电化学中离子交换膜的应用

李春文

摘 要：离子交换膜能够实现物质的分离和提纯，能够实现物质的制备，能够治理环境污染，能够实现海水的淡化.离子交换膜能够对电解质溶液的酸碱性产生影响，能够对电极反应式产生影响，也能对两极溶液质量产生影响.

关键词：离子交换膜;应用;电化学;高中化学

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2020）22-0098-03

离子交换膜又称“隔膜”，由特殊的高分子材料制成.根据通过隔膜的阴阳离子可以把离子交换膜分为三类，即阳离子交换膜，简称阳膜，允许阳离子和质子通过;阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过;质子交换膜，只允许质子通过.选择合适的离子交换膜能够实现电化学在实际生产和生活中的应用，真正做到学以致用.

一、实现物质的分离和提纯

例1 通过电解法分离NaHSO3与Na2SO3混合物，其装置如下图.下列说法不正确的是（ ）.

A.阳极的电极反应式为4OH--4e -2H2O+O2↑

B. 阳极区c（H+）增大，H+由a室经阳离子交换膜进入b室

C. a室的电解质溶液可以换成K2SO4

D. c室得到Na2SO3的原因是OH-+HSO-3H2O+SO2-3

解析 选择合适的离子交换膜可以实现NaHSO3和Na2SO3混合溶液的分离和提纯.根据装置图分析，电解池阳极发生的反应为氧化反应，则阳极处OH-放电产生O2，阳极电极反应为：4OH --4e -2H2O+O2↑，阴极为物质发生还原反应，考虑到溶液是碱性，则阴极反应式为：2H2O+2e-2OH-+H2↑.由以上分析，可判断A项正确;由于阳极OH -放电，使阳极区的c（H+）增大，通过阳离子交换膜进入b室，发生反应：SO2-3+H+HSO-3，即b室得到NaHSO3溶液，故B项正确;由于a室和b室之间是阳离子交换膜，若稀硫酸换成K2SO4溶液，K+就会通过阳离子交换膜进入b室，使NaHSO3溶液中混有杂质，故C项错误;阴极发生还原反应，使c室的c（OH-）增大，发生反应：OH-+HSO-3H2O+SO2-3，故D正确.

答案：C

二、实现物质的制备

例2 氢碘酸（HI）可用“四室电渗析法”制备，其工作原理如图所示（阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过）.下列叙述错误的是（）.

A.通电后，阴极室溶液的pH增大

B.阳极电极反应式是2H2O-4e-4H++O2↑

C.得到1 mol产品HI，阳极室溶液质量减少8 g

D.通电过程中，NaI的浓度逐渐减小

解析 选择合适的离子交换膜，通过四室电渗析法制备氢碘酸，实现物质的制备.通电后，阴极电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑，由于阴极区的离子交换膜为阳膜，产生的OH-不能通过阳离子交换膜，则溶液的pH增大，故A正确;阳极上发生氧化反应，电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑，故B正确;根据阳极电极反应式可知，得到1 mol产品HI，则转移1 mol电子，水电解产生的氧气逸出，产生的H+通过阳离子交换膜进入产品室，所以根据阳极电极反应式可知，阳极室溶液质量减少9 g，故C错误;通电过程中，阴极室的碱性增强，原料室中的Na+移向阴极室，I-通过阴膜移向产品室，所以NaI的浓度逐渐减小，故D正确.

答案：C

三、用于治理环境污染

例3 SO2和NOx是主要大气污染物，利用下图装置可同时吸收SO2和NO.下列有关说法错误的是（）.

A.a极为直流电源的负极，与其相连的电极发生还原反应

B.阴极得到2 mol电子时，通过阳离子交换膜的H+为2 mol

C.吸收池中发生反应的离子方程式为：2NO+2S2O2-4+2H2ON2+4HSO-3

D.阳极发生的反应式为SO2+2e-+2H2OSO2-4+4H+

解析 该装置合理选择阳离子交换膜，使两种大气污染物得以消除，实现了环境的治理.A项，与A相连的电极上，HSO-3转化成S2O2-4，S元素的化合价+4价降到+3价，发生还原反应，所以a极为负极，与其相连的为阴极，故A项正确;B项，阴极发生还原反应，电极反应式为：2HSO-3+2e-+2H+S2O2-4+2H2O，而阳极发生氧化反应，电极反应式为：SO2-2e-+2H2OSO2-4+4H+，阴极得到2mol电子时，阳极失去2 mol电子，生成4 mol H+，使阳极区多2 mol正电荷，所以2 mol H+通过阳离子交换膜进入阴极区，发生还原反应，故B项正确;C项，

S2O2-4与NO发生氧化还原反应，生成氮气，离子方程式为：2NO+2S2O2-4+2H2ON2+4HSO-3，故C项正确;D项，阳极发生氧化反应，应是SO2失电子，故D项错误.

答案：D

四、实现海水的淡化

例4 一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化，其工作原理如图所示，图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示.下列有关说法不正确的是（）.

A.Cl-由中间室移向左室

B.X氣体为CO2

C.处理后的含NO-3 废水的pH降低

D.电路中每通过4 mol电子，产生X气体的体积在标准状况下为22.4 L

解析 选择合适的离子交换膜，使三室微生物燃料电池既实现了污水净化又实现了海水淡化.其反应原理是：NO-3得电子发生还原反应，则装置中右边电极是正极，电极反应为2NO-3+10e-+12H+N2↑+6H2O，正极阳离子浓度减小，右侧选择阳离子交换膜，使海水中的Na+移向正极;装置左边电极是负极，负极上有机物失电子，发生氧化反应生成X，有机物在厌氧菌作用下生成二氧化碳，其电极反应式为：C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+，负极区的正电荷增多，左侧室阴离子交换膜，海水中的Cl-移向负极.这样既实现了污水的净化，又实现了海水的淡化.根据负极的电极反应式C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+，电路中每通过4 mol电子，产生标准状况下X气体的体积为424 ×6×22.4 L=22.4 L.

答案：C

五、判断电极反应方程式是否正确

例5 金属（M）-空气电池（如图）具有原料易得，能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源，该类电池放电的总反应方程式为：4M+nO2+2nH2O4M（OH）n，已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能，下列说法不正确的是（）.

A.采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面

B. 比较Mg，Al，Zn三种金属-空气电池，Al-空气电池的理论比能量最高

C. M-空气电池放电过程的正极反应式：4M++nO2+2nH2O+4ne-4M（OH）n

D. 在Mg-空气电池中，为防止负极区沉积

Mg（OH）2沉淀，宜采用中性电解质及阳离子交换膜

解析 A选项，反应物接触面积越大，反应速率越快，所以采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面，从而提高反应速率，故A正确;B选项，电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能，则单位质量的电极材料失去电子的物质的量越多则得到的电能越多，假设质量都是1g时，这三种金属转移电子物质的量分别为1g24g/mol×2=112mol、1g27g/mol×3=19mol、1g65g/mol×2=132.5mol，所以Al-空气电池的理论比能量最高，故B正确;C选项，正极上氧气得电子和水反应生成OH-，因为是阴离子交换膜，所以阳离子不能进入正极区域，则正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-，故C错误;D选项，负极上Mg失电子生成Mg2+，为防止负极区沉积Mg（OH）2，则负极区溶液不能含有大量OH-，同时使Mg2+向正极移动，所以宜采用中性电解质及阳离子交换膜，故D正确.

答案：C

六、对溶液的pH产生影响

例6 海水中含有大量Na+、Cl-及少量Ca2+、Mg2+、SO2-4，用电渗析法对该海水样品进行淡化处理，如图所示.下列说法正确的是（）.

A.b膜是阳离子交换膜

B.A极室产生气泡并伴有少量沉淀生成

C.淡化工作完成后A、B、C三室中pH大小为pHA<pHB<pHC

D.B极室产生的气体可使湿润的KI-淀粉试纸变蓝

解析 若实现海水的淡化，需要将阴阳离子向两极移动，所以a膜为阴离子交换膜，b膜为阳离子交换膜.A极上的电极反应为：2Cl--2e-Cl2↑，Cl2溶于水，使A区的pH减小，同时产生的Cl2能使湿润的KI-淀粉试纸变蓝.B极上的电极反应为：2H++2e-H2↑，由于b膜是阳离子交换膜，产生的OH-不会向阳极移动，所以会使B区的碱性增強，pH变大，而C区就是电解质向阴阳两极移动的过程，pH不变，则pH大小关系为pHA<pHC<pHB.

答案：A

近几年的高考试题中，可以看到，一般涉及电化学的问题，几乎都要涉及离子交换膜.有了离子交换膜，才使电化学的理论知识转化为实际生产，真正实现学习电化学的重要意义.

参考文献：

[1]王晓波.含离子交换膜电池的应用[J].数理化解题研究，2020（10）：65-66.

[责任编辑：季春阳]