隔膜技术在电化学装置中的应用

张艳琼

近几年高考中，涉及离子交换膜的应用及电解液介质对电极反应的影响的试题比较多，且常出常新，离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子，电解液介质主要对电极反应产物产生影响。本文重点分析题型考法、隔膜类型及作用，通过真题分析让考生掌握该类题型的解答。

一、题型考法

（一）隔离某些物质防止副反应的发生。

（二）隔膜在原电池中的应用。

（三）膜在生活、工业生产中的应用。

二、题型通解

（一）常见的隔膜

隔膜又叫离子交换膜，由特殊高分子材料制成，离子交换膜分三类。

1.阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，不允许阴离于通过。

2.阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离于通过。

3.质子交换膜，只允许H+通过，不允许其他离子通过。

（二）离子交换膜在电化学中的作用

1.能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止副反应的发生，避免影响所制取产品的质量，防止引发不安全因素。

2.能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。

3.主要用于物质的制备、分离提纯，能提高产品的纯度。

（三）解答步骤

第一步，分清隔膜类型。即交换膜属于阳膜、阴膜、质子膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过隔膜。

第二步，写出电极反应式。即判断交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，根据电荷平衡判断离子迁移方向。

第三步，分析隔膜作用。在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或避免产物因发生反应而造成危险。

典例1   隔离某些物质防止副反应的发生

（2016年全国高考卷I）三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如下图所示，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SO42－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SO42－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电子时，就会有0.5 mol O2生成

分析  在电解池中，阴离子向阳极（正极区）移动，阳离子向阴极（负极区）移动，中间隔室的Na＋ 通过ab 膜进入负极区，故ab为阳离子交换膜，在阴极，溶液中的H＋放电，溶液呈碱性，得到NaOH溶液；SO42－通过cd膜进入正极区，故cd为阴离子交换膜，在阳极，溶液中的OH- 放电，溶液呈酸性，得到H2SO4溶液。

负极区（阴极）电极反应为

4H+＋4e- = 2H2↑

正极区（阳极）电极反应为

40H--4e- = 2H2O＋O2↑

选项A，通电后 SO42- 向正极移动，正极区OH-放电，溶液酸性增强，pH减小，故选项A错误。选项C，负极反应为4H+＋4e-=2H2↑，溶液pH增大，故选项C错误。选项D，当电路中通过1 mol电子的电量时，会有0.25 mol O2生成，故选项D错误。

答案选B。

典例2   离子交换膜在原电池中的应用

在原电池中，离子交换膜的作用与盐桥相似，将原电池分为正半电池和负半电池，从而提高原电池的工作效率。

（2015年全国高考卷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，其工作原理如下图所示，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＋6O2 = 6CO2＋6H2O

分析  在原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。由图可知：通氧气的一极为正极，加葡萄糖的一极为负极；在原电池内部，阳离子向正极移动，故质子（H＋）由負极区通过质子交换膜移向正极区。

选项A，根据图知，负极上C6H12O6失电子，正极上O2得电子和H＋反应生成水，负极反应式为

C6H12O6＋6H2O-24e- = 6CO2＋24H＋

正极反应式为 O2＋4e-＋4H＋ = 2H2O

因此CO2在负极产生，故选项A错误。

选项B，葡萄糖在微生物的作用下将化学能转化为电能，形成原电池，有电流产生，所以微生物促进了反应中电子的转移，故选项B正确。选项C，通过原电池的电极反应可知，负极区产生了H＋，根据原电池中阳离子向正极移动，可知质子（H＋）通过交换膜从负极区移向正极区，故选项C正确。选项D，该反应属于燃料电池，燃料电池的电池反应式和燃烧反应式相同，则电池反应式为C6H12O6＋6O2 = 6CO2＋6H2O，故选项D正确。

答案选A。

提醒  1.在原电池中，正极区的阴离子通过阴离子交换膜到负极区；负极区的阳离子通过阳离子交换膜到正极区。2.相同时间内，外电路中通过电子所带电量等于内电路中通过离子交换膜的离子所带电量。3.如果为质子交换膜，一般负极反应要生成H＋，正极反应要消耗H＋。