电化学装置的优化——离子选择交换膜

安徽 尉言勋

鲁科版教材中有两处对离子交换膜这一内容进行了介绍，分别在《选修4》第2章第2节和《选修2》主题2课题1。其中，《选修4》化学与技术部分介绍了离子膜法在电解食盐水中的原理，《选修2》海水淡化与现代水处理技术部分介绍了如何使用离子交换柱进行海水淡化，并对离子交换膜法电解原理示意图做了简单说明。笔者在研究近年高考题时发现高考化学对电化学的考查中多次涉及离子交换膜的应用，这一考向也落实了化学学科素养中的证据推理与模型认知。

一、离子交换膜简介

离子交换膜(简称离子膜)是一种含有离子基团、对溶液中的离子具有选择透过能力的高分子膜。一般在应用时主要利用它对离子的选择透过性。1950年首次合成离子交换膜，1956年首次成功地用于电渗析脱盐工艺。

1.离子交换膜的功能和种类

2.离子交换膜在电化学中的作用

(1)将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触。离子交换膜可以防止副反应的发生，避免影响所制取产品的质量，防止产生不安全因素。例如，在电解饱和食盐水中，利用阳离子交换膜，防止阳极产生的Cl2进入阴极室与NaOH反应，而导致所制产品不纯，也可以防止Cl2与阴极产生的H2混合发生爆炸。

图1

3.离子交换膜类型的判断

首先判断隔膜的用途是制取物质还是避免电极产物之间发生反应，然后根据电解质溶液呈电中性的原则，判断膜的类型。方法如下：先明确电极产物，写出阴、阳两极上的电极反应；再依据电极反应式判断该电极附近哪种离子有剩余，结合溶液呈电中性的原则，判断离子移动的方向，确定离子交换膜的类型。

例如，确定电解饱和食盐水装置(如图2)中离子交换膜类型可使用如下方法。

图2

二、真题分类解析

1.离子交换膜在电解池中的应用

(1)三室膜电解技术制备新物质，采用两阳离子交换膜

【例1】(2018·全国卷Ⅰ·27节选)(3)制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图3所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为____________________。电解后，________室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na2S2O5。

图3

本题考查电解法制备Na2S2O5，题目情景新颖，考查学生接受、吸收、整合化学信息的能力及分析和解决化学问题的能力，涉及学科素养中的证据推理与模型认知。注意题目给出的新信息有SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3，已知溶液中两个膜均为阳离子交换膜，阳极区产生的H+可通过离子交换膜进入a室与Na2SO3结合，b室放电产生的OH-不可移向a室，电解后将a室溶液进行结晶脱水从而制得产品。

(2)利用电解原理有效去除杂质气体，采用质子交换膜

【例2】(2018·全国卷Ⅰ·13)最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图4所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为

该装置工作时，下列叙述错误的是

( )

图4

C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低

D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需为酸性

【答案】C

本题以我国科学家设计的CO2+H2S协同转化装置为载体，巧妙地渗透了爱国教育，体现了立德树人的价值观。图中给出了质子交换膜，考查电解原理，涉及电极反应式的书写、元素化合物性质等知识点，侧重考查学生分析、判断及知识综合运用能力。注意从元素化合价变化的角度去分析氧化反应和还原反应，进而得出阴阳极。C选项结合物理知识考查电化学原理，是该题一个亮点。电池正极比电池负极的电势要高，高出的数值就是电池的电压。

(3)电渗析法处理含Na2SO4废水，阴阳离子交换膜同时使用

( )

图5

B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品

D.当电路中通过1 mol电子的电量时，会有0.5 mol的O2生成

【答案】B

本题考查电解原理的应用，要求学生明确电解池中的阴阳极以及阴阳极上离子在电极上的放电顺序。本题的难点是学生要读取图中信息，与外接电源正极连接的电极为阳极，图中的正极区即阳极区，发生氧化反应；与外接电源的负极连接的电极为阴极，图中负极区即阴极区，发生还原反应。溶液中的离子移动方向为阳离子透过阳离子交换膜向阴极区移动，阴离子通过阴离子交换膜向阳极区移动。

2.离子交换膜在原电池中的应用

(4)生物电池中质子交换膜的考查

【例4】(2019·全国卷Ⅰ·12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如图6所示。下列说法错误的是

( )

图6

A.相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能

C.正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3

D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动

【答案】B

本题以新型合成氨生物燃料电池为载体考查学生接受、吸收、整合化学信息的能力，突出学科思想方法中的转化思想和辩证思想，借助不同形式的能量转化过程，体现证据推理与模型认知的学科核心素养和关注社会发展、科技进步、生产生活的价值观念。由题目给予信息可知电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，结合图中箭头方向：MV2+/MV+之间为双向箭头，H2和H+之前为单向箭头，故左侧电极为负极，右侧电极为正极。

(5)阳离子交换膜的考查，用于选择性通过离子

【例5】(2015·天津·4)锌铜原电池装置如图7所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是

( )

图7

A.铜电极上发生氧化反应

C.电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加

D.阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡

【答案】C

本题考查原电池工作原理，可针对每个选项的知识点进行详细剖析，使学生真正理解原电池反应的实质，注意阳离子交换膜只允许阳离子通过。题目涉及电极反应的类型，阴阳离子的移动，电解质溶液质量的变化等相关知识。难点是C选项，可利用电荷守恒进行分析。

(6)利用阴离子交换膜隔离某些物质

( )

A.采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面

B.比较Mg，Al，Zn三种金属-空气电池，Al-空气电池的理论比能量最高

D.在Mg-空气电池中，为防止负极区沉积Mg(OH)2，宜采用中性电解质及阳离子交换膜

图8

【答案】C

本题考查原电池的基本原理，涉及反应速率影响因素、理论能量比以及离子交换膜的作用等相关知识。原电池中氧气在正极得到电子，金属在负极失去电子，结合电解质溶液分析其电极反应式的书写。侧重考查学生分析判断、获取信息解答问题及计算能力。

总之，通过分析近年高考化学试题我们发现，新型电池往往会利用离子交换膜来优化其性能。加入了离子交换膜的新情景的电化学试题，更加具有迷惑性，增加了试题的区分度，但实质并没有发生改变，题目还是主要考查电化学基础知识和学生的基本技能，电极反应式的书写及简单计算。只要我们紧扣教材，明确电化学的命题方向，对离子交换膜进行适当地归类整理和总结，学生对电化学知识的复习就能做到有条不紊，取得满意的效果。