離子交換膜在電化學(xué)解題中的應(yīng)用研究

何友潔

摘 要：現(xiàn)代化教育背景下，高中化學(xué)教育教學(xué)中會關(guān)注高考的試題傾向，這樣能幫助學(xué)生更有針對性的進(jìn)行學(xué)習(xí)。近年來涉及離子交換膜的電化學(xué)試題頻繁出現(xiàn)在全國高考試題中，這種題型體現(xiàn)綜合考察性的特點，對學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)也有極高的要求。但現(xiàn)階段的高中化學(xué)教材中，很少有圍繞離子交換膜的介紹。面對這樣的情況，為了幫助學(xué)生的化學(xué)綜合素養(yǎng)的提升，讓學(xué)生更順應(yīng)高考解題的需要，文章圍繞著離子交換膜在電化學(xué)中的應(yīng)用及其解法展開分析。

關(guān)鍵詞：離子交換膜;電化學(xué)解題;應(yīng)用途徑

在高中化學(xué)魯科版2019選擇性必修一第三章物質(zhì)在水溶液中的行為提到離子反應(yīng)，在離子反應(yīng)中，圍繞離子反應(yīng)發(fā)生的條件、離子反應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)的探究。其中進(jìn)一步的延伸就可以將離子交換膜呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，離子交換膜的應(yīng)用以及電解液介質(zhì)對電極反應(yīng)的影響，是近年來試題中出現(xiàn)較高頻率的內(nèi)容。通過離子交換膜的功能在于選擇性的透過某些離子和阻止某些離子來隔離某些物質(zhì)，電解液介質(zhì)主要是對電極反應(yīng)物的產(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng)。

一、電化學(xué)中的交換膜和介質(zhì)

對離子交換膜在電化學(xué)解題中的應(yīng)用展開分析，要從宏觀層面對調(diào)化學(xué)中的交換膜和介質(zhì)進(jìn)行全面了解。交換膜的作用就是讓離子選擇性的定向遷移，主要目的是保障整個溶液離子濃度或電荷的平衡[1]。交換膜的主要作用就是在電化學(xué)中防止副反應(yīng)的出現(xiàn)，防止各種不安全因素出現(xiàn)。交換膜在物質(zhì)的制備、分離和提純中發(fā)揮著非常突出的作用。離子交換膜的主要類型就是陽離子交換膜、陰離子交換膜和特殊離子交換膜。在電化學(xué)中常見的介質(zhì)包括CH3OH、O2燃料電池。

隔膜式離子交換膜的又一個別稱，它們都是高分子特殊材料所制成的。前文提到了離子交換膜的幾種類型，在陽離子交換膜的情況下是只允許陽離子通過，自身不允許應(yīng)力通過。反之在陰離子交換膜的情況下，只允許陰離子通過，不允許陽離子通過。而在一種特殊類型的交換膜中，是只允許質(zhì)子通過，不允許陽離子和陰離子通過。隔膜的作用就是將兩個極區(qū)相隔離，防止兩個極區(qū)內(nèi)的物質(zhì)出現(xiàn)接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能選擇性的通過離子起到平衡電荷，形成閉合回路的效果。

二、離子交換膜在電化學(xué)解題中的應(yīng)用

在解題過程中遇到離子交換膜的電化學(xué)生題時，題解題思路分為三個步驟，首先對題目進(jìn)行仔細(xì)審核，了解離子交換膜的類型，從而明確這種離子交換膜允許哪種立即通過，這一步是非常關(guān)鍵的，也是基本。另外要寫出準(zhǔn)確規(guī)范的電極反應(yīng)式，判斷離子交換膜兩側(cè)離子的變化。最后圍繞題目的相關(guān)要求完成書寫規(guī)范作答，接下來就根據(jù)相關(guān)的題目進(jìn)行分析，來了解離子交換膜在電化學(xué)解題中是如何應(yīng)用的[2]。

例1 ：（ 2018 年全國卷Ⅲ27 題節(jié)選） KIO3 是一種 無機化合物，可作為食鹽的補碘劑，回答下列問題：

①寫出電解時陰極的電極反應(yīng)式

②電解過程中通過陽離子交換膜的離子主要為

其遷移方向是

在看到這一題目時，學(xué)生們首先要做的事情就是了解這道題考查的內(nèi)容。這道題考察的是化學(xué)工業(yè)以及電化學(xué)相關(guān)知識，在解題過程中，離子交換膜是陽離子交換膜。根據(jù)圖1的內(nèi)容，能發(fā)現(xiàn)陰極區(qū)為氫氧化鉀溶液，電極反應(yīng)為水電離的氫離子放電，所以反應(yīng)式為2H+ + 2e -==H2↑。在這樣的情況下，陰極區(qū)水的電離平衡容易被破壞，平衡向電離方向移動，OH- 本身的濃度也會增大，為了使溶液呈電中性，溶液中的陽離子需要向陰極遷移，這時候溶液中會大量存在k+遷移，方向是從左邊向右邊，即從a側(cè)到b側(cè)。透過這道題目能發(fā)現(xiàn)該題考查的主要是陽離子交換膜參與電解裝置圍繞著電極的極性、電極反應(yīng)式的情況進(jìn)行了考察。在這個題目中，要求電解反應(yīng)是一定要準(zhǔn)確規(guī)范地書寫明白，任何電解質(zhì)溶液都呈電中性的知識點，就能順利解題。

例2：正在研發(fā)的鋰空氣電池能量密度高、成本低，可作為未來電動汽車的動力源，其中多孔電極材料催化劑使該電池表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能。電池反應(yīng)為2Li+O2===Li2O2。其工作原理如圖2。下列有關(guān)該電池的說法不正確的是（ ）

A.該電池的有機電解液可用鋰鹽的有機溶液

B.離子交換膜采用陰離子交換膜

C.電池充電時間越長，電池中Li2O2越多

D.電池工作時，正極反應(yīng)可能經(jīng)過兩個過程：

結(jié)束語：

綜上所說，在電化學(xué)解題中，離子交換膜的主要應(yīng)用就是先讀題，判斷好離子交換膜的類型，然后寫出電極反應(yīng)式，這樣就能判斷交換膜兩側(cè)離子變化，最后根據(jù)題目完成規(guī)范操作即可。

參考文獻(xiàn)：

[1]許海菊.淺談離子交換膜在電化學(xué)解題中的應(yīng)用技巧[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)（高中版），2021（08）：63-64.

[2]魏春明.“離子交換膜”在電化學(xué)中的應(yīng)用[J].理科考試研究，2018，25（19）：53-56.