電化學裝置的優化——離子選擇交換膜

安徽 尉言勛

魯科版教材中有兩處對離子交換膜這一內容進行了介紹，分別在《選修4》第2章第2節和《選修2》主題2課題1。其中，《選修4》化學與技術部分介紹了離子膜法在電解食鹽水中的原理，《選修2》海水淡化與現代水處理技術部分介紹了如何使用離子交換柱進行海水淡化，并對離子交換膜法電解原理示意圖做了簡單說明。筆者在研究近年高考題時發現高考化學對電化學的考查中多次涉及離子交換膜的應用，這一考向也落實了化學學科素養中的證據推理與模型認知。

一、離子交換膜簡介

離子交換膜(簡稱離子膜)是一種含有離子基團、對溶液中的離子具有選擇透過能力的高分子膜。一般在應用時主要利用它對離子的選擇透過性。1950年首次合成離子交換膜，1956年首次成功地用于電滲析脫鹽工藝。

1.離子交換膜的功能和種類

2.離子交換膜在電化學中的作用

(1)將兩極區隔離，阻止兩極區產生的物質接觸。離子交換膜可以防止副反應的發生，避免影響所制取產品的質量，防止產生不安全因素。例如，在電解飽和食鹽水中，利用陽離子交換膜，防止陽極產生的Cl2進入陰極室與NaOH反應，而導致所制產品不純，也可以防止Cl2與陰極產生的H2混合發生爆炸。

圖1

3.離子交換膜類型的判斷

首先判斷隔膜的用途是制取物質還是避免電極產物之間發生反應，然后根據電解質溶液呈電中性的原則，判斷膜的類型。方法如下：先明確電極產物，寫出陰、陽兩極上的電極反應；再依據電極反應式判斷該電極附近哪種離子有剩余，結合溶液呈電中性的原則，判斷離子移動的方向，確定離子交換膜的類型。

例如，確定電解飽和食鹽水裝置(如圖2)中離子交換膜類型可使用如下方法。

圖2

二、真題分類解析

1.離子交換膜在電解池中的應用

(1)三室膜電解技術制備新物質，采用兩陽離子交換膜

【例1】(2018·全國卷Ⅰ·27節選)(3)制備Na2S2O5也可采用三室膜電解技術，裝置如圖3所示，其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。陽極的電極反應式為____________________。電解后，________室的NaHSO3濃度增加。將該室溶液進行結晶脫水，可得到Na2S2O5。

圖3

本題考查電解法制備Na2S2O5，題目情景新穎，考查學生接受、吸收、整合化學信息的能力及分析和解決化學問題的能力，涉及學科素養中的證據推理與模型認知。注意題目給出的新信息有SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3，已知溶液中兩個膜均為陽離子交換膜，陽極區產生的H+可通過離子交換膜進入a室與Na2SO3結合，b室放電產生的OH-不可移向a室，電解后將a室溶液進行結晶脫水從而制得產品。

(2)利用電解原理有效去除雜質氣體，采用質子交換膜

【例2】(2018·全國卷Ⅰ·13)最近我國科學家設計了一種CO2+H2S協同轉化裝置，實現對天然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如圖4所示，其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯電極區發生反應為

該裝置工作時，下列敘述錯誤的是

( )

圖4

C.石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯上的低

D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需為酸性

【答案】C

本題以我國科學家設計的CO2+H2S協同轉化裝置為載體，巧妙地滲透了愛國教育，體現了立德樹人的價值觀。圖中給出了質子交換膜，考查電解原理，涉及電極反應式的書寫、元素化合物性質等知識點，側重考查學生分析、判斷及知識綜合運用能力。注意從元素化合價變化的角度去分析氧化反應和還原反應，進而得出陰陽極。C選項結合物理知識考查電化學原理，是該題一個亮點。電池正極比電池負極的電勢要高，高出的數值就是電池的電壓。

(3)電滲析法處理含Na2SO4廢水，陰陽離子交換膜同時使用

( )

圖5

B.該法在處理含Na2SO4廢水時可以得到NaOH和H2SO4產品

D.當電路中通過1 mol電子的電量時，會有0.5 mol的O2生成

【答案】B

本題考查電解原理的應用，要求學生明確電解池中的陰陽極以及陰陽極上離子在電極上的放電順序。本題的難點是學生要讀取圖中信息，與外接電源正極連接的電極為陽極，圖中的正極區即陽極區，發生氧化反應；與外接電源的負極連接的電極為陰極，圖中負極區即陰極區，發生還原反應。溶液中的離子移動方向為陽離子透過陽離子交換膜向陰極區移動，陰離子通過陰離子交換膜向陽極區移動。

2.離子交換膜在原電池中的應用

(4)生物電池中質子交換膜的考查

【例4】(2019·全國卷Ⅰ·12)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如圖6所示。下列說法錯誤的是

( )

圖6

A.相比現有工業合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能

C.正極區，固氮酶為催化劑，N2發生還原反應生成NH3

D.電池工作時質子通過交換膜由負極區向正極區移動

【答案】B

本題以新型合成氨生物燃料電池為載體考查學生接受、吸收、整合化學信息的能力，突出學科思想方法中的轉化思想和辯證思想，借助不同形式的能量轉化過程，體現證據推理與模型認知的學科核心素養和關注社會發展、科技進步、生產生活的價值觀念。由題目給予信息可知電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，結合圖中箭頭方向：MV2+/MV+之間為雙向箭頭，H2和H+之前為單向箭頭，故左側電極為負極，右側電極為正極。

(5)陽離子交換膜的考查，用于選擇性通過離子

【例5】(2015·天津·4)鋅銅原電池裝置如圖7所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，下列有關敘述正確的是

( )

圖7

A.銅電極上發生氧化反應

C.電池工作一段時間后，乙池溶液的總質量增加

D.陰陽離子分別通過交換膜向負極和正極移動，保持溶液中電荷平衡

【答案】C

本題考查原電池工作原理，可針對每個選項的知識點進行詳細剖析，使學生真正理解原電池反應的實質，注意陽離子交換膜只允許陽離子通過。題目涉及電極反應的類型，陰陽離子的移動，電解質溶液質量的變化等相關知識。難點是C選項，可利用電荷守恒進行分析。

(6)利用陰離子交換膜隔離某些物質

( )

A.采用多孔電極的目的是提高電極與電解質溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴散至電極表面

B.比較Mg，Al，Zn三種金屬-空氣電池，Al-空氣電池的理論比能量最高

D.在Mg-空氣電池中，為防止負極區沉積Mg(OH)2，宜采用中性電解質及陽離子交換膜

圖8

【答案】C

本題考查原電池的基本原理，涉及反應速率影響因素、理論能量比以及離子交換膜的作用等相關知識。原電池中氧氣在正極得到電子，金屬在負極失去電子，結合電解質溶液分析其電極反應式的書寫。側重考查學生分析判斷、獲取信息解答問題及計算能力。

總之，通過分析近年高考化學試題我們發現，新型電池往往會利用離子交換膜來優化其性能。加入了離子交換膜的新情景的電化學試題，更加具有迷惑性，增加了試題的區分度，但實質并沒有發生改變，題目還是主要考查電化學基礎知識和學生的基本技能，電極反應式的書寫及簡單計算。只要我們緊扣教材，明確電化學的命題方向，對離子交換膜進行適當地歸類整理和總結，學生對電化學知識的復習就能做到有條不紊，取得滿意的效果。