離子交換膜類電化學問題的分析與應對

屈春蕓

(江蘇省前黃高級中學國際分校)

一、問題的提出

《普通高中化學課程標準(2020年修訂版)》(以下簡稱“課程標準”)提出,化學學業水平考試命題必須堅持以化學學科核心素養為導向,準確把握“素養”“情境”“問題”和“知識”4個要素在命題中的定位與相互聯系。《課程標準》指出:試題情境的創設應緊密聯系學生學習和生活實際,體現科學、技術、社會和環境發展的成果,注重真實情境的針對性、啟發性、過程性和科學性,形成與測試任務融為一體、具有不同陌生度、豐富而生動的測試載體。

高中電化學部分包括原電池的工作原理、化學電源、電解池的工作原理及應用、金屬的腐蝕與防護等相關內容。從學科知識的角度看,其內容深度綜合了氧化還原反應、離子反應等基本化學理論,可以挖掘的化學問題非常豐富;從生產、生活實際的角度看,從最常見的干電池到應用廣泛的生產技術,可以說電化學已經進入生產、生活的各個方面。因此,基于這些真實的應用案例設置問題是電化學知識最常見的考查方式。然而,由于情境素材來源廣泛、信息新穎、遠離學生的生活經驗,學生普遍感到陌生度大,找不到分析的角度和入手點,導致解答問題的準確率明顯下降,其中比較突出的問題是與離子交換膜相關的電化學。由于其獨特的離子傳遞性,離子交換膜能夠滿足現代工業對物質分離提純、節能減排、保護環境的需要,在綠色化工中具有十分廣泛的應用前景,在考試命題中也廣受青睞。本文將基于電化學基本原理,對包含離子交換膜的電化學問題進行分析和歸納,以望提升學生對此類問題的理解和應對能力。

二、離子交換膜的作用與分類

離子交換膜是膜狀的離子交換樹脂,最早源于1950年W.朱達首次合成離子交換膜。20世紀70年代,美國杜邦公司開發了穩定性很高的全氟磺酸和羧酸復合膜,使離子交換膜在燃料電池中實現大規模應用。根據交換膜所帶電荷的種類可以把離子交換膜分為陽離子交換膜和陰離子交換膜,陽離子交換膜能選擇性的透過陽離子而阻擋陰離子的透過,陰離子交換膜能選擇性的透過陰離子而阻擋陽離子的透過。近年來,還有一些特殊的離子交換膜被廣泛提及,其中質子交換膜只能選擇性的透過質子,可以認為是一種特殊的陽離子交換膜;雙極膜主體可以分為陰離子交換層、陽離子交換層和中間界面層,水在中間界面層解離催化劑的作用下產生的H+和OH-可在電場力的作用下分別快速通過相應的交換膜遷移到兩側溶液中,為膜兩側的半反應提供各自理想的pH條件。

三、離子交換膜在高中化學教材中的體現

蘇教版新教材選擇性必修1《化學反應原理》專題1第二單元第3節《電解池的工作原理及應用》中列舉了氯堿工業,給出了其工作原理示意圖(圖1)。關于學科要求方面,教材要求學生根據實驗現象分析和討論:①放電順序問題。哪些離子在電極上優先放電,寫出電極反應式,這是對學生理解電解池工作原理提出的要求。②陽離子交換膜的作用。教材指出:陽離子交換膜的作用是隔開陰極區和陽極區,使得陰極區產生的OH-不能進入陽極區,讓學生體會離子交換膜的優越性。圖中還標出了鈉離子的移動方向,進一步說明陽離子可以透過陽離子交換膜。在教學過程中,可以充分利用這些信息幫助學生更進一步了解電解池的工作原理。

圖1 蘇教版新教材《化學反應原理》第24頁

四、離子交換膜類電化學問題在高考試題中的呈現方式

研究近幾年全國卷和各省高考卷可以發現高考試題中對于包含離子交換膜的電池類問題的考查頻率非常高,考查形式也比較多樣,選擇題與非選擇題中都有所涉及。從具體考查內容的角度分析,部分高考卷體現了對教材基礎知識的考查。如2020年浙江1月選考卷18題,2020年全國Ⅱ卷26題第(1)問,直接以電解食鹽水為情境考查了離子交換膜在電池中的應用。但是更多的高考卷體現出了對離子交換膜類電池更廣泛的應用價值的關注。

以近3年全國卷為研究對象(表1),發現此類試題在命題方面的一些共性:①圖文并茂,情境陌生度高。情境或基于生產環保實際,或基于科學研究成果,但是對于學生而言,都是非常陌生的情境。題目都附有裝置圖幫助學生理解題意,但這也意味著學生需要處理的陌生信息量又進一步加大,對學生在短時間內理解圖文,提取有效信息的能力提出了比較高的要求。②考查點相對明確。離子交換膜類問題的考查點,主要集中在判斷離子交換膜的種類、判斷離子的移動方向、簡單計算離子(或電子)轉移的數目、判斷電極區的物質變化等問題。這些問題最終還是圍繞電池的基本工作原理展開的,學生如果能深刻理解電池的工作原理,應對出題信息背后的考查點并不是很困難,也就是說此類問題在一定程度上體現出“高起點,低落點”的特點。③離子交換膜并不是每一次都會設置問題,但大多數情況下卻是學生要面對的陌生情境之一。在其他地區的高考試卷中,同樣的特點也有所體現。

表1 近三年全國卷關于離子交換膜類問題的考查

五、高考題中的離子交換膜電池問題分析

根據離子交換膜種類是否明確,我們把種類龐雜、應用繁多、包含離子交換膜的電池問題分為以下兩大類。

1.離子交換膜種類未知的電池

【典型例題】(2020年山東卷,10題)微生物脫鹽電池是一種高效、經濟的能源裝置,利用微生物處理有機廢水獲得電能,同時可實現海水淡化。現以NaCl溶液模擬海水,采用惰性電極,用下圖裝置處理有機廢水(以含CH3COO-的溶液為例)。下列說法錯誤的是

( )

B.隔膜1為陽離子交換膜,隔膜2為陰離子交換膜

C.當電路中轉移1 mol電子時,模擬海水理論上除鹽58.5 g

D.電池工作一段時間后,正、負極產生氣體的物質的量之比為2∶1

【思路點撥】由已知信息可知這是一種涉及有機物廢水處理的微生物脫鹽電池,屬于生產生活情境,但是對學生而言,信息陌生度比較高。裝置中包含一個生物膜、2個隔膜,具備一定的難度,是一道非常典型的陌生情境下的電化學試題。面對這樣的題目,審清題意,充分把握關鍵信息非常重要。解題的一般思路:從文字描述中宏觀把握此電池裝置的目的,結合裝置圖信息理出電子得失、離子移動、物質變化等一項或多項基本線索,然后根據電化學基本原理逐個選項分析。

初步審題的思維過程如圖(圖2):

圖2

【具體解析】根據初步分析,這是一個原電池裝置,a極為負極,則b極為正極,基于原電池基本原理逐個選項分析如下(圖3)。

圖3 具體分析過程

【參考答案】B

( )

A.Ⅱ區的K+通過隔膜向Ⅲ區遷移

【參考答案】A

【鞏固練習】Na2Cr2O7的酸性水溶液隨著H+濃度的增大會轉化為CrO3。電解法制備CrO3的原理如圖所示。下列說法錯誤的是

( )

A.電解時只允許H+通過離子交換膜

B.生成O2和H2的質量比為8∶1

C.電解一段時間后陰極區溶液OH-的濃度增大

【參考答案】A

2.離子交換膜種類已知的電池問題

【典型例題】(2020年山東卷,13題)采用惰性電極,以去離子水和氧氣為原料通過電解法制備雙氧水的裝置如圖所示。忽略溫度變化的影響,下列說法錯誤的是

( )

B.電解一段時間后,陽極室的pH未變

C.電解過程中,H+由a極區向b極區遷移

D.電解一段時間后,a極生成的O2與b極反應的O2等量

【參考答案】D

【變式訓練】(2019年江蘇卷,20題節選)電解法轉化CO2可實現CO2資源化利用。電解CO2制HCOOH的原理示意圖如圖。

①寫出陰極CO2還原為HCOO-的電極反應式:

;

②電解一段時間后,陽極區的KHCO3溶液濃度降低,其原因是

。

六、含離子交換膜的電池類問題的解題模型歸納

1.審題思維模型

對于需要加工和提取的信息比較多、陌生度比較高的問題,思維的序列化有助于學生迅速理清關鍵信息。包含離子交換膜的電化學題目往往圖文結合,文字表達和圖像相輔相成而側重點又有所不同,我們認為此類問題可以從宏觀意圖和微觀細節兩個方面進行審題(圖4)。

圖4 審題思維模型

2.電池知識模型

通過以上分析,我們可以發現要解決離子交換膜類電池問題,在準確審題的基礎之上,學生還要了解電池的基本工作原理和離子交換膜的一些特點。對于前者,我們分別歸納了原電池與電解池的工作原理模型(圖5～6)。根據基本工作原理,離子在內電路的移動方向可以歸納為原電池中,陽離子(帶正電)移向正極,陰離子(帶負電)移向負極,即“正正負負”;電解池中,陰離子移向陽極,陽離子移向陰極,即“陰陽相吸”。

圖5 原電池(含離子交換膜)工作原理模型

圖6 電解池(含離子交換膜)工作原理模型

對于離子交換膜,需要特別注意的是①交換膜的存在不能改變離子的移動方向,只能影響發生移動的離子的種類,即選擇性地讓陰離子或者陽離子按照既定的方向通過,可以簡記“是什么交換膜就允許什么離子通過”。②原電池或者電解池的閉合回路中,溶液中遷移離子所帶的電荷數=外電路上轉移的電子數。③電極區域中,物質的變化量要考慮電極反應引起的物質變化量和離子遷移引起的物質變化量的共同影響。

綜上,雖然離子交換膜類問題復雜多變,但是基于基本電化學知識,構建電池模型,深入理解電池特征,依托有序思維,構建審題模型,序列化地提取和分析關鍵信息,我們一定能夠更加清晰和準確地分析和應對此類問題。