离子交换膜类电化学问题的分析与应对

屈春芸

(江苏省前黄高级中学国际分校)

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准(2020年修订版)》(以下简称“课程标准”)提出,化学学业水平考试命题必须坚持以化学学科核心素养为导向,准确把握“素养”“情境”“问题”和“知识”4个要素在命题中的定位与相互联系。《课程标准》指出:试题情境的创设应紧密联系学生学习和生活实际,体现科学、技术、社会和环境发展的成果,注重真实情境的针对性、启发性、过程性和科学性,形成与测试任务融为一体、具有不同陌生度、丰富而生动的测试载体。

高中电化学部分包括原电池的工作原理、化学电源、电解池的工作原理及应用、金属的腐蚀与防护等相关内容。从学科知识的角度看,其内容深度综合了氧化还原反应、离子反应等基本化学理论,可以挖掘的化学问题非常丰富;从生产、生活实际的角度看,从最常见的干电池到应用广泛的生产技术,可以说电化学已经进入生产、生活的各个方面。因此,基于这些真实的应用案例设置问题是电化学知识最常见的考查方式。然而,由于情境素材来源广泛、信息新颖、远离学生的生活经验,学生普遍感到陌生度大,找不到分析的角度和入手点,导致解答问题的准确率明显下降,其中比较突出的问题是与离子交换膜相关的电化学。由于其独特的离子传递性,离子交换膜能够满足现代工业对物质分离提纯、节能减排、保护环境的需要,在绿色化工中具有十分广泛的应用前景,在考试命题中也广受青睐。本文将基于电化学基本原理,对包含离子交换膜的电化学问题进行分析和归纳,以望提升学生对此类问题的理解和应对能力。

二、离子交换膜的作用与分类

离子交换膜是膜状的离子交换树脂,最早源于1950年W.朱达首次合成离子交换膜。20世纪70年代,美国杜邦公司开发了稳定性很高的全氟磺酸和羧酸复合膜,使离子交换膜在燃料电池中实现大规模应用。根据交换膜所带电荷的种类可以把离子交换膜分为阳离子交换膜和阴离子交换膜,阳离子交换膜能选择性的透过阳离子而阻挡阴离子的透过,阴离子交换膜能选择性的透过阴离子而阻挡阳离子的透过。近年来,还有一些特殊的离子交换膜被广泛提及,其中质子交换膜只能选择性的透过质子,可以认为是一种特殊的阳离子交换膜;双极膜主体可以分为阴离子交换层、阳离子交换层和中间界面层,水在中间界面层解离催化剂的作用下产生的H+和OH-可在电场力的作用下分别快速通过相应的交换膜迁移到两侧溶液中,为膜两侧的半反应提供各自理想的pH条件。

三、离子交换膜在高中化学教材中的体现

苏教版新教材选择性必修1《化学反应原理》专题1第二单元第3节《电解池的工作原理及应用》中列举了氯碱工业,给出了其工作原理示意图(图1)。关于学科要求方面,教材要求学生根据实验现象分析和讨论:①放电顺序问题。哪些离子在电极上优先放电,写出电极反应式,这是对学生理解电解池工作原理提出的要求。②阳离子交换膜的作用。教材指出:阳离子交换膜的作用是隔开阴极区和阳极区,使得阴极区产生的OH-不能进入阳极区,让学生体会离子交换膜的优越性。图中还标出了钠离子的移动方向,进一步说明阳离子可以透过阳离子交换膜。在教学过程中,可以充分利用这些信息帮助学生更进一步了解电解池的工作原理。

图1 苏教版新教材《化学反应原理》第24页

四、离子交换膜类电化学问题在高考试题中的呈现方式

研究近几年全国卷和各省高考卷可以发现高考试题中对于包含离子交换膜的电池类问题的考查频率非常高,考查形式也比较多样,选择题与非选择题中都有所涉及。从具体考查内容的角度分析,部分高考卷体现了对教材基础知识的考查。如2020年浙江1月选考卷18题,2020年全国Ⅱ卷26题第(1)问,直接以电解食盐水为情境考查了离子交换膜在电池中的应用。但是更多的高考卷体现出了对离子交换膜类电池更广泛的应用价值的关注。

以近3年全国卷为研究对象(表1),发现此类试题在命题方面的一些共性:①图文并茂,情境陌生度高。情境或基于生产环保实际,或基于科学研究成果,但是对于学生而言,都是非常陌生的情境。题目都附有装置图帮助学生理解题意,但这也意味着学生需要处理的陌生信息量又进一步加大,对学生在短时间内理解图文,提取有效信息的能力提出了比较高的要求。②考查点相对明确。离子交换膜类问题的考查点,主要集中在判断离子交换膜的种类、判断离子的移动方向、简单计算离子(或电子)转移的数目、判断电极区的物质变化等问题。这些问题最终还是围绕电池的基本工作原理展开的,学生如果能深刻理解电池的工作原理,应对出题信息背后的考查点并不是很困难,也就是说此类问题在一定程度上体现出“高起点,低落点”的特点。③离子交换膜并不是每一次都会设置问题,但大多数情况下却是学生要面对的陌生情境之一。在其他地区的高考试卷中,同样的特点也有所体现。

表1 近三年全国卷关于离子交换膜类问题的考查

五、高考题中的离子交换膜电池问题分析

根据离子交换膜种类是否明确,我们把种类庞杂、应用繁多、包含离子交换膜的电池问题分为以下两大类。

1.离子交换膜种类未知的电池

【典型例题】(2020年山东卷,10题)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置,利用微生物处理有机废水获得电能,同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水,采用惰性电极,用下图装置处理有机废水(以含CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是

( )

B.隔膜1为阳离子交换膜,隔膜2为阴离子交换膜

C.当电路中转移1 mol电子时,模拟海水理论上除盐58.5 g

D.电池工作一段时间后,正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1

【思路点拨】由已知信息可知这是一种涉及有机物废水处理的微生物脱盐电池,属于生产生活情境,但是对学生而言,信息陌生度比较高。装置中包含一个生物膜、2个隔膜,具备一定的难度,是一道非常典型的陌生情境下的电化学试题。面对这样的题目,审清题意,充分把握关键信息非常重要。解题的一般思路:从文字描述中宏观把握此电池装置的目的,结合装置图信息理出电子得失、离子移动、物质变化等一项或多项基本线索,然后根据电化学基本原理逐个选项分析。

初步审题的思维过程如图(图2):

图2

【具体解析】根据初步分析,这是一个原电池装置,a极为负极,则b极为正极,基于原电池基本原理逐个选项分析如下(图3)。

图3 具体分析过程

【参考答案】B

( )

A.Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移

【参考答案】A

【巩固练习】Na2Cr2O7的酸性水溶液随着H+浓度的增大会转化为CrO3。电解法制备CrO3的原理如图所示。下列说法错误的是

( )

A.电解时只允许H+通过离子交换膜

B.生成O2和H2的质量比为8∶1

C.电解一段时间后阴极区溶液OH-的浓度增大

【参考答案】A

2.离子交换膜种类已知的电池问题

【典型例题】(2020年山东卷,13题)采用惰性电极,以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如图所示。忽略温度变化的影响,下列说法错误的是

( )

B.电解一段时间后,阳极室的pH未变

C.电解过程中,H+由a极区向b极区迁移

D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极反应的O2等量

【参考答案】D

【变式训练】(2019年江苏卷,20题节选)电解法转化CO2可实现CO2资源化利用。电解CO2制HCOOH的原理示意图如图。

①写出阴极CO2还原为HCOO-的电极反应式:

;

②电解一段时间后,阳极区的KHCO3溶液浓度降低,其原因是

。

六、含离子交换膜的电池类问题的解题模型归纳

1.审题思维模型

对于需要加工和提取的信息比较多、陌生度比较高的问题,思维的序列化有助于学生迅速理清关键信息。包含离子交换膜的电化学题目往往图文结合,文字表达和图像相辅相成而侧重点又有所不同,我们认为此类问题可以从宏观意图和微观细节两个方面进行审题(图4)。

图4 审题思维模型

2.电池知识模型

通过以上分析,我们可以发现要解决离子交换膜类电池问题,在准确审题的基础之上,学生还要了解电池的基本工作原理和离子交换膜的一些特点。对于前者,我们分别归纳了原电池与电解池的工作原理模型(图5～6)。根据基本工作原理,离子在内电路的移动方向可以归纳为原电池中,阳离子(带正电)移向正极,阴离子(带负电)移向负极,即“正正负负”;电解池中,阴离子移向阳极,阳离子移向阴极,即“阴阳相吸”。

图5 原电池(含离子交换膜)工作原理模型

图6 电解池(含离子交换膜)工作原理模型

对于离子交换膜,需要特别注意的是①交换膜的存在不能改变离子的移动方向,只能影响发生移动的离子的种类,即选择性地让阴离子或者阳离子按照既定的方向通过,可以简记“是什么交换膜就允许什么离子通过”。②原电池或者电解池的闭合回路中,溶液中迁移离子所带的电荷数=外电路上转移的电子数。③电极区域中,物质的变化量要考虑电极反应引起的物质变化量和离子迁移引起的物质变化量的共同影响。

综上,虽然离子交换膜类问题复杂多变,但是基于基本电化学知识,构建电池模型,深入理解电池特征,依托有序思维,构建审题模型,序列化地提取和分析关键信息,我们一定能够更加清晰和准确地分析和应对此类问题。