聚焦離子交換膜在電化學(xué)中的考查

常艷華

電化學(xué)的內(nèi)容是歷年高考重要考點(diǎn)之一，考查方式主要以選擇題和電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)及計(jì)算的形式出現(xiàn)。近三年在電解池或原電池中涉及到離子交換膜的題目明顯增多，部分考生由于對(duì)膜材料性質(zhì)

不會(huì)分析，題目的解答準(zhǔn)確率明顯下降。本文分類(lèi)解析一下與離子交換膜有關(guān)的近兩年的電化學(xué)高考題。

題型一：在原電池中的考查

例1 （2016年浙江卷）金屬（M）-空氣電池（如圖1）具有原料易得、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新能源汽車(chē)和移動(dòng)設(shè)備的電源。該類(lèi)電池放電的總反應(yīng)方程式為：

4M+nO2+2nH2O4M（OH） n

已知：電池的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能。下列說(shuō)法不正確的是（ ）。

A.采用多孔電極目的是提高電極與電解質(zhì)溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴(kuò)散至電極表面

B.比較Mg、Al、Zn三種金屬–空氣電池，Al-空氣電池的理論比能量最高

C.M-空氣電池放電過(guò)程的正極反應(yīng)式：4Mn++nO2+2nH2O+4ne-4M（OH）n

D.在M-空氣電池中，為防止負(fù)極區(qū)沉積Mg（OH）2，宜采用中性電解質(zhì)及陽(yáng)離子交換膜

解析 此題考查原電池工作原理。金屬（M）-空氣電池的總反應(yīng)方程式：4M+nO2+2nH2O4M（OH）2可知，金屬（M）為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，空氣中的氧氣在正極發(fā)生反應(yīng)。A項(xiàng)多孔電極可以增加氧氣與電極的接觸，使氧氣充分反應(yīng)，故正確；B項(xiàng)24 g鎂失去2 mol電子，27 g鋁失去3 mol電子，65 g鋅失去2 mol電子，所以鋁-空氣電池的理論比能量最高，故正確；C項(xiàng)根據(jù)題給放電的總反應(yīng)：4M+nO2+2nH2O4M（OH）n，氧氣在正極得電子，由于有陰離子交換膜，正極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-4OH-，故錯(cuò)誤；D項(xiàng)負(fù)極是金屬失去電子生成金屬陽(yáng)離子，因?yàn)殒V離子或鋁離子或鋅離子都可以和氫氧根離子反應(yīng)生成氫氧化物沉淀，說(shuō)明應(yīng)采用中性電解質(zhì)溶液及陽(yáng)離子交換膜，防止正極產(chǎn)生的OH-移過(guò)來(lái)反應(yīng)，故正確。答案選C。

圖2例2 （2015年天津卷）銅鋅原電池裝置如圖2所示，其中陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子和水分子通過(guò)，下列有關(guān)敘述正確的是（ ）。

A.銅電極上發(fā)生氧化反應(yīng)

B.電池工作一段時(shí)間后，甲池的c（SO2-4）減小

C.電池工作一段時(shí)間后，乙池溶液的總質(zhì)量增加

D.陰陽(yáng)離子分別通過(guò)交換膜向負(fù)極和正極移動(dòng)，保持溶液中電荷平衡

解析 此題考查銅鋅原電池工作原理。

由圖2可知，該原電池反應(yīng)式為：Zn+Cu2+Zn2++Cu，Zn為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，Cu為正極，發(fā)生還原反應(yīng)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；離子交換膜只允許陽(yáng)離子和水分子通過(guò)，甲池中c（SO2-4）不變，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；

甲池中的Zn2+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入乙池（正極區(qū)），乙池中發(fā)生反應(yīng)：Cu2++2e-Cu，保持溶液呈電中性，進(jìn)入乙池的Zn2+與放電的Cu2+的物質(zhì)的量相等，而Zn的摩爾質(zhì)量大于Cu，故乙池溶液總質(zhì)量增大，故選項(xiàng)C正確；D.甲池中的Zn2+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入乙池，以保持溶液電荷守恒，陰離子不能通過(guò)陽(yáng)離子交換膜，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案為C。

小結(jié)：原電池中，依據(jù)工作原理，電子從負(fù)極流向正極，正極區(qū)集聚電子，電子帶負(fù)電，根據(jù)異性相吸的原理，陽(yáng)離子移向正極，陰離子移向負(fù)極。無(wú)論膜怎么變，移動(dòng)原理不變，可以以不變應(yīng)萬(wàn)變。

題型二：在電解池中的考查

例3 （2016年全國(guó)卷Ⅰ）三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如圖3所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場(chǎng)的作用下，兩膜中間的Na+和SO2-4可通過(guò)離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進(jìn)入中間隔室。下列敘述正確的是（ ）。

A.通電后中間隔室的SO2-4向正極遷移，正極區(qū)溶液pH增大

B.該法在處理含Na2SO4廢水時(shí)可以得到NaOH和H2SO4產(chǎn)品

C.負(fù)極反應(yīng)為2H2O-4e-O2+4H+，負(fù)極區(qū)溶液pH降低

D.當(dāng)電路中通過(guò)1 mol電子的電量時(shí)，會(huì)有0.5 mol的O2生成

解析 此題考查電解池工作原理。與正極相連的為陽(yáng)極，與負(fù)極相連的為陰極；H2O在陽(yáng)（正）極區(qū)放電2H2O-4e-O2+4H+，溶液中的H+濃度增大，pH減小，故選項(xiàng)A錯(cuò)；為保持溶液中性，中間隔室中的SO2-4應(yīng)向陽(yáng)（正）極區(qū)移動(dòng)，得到H2SO4產(chǎn)品，負(fù)（陰）極區(qū)H2O放電2H2O+2e-H2+2OH-，OH-濃度增大，pH增大，Na +向陰（負(fù)）極區(qū)移動(dòng)，得到NaOH，故B正確，C錯(cuò)誤；D項(xiàng)當(dāng)電路中通過(guò)1 mol電子的電量時(shí)，生成n（O2）=1÷4=0.25 mol，D錯(cuò)誤。答案為B。

延伸 在直流電場(chǎng)的作用下，兩膜中間的Na+和SO2-4可通過(guò)離子交換膜，ab允許Na +向陰（負(fù)）極區(qū)移動(dòng)，為陽(yáng)離子交換膜；cd允許SO2-4向陽(yáng)（正）極區(qū)移動(dòng)，為陰離子交換膜。

圖4例4 （2016年高考天津卷節(jié)選）化工生產(chǎn)的副產(chǎn)物也是氫氣的來(lái)源。電解法制取有廣泛用途的Na2FeO4，同時(shí)獲得氫氣：Fe+2H2O+2OH-

通電FeO2-4+3H2↑，工作原理如圖4所示。裝置通電后，鐵電極附近生成紫紅色的FeO2-4，鎳電極有氣泡產(chǎn)生。若氫氧化鈉溶液濃度過(guò)高，鐵電極區(qū)會(huì)產(chǎn)生紅褐色物質(zhì)。已知：Na2FeO4只在強(qiáng)堿性條件下穩(wěn)定，易被H2還原。

①電解一段時(shí)間后，c（OH-）降低的區(qū)域在（填“陰極室”或“陽(yáng)極室”）。

②電解過(guò)程中，須將陰極產(chǎn)生的氣體及時(shí)排出，其原因是。

解析 此題考查電解原理在工業(yè)上的應(yīng)用。①根據(jù)題意鎳電極有氣泡產(chǎn)生是H+放電生成H2，可知是陰極；鐵電極發(fā)生氧化反應(yīng)，為陽(yáng)極，溶液中的OH-減少，因此電解一段時(shí)間后，c（OH-）降低的區(qū)域在陽(yáng)極室。②由氫氣具有還原性，根據(jù)題意Na2FeO4只在強(qiáng)堿性條件下穩(wěn)定，易被H2還原。電解過(guò)程中，須將陰極產(chǎn)生的氣體及時(shí)排出，防止Na2FeO4與H2反應(yīng)使產(chǎn)率降低。endprint

答案：（5）①陽(yáng)極室 ②防止Na2FeO4與H2反應(yīng)使產(chǎn)率降低

綜述 離子交換膜在電化學(xué)中的考查方式主要有兩種：原電池工作原理和電解池工作原理，記清原電池工作原理中陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)；電解池中陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)，陰離子向陽(yáng)極移動(dòng)。離子交換膜按功能可以分為：陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜和質(zhì)子交換膜。解題時(shí)只需結(jié)合題意，寫(xiě)出相關(guān)電極反應(yīng)式，按要求讓允許通過(guò)的離子通過(guò)。

【歷年高考題鏈接】

1.（2015年全國(guó)Ⅰ卷）微生物電池是指在微生物的作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作原理如圖5所示。下列有關(guān)微生物電池的說(shuō)法錯(cuò)誤的是（ ）。

A.正極反應(yīng)中有CO2生成

B.微生物促進(jìn)了反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移

C.質(zhì)子通過(guò)交換膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)

D.電池總反應(yīng)為：

C6H12O6+6O26CO2+6H2O

2.（2013年江蘇化學(xué)）Mg-H2O2電池可用于驅(qū)動(dòng)無(wú)人駕駛的潛航器。該電池以海水為電解質(zhì)溶液，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6。該電池工作時(shí)，下列說(shuō)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(yīng)

C.石墨電極附近溶液的pH增大

D.溶液中Cl-向正極移動(dòng)

3.（2013年浙江理綜）電解裝置如圖7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(kāi)。在一定的電壓下通電，發(fā)現(xiàn)左側(cè)溶液變藍(lán)色，一段時(shí)間后，藍(lán)色逐漸變淺。

已知：3I2+6OH-IO-3+5I-+3H2O。下列說(shuō)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(jié)束時(shí)，左側(cè)溶液中含有IO-3

C.電解槽內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的總化學(xué)方程式：

KI+3H2OKIO3+3H2↑

D.如果用陽(yáng)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(xué)方程式不變

4. （ 2014年全國(guó)卷Ⅰ節(jié)選）次磷酸（H3PO2）是一種精細(xì)磷化工產(chǎn)品，具有較強(qiáng)還原性?；卮鹣铝袉?wèn)題：

（4）也可用電滲析法制備，“四室電滲析法”工作原理如圖8所示（陽(yáng)膜和陰膜分別只允許陽(yáng)離子、陰離子通過(guò)）：

①寫(xiě)出陽(yáng)極的電極反應(yīng)式。

②分析產(chǎn)品室可得到H3PO2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(yáng)極室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去陽(yáng)極室與產(chǎn)品室之間的陽(yáng)膜，從而合并了陽(yáng)極室與產(chǎn)品室。其缺點(diǎn)是產(chǎn)品中混有雜質(zhì)。該雜質(zhì)產(chǎn)生的原因是。

圖95. （ 2015年上海）氯堿工業(yè)以電解精制飽和食鹽水的方法制取氯氣、氫氣、燒堿和氯的含氧酸鹽等系列化工產(chǎn)品。圖9是離子交換膜法電解食鹽水的示意圖，圖中的離子交換膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)。完成下列填空：

（1）寫(xiě)出電解飽和食鹽水的離子方程式；

（2）離子交換膜的作用為。

（3）精制飽和食鹽水從圖中位置補(bǔ)充，氫氧化鈉溶液從圖中位置流出。（選填“a”、“b”、“c”或“d”）

【歷年高考鏈接答案】

1.A 2.C 3.D

4.（4）①2H2O-4e-O2↑+4H+

②陽(yáng)極室的H+穿過(guò)陽(yáng)膜擴(kuò)散至產(chǎn)品室，原料室的H2PO-2穿過(guò)陰膜擴(kuò)散至產(chǎn)品室，二者反應(yīng)生成H3PO2 ③PO3-4 H2PO-2或H3PO2被氧化。

5.（1）2Cl-+2H2O通電Cl2↑+H2↑+2OH-

（2）阻止OH-進(jìn)入陽(yáng)極室，與Cl2發(fā)生副反應(yīng)：2NaOH+Cl2NaCl+NaClO+H2O；阻止陽(yáng)極產(chǎn)生的Cl2和陰極產(chǎn)生的H2混合發(fā)生爆炸。（3）

a；d；

（收稿日期：2017-03-10）endprint