“離子交換膜”在電化學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：“離子交換膜”在電化學(xué)中的應(yīng)用是近年來高考的熱點題型。本文對常見的幾種交換膜進行了總結(jié)，并對涉及到的計算難點進行歸納小結(jié).

關(guān)鍵詞：電化學(xué)；離子交換膜；高考

作者簡介：魏春明（1982-），女，湖北宜都人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：高中化學(xué)教學(xué).

對比近兩年考綱，筆者發(fā)現(xiàn)在電化學(xué)這一塊，對原電池和電解池的考查要求提高了很多.由原來的“了解原電池和電解池的工作原理及應(yīng)用，能寫出電極反應(yīng)和總反應(yīng)方程式.”改為“理解原電池和電解池的構(gòu)成、工作原理及應(yīng)用，能寫出電極反應(yīng)和總反應(yīng)方程式.”從字面上來看雖然只是由“了解”變?yōu)椤袄斫狻?，但是意義卻明顯不同，因為理解是要領(lǐng)會所學(xué)化學(xué)知識的含義及其適用條件，能夠正確判斷、解釋和說明有關(guān)化學(xué)現(xiàn)象和問題，能“知其然”，還能“知其所以然”.而近幾年全國卷高考電化學(xué)裝置一般都帶有離子交換膜，此類題目新穎度高，學(xué)生常因理不清交換膜與陰、陽離子移動方向的關(guān)系而出現(xiàn)錯誤.

一、離子交換膜的定義及分類

離子交換膜是一種含離子基團的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜.因為一般在應(yīng)用時主要是利用它的離子選擇性透過，所以也稱為離子選擇性透過膜.

根據(jù)透過的微粒，離子交換膜可以分為多種，在高考試題中主要出現(xiàn)以下三種：

（1）陽離子交換膜：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，即通過交換膜，而陰離子移動到孔道處時受到孔道帶負電荷基團的排斥而不能進入，因而不能通過交換膜.

（2）質(zhì)子交換膜：質(zhì)子交換膜是陽離子交換膜的特例，僅允許質(zhì)子（H+）通過，其他離子不能通過.

（3）陰離子交換膜：陰離子交換膜有很多微孔，孔道上有許多帶正電荷的基團，陰離子可以自由通過孔道，即通過交換膜，而陽離子移動到孔道處時受到孔道帶正電荷基團的排斥而不能進入，因而不能通過交換膜.

二、離子交換膜的作用

（1）隔離某些物質(zhì)防止發(fā)生反應(yīng).

（2）用于物質(zhì)的制備.

（3）物質(zhì)的分離、提純.

三、?？碱}型

（1）使用陽離子交換膜的電化學(xué)裝置

例1 （2015上海卷，五）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.上圖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離子通過.

完成下列填空：

①寫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充，氫氧化鈉溶液從圖中位置流出.（選填“a”“b”“c”或“d”）

答案 ①2Cl-+2H2O通電Cl2↑+H2↑+2OH-.

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

③a；d.

解析 ①離子交換膜的加入不會改變反應(yīng)原理，所以溶液中的陽離子H+在陰極得到電子變?yōu)镠2，陰離子Cl-在陽極失去電子生成Cl2，反應(yīng)的離子方程式是2Cl-+2H2O通電Cl2↑+H2↑+2OH-

②圖中的是陽離子交換膜，僅允許陽離子通過，這樣就可以阻止陰極區(qū)溶液中的OH-進入陽極室，避免與氯氣發(fā)生反應(yīng).同時隔離Cl 2 和H2，阻止陽極產(chǎn)生的Cl2和陰極產(chǎn)生的H2混合發(fā)生爆炸.

③隨著電解的進行，溶質(zhì)NaCl不斷被消耗，所以應(yīng)該及時補充.Cl-在陽極放電，故精制飽和食鹽水從與陽極連接的圖中a位置補充，在陰極，水電離出的H+不斷放電，留下大量的OH-，與通過陽離子交換膜的Na+結(jié)合，形成NaOH，從圖中d位置流出.水不斷消耗，所以從b口不斷加入蒸餾水，為增強溶液可換成稀NaOH溶液，從c位置流出的是稀NaCl溶液.

（2）使用質(zhì)子交換膜的電化學(xué)裝置

例2 （2015新課標I卷，11）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，其工作原理如圖所示.下列有關(guān)微生物電池的說法錯誤的是

A.正極反應(yīng)中有CO2生成

B.微生物促進了反應(yīng)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(yīng)C6H12O6+6O26CO2+6H2O

答案 A

解析 根據(jù)微生物電池工作原理示意圖可知：可類比酸性環(huán)境下的燃料電池，C6H12O6在負極上發(fā)生氧化反應(yīng)；O2在正極上發(fā)生還原反應(yīng)，負極有CO2生成，A項錯誤；B項，由題干信息在微生物的作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能可知，正確；C項，質(zhì)子通過交換膜從負極區(qū)移向正極區(qū)，正確；D項，電池總反應(yīng)為C6H12O6+6O26CO2+6H2O，正確.

（3）使用陰離子交換膜的電化學(xué)裝置

例3 （2017·洛陽模擬）利用反應(yīng)：6NO2+8NH37N2+12H2O構(gòu)成電池，既能實現(xiàn)有效消除氮氧化物的排放，減輕環(huán)境污染，又能充分利用化學(xué)能，裝置如圖所示.下列說法不正確的是（ ）

A.電流從右側(cè)電極經(jīng)過負載后流向左側(cè)電極

B.為使電池持續(xù)放電，離子交換膜選用陰離子交換膜

C.電極A反應(yīng)式為2NH3-6e-N2+6H+

D.當(dāng)有448 L NO2（標準狀況）被處理時，轉(zhuǎn)移電子為08 mol

答案 C

解析 由總反應(yīng)可知NO2發(fā)生還原反應(yīng)，作正極，故電流的流向由右到左， A項正確；正極發(fā)生還原反應(yīng)6NO2+12H2O+24e-3N2+24OH-，負極發(fā)生氧化反應(yīng)8NH3+24OH--24e-4N2+12H2O正極區(qū)溶液中陰離子增多，負極區(qū)溶液中陰離子減少，故向OH-正極遷移，選擇陰離子交換膜，B正確；C選項可直接看介質(zhì)的酸堿性，在堿性環(huán)境下不能出現(xiàn)氫離子，C錯誤.D選項可直接由總反應(yīng)進行分析.

（4）陰、陽離子交換膜共用的電化學(xué)裝置

例4 用NaOH溶液吸收煙氣中的SO2，將所得的Na2SO3溶液進行電解，可循環(huán)再生NaOH，同時得到H2SO4，其原理如圖4所示（電極材料為石墨）.

①圖中a極要連接電源的（填“正”或“負”）極，C口流出的物質(zhì)是.

②SO2-3放電的電極反應(yīng)式為.

③電解過程中陰極區(qū)堿性明顯增強，用平衡移動原理解釋原因.

答案 ①負 硫酸

②SO2-3-2e-+H2OSO2-4+2H+

③在陰極水電離出的H+放電生成H2，c（H+）減小，水的電離平衡正向移動，堿性增強

解析 根據(jù)Na+、SO2-3的移向判斷陰、陽極.Na+移向陰極區(qū)，a應(yīng)接電源負極，b應(yīng)接電源正極，其電極反應(yīng)式分別為陽極：SO2-3-2e-+H2OSO2-4+2H+；陰極：2H++2e-H2↑.所以從C口流出的是H2SO4，在陰極區(qū)，由于H+放電，破壞水的電離平衡，c（H+）減小，c（OH-）增大，生成NaOH，堿性增強，從B口流出的是濃度較大的NaOH溶液.

（5）與離子交換膜有關(guān)的計算

例5 （2017·湖北宜昌調(diào)研）以鉛蓄電池為電源，石墨為電極電解CuSO4溶液，裝置如圖5.若一段時間后Y電極上有64 g紅色物質(zhì)析出，停止電解.下列說法正確的是（ ）

A.a為鉛蓄電池的負極

B.電解過程中SO2-4向右側(cè)移動

C.電解結(jié)束時，左側(cè)溶液質(zhì)量增重8 g

D.鉛蓄電池工作時正極電極反應(yīng)式為：PbSO4+2e-Pb+SO2-4

答案 C

解析 Y極有Cu析出，發(fā)生還原反應(yīng)，Y極為陰極，故b為負極，a為正極，A錯誤；電解過程中陰離子向陽極移動，B錯誤；陰極反應(yīng)式為Cu2++2e-Cu，陽極反應(yīng)式為4OH--4e-O2↑+2H2O，當(dāng)有64 g Cu析出時，轉(zhuǎn)移02 mol e-，左側(cè)生成16 g O2，同時有01 mol （96 g） SO2-4進入左側(cè)，則左側(cè)質(zhì)量凈增加96 g-16 g=8 g，C正確；鉛蓄電池的負極是Pb，正極是PbO2，正極反應(yīng)式為PbO2+2e-+4H++SO2-4PbSO4+2H2O，D錯誤.

（6）利用離子交換膜濃縮或稀釋溶液

例6 （2017·湖北武漢調(diào)研）廚房垃圾發(fā)酵液可通過電滲析法處理，同時得到乳酸的原理如圖6所示（圖中HA表示乳酸分子，A-表示乳酸根離子）.下列說法正確的是（ ）

A.通電后，陽極附近pH增大

B.電子從負極經(jīng)電解質(zhì)溶液回到正極

C.通電后，A-通過陰離子交換膜從陰極進入濃縮室

D.當(dāng)電路中通過2 mol電子的電量時，會有1 mol的O2生成

答案 C

解析 由圖示判斷左側(cè)為陽極，右側(cè)為陰極，陽極電極反應(yīng)式為4OH--4e-O2↑+2H2O，氫離子濃度增大，pH減小，A錯誤；電子從電源的負極到電解池的陰極，由陽極回到電源的正極，電子不能進入電解質(zhì)溶液，電解質(zhì)溶液中靠離子傳遞電荷，B錯誤；氫離子由陽極室進入濃縮室，A-由陰極室進入濃縮室，得到乳酸，C正確；由電極反應(yīng)式4OH--4e-O2↑+2H2O可知，當(dāng)電路中通過2 mol電子的電量時，會有05 mol O2生成，D錯誤.

例7 （2016新課標Ⅰ卷，11）三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如圖7所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場的作用下，兩膜中間的Na+和SO2-4可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進入中間隔室.下列敘述正確的是（ ）

A.通電后中間隔室的SO2-4離子向正極遷移，正極區(qū)溶液pH增大

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

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

D.當(dāng)電路中通過1 mol電子的電量時，會有05 mol的O2生成

答案 B

解析 A項正極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)為2H2O-4e-O2↑+4H+，由于生成H+，正極區(qū)溶液中陽離子增多，故中間隔室的SO2-4向正極遷移，正極區(qū)溶液的pH減小.B項負極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)為2H2O+2e-H2↑+2OH-，陰離子增多，中間隔室的Na+向負極遷移，故負極區(qū)產(chǎn)生NaOH，正極區(qū)產(chǎn)生H2SO4.C項由B項分析可知，負極區(qū)產(chǎn)生OH-，負極區(qū)溶液的pH升高.D項正極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)為2H2O-4e-O2↑+4H+，當(dāng)電路中通過1 mol電子的電量時，生成025mol O2.

在解答這類題時，學(xué)生一定要做到有的放矢，交換膜的存在不會改變電化學(xué)的反應(yīng)原理，對離子通過交換膜的情況，可以簡記“是什么交換膜就允許什么離子通過”.在涉及離子交換膜的計算時需注意兩點：1.遷移離子所帶的電荷數(shù)=外電路上轉(zhuǎn)移的電子數(shù).2.溶液物質(zhì)變化量=電極反應(yīng)引起的物質(zhì)變化和離子遷移引起的物質(zhì)變化量之和.