高考新常态——有关交换膜的电化学试题

江苏 陈仕功

高考新常态
——有关交换膜的电化学试题

江苏 陈仕功

近几年高考试题来看，电化学知识成为试题明星，而有关交换膜的电化学试题更是引领高考新常态，紧跟社会发展和生产生活实际，成为明星中的明星。下面就交换膜有关知识做一分类例析。

一、使用阳离子交换膜的电化学装置

【例1】（2015山东，节选）利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。LiOH可由电解法制备，钴氧化物可通过处理钴渣获得。利用如图装置电解制备LiOH，两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。B 极区电解液为________（填化学式）溶液，阳极电极反应式为__________ ______，电解过程中Li＋向________（填“A”或“B”）电极迁移。

【解析】B极区生产H2，则电极B为阴极，电极式：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，同时生成LiOH，则B极区电解液为LiOH溶液；电极A为阳极，阳极区电解液为LiCl溶液，根据放电顺序，阳极上Cl－失去电子，则阳极电极反应式为2Cl－—2e－Cl2↑；根据电流方向，电解过程中Li＋向B电极迁移。

【答案】LiOH 2Cl－—2e－Cl2↑ B

【例2】（2015天津）锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是（ ）

A．铜电极上发生氧化反应

C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加

D．阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡

【解析】该原电池反应式为Zn＋Cu2＋Zn2＋＋Cu，Zn为负极，发生氧化反应，Cu为正极，发生还原反应，故A错误；阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，故两池中c（SO24－）不变，故B错误；甲池中的Zn2＋通过阳离子交换膜进入乙池，乙池中发生反应：Cu2＋＋2e－Cu，保持溶液呈电中性，进入乙池的Zn2＋与放电的Cu2＋的物质的量相等，而Zn的相对原子质量大于Cu，故乙池溶液总质量增大，故C正确；甲池中的Zn2＋通过阳离子交换膜进入乙池，以保持溶液电荷守恒，阴离子不能通过阳离子交换膜，故D错误。

【答案】C

【背景知识】离子交换膜是一种含离子的基团，对溶液里的离子具有选择透过的高分子膜，又称离子选择性透过膜。其中阳离子交换膜有很多微孔，孔道上有许多带负电荷的基团，阳离子可以自由通过孔道，而阴离子移动到孔道处，受到孔道带负电荷基团的排斥而不能进入孔道中，因而不能通过交换膜。［例1］使用阳离子交换膜，H2、OH－不能通过交换膜，保证Cl2和生成的H2、OH－不接触，同时Li＋能通过，制得浓度更高的LiOH，而LiCl溶液浓度降低，须定时添加。［例2］使用阳离子交换膜，甲池中的Zn2＋通过阳离子交换膜进入乙池，以保持溶液电荷守恒，而SO2－4却不能透过。

二、使用阴离子交换膜的电化学装置

【例3】（2013浙江）电解装置如图所示，电解槽内装有KI及淀粉溶液，中间用阴离子交换膜隔开。在一定的电压下通电，发现左侧溶液变蓝色，一段时间后，蓝色逐渐变浅。已知：3I2＋ 6OH－IO3－＋5I－＋3H2O，下列说法不正确的是（ ）

A．右侧发生的电极方程式：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－

C．电解槽内发生反应的总化学方程式KI＋3H2OKIO3＋3H2↑

D．如果用阳离子交换膜代替阴离子交换膜，电解槽内发生的总化学方程式不变

【解析】电解的电极反应：阳极2I－－2e－I2，使左侧溶液变蓝色；3I2＋6OH－IO＋5I－＋3H2O，则一段时间后，蓝色变浅；IO通过阴离子交换膜向右侧移动；阴极2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，右侧放出氢气。

如果用阳离子交换膜代替阴离子交换膜：阳极2I－－2e－I2，多余K＋通过阳离子交换膜迁移至阴极；阴极2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，保证两边溶液呈电中性，结果不会生成IO，总化学方程式当然不同。

【答案】D

【例4】（2013江苏）Mg－H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液，示意图如下。该电池工作时，下列说法正确的是（ ）

A．Mg电极是该电池的正极

B．H2O2在石墨电极上发生氧化反应

C．石墨电极附近溶液的pH增大

D．溶液中Cl－向正极移动

【解析】本题考查学生对原电池工作原理的理解程度，是一道简单的电化学试题。组成的原电池的负极被氧化，镁为负极，而非正极；双氧水作为氧化剂，在石墨上被还原变为水，溶液pH增大；溶液中Cl－移动方向同外电路电子移动方向一致，应向负极方向移动，隔膜应为阴离子交换膜。

【答案】C

【背景知识】离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些离子来隔离某些物质。阴离子交换膜也有很多微孔，孔道上有许多带正电荷的基团，阴离子可以自由通过孔道，而阳离子移动到孔道处，受到孔道带正电荷基团的排斥而不能进入孔道中，因而不能通过交换膜。［例3］中阴离子交换膜保证OH－，IO通过，从而发生上述现象；阳离子交换膜使K＋通过，OH—不能通过，所以发生总反应不同。［例4］隔膜应为阴离子交换膜，从而保证Cl－顺利透过。

三、使用质子交换膜的电化学装置

【例5】（2013重庆）化学在环境保护中起着十分重要的作用，电化学降解法可用于治理水中硝酸盐的污染。电化学降解NO的原理如图所示。

①电源正极为__________（填“A”或“B”），阴极反应式为_________________。

②若电解过程中转移了2mol电子，则膜两侧电解液的质量变化差（Δm左－Δm右）为________g。

②14．4

【例6】（2015新课标Ⅰ）微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是（ ）

A．正极反应中有CO2生成

B．微生物促进了反应中电子的转移

C．质子通过交换膜从负极区移向正极区

D．电池总反应为C6H12O6＋6O26CO2＋6H2O

【解析】首先根据原电池反应判断出厌氧反应为负极区域，有氧反应为正极区域。根据厌氧反应中碳元素的化合价的变化：葡萄糖分子中碳元素平均为0价，二氧化碳中碳元素的化合价为＋4价，所以生成二氧化碳的反应为氧化反应，所以在负极生成；在微生物的作用下，该装置为原电池装置，能加快氧化还原反应速率，故微生物促进了电子的转移；原电池中阳离子向正极移动，电池的总反应实质是葡萄糖的氧化反应。

【答案】A

【背景知识】质子交换膜（PEM）是PEMFC核心部件，是一种能使质子选择透过的膜，对质子具有良好识别能力，只允许质子透过，而电子、原料气等不可以透过。本题以环境保护为背景考查化学理论，是平衡理论和电化学理论的综合，阳极产生H＋，透过质子交换膜到达阴极，参与放电，而能使质子交换的是固定在氟碳高聚物主链上的磺酸基。

四、使用多膜的电化学装置

【例7】（2014新课标Ⅰ，节选）次磷酸（H3PO2）是一种精细化工产品，具有较强还原性，回答下列问题：H3PO2可以通过电解的方法制备，工作原理如图所示（阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过）：

①写出阳极的电极反应式：________________________；

②分析产品室可得到H3PO2的原因______________；

③早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2，将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室，其缺点是产生__________杂质。该杂质产生的原因是________ __________。

【解析】①在阳极室阴离子有OH－和SO，OH－优先放电，故电极反应为2H2O－4e－O2↑＋4H＋；②电解时，阳极室产生的H＋定向移动，穿过阳膜扩散到产品室，原料室的H2PO定向移动，穿过阴膜扩散至产品室，发生H3PO2；③早期采用的是上图所示的三室电渗析法电解，由于2H2O－4e－O2↑＋4H＋，产生O2的氧气会将较强还原性的H3PO3或氧化，，，从而导致杂质的产生，四室法可防止O2与H3PO2或H2PO2－接触。

【答案】①2H2O－4e－O2↑＋4H＋②阳极室的H＋穿过阳膜扩散到产品室，原料室的H2PO穿过阴膜扩散到产品室，二者反应生成 ③被氧化

【背景知识】交换膜在电化学工业中应用十分广泛，工业上用电解原理来制取产品时，使用离子交换膜具有占地面积小，能连续生产，生产能力大，产品质量高，能耗低等优点。本题以次磷酸（H3PO2）为载体，考查电解原理在物质制备中的应用，突出电渗析原理的新信息的获取、分析、理解，充分体现了“源于教材又不拘泥于教材”的指导思想，即不仅要知其然，还要知其所以然。

（作者单位：江苏省响水中学）