“离子交换膜”在电化学中的应用

摘 要：“离子交换膜”在电化学中的应用是近年来高考的热点题型。本文对常见的几种交换膜进行了总结，并对涉及到的计算难点进行归纳小结.

关键词：电化学；离子交换膜；高考

作者简介：魏春明（1982-），女，湖北宜都人，本科，中学一级教师，研究方向：高中化学教学.

对比近两年考纲，笔者发现在电化学这一块，对原电池和电解池的考查要求提高了很多.由原来的“了解原电池和电解池的工作原理及应用，能写出电极反应和总反应方程式.”改为“理解原电池和电解池的构成、工作原理及应用，能写出电极反应和总反应方程式.”从字面上来看虽然只是由“了解”变为“理解”，但是意义却明显不同，因为理解是要领会所学化学知识的含义及其适用条件，能够正确判断、解释和说明有关化学现象和问题，能“知其然”，还能“知其所以然”.而近几年全国卷高考电化学装置一般都带有离子交换膜，此类题目新颖度高，学生常因理不清交换膜与阴、阳離子移动方向的关系而出现错误.

一、离子交换膜的定义及分类

离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜.因为一般在应用时主要是利用它的离子选择性透过，所以也称为离子选择性透过膜.

根据透过的微粒，离子交换膜可以分为多种，在高考试题中主要出现以下三种：

（1）阳离子交换膜：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，即通过交换膜，而阴离子移动到孔道处时受到孔道带负电荷基团的排斥而不能进入，因而不能通过交换膜.

（2）质子交换膜：质子交换膜是阳离子交换膜的特例，仅允许质子（H+）通过，其他离子不能通过.

（3）阴离子交换膜：阴离子交换膜有很多微孔，孔道上有许多带正电荷的基团，阴离子可以自由通过孔道，即通过交换膜，而阳离子移动到孔道处时受到孔道带正电荷基团的排斥而不能进入，因而不能通过交换膜.

二、离子交换膜的作用

（1）隔离某些物质防止发生反应.

（2）用于物质的制备.

（3）物质的分离、提纯.

三、常考题型

（1）使用阳离子交换膜的电化学装置

例1 （2015上海卷，五）氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制取氯气、氢气、烧碱和氯的含氧酸盐等系列化工产品.上图是离子交换膜法电解食盐水的示意图，图中的离子交换膜只允许阳离子通过.

完成下列填空：

①写出电解饱和食盐水的离子方程式.

②离子交换膜的作用为：、.

③精制饱和食盐水从图中位置补充，氢氧化钠溶液从图中位置流出.（选填“a”“b”“c”或“d”）

答案 ①2Cl-+2H2O通电Cl2↑+H2↑+2OH-.

② 阻止OH-进入阳极室，与Cl2发生副反应：2NaOH+Cl2NaCl+NaClO+H2O；阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸.

③a；d.

解析 ①离子交换膜的加入不会改变反应原理，所以溶液中的阳离子H+在阴极得到电子变为H2，阴离子Cl-在阳极失去电子生成Cl2，反应的离子方程式是2Cl-+2H2O通电Cl2↑+H2↑+2OH-

②图中的是阳离子交换膜，仅允许阳离子通过，这样就可以阻止阴极区溶液中的OH-进入阳极室，避免与氯气发生反应.同时隔离Cl 2 和H2，阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸.

③随着电解的进行，溶质NaCl不断被消耗，所以应该及时补充.Cl-在阳极放电，故精制饱和食盐水从与阳极连接的图中a位置补充，在阴极，水电离出的H+不断放电，留下大量的OH-，与通过阳离子交换膜的Na+结合，形成NaOH，从图中d位置流出.水不断消耗，所以从b口不断加入蒸馏水，为增强溶液可换成稀NaOH溶液，从c位置流出的是稀NaCl溶液.

（2）使用质子交换膜的电化学装置

例2 （2015新课标I卷，11）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C6H12O6+6O26CO2+6H2O

答案 A

解析 根据微生物电池工作原理示意图可知：可类比酸性环境下的燃料电池，C6H12O6在负极上发生氧化反应；O2在正极上发生还原反应，负极有CO2生成，A项错误；B项，由题干信息在微生物的作用下将化学能转化为电能可知，正确；C项，质子通过交换膜从负极区移向正极区，正确；D项，电池总反应为C6H12O6+6O26CO2+6H2O，正确.

（3）使用阴离子交换膜的电化学装置

例3 （2017·洛阳模拟）利用反应：6NO2+8NH37N2+12H2O构成电池，既能实现有效消除氮氧化物的排放，减轻环境污染，又能充分利用化学能，装置如图所示.下列说法不正确的是（ ）

A.电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极

B.为使电池持续放电，离子交换膜选用阴离子交换膜

C.电极A反应式为2NH3-6e-N2+6H+

D.当有448 L NO2（标准状况）被处理时，转移电子为08 mol

答案 C

解析 由总反应可知NO2发生还原反应，作正极，故电流的流向由右到左， A项正确；正极发生还原反应6NO2+12H2O+24e-3N2+24OH-，负极发生氧化反应8NH3+24OH--24e-4N2+12H2O正极区溶液中阴离子增多，负极区溶液中阴离子减少，故向OH-正极迁移，选择阴离子交换膜，B正确；C选项可直接看介质的酸碱性，在碱性环境下不能出现氢离子，C错误.D选项可直接由总反应进行分析.

（4）阴、阳离子交换膜共用的电化学装置

例4 用NaOH溶液吸收烟气中的SO2，将所得的Na2SO3溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H2SO4，其原理如图4所示（电极材料为石墨）.

①图中a极要连接电源的（填“正”或“负”）极，C口流出的物质是.

②SO2-3放电的电极反应式为.

③电解过程中阴极区碱性明显增强，用平衡移动原理解释原因.

答案 ①负 硫酸

②SO2-3-2e-+H2OSO2-4+2H+

③在阴极水电离出的H+放电生成H2，c（H+）减小，水的电离平衡正向移动，碱性增强

解析 根据Na+、SO2-3的移向判断阴、阳极.Na+移向阴极区，a应接电源负极，b应接电源正极，其电极反应式分别为阳极：SO2-3-2e-+H2OSO2-4+2H+；阴极：2H++2e-H2↑.所以从C口流出的是H2SO4，在阴极区，由于H+放电，破坏水的电离平衡，c（H+）减小，c（OH-）增大，生成NaOH，碱性增强，从B口流出的是浓度较大的NaOH溶液.

（5）与离子交换膜有关的计算

例5 （2017·湖北宜昌调研）以铅蓄电池为电源，石墨为电极电解CuSO4溶液，装置如图5.若一段时间后Y电极上有64 g红色物质析出，停止电解.下列说法正确的是（ ）

A.a为铅蓄电池的负极

B.电解过程中SO2-4向右侧移动

C.电解结束时，左侧溶液质量增重8 g

D.铅蓄电池工作时正极电极反应式为：PbSO4+2e-Pb+SO2-4

答案 C

解析 Y极有Cu析出，发生还原反应，Y极为阴极，故b为负极，a为正极，A错误；电解过程中阴离子向阳极移动，B错误；阴极反应式为Cu2++2e-Cu，阳极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O，当有64 g Cu析出时，转移02 mol e-，左侧生成16 g O2，同时有01 mol （96 g） SO2-4进入左侧，则左侧质量净增加96 g-16 g=8 g，C正确；铅蓄电池的负极是Pb，正极是PbO2，正极反应式为PbO2+2e-+4H++SO2-4PbSO4+2H2O，D错误.

（6）利用离子交换膜浓缩或稀释溶液

例6 （2017·湖北武汉调研）厨房垃圾发酵液可通过电渗析法处理，同时得到乳酸的原理如图6所示（图中HA表示乳酸分子，A-表示乳酸根离子）.下列说法正确的是（ ）

A.通电后，阳极附近pH增大

B.电子从负极经电解质溶液回到正极

C.通电后，A-通过阴离子交换膜从阴极进入浓缩室

D.当电路中通过2 mol电子的电量时，会有1 mol的O2生成

答案 C

解析 由图示判断左侧为阳极，右侧为阴极，阳极电极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O，氢离子浓度增大，pH减小，A错误；电子从电源的负极到电解池的阴极，由阳极回到电源的正极，电子不能进入电解质溶液，电解质溶液中靠离子传递电荷，B错误；氢离子由阳极室进入浓缩室，A-由阴极室进入浓缩室，得到乳酸，C正确；由电极反应式4OH--4e-O2↑+2H2O可知，当电路中通过2 mol电子的电量时，会有05 mol O2生成，D错误.

例7 （2016新课标Ⅰ卷，11）三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图7所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na+和SO2-4可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室.下列叙述正确的是（ ）

A.通电后中间隔室的SO2-4离子向正极迁移，正极区溶液pH增大

B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品

C.负极反应为2H2O-4e-O2↑+4H+，负极区溶液pH降低

D.当电路中通过1 mol电子的电量時，会有05 mol的O2生成

答案 B

解析 A项正极区发生的反应为2H2O-4e-O2↑+4H+，由于生成H+，正极区溶液中阳离子增多，故中间隔室的SO2-4向正极迁移，正极区溶液的pH减小.B项负极区发生的反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-，阴离子增多，中间隔室的Na+向负极迁移，故负极区产生NaOH，正极区产生H2SO4.C项由B项分析可知，负极区产生OH-，负极区溶液的pH升高.D项正极区发生的反应为2H2O-4e-O2↑+4H+，当电路中通过1 mol电子的电量时，生成025mol O2.

在解答这类题时，学生一定要做到有的放矢，交换膜的存在不会改变电化学的反应原理，对离子通过交换膜的情况，可以简记“是什么交换膜就允许什么离子通过”.在涉及离子交换膜的计算时需注意两点：1.迁移离子所带的电荷数=外电路上转移的电子数.2.溶液物质变化量=电极反应引起的物质变化和离子迁移引起的物质变化量之和.