新型電化學(xué)裝置中的“膜”

孟凡盛

一、高考真題中的“膜”

【例1】（2020年全國I卷第12題）科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn-CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如下，電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯(cuò)誤的是（）

A.放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為Zn-2e-+4OH- =Zn（OH）42-

B.放電時(shí)，l mol CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2 mol

C.充電時(shí)，電池總反應(yīng)為2Zn（OH）42-=2Zn+O2↑+ 4OH-+2H2O

D.充電時(shí)，正極溶液中OH- 濃度升高

【解析】讀圖知，放電時(shí)，活潑金屬鋅失去電子被氧化為四羥基鋅酸根，故負(fù)極反應(yīng)為：Zn-2e-+4OH- = Zn（OH）42-，A正確;放電時(shí)，CO2（+4價(jià)碳）在正極得到電子被還原為HCOOH（+2價(jià)碳），碳的化合價(jià)降低2，故1 mol CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH時(shí)轉(zhuǎn)移的電子物質(zhì)的量為2 mol，B正確;圖中虛線表示充電時(shí)物質(zhì)變化過程，充電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為：2Zn（OH）42-+4e-=2Zn+8OH-，正極反應(yīng)為放氧生酸：2H2O-4e-=O2↑+4H+，兩極生成的氫離子和氫氧根離子在雙極隔膜上結(jié)合成4 mol H2O，生成的4 mol H2O與正極消耗的2 mol H2O相減，總反應(yīng)中凈生成2 mol H2O，故充電時(shí)，電池總反應(yīng)為2Zn（OH）42-=2Zn+ O2↑+4OH-+ 2H2O，C正確;充電時(shí)，正極反應(yīng)為放氧生酸，溶液中H+濃度增大，溶液中c（H+）·c（OH-）=KW，溫度不變時(shí)，KW不變，因此溶液中OH-濃度降低，D錯(cuò)誤。

【答案】D

【啟示】本題利用新型電池創(chuàng)設(shè)情境，考查學(xué)生的電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和觀察理解能力。雙極隔膜的特點(diǎn)是在直流電場的作用下，陰、陽膜復(fù)合層間的H2O解離成H+和OH-并分別通過陰膜和陽膜，作為H+和OH-離子源。中學(xué)教材沒有涉及雙極隔膜的相關(guān)知識(shí)，試題也沒有提供信息，高考真題給我們的啟示就是高三復(fù)習(xí)時(shí)應(yīng)適當(dāng)拓展挖掘更多電化學(xué)裝置中“膜”的知識(shí)。

二、常見的離子交換膜

1.離子交換膜

離子交換膜是一種含離子基團(tuán)的、對(duì)溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。因?yàn)橐话阍趹?yīng)用時(shí)主要是利用它透過的離子，所以也稱為離子選擇透過性膜。

2.離子交換膜分類

（1）陽離子交換膜是對(duì)陽離子有選擇透過性作用的膜，簡稱陽膜（C）;單價(jià)選擇性陽離子交換膜是對(duì)+1價(jià)陽離子有選擇透過性作用的膜，簡稱單價(jià)陽膜（SC）;質(zhì)子交換膜（PEM）是對(duì)質(zhì)子或H+有選擇透過性作用的膜。

（2）陰離子交換膜是對(duì)陰離子有選擇透過性作用的膜，簡稱陰膜（A）;單價(jià)選擇性陰離子交換膜是對(duì)-1價(jià)陰離子有選擇透過性作用的膜，簡稱單價(jià)陰膜（SA）。

（3）兩性離子交換膜既可以作為陽離子交換膜又可以作為陰離子交換膜。

（4）雙極性膜是由一張陽膜和一張陰膜復(fù)合制成的陰、陽復(fù)合膜。該膜的特點(diǎn)是在直流電場的作用下，陰、陽膜復(fù)合層間的H2O解離成H+和OH-并分別通過陰膜和陽膜，作為H+和OH-離子源。雙極性膜簡稱雙極膜（BM）。

3.離子交換膜的性能

性能優(yōu)良的離子交換膜，選擇透過性好，導(dǎo)電能力強(qiáng)。

三、2021年高考電化學(xué)“膜”試題預(yù)測

【預(yù)測1】我國學(xué)者以新型的Fe-SnO2為雙功能催化劑實(shí)現(xiàn)室溫條件下電催化固氮產(chǎn)氨和硝酸，電解質(zhì)溶液為稀硝酸和稀氨水，原理如圖所示，雙極膜能將H2O解離成H+和OH-。下列說法正確的是（ ）

A.電解時(shí)雙極膜產(chǎn)生的H+向右側(cè)正極室移動(dòng)

B. Fe-SnO2能同時(shí)降低氮?dú)膺€原和氧化的活化能

C.陰極反應(yīng)為N2+6H2O-10e-=2NO3-+12H+

D.總反應(yīng)為4N2+9H2O3NH4NO3+2NH3

【解析】室溫“一箭雙雕”式固氮具有良好的商業(yè)前景，體現(xiàn)“學(xué)術(shù)探索情境”的最新高考命題動(dòng)向，通過提供語言簡潔信息豐富的圖文，考查考生宏觀辨識(shí)與微觀探析的核心素養(yǎng)。讀圖知，右側(cè)氮?dú)獾玫诫娮影l(fā)生還原反應(yīng)的電極是電解池的陰極（負(fù)極），左側(cè)氮?dú)馐ル娮影l(fā)生氧化反應(yīng)的電極是電解池的陽極（正極），電解時(shí)溶液中離子移動(dòng)方向符合“陰陽相吸”，即陰離子移向陽極、陽離子移向陰極，故雙極膜產(chǎn)生的帶正電荷的氫離子移向左側(cè)陰極室，A錯(cuò)誤;根據(jù)教材所學(xué)知識(shí)可以得知，工業(yè)固氮是氮?dú)馀c氫氣在高溫高壓催化劑條件下進(jìn)行的氮還原反應(yīng)，工業(yè)上利用氮?dú)庵苽湎跛岬牡谝徊绞堑獨(dú)馀c空氣中的氧氣在放電條件下進(jìn)行氮氧化反應(yīng)，苛刻的反應(yīng)條件意味著上述兩個(gè)反應(yīng)有很高的活化能，題干中雙功能催化劑實(shí)現(xiàn)室溫條件下電催化固氮產(chǎn)氨和硝酸，說明Fe-SnO2能同時(shí)降低氮?dú)膺€原和氧化的活化能，B正確;電解池的陰極發(fā)生氧化劑得電子的還原反應(yīng)，故陰極反應(yīng)為N2+6H2O +6e-=2NH3+6OH-，從電極反應(yīng)失電子的形式就可以判斷C錯(cuò)誤;電解池陽極發(fā)生還原劑失電子的氧化反應(yīng)，陽極反應(yīng)為N2+6H2O-10e-=2NO3-+12H+，雙極膜使陰極生成的氨與陽極生成的硝酸不能接觸，故總反應(yīng)為4N2+9H2O3HNO3+5NH3，D錯(cuò)誤。

【答案】B

【預(yù)測2】海水淡化是解決沿海城市飲用水問題的關(guān)鍵技術(shù)。下圖是電滲析法淡化海水的裝置工作原理示意圖（電解槽內(nèi)部的“┆”和“│”表示不同類型的離子交換膜）。工作過程中b電極上持續(xù)產(chǎn)生Cl2。下列關(guān)于該裝置的說法錯(cuò)誤的是（ ）

A.工作過程中b極電勢高于a極

B.“┆”表示陰離子交換膜，“│”表示陽離子交換膜

C.海水預(yù)處理主要是除去Ca2+、Mg2+等