隔膜技術在電化學裝置中的應用

張艷瓊

近幾年高考中，涉及離子交換膜的應用及電解液介質對電極反應的影響的試題比較多，且常出常新，離子交換膜的功能在于選擇性地通過某些離子，電解液介質主要對電極反應產物產生影響。本文重點分析題型考法、隔膜類型及作用，通過真題分析讓考生掌握該類題型的解答。

一、題型考法

（一）隔離某些物質防止副反應的發生。

（二）隔膜在原電池中的應用。

（三）膜在生活、工業生產中的應用。

二、題型通解

（一）常見的隔膜

隔膜又叫離子交換膜，由特殊高分子材料制成，離子交換膜分三類。

1.陽離子交換膜，簡稱陽膜，只允許陽離子通過，不允許陰離于通過。

2.陰離子交換膜，簡稱陰膜，只允許陰離子通過，不允許陽離于通過。

3.質子交換膜，只允許H+通過，不允許其他離子通過。

（二）離子交換膜在電化學中的作用

1.能將兩極區隔離，阻止兩極區產生的物質接觸，防止副反應的發生，避免影響所制取產品的質量，防止引發不安全因素。

2.能選擇性地通過離子，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。

3.主要用于物質的制備、分離提純，能提高產品的純度。

（三）解答步驟

第一步，分清隔膜類型。即交換膜屬于陽膜、陰膜、質子膜中的哪一種，判斷允許哪種離子通過隔膜。

第二步，寫出電極反應式。即判斷交換膜兩側離子變化，推斷電荷變化，根據電荷平衡判斷離子遷移方向。

第三步，分析隔膜作用。在產品制備中，隔膜作用主要是提高產品純度，避免產物之間發生反應，或避免產物因發生反應而造成危險。

典例1? ?隔離某些物質防止副反應的發生

（2016年全國高考卷I）三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如下圖所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場的作用下，兩膜中間的Na＋和SO42－可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進入中間隔室。下列敘述正確的是（? ? ）。

A.通電后中間隔室的SO42－向正極遷移，正極區溶液pH增大

B.該法在處理含Na2SO4。廢水時可以得到NaOH和H2SO4產品

C.負極反應為2H2O－4e- = O2＋4H＋，負極區溶液pH降低

D.當電路中通過1 mol電子時，就會有0.5 mol O2生成

分析? 在電解池中，陰離子向陽極（正極區）移動，陽離子向陰極（負極區）移動，中間隔室的Na＋ 通過ab 膜進入負極區，故ab為陽離子交換膜，在陰極，溶液中的H＋放電，溶液呈堿性，得到NaOH溶液；SO42－通過cd膜進入正極區，故cd為陰離子交換膜，在陽極，溶液中的OH- 放電，溶液呈酸性，得到H2SO4溶液。

負極區（陰極）電極反應為

4H+＋4e- = 2H2↑

正極區（陽極）電極反應為

40H--4e- = 2H2O＋O2↑

選項A，通電后 SO42- 向正極移動，正極區OH-放電，溶液酸性增強，pH減小，故選項A錯誤。選項C，負極反應為4H+＋4e-=2H2↑，溶液pH增大，故選項C錯誤。選項D，當電路中通過1 mol電子的電量時，會有0.25 mol O2生成，故選項D錯誤。

答案選B。

典例2? ?離子交換膜在原電池中的應用

在原電池中，離子交換膜的作用與鹽橋相似，將原電池分為正半電池和負半電池，從而提高原電池的工作效率。

（2015年全國高考卷I）微生物電池是指在微生物的作用下將化學能轉化為電能的裝置，其工作原理如下圖所示，下列有關微生物電池的說法錯誤的是（? ?）。

A.正極反應中有CO2生成

B.微生物促進了反應中電子的轉移

C.質子通過交換膜從負極區移向正極區

D.電池總反應為C6H12O6＋6O2 = 6CO2＋6H2O

分析? 在原電池中，負極發生氧化反應，正極發生還原反應。由圖可知：通氧氣的一極為正極，加葡萄糖的一極為負極；在原電池內部，陽離子向正極移動，故質子（H＋）由負極區通過質子交換膜移向正極區。

選項A，根據圖知，負極上C6H12O6失電子，正極上O2得電子和H＋反應生成水，負極反應式為

C6H12O6＋6H2O-24e- = 6CO2＋24H＋

正極反應式為 O2＋4e-＋4H＋ = 2H2O

因此CO2在負極產生，故選項A錯誤。

選項B，葡萄糖在微生物的作用下將化學能轉化為電能，形成原電池，有電流產生，所以微生物促進了反應中電子的轉移，故選項B正確。選項C，通過原電池的電極反應可知，負極區產生了H＋，根據原電池中陽離子向正極移動，可知質子（H＋）通過交換膜從負極區移向正極區，故選項C正確。選項D，該反應屬于燃料電池，燃料電池的電池反應式和燃燒反應式相同，則電池反應式為C6H12O6＋6O2 = 6CO2＋6H2O，故選項D正確。

答案選A。

提醒? 1.在原電池中，正極區的陰離子通過陰離子交換膜到負極區；負極區的陽離子通過陽離子交換膜到正極區。2.相同時間內，外電路中通過電子所帶電量等于內電路中通過離子交換膜的離子所帶電量。3.如果為質子交換膜，一般負極反應要生成H＋，正極反應要消耗H＋。