的負極被氧化，鎂為負極，而非正極；雙氧水作為氧化劑，在石墨上被還原變?yōu)樗芤簆H增大；溶液中Cl－移動方向同外電路電子移動方向一致，應向負極方向移動，隔膜應為陰離子交換膜。

【答案】C

【背景知識】離子交換膜的功能在于選擇性地通過某些離子和阻止某些離子來隔離某些物質(zhì)。陰離子交換膜也有很多微孔，孔道上有許多帶正電荷的基團，陰離子可以自由通過孔道，而陽離子移動到孔道處，受到孔道帶正電荷基團的排斥而不能進入孔道中，因而不能通過交換膜。［例3］中陰離子交換膜保證OH－，IO通過，從而發(fā)生上述現(xiàn)象；陽離子交換膜使K＋通過，OH—不能通過，所以發(fā)生總反應不同。［例4］隔膜應為陰離子交換膜，從而保證Cl－順利透過。

三、使用質(zhì)子交換膜的電化學裝置

【例5】（2013重慶）化學在環(huán)境保護中起著十分重要的作用，電化學降解法可用于治理水中硝酸鹽的污染。電化學降解NO的原理如圖所示。

①電源正極為__________（填“A”或“B”），陰極反應式為_________________。

②若電解過程中轉(zhuǎn)移了2mol電子，則膜兩側(cè)電解液的質(zhì)量變化差（Δm左－Δm右）為________g。

②14．4

【例6】（2015新課標Ⅰ）微生物電池是指在微生物的作用下將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作原理如圖所示。下列有關(guān)微生物電池的說法錯誤的是（ ）

A．正極反應中有CO2生成

B．微生物促進了反應中電子的轉(zhuǎn)移

C．質(zhì)子通過交換膜從負極區(qū)移向正極區(qū)

D．電池總反應為C6H12O6＋6O26CO2＋6H2O

【解析】首先根據(jù)原電池反應判斷出厭氧反應為負極區(qū)域，有氧反應為正極區(qū)域。根據(jù)厭氧反應中碳元素的化合價的變化：葡萄糖分子中碳元素平均為0價，二氧化碳中碳元素的化合價為＋4價，所以生成二氧化碳的反應為氧化反應，所以在負極生成；在微生物的作用下，該裝置為原電池裝置，能加快氧化還原反應速率，故微生物促進了電子的轉(zhuǎn)移；原電池中陽離子向正極移動，電池的總反應實質(zhì)是葡萄糖的氧化反應。

【答案】A

【背景知識】質(zhì)子交換膜（PEM）是PEMFC核心部件，是一種能使質(zhì)子選擇透過的膜，對質(zhì)子具有良好識別能力，只允許質(zhì)子透過，而電子、原料氣等不可以透過。本題以環(huán)境保護為背景考查化學理論，是平衡理論和電化學理論的綜合，陽極產(chǎn)生H＋，透過質(zhì)子交換膜到達陰極，參與放電，而能使質(zhì)子交換的是固定在氟碳高聚物主鏈上的磺酸基。

四、使用多膜的電化學裝置

【例7】（2014新課標Ⅰ，節(jié)選）次磷酸（H3PO2）是一種精細化工產(chǎn)品，具有較強還原性，回答下列問題：H3PO2可以通過電解的方法制備，工作原理如圖所示（陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過）：

①寫出陽極的電極反應式：________________________；

②分析產(chǎn)品室可得到H3PO2的原因______________；

③早期采用“三室電滲析法”制備H3PO2，將“四室電滲析法”中陽極室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去陽極室與產(chǎn)品室之間的陽膜，從而合并了陽極室與產(chǎn)品室，其缺點是產(chǎn)生__________雜質(zhì)。該雜質(zhì)產(chǎn)生的原因是________ __________。

【解析】①在陽極室陰離子有OH－和SO，OH－優(yōu)先放電，故電極反應為2H2O－4e－O2↑＋4H＋；②電解時，陽極室產(chǎn)生的H＋定向移動，穿過陽膜擴散到產(chǎn)品室，原料室的H2PO定向移動，穿過陰膜擴散至產(chǎn)品室，發(fā)生H3PO2；③早期采用的是上圖所示的三室電滲析法電解，由于2H2O－4e－O2↑＋4H＋，產(chǎn)生O2的氧氣會將較強還原性的H3PO3或氧化，，，從而導致雜質(zhì)的產(chǎn)生，四室法可防止O2與H3PO2或H2PO2－接觸。

【答案】①2H2O－4e－O2↑＋4H＋②陽極室的H＋穿過陽膜擴散到產(chǎn)品室，原料室的H2PO穿過陰膜擴散到產(chǎn)品室，二者反應生成 ③被氧化

【背景知識】交換膜在電化學工業(yè)中應用十分廣泛，工業(yè)上用電解原理來制取產(chǎn)品時，使用離子交換膜具有占地面積小，能連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量高，能耗低等優(yōu)點。本題以次磷酸（H3PO2）為載體，考查電解原理在物質(zhì)制備中的應用，突出電滲析原理的新信息的獲取、分析、理解，充分體現(xiàn)了“源于教材又不拘泥于教材”的指導思想，即不僅要知其然，還要知其所以然。

（作者單位：江蘇省響水中學）