含離子交換膜電池的應(yīng)用

摘 要：結(jié)合高考題對(duì)含離子交換膜電池的應(yīng)用進(jìn)行了分析.

關(guān)鍵詞：交換膜;離子;電池;高中化學(xué)

中圖分類號(hào)：G632 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1008-0333（2020）10-0092-03

收稿日期：2020-01-05

作者簡(jiǎn)介：王曉波（1981.4-），男，內(nèi)蒙古赤峰市人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.

近幾年全國(guó)卷的高考中，涉及離子交換膜的試題較多，且?？汲Ｐ?離子交換膜是一種含有離子基團(tuán)的、對(duì)溶液中離子具有選擇性透過(guò)的高分子膜.根據(jù)透過(guò)的微粒類型，離子交換膜可以分為多種，在高考試題中，主要出現(xiàn)的是陽(yáng)離子交換膜（如2018·全國(guó)卷ⅠT27、2018·全國(guó)卷ⅢT27）、陰離子交換膜和質(zhì)子交換膜（2018·全國(guó)卷ⅠT13、）三種，其功能是在于選擇性通過(guò)某些離子和阻斷某些離子或隔離某些物質(zhì)，從而制備、分離或提純某些物質(zhì).

一、重難點(diǎn)撥

1.離子交換膜的類型和作用

2.多室電解池

多室電解池是利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，即允許帶某種電荷的離子通過(guò)而限制帶相反電荷的離子通過(guò)，將電解池分為兩室、三室、多室等，以達(dá)到濃縮、凈化、提純及電化學(xué)合成的目的.

（1）兩室電解池

①制備原理：工業(yè)上利用如圖兩室電解裝置制備燒堿

陽(yáng)極室中電極反應(yīng)：2Cl--2e-Cl2↑，陰極室中的電極反應(yīng)：2H2O+2e-H2↑+2OH-，陰極區(qū)H+放電，破壞了水的電離平衡，使OH-濃度增大，陽(yáng)極區(qū)Cl-放電，使溶液中的c（Cl-）減小，為保持電荷守恒，陽(yáng)極室中的Na+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜與陰極室中生成的OH-結(jié)合，得到濃的NaOH溶液.利用這種方法制備物質(zhì)，純度較高，基本沒(méi)有雜質(zhì).

②陽(yáng)離子交換膜的作用

它只允許Na+通過(guò)，而阻止陰離子（Cl-）和氣體（Cl2）通過(guò).這樣既防止了兩極產(chǎn)生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和陰極產(chǎn)生的NaOH反應(yīng)生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)量.

（2）三室電解池

利用三室電解裝置制備NH4NO3，其工作原理如圖所示.

陰極的NO被還原為NH+4：NO+5e-+6H+NH+4+H2O，NH+4通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入中間室;陽(yáng)極的NO被氧化為NO-3：NO-3e-+2H2ONO-3+4H+，NO-3通過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入中間室.根據(jù)電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等可得電解總反應(yīng)：8NO+7H2O通電3NH4NO3+2HNO3，為使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH4NO3，補(bǔ)充適量NH3可以使電解產(chǎn)生的HNO3轉(zhuǎn)化為NH4NO3.

（3）多室電解池

利用“四室電滲析法”制備H3PO2（次磷酸），其工作原理如圖所示.

電解稀硫酸的陽(yáng)極反應(yīng)：2H2O-4e-O2↑+4H+，產(chǎn)生的H+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室，原料室中的H2PO-2穿過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室，與H+結(jié)合生成弱電解質(zhì)H3PO2;電解NaOH稀溶液的陰極反應(yīng)：4H2O+4e-2H2↑+4OH-，原料室中的Na+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入陰極室.

二、考法精析

應(yīng)用一 用于物質(zhì)的分離和提純

典例1 一種三室微生物燃料電池可用于污水凈化、海水淡化，其工作原理如圖所示，圖中有機(jī)廢水中有機(jī)物可用C6H10O5表示.下列有關(guān)說(shuō)法不正確的是（ ?）.

A.Cl-由中間室移向左室

B.X氣體為CO2

C.處理后的含NO-3廢水的pH降低

D.電路中每通過(guò)4 mol電子，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下X氣體的體積為22.4 L

解析 該電池中，NO-3得電子發(fā)生還原反應(yīng)，則裝置中右邊電極是正極，電極反應(yīng)為2NO-3+10e-+12H+N2↑+6H2O，裝置左邊電極是負(fù)極，負(fù)極上有機(jī)物失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成X，電極反應(yīng)C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+.放電時(shí)，電解質(zhì)溶液中陰離子Cl-移向負(fù)極室（左室），A項(xiàng)正確;X氣體為CO2，B項(xiàng)正確;正極反應(yīng)為2NO-3+10e-+12H+N2↑+6H2O，H+參加反應(yīng)導(dǎo)致溶液酸性減弱，溶液的pH增大，C項(xiàng)錯(cuò)誤;根據(jù)負(fù)極電極反應(yīng)C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+知，電路中每通過(guò)4 mol電子，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2氣體的體積為4 mol24×6×22.4 L·mol-1=22.4 L，D項(xiàng)正確.答案：C

備考方略 含離子交換膜電化學(xué)裝置題的解題步驟（如圖所示）.

應(yīng)用二 用于物質(zhì)的制備

類型一 判斷離子的遷移方向

典例2 （1）（2018·全國(guó)卷Ⅲ節(jié)選）KIO3可采用“電解法”制備，裝置如圖所示.

①寫(xiě)出電解時(shí)陰極的電極反應(yīng)式

.

②電解過(guò)程中通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的離子主要為，其遷移方向是

.

（2）（2018·全國(guó)卷Ⅰ節(jié)選）制備Na2S2O5可采用三室膜電解技術(shù)，裝置如圖所示，其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3.陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為.電解后，室的NaHSO3濃度增加.將該室溶液進(jìn)行結(jié)晶脫水，可得到Na2S2O5.

解析 （1）①該裝置為電解池，電解時(shí)陰極電解質(zhì)為KOH，水中氫離子放電，故電極反應(yīng)式為2H2O+2e-2OH-+H2↑;②電解過(guò)程中通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的離子主要為K+，在電解池中離子移動(dòng)方向?yàn)殛?yáng)離子移向陰極，故K+由a到b.（2）根據(jù)題中的圖示，左側(cè)為電解池的陽(yáng)極，右側(cè)為電解池的陰極，離子交換膜均為陽(yáng)離子交換膜，只允許陽(yáng)離子通過(guò)，陽(yáng)極的電解質(zhì)溶液為硫酸，所以陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為2H2O-4e-4H++O2↑，則陽(yáng)極的氫離子會(huì)透過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入a室，與a室中的SO2堿吸收液中含有的Na2SO3發(fā)生反應(yīng)生成NaHSO3，所以a室中的NaHSO3濃度增加.

答案：（1）①2H2O+2e-2OH-+H2↑ ②K+ a到b （2）2H2O-4e-4H++O2↑ a

備考方略 有“膜”條件下離子定向移動(dòng)方向的判斷方法（如圖所示）.

類型二 判斷離子交換膜的類型

典例3 四室式電滲析法制備鹽酸和NaOH的裝置如圖所示.a、b、c為陰、陽(yáng)離子交換膜.已知：陰離子交換膜只允許陰離子透過(guò)，陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子透過(guò).下列敘述正確的是（ ?）.

A.b、c分別依次為陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜

B.通電后Ⅲ室中的Cl-透過(guò)c遷移至陽(yáng)極區(qū)

C.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高

D.電池總反應(yīng)為4NaCl+6H2O通電4NaOH+4HCl+2H2↑+O2↑

解析 由圖中信息可知，左邊電極與負(fù)極相連為陰極，右邊電極為陽(yáng)極，所以通電后，陰離子向右定向移動(dòng)，陽(yáng)離子向左定向移動(dòng)，陽(yáng)極上H2O放電生成O2和H+，陰極上H2O放電生成H2和OH-;H+透過(guò)c，Cl-透過(guò)b，二者在b、c之間的Ⅲ室形成鹽酸，鹽酸濃度變大，所以b、c分別為陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜;Na+透過(guò)a，NaOH的濃度變大，所以a也是陽(yáng)離子交換膜，故A、B兩項(xiàng)均錯(cuò)誤;電解一段時(shí)間后，Ⅰ中的溶液的c（OH-）升高，pH升高，Ⅱ中為NaCl溶液，pH不變，Ⅲ中有HCl生成，故c（H+）增大，pH減小，Ⅳ中H+移向Ⅲ，H2O放電生成O2，使水的量減小，c（H+）增大，pH減小，C不正確.答案：D

備考方略 ?離子交換膜類型的判斷方法：

根據(jù)電解質(zhì)溶液呈中性的原則，判斷膜的類型，判斷時(shí)首先寫(xiě)出陰、陽(yáng)兩極上的電極反應(yīng)，依據(jù)電極反應(yīng)式確定該電極附近哪種離子剩余，因該電極附近溶液呈電中性，從而判斷出離子移動(dòng)的方向，進(jìn)而確定離子交換膜的類型，如電解飽和食鹽水時(shí)，陰極反應(yīng)式為2H++2e-H2↑，則陰極區(qū)域破壞水的電離平衡，OH-有剩余，陽(yáng)極區(qū)域的Na+穿過(guò)離子交換膜進(jìn)入陰極室，與OH-結(jié)合生成NaOH，故電解食鹽水中的離子交換膜是陽(yáng)離子交換膜.

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉波.化學(xué)反應(yīng)原理綜合應(yīng)用[J].數(shù)理化解題研究，2019（25）：86-87.

[責(zé)任編輯：季春陽(yáng)]