電化學(xué)中的防護(hù)墻——離子交換膜

陳飛

離子交換膜是一種對(duì)溶液里的離子具有選擇透過(guò)能力的高分子膜，在應(yīng)用時(shí)，主要是利用它的離子選擇透過(guò)性，所以也稱為離子選擇透過(guò)性膜。不論是原電池還是電解池裝置，大多數(shù)都帶有離子交換膜，其在電化學(xué)中應(yīng)用十分廣泛，也是高考試題中的?？汀１疚奶接戨x子交換膜在電化學(xué)中的重要應(yīng)用，對(duì)同學(xué)們深人理解原電池原理和電解池原理提供幫助。

一、離子交換膜的類型

離子交換膜按功能及結(jié)構(gòu)的不同可以分為多種類型。高考試題中主要是根據(jù)透過(guò)的微粒種類將其分為陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜和質(zhì)子交換膜。陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)，阻止陰離子和氣體通過(guò)，陰離子交換膜只允許陰離子通過(guò)，質(zhì)子交換膜只允許質(zhì)子（H+）通過(guò)。

二、離子交換膜的作用

離子交換膜在不同的裝置中有不同的作用，下面我們來(lái)看一下在電化學(xué)中的主要作用。一是防止副反應(yīng)發(fā)生，提高裝置的工作效率，提高產(chǎn)品的純度，防止引發(fā)不安全因素。例如在電解飽和食鹽水中，利用陽(yáng)離子交換膜防止陽(yáng)極產(chǎn)生的氯氣進(jìn)入陰極室與氫氧化鈉反應(yīng)，導(dǎo)致所制產(chǎn)品不純，也可防止陰極產(chǎn)生的氫氣與陽(yáng)極產(chǎn)生的氯氣相遇而發(fā)生危險(xiǎn)。二是使離子選擇性定向移動(dòng)，平衡整個(gè)溶液中的離子濃度或電荷，使溶液始終保持電中性。三是使某種離子能夠發(fā)生定向移動(dòng)，構(gòu)成閉合回路，從而形成原電池或電解池裝置。四是常用于物質(zhì)的制備、分離和提純等。

三、原電池中的離子交換膜

1.質(zhì)子交換膜。

例1【改編題】利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時(shí)MV2+/MVt在電極與酶之間傳遞電子，如圖1所示。下列說(shuō)法正確的是（）。

A.該方法在高溫條件下比現(xiàn)有工業(yè)合成氨的效率高

B.陽(yáng)極區(qū)，在固氮酶作用下發(fā)生反應(yīng)為N，+6H++6Mv+==6MV2++2NH

C.負(fù)極區(qū)，氫化酶為催化劑，H，發(fā)生還原反應(yīng)

D.電池工作時(shí)質(zhì)子通過(guò)交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)

解析：該方法選用酶作催化劑，在高溫條件下，酶失去催化活性，和現(xiàn)有工業(yè)合成氨相比，效率降低，A項(xiàng)錯(cuò)誤。左室電極為燃料電池的負(fù)極，MV在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成MV2+，在電化學(xué)上把發(fā)生氧化反應(yīng)的一極稱為陽(yáng)極，陽(yáng)極區(qū)在氫化酶的作用下MV2+與H，反應(yīng)生成H和MV，反應(yīng)的化學(xué)方程式為H，+2MV+-2H++2Mv+，氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)，B項(xiàng)和C項(xiàng)均錯(cuò)誤。電池工作時(shí)，氫離子（即質(zhì)子）通過(guò)交換膜由負(fù)極向正極移動(dòng)，故D項(xiàng)正確。

答案：D

點(diǎn)評(píng)：原電池工作時(shí)陽(yáng)離子移向正極區(qū)，陰離子移向負(fù)極區(qū)。質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜向正極區(qū)移動(dòng)，從而形成閉合回路構(gòu)成燃料電池，保證交換膜兩邊溶液都是電中性，能產(chǎn)生穩(wěn)定電流，提高電池效率。

2.陽(yáng)離子交換膜。

例2新型鋅-碘液流電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，其工作原理如下頁(yè)圖2所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）。

A.放電時(shí)電子從鋅電極經(jīng)外電路流向石墨電極

B.放電時(shí)正極反應(yīng)式為I+2e-3IC.若將陽(yáng)離子交換膜換成陰離子交換膜，放電時(shí)正、負(fù)極發(fā)生改變

D.放電時(shí)左側(cè)電解質(zhì)儲(chǔ)罐中的溶質(zhì)濃度增大

解析：根據(jù)圖示，放電時(shí)鋅作負(fù)極，石墨作正極，電子從鋅電極經(jīng)外電路流向石墨電極，A項(xiàng)正確。放電時(shí)，石墨電極反應(yīng)式為I+2e-3I。B項(xiàng)正確。將陽(yáng)離子交換膜換成陰離子交換膜，放電時(shí)正、負(fù)極不會(huì)發(fā)生改變，C項(xiàng)錯(cuò)誤。放電時(shí)Zn？通過(guò)陽(yáng)離子交換膜移向正極，和正極區(qū)的I廠結(jié)合成Znl，，所以左側(cè)儲(chǔ)罐中的溶質(zhì)濃度增大，D項(xiàng)正確。

答案：C

點(diǎn)評(píng)：陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)，陽(yáng)離子通過(guò)交換膜移向正極，形成閉合回路并保持溶液的電中性，使原電池具有穩(wěn)定電流。

3.陰離子交換膜。

例了一種微生物脫鹽池的裝置如圖3所示，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）。

A.有機(jī)廢水中的CH，COO在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)

B.X為陰離子交換膜，Y為陽(yáng)離子交換膜C.負(fù)極反應(yīng)式為CH;COO+2H，O+____8e=2C0，↑+7H+

D.該裝置工作時(shí)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能解析：根據(jù)裝置圖，有機(jī)廢水中的CH;COO～在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO。和Ht，A項(xiàng)正確。海水中的NaC1經(jīng)過(guò)該裝置除去了CI和Nat，Cl通過(guò)X膜進(jìn)入負(fù)極區(qū)，Nat通過(guò)Y膜進(jìn)人正極區(qū)，達(dá)到脫鹽的目的，因此X為陰離子交換膜，Y為陽(yáng)離子交換膜，B項(xiàng)正確;負(fù)極的電極反應(yīng)式為CHCOO～+2H，0-8e--2C0.↑+7H+，是失去電子的氧化反應(yīng)，C項(xiàng)錯(cuò)誤。該裝置工作時(shí)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，D項(xiàng)正確。

答案：C

點(diǎn)評(píng)：本題中設(shè)置了陰、陽(yáng)兩種離子交換膜，使海水中的CI和Nat分別通過(guò)離子交換膜達(dá)到脫鹽的目的。

四、電解池中的離子交換膜

有的電解池沒(méi)有離子交換膜，有的電解池有離子交換膜。對(duì)于有離子交換膜的電解池，有的有一個(gè)離子交換膜，有的有兩個(gè)離子交換膜，還有的設(shè)置多個(gè)離子交換膜。設(shè)置交換膜把電解池分成若干室，不同的電解室能得到不同產(chǎn)物，從而可以制取我們所需的物質(zhì)，多室電解池因在工業(yè)生產(chǎn)及環(huán)境治理等方面應(yīng)用廣泛，成為高考命題的寵兒。

1.單膜電解池。

單膜電解池中只有一個(gè)隔膜，可以是質(zhì)子交換膜、陽(yáng)離子交換膜或者陰離子交換膜。起隔離兩邊電解質(zhì)溶液中的某些離子或物質(zhì)的作用。

例4工業(yè)上可利用圖4所示電解裝置吸收和轉(zhuǎn)化SO，（A、B均為惰性電極）。

下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）。

A.A極接電源的負(fù)極

B.A極區(qū)溶液的堿性逐漸減弱

C.本裝置中使用的是陽(yáng)離子交換膜

D.B極的電極反應(yīng)式為SO，-2e+2H，OSO+4H+

解析：根據(jù)HSO;生成S，O，硫元素的化合價(jià)降低，發(fā)生還原反應(yīng)，A極為陰極，應(yīng)接電源的負(fù)極，A項(xiàng)正確。陰極的電極反應(yīng)式為2HSO;+2H++2eS，O？+2H，O，消耗H，堿性增強(qiáng)，B項(xiàng)錯(cuò)誤。陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為SO，+2H，O-2e～-SO+4Ht，H通過(guò)離子交換膜由右向左移動(dòng)裝置中使用的應(yīng)為陽(yáng)離子交換膜，C項(xiàng)正確。B為陽(yáng)極，發(fā)生反應(yīng)SO，+2H，0-2eSO？+4Ht，D項(xiàng)正確。

答案：B

點(diǎn)評(píng)：電解池中陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜移向陰極區(qū)，陰離子通過(guò)陰離子交換膜移向陽(yáng)極區(qū)。

2.雙膜電解池。

雙膜電解池是電解池中設(shè)置了兩個(gè)離子交換膜，兩個(gè)膜可以相同，也可以不相同。

例5焦亞硫酸鈉（NagS，O，）在醫(yī)藥、橡膠、印染、食品等方面應(yīng)用廣泛。制備NaS，O，可采用三室膜電解技術(shù)，裝置如圖5所示，其中SO，堿吸收液中含有NaHSO。和NaSO。陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為

電解后，室的NaHSO濃度增

加。將該室溶液進(jìn)行結(jié)晶脫水，可得到Na，S，O，。

解析：陽(yáng)極吸引陰離子，水電離的OH在陽(yáng)極放電，電極反應(yīng)式為2H，O-4e-0.↑+4H，電解過(guò)程中生成的H通過(guò)左邊的陽(yáng)離子交換膜進(jìn)人a室，和a室中Na，SO。結(jié)合生成NaHSO，所以a室中NaHSO濃度增加。陰極是水電離出的H放電，OH～濃度增大，OH和NaHSO，反應(yīng)生成Na，SO，，同時(shí)a室中的Nat通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入b室生成NaOH。

答案：2H，O-4e4H++O，↑a例6（改編題）三室式電滲析法處理含NagSO，廢水的原理如圖6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SO可通過(guò)離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進(jìn)人中間隔室。下列敘述錯(cuò)誤的是（）。

A.通電后中間隔室的SO？向正極遷移B.該法在處理含Na，SO，廢水時(shí)可以得到NaOH和H，SO4產(chǎn)品

C.負(fù)極反應(yīng)為2H，O-4e==0，+4Ht，負(fù)極區(qū)溶液pH降低

D.ab為陽(yáng)離子交換膜，cd為陰離子交換膜解析：正極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)為2H，O-4e0.↑+4H+，由于生成H+，正極區(qū)溶液中陽(yáng)離子增多，故中間隔室的SO通過(guò)cd膜向正極遷移，A項(xiàng)正確。負(fù)極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)為2H，O+2e-H，↑+20H～，陰離子增多，中間隔室的Nat通過(guò)ab膜向負(fù)極遷移，故負(fù)極區(qū)產(chǎn)生NaOH，正極區(qū)產(chǎn)生H，SO，，B項(xiàng)和D項(xiàng)均正確，C項(xiàng)錯(cuò)誤。

答案：C

點(diǎn)評(píng)：電解池中陽(yáng)離子向負(fù)極（陰極）遷移，陰離子向正極（陽(yáng)極）遷移。

3.多膜電解池。

多膜電解池是利用離子交換膜將電解池隔成多個(gè)極室，借助離子交換膜的選擇透過(guò)性，自動(dòng)把產(chǎn)品分離開(kāi)，得到的目標(biāo)物質(zhì)更加純凈，降低分離提純的成本。

例7H，PO。可用電滲析法制備?！八氖译姖B析法”工作原理如圖7所示（陽(yáng)膜和陰膜分別只允許陽(yáng)離子、陰離子通過(guò)）

（1）寫出陽(yáng)極的電極反應(yīng)式：

（2）分析產(chǎn)品室可得到HPO，的原因：

（3）早期采用“三室電滲析法”制備H，POq：將“四室電滲析法”中陽(yáng)極室的稀硫酸用HPO，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

解析：（1）在陽(yáng)極水電離出的OH放電，電極反應(yīng)式為2H，0-4e0，↑+4H+。（2）在陽(yáng)極室中生成的H穿過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)人產(chǎn)品室，原料室中H，PO，通過(guò)陰膜進(jìn)入產(chǎn)品室，Ht和H，PO2反應(yīng)生成產(chǎn)品HPO，。在陰極室，水電離出的H放電，電極反應(yīng)為2H，O+2e-H↑+20H，原料室中的Nat通過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)人陰極室，在陰極室生成NaOH。（3）如果將陽(yáng)極室中的稀硫酸用H，PO，溶液代替，撤去陽(yáng)極室與產(chǎn)品室之間的陽(yáng)膜，合并陽(yáng)極室與產(chǎn)品室，這樣陽(yáng)極區(qū)的H，PO2或HPO，就會(huì)失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成PO。

答案：（1）2H，0-4e=-0.↑+4H+（2）陽(yáng)極室中H通過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)人產(chǎn)品室，原料室中H，PO2通過(guò)陰膜進(jìn)人產(chǎn)品室，二者反應(yīng)生成HPO，

（3）PO;H，PO2或H，PO，被氧化例8雙極膜（BP）是陰、陽(yáng)復(fù)合膜，在直流電的作用下，陰、陽(yáng)膜復(fù)合層間的H，O解離成H和OH，作為H和OH離子源。利用雙極膜電滲析法電解食鹽水可獲得淡水、NaOH和HCI，其工作原理如圖8所示，M、N為離子交換膜。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）。

A.陽(yáng)極的電極反應(yīng)為40H-4e0，↑+2H，O

B.如果沒(méi)有雙極膜（BP），陽(yáng)極會(huì)有Cl2生成

C.M為陽(yáng)離子交換膜，N為陰離子交換膜

D.電路中每轉(zhuǎn)移2mol電子，兩極共得到1mol氣體

解析：陰極吸引Ht，H得電子生成氫氣，電極反應(yīng)為2H++2e-H↑，陽(yáng)極吸引OH～，陽(yáng)極的電極反應(yīng)為40H～-4e-0，↑+2H，0，A項(xiàng)正確。若沒(méi)有雙極膜（BP），C進(jìn)入陽(yáng)極室直接放電生成Cl，B項(xiàng)正確。Nat穿過(guò)M進(jìn)入陰極室，在陰極區(qū)生成NaOH，所以M為陽(yáng)離子交換膜，CI穿過(guò)N進(jìn)人陽(yáng)極室，在陽(yáng)極區(qū)生成HCI，N為陰離子交換膜，故C項(xiàng)正確。電路中每轉(zhuǎn)移2mol電子，陽(yáng)極生成0.5mol氧氣，陰極生成1mol氫氣，兩極共得到1.5mol氣體，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

答案：D

解題步驟：第一步，分清離子交換膜類型，是陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜或質(zhì)子交換膜，判斷允許哪種離子通過(guò)。第二步，寫出電極反應(yīng)式，判斷離子交換膜兩側(cè)離子濃度的變化，根據(jù)電荷守恒判斷離子遷移方向。第三步，分析離子交換膜作用，在產(chǎn)品制備中，離子交換膜的作用主要是提高產(chǎn)品純度，避免產(chǎn)物之間發(fā)生反應(yīng)或造成危險(xiǎn)。

總之，離子交換膜試題往往與生產(chǎn)、生活及新科技等相聯(lián)系，常以裝置圖為載體呈現(xiàn)，題材廣，信息新，考查同學(xué)們閱讀提煉信息的能力和獲取知識(shí)并遷移應(yīng)用的能力。只要大家熟練掌握原電池和電解池的工作原理，根據(jù)裝置中的電極種類、離子移動(dòng)方向、溶液pH的變化、電極反應(yīng)式等，就能順利判斷離子交換膜的類別，從而更好體會(huì)離子交換膜在電化學(xué)中的獨(dú)特作用;反之知道了離子交換膜的類型和作用就能更好地解決電化學(xué)的有關(guān)問(wèn)題。

（責(zé)任編輯謝啟剛）