淺析電化學(xué)應(yīng)用的“離子交換膜”

宋尚榮

離子交換膜，又稱(chēng)為poly-selectionmem，它由多種特定的離子組成，可以提供良好的選擇性和滲透能力。

1.離子交換膜的功能

使得離子有選擇地向前移動(dòng)（為了保持溶液中的離子濃度或電荷平衡）。

2.離子交換膜電化學(xué)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)分離、提純等。

3.離子交換膜的類(lèi)型

高中試題中的離子交替薄片包含了三類(lèi)：正電荷的容許通路是陽(yáng)性離子的交流通道；負(fù)極性的只有陰性粒子可以經(jīng)過(guò)它們的路徑；而微粒則只能從特定的區(qū)域穿過(guò)——這就是所謂的“選取”特定類(lèi)型的電子并阻擋其他類(lèi)型的過(guò)程。

[典例剖析]

一、提高電流效率

利用隔膜分割兩個(gè)不同的電解質(zhì)溶液，防止正極和可能參與化學(xué)反應(yīng)的電解質(zhì)溶液之間的直接聯(lián)系，從而提高了電流的有效性。在這個(gè)設(shè)備里，隔膜起到了類(lèi)似鹽橋的功能，且比傳統(tǒng)的鹽橋更優(yōu)越。它能夠控制離子的流動(dòng)，讓特定的離子在溶液內(nèi)有方向地運(yùn)動(dòng)并構(gòu)建循環(huán)路徑，使兩電極以在無(wú)物理接觸的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)氧化還原的過(guò)程。

二、限制離子遷移

雖然反應(yīng)物的類(lèi)型相同，但交換膜的種類(lèi)會(huì)有所不同；在同一種交換膜中，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)量相同，離子攜帶的電荷數(shù)目卻會(huì)有所差異，從而導(dǎo)致遷移的離子數(shù)量也會(huì)有所不同。離子的遷移是基于電荷平衡的，但其離子數(shù)量的變化可能并不一致。

[典例1] 一個(gè)電池器件的反應(yīng)是 2Ag+Cl2 = 2AgCl，如圖。

（1）當(dāng) a mole-轉(zhuǎn)移到電路中時(shí)，交換膜左方減少________mol 離子，交換膜右側(cè)c（HCl）________1mol ·L-1（填“＜或>或=”）。

（2）質(zhì)子交換膜與陰離子交換膜發(fā)生置換，其它無(wú)改變。若有11.2L氯氣（標(biāo)況）參加化學(xué)反應(yīng)，則必有________moL________（填離子符號(hào)）由置換膜________側(cè)經(jīng)過(guò)置換膜向________轉(zhuǎn)移。置換膜右側(cè)c（HCl）________（填“＞”“＜”或“＝”）1mol·L-1（忽略溶液體積改變）。

解析：當(dāng)電池的電位發(fā)生變化時(shí)，正極Cl2+2e-=2Cl-，負(fù)極Ag-e-+Cl-=AgCl。由于隔離層僅能容納H+離子，因此需要將 a mol電子從電池的左邊遷移至電池的右邊，從而使得電池的電位發(fā)生變化，從而降低 2a mol 離子的數(shù)量，同時(shí)使得HCl的濃度也會(huì)隨著電池的變化而增加。

（2）n（Cl2）＝ 0.5 mol，n（Cl-）＝ 1 mol。由兩個(gè)電極反應(yīng)式得到：n（e-）= 1mol，在交換膜右側(cè)增加 1molCl-，左側(cè)減少 1molCl-。若改用陰離子交換膜，則只準(zhǔn) Cl-通過(guò)。此時(shí)，1molCl-以極快的速度從交換膜的右端流向左端，而且在兩個(gè)溶液中，鹽酸的濃度保持穩(wěn)定。

三、提高產(chǎn)品純度

第一：分清隔膜類(lèi)型。即判斷隔膜屬于哪種類(lèi)型且允許哪種離子通過(guò)

第二：寫(xiě)出電極反應(yīng)式。離子的遷移路徑是推測(cè)電荷的變化，根據(jù)電荷平衡對(duì)交換膜兩側(cè)的離子變化進(jìn)行判斷。

第三：研究隔膜的功能。在生產(chǎn)過(guò)程中，隔膜的主要作用是提升產(chǎn)品的純度并防止產(chǎn)物間的反應(yīng)和危險(xiǎn)。

[典例2]H3PO2的基本概念如圖（陽(yáng)膜和陰膜只能容納相應(yīng)的正、負(fù)離子穿過(guò)），可由“四室電滲析法”的操作過(guò)程生成。

（1）寫(xiě)出陽(yáng)極反應(yīng)式：_______________________。

（2）分析產(chǎn)品室可得到H3PO2的原因：_____________________________。

（3）“三室電滲析法”取消了“四室電滲析法”的稀硫酸，這樣就可以將 H3PO2的生長(zhǎng)過(guò)程提前到“三室電滲析法”，這樣就可以將陽(yáng)極室和產(chǎn)物室完美地結(jié)合起來(lái)，不再需要通過(guò)陽(yáng)膜的隔離。然而，這種方法存在的一個(gè)問(wèn)題就是產(chǎn)品的質(zhì)量受到未知雜質(zhì)的影響，該雜質(zhì)為_(kāi)_______，其產(chǎn)生的原因是__________。

[解析]（2）中應(yīng)從閉合回路的角度分析陰、陽(yáng)離子的流向（3）陽(yáng)極的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生O2并具備氧化能力，H3PO2和H2PO-都是還原性質(zhì)，它們會(huì)被氧化為PO3-4? 。

（1）2H2O-4e-= O2+4H+

（2）在陽(yáng)極處，H+可以通過(guò)陽(yáng)離子膜進(jìn)入到產(chǎn)品室，而在原材料處，H2PO-2可以通過(guò)陰離子膜進(jìn)入到產(chǎn)品室

（3）PO3-4? H2PO-2或H3PO2則可以通過(guò)在陽(yáng)極處發(fā)生反應(yīng)，從而使O2受到氧化。

四、工業(yè)廢水處理

[典例3]高濃度有機(jī)廢水在微生物細(xì)菌的作用下得到凈化，其原理如圖。以下說(shuō)法正確的是

A.工作時(shí)，H+從b極向a極遷移

B.該裝置在高溫下仍可正常工作

C.硫酸鹽溶液使裝置連續(xù)工作需要不斷地補(bǔ)充

D.理論上，每處理含162.0g該有機(jī)物的廢水，需消耗5mol MnO-4

解析： a 極為負(fù)極；b 極為正極，陽(yáng)離子（H+）移至正極，故 A 錯(cuò)；微生物細(xì)菌在高溫下失去活性，因而不能在高溫下發(fā)揮作用，故 B 錯(cuò)；從總反應(yīng)可以知道，蓄電池在工作時(shí)會(huì)消耗硫酸，因此選擇 C；由關(guān)系式可知， 5C6H10O5+24KMnO4+36H2SO4=30CO2↑+61H2O+24MnSO4+12K2SO4需要消耗4.8mol MnO-4，故D錯(cuò)。