电化学中离子交换膜认知模型的建构与应用

河南 熊建飞 吴利敏

一、离子交换膜的认知模型建构

1.离子交换膜的种类

离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。因为一般在应用时主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。一般来说，离子交换膜可以分为四类：第一种是阳离子交换膜，只允许阳离子通过；第二种是阴离子交换膜，只允许阴离子通过；第三种是质子交换膜，只允许H+通过；第四种是双极膜，使H+、OH-分别向两极移动。

2.离子交换膜的作用

离子交换膜的作用有三个：首先能使某些离子选择性的定向通过，制备特定产品；其次可以平衡电荷，使溶液保持电中性；第三，离子交换膜可以防止某些副反应的发生。其模型如图1所示，来源于电解原理的应用——氯碱工业：

图1

氯碱工业模型建构：

(1)装置

一膜二进四出。一膜指该装置含有一个阳离子交换膜；二进指原料有两个进口，阳极室进精制饱和食盐水，阴极室进含少量NaOH的水溶液(NaOH的作用是增强溶液导电性，提高电解效率)；四出指四个出口，阳极室出来的为淡盐水和Cl2、阴极室出来的为浓NaOH和H2。图1中，a为精制饱和食盐水，b为含少量NaOH的水溶液，c为浓NaOH，d为H2，e为Cl2。

(2)目的

通过电解饱和食盐水制备Cl2和NaOH，故称为氯碱工业。明确目的是解题的前提，根据目的能判断出阴极与阳极、各入口与出口的物质、离子交换膜的类型等。

(3)电极反应式及总反应式

(4)阳离子交换膜的作用

在氯碱工业中，阳离子交换膜可使Na+移向阴极，与OH-结合得到产品NaOH；②平衡电荷，使溶液保持电中性；第三，能防止Cl2与NaOH反应，避免制得的产品不纯。

二、认知模型的应用

1.离子交换膜类型的判断

根据离子交换膜的作用判断离子交换膜的类型，其方法为：首先判断目的是否为制备特定产品，如果是，则根据所制备的产品，离子发生定向移动得到产品；其次判断离子交换膜是否为阻止副反应的发生，如果是，则某些离子不能移动到能发生副反应的区间；如果两者都不是，则根据电中性原则进行判断。

【例1】我国科学家最近发明了一种Zn-PbO2电池，电解质为K2SO4、H2SO4和KOH，由a和b两种离子交换膜隔开，形成A、B、C三个电解质溶液区域，结构示意图如图2所示：

图2

回答下列问题：

(1)电池中，Zn为________极，B区域的电解质为__________(填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)。

(2)电池反应的离子方程式为________________________。

(3)阳离子交换膜为图中的________(填“a”或“b”)膜。

【答案】(1)负 K2SO4

(3)a

【命题意图】本题以我国科学家最近发明的一种Zn-PbO2电池为载体，考查原电池基本原理，如正负极的判断、电解质溶液的选择、总反应式的书写、离子交换膜的类型判断。该电池以新情境的方式出现，其实考查的内容还是电化学基本知识，如负极反应类似于教材中碱性锌锰干电池的负极反应、正极反应与教材中铅蓄电池的正极反应是一样的。

【模型应用】该题考查离子交换膜的类型，结合本题的特点，选用离子交换膜类型判断的第三个方法“根据电中性原则进行判断”。

【例2】(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3所示。下列说法错误的是

图3

( )

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

【命题意图】本题以生物燃料电池为载体，考查原电池基本原理，如正负极电极反应式、离子的移动方向、离子交换膜的类型。

【模型应用】判断离子透过交换膜的迁移方向，结合本题的特点，采用离子交换膜类型判断的第一个方法“判断是否为制备特定产品，如果是，则根据所制备的产品，离子发生定向移动得到产品”，可以判断出离子交换膜的类型，进而判断出离子的移动方向。

【例3】(2021·全国甲卷·13)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如图4所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-，并在直流电场的作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是

图4

( )

A.KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用

C.制得2 mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1 mol电子

D.双极膜中间层中的H+在外电场作用下向铅电极方向迁移

【答案】D

【命题意图】本题以电解法制备乙醛酸为载体，考查电解池基本原理，如电极反应式的书写、转移电子的计算、离子迁移方向的判断。

【模型应用】判断双极膜中离子的移动方向，利用“离子交换膜的种类”与电解池中离子的迁移方向进行分析。

2.利用离子交换膜制备目标物

利用离子交换膜的选择性，可以在指定电解室里制备目标产品，解决此类题的方法是先明确目标产物，其次根据离子交换膜的类型，判断离子迁移的方向(或者根据目标产物，确定离子迁移的方向，进而判断出离子交换膜的类型)。

【例4】(2018·全国卷Ⅰ·27节选)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。回答下列问题：

(1)生产Na2S2O5，通常是由NaHSO3过饱和溶液经结晶脱水制得。写出该过程的化学方程式：________________。

(3)制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图5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5

【命题意图】本题以三室膜电解技术制备Na2S2O5为载体，考查电解池基本原理，如电极反应式的书写、离子移动方向的判断。

【模型应用】本题离子交换膜的类型已经给出，两个交换膜均为阳离子交换膜，只允许阳离子通过。根据本题的目的，结合电极反应式，可以判断出透过交换膜的离子的迁移方向，进而判断出目标产物的生成区域。

图6

下列叙述正确的是

( )

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

【命题意图】本题以三室式电渗析法处理含Na2SO4废水为载体，考查电解池基本原理，如离子移动方向的判断、电极区pH的变化、电极反应式的书写、电解相关计算。

3.离子定向迁移数目的计算

从不同的角度来看，离子的迁移数有两种计算方法，即可根据电极反应式计算——总反应的方程式应符合电中性原则；或根据外电路转移电子数等于内电路迁移的电荷数计算。

【例6】(2020·山东卷·10)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用如图7装置处理有机废水(以含CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是

图7

( )

B.隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜

C.当电路中转移1 mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5 g

D.电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1

【答案】B

【命题意图】本题以微生物脱盐电池为载体，考查原电池基本原理，如电极反应式的书写、电化学相关计算、离子交换膜类型的判断。

【模型应用】本题离子交换膜类型的判断采用第一种方法“判断目的是否为制备特定产品，如果是，则根据所制备的产品，离子发生定向移动得到产品”。该题的目的是除去模拟海水中NaCl，Na+、Cl-分别向两极移动，根据离子交换膜的选择性，进而判断出离子交换膜的类型。离子定向迁移数目的计算，可以依据离子交换膜的第二个作用“平衡电荷，使溶液保持电中性”进行计算。

三、备考策略

由于离子交换膜在工业生产中具有重要应用，在近几年的高考题中频繁出现，是电化学的一个热点问题。这一类题型的特点是新情境、老问题，考查的知识点有原电池原理、电解池原理、化学电源等。考查的学科核心素养有“证据推理与模型认知”，如利用氯碱工业模型解答离子交换膜问题；“宏观辨识与微观探析”，如电极反应的现象与电极反应式的书写；“变化观念与平衡思想”，如电极反应式中物质变化与能量转化；“科学探究与创新意识”，如新型化学电源的最新研究成果；“科学态度与社会责任”，如利用电化学基本原理研制高效环保型化学电源等。针对此类题的题型特点及考查内容，学生备考复习时可以从三个方面入手：

1.熟练掌握电化学基本原理

电化学基本原理是解决离子交换膜问题的基础，是知识向能力转化的前提。电化学基本原理包括原电池原理、电解池原理、化学电源等，这些基本原理的复习可以针对具体的原理建立相应的认知模型，用建构的模型去解决新情境中的老问题。

2.建构离子交换膜的认知模型

对于离子交换膜的复习，学生首先要对离子交换膜有深刻的理解和认识。离子交换膜在教材中是有据可循的，其来源于鲁科版教材中的氯碱工业。学生可将教材中的氯碱工业进行深入挖掘，对离子交换膜的种类及作用进行认知模型建构，并形成一种利用模型分析具体问题的能力。

3.模型的应用与升华