聚焦離子交換膜在電化學中的考查

常艷華

電化學的內容是歷年高考重要考點之一，考查方式主要以選擇題和電極反應式書寫及計算的形式出現。近三年在電解池或原電池中涉及到離子交換膜的題目明顯增多，部分考生由于對膜材料性質

不會分析，題目的解答準確率明顯下降。本文分類解析一下與離子交換膜有關的近兩年的電化學高考題。

題型一：在原電池中的考查

例1 （2016年浙江卷）金屬（M）-空氣電池（如圖1）具有原料易得、能量密度高等優點，有望成為新能源汽車和移動設備的電源。該類電池放電的總反應方程式為：

4M+nO2+2nH2O4M（OH） n

已知：電池的“理論比能量”指單位質量的電極材料理論上能釋放出的最大電能。下列說法不正確的是（ ）。

A.采用多孔電極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

C.M-空氣電池放電過程的正極反應式：4Mn++nO2+2nH2O+4ne-4M（OH）n

D.在M-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

解析 此題考查原電池工作原理。金屬（M）-空氣電池的總反應方程式：4M+nO2+2nH2O4M（OH）2可知，金屬（M）為負極，發生氧化反應，空氣中的氧氣在正極發生反應。A項多孔電極可以增加氧氣與電極的接觸，使氧氣充分反應，故正確；B項24 g鎂失去2 mol電子，27 g鋁失去3 mol電子，65 g鋅失去2 mol電子，所以鋁-空氣電池的理論比能量最高，故正確；C項根據題給放電的總反應：4M+nO2+2nH2O4M（OH）n，氧氣在正極得電子，由于有陰離子交換膜，正極反應式為O2+2H2O+4e-4OH-，故錯誤；D項負極是金屬失去電子生成金屬陽離子，因為鎂離子或鋁離子或鋅離子都可以和氫氧根離子反應生成氫氧化物沉淀，說明應采用中性電解質溶液及陽離子交換膜，防止正極產生的OH-移過來反應，故正確。答案選C。

圖2例2 （2015年天津卷）銅鋅原電池裝置如圖2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（ ）。

A.銅電極上發生氧化反應

B.電池工作一段時間后，甲池的c（SO2-4）減小

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

解析 此題考查銅鋅原電池工作原理。

由圖2可知，該原電池反應式為：Zn+Cu2+Zn2++Cu，Zn為負極，發生氧化反應，Cu為正極，發生還原反應，故選項A錯誤；離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，甲池中c（SO2-4）不變，故選項B錯誤；

甲池中的Zn2+通過陽離子交換膜進入乙池（正極區），乙池中發生反應：Cu2++2e-Cu，保持溶液呈電中性，進入乙池的Zn2+與放電的Cu2+的物質的量相等，而Zn的摩爾質量大于Cu，故乙池溶液總質量增大，故選項C正確；D.甲池中的Zn2+通過陽離子交換膜進入乙池，以保持溶液電荷守恒，陰離子不能通過陽離子交換膜，故選項D錯誤。答案為C。

小結：原電池中，依據工作原理，電子從負極流向正極，正極區集聚電子，電子帶負電，根據異性相吸的原理，陽離子移向正極，陰離子移向負極。無論膜怎么變，移動原理不變，可以以不變應萬變。

題型二：在電解池中的考查

例3 （2016年全國卷Ⅰ）三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如圖3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SO2-4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SO2-4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電子的電量時，會有0.5 mol的O2生成

解析 此題考查電解池工作原理。與正極相連的為陽極，與負極相連的為陰極；H2O在陽（正）極區放電2H2O-4e-O2+4H+，溶液中的H+濃度增大，pH減小，故選項A錯；為保持溶液中性，中間隔室中的SO2-4應向陽（正）極區移動，得到H2SO4產品，負（陰）極區H2O放電2H2O+2e-H2+2OH-，OH-濃度增大，pH增大，Na +向陰（負）極區移動，得到NaOH，故B正確，C錯誤；D項當電路中通過1 mol電子的電量時，生成n（O2）=1÷4=0.25 mol，D錯誤。答案為B。

延伸 在直流電場的作用下，兩膜中間的Na+和SO2-4可通過離子交換膜，ab允許Na +向陰（負）極區移動，為陽離子交換膜；cd允許SO2-4向陽（正）極區移動，為陰離子交換膜。

圖4例4 （2016年高考天津卷節選）化工生產的副產物也是氫氣的來源。電解法制取有廣泛用途的Na2FeO4，同時獲得氫氣：Fe+2H2O+2OH-

通電FeO2-4+3H2↑，工作原理如圖4所示。裝置通電后，鐵電極附近生成紫紅色的FeO2-4，鎳電極有氣泡產生。若氫氧化鈉溶液濃度過高，鐵電極區會產生紅褐色物質。已知：Na2FeO4只在強堿性條件下穩定，易被H2還原。

①電解一段時間后，c（OH-）降低的區域在（填“陰極室”或“陽極室”）。

②電解過程中，須將陰極產生的氣體及時排出，其原因是。

解析 此題考查電解原理在工業上的應用。①根據題意鎳電極有氣泡產生是H+放電生成H2，可知是陰極；鐵電極發生氧化反應，為陽極，溶液中的OH-減少，因此電解一段時間后，c（OH-）降低的區域在陽極室。②由氫氣具有還原性，根據題意Na2FeO4只在強堿性條件下穩定，易被H2還原。電解過程中，須將陰極產生的氣體及時排出，防止Na2FeO4與H2反應使產率降低。endprint

答案：（5）①陽極室 ②防止Na2FeO4與H2反應使產率降低

綜述 離子交換膜在電化學中的考查方式主要有兩種：原電池工作原理和電解池工作原理，記清原電池工作原理中陽離子向正極移動，陰離子向負極移動；電解池中陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動。離子交換膜按功能可以分為：陽離子交換膜、陰離子交換膜和質子交換膜。解題時只需結合題意，寫出相關電極反應式，按要求讓允許通過的離子通過。

【歷年高考題鏈接】

1.（2015年全國Ⅰ卷）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，其工作原理如圖5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+6O26CO2+6H2O

2.（2013年江蘇化學）Mg-H2O2電池可用于驅動無人駕駛的潛航器。該電池以海水為電解質溶液，結構示意圖如圖6。該電池工作時，下列說法正確的是（ ）。

A.Mg電極是該電池的正極

B.H2O2在石墨電極上發生氧化反應

C.石墨電極附近溶液的pH增大

D.溶液中Cl-向正極移動

3.（2013年浙江理綜）電解裝置如圖7所示，電解槽內裝有KI及淀粉溶液，中間用陰離子交換膜隔開。在一定的電壓下通電，發現左側溶液變藍色，一段時間后，藍色逐漸變淺。

已知：3I2+6OH-IO-3+5I-+3H2O。下列說法不正確的是（ ）。

A.右側發生的電極方程式：

2H2O+2e-H2↑+2OH-

B.電解結束時，左側溶液中含有IO-3

C.電解槽內發生反應的總化學方程式：

KI+3H2OKIO3+3H2↑

D.如果用陽離子交換膜代替陰離子交換膜，電解槽內發生的總化學方程式不變

4. （ 2014年全國卷Ⅰ節選）次磷酸（H3PO2）是一種精細磷化工產品，具有較強還原性。回答下列問題：

（4）也可用電滲析法制備，“四室電滲析法”工作原理如圖8所示（陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過）：

①寫出陽極的電極反應式。

②分析產品室可得到H3PO2原因。

③早期采用“三室電滲析法”制備H3PO2：

將“四室電滲析法”中陽極室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去陽極室與產品室之間的陽膜，從而合并了陽極室與產品室。其缺點是產品中混有雜質。該雜質產生的原因是。

圖95. （ 2015年上海）氯堿工業以電解精制飽和食鹽水的方法制取氯氣、氫氣、燒堿和氯的含氧酸鹽等系列化工產品。圖9是離子交換膜法電解食鹽水的示意圖，圖中的離子交換膜只允許陽離子通過。完成下列填空：

（1）寫出電解飽和食鹽水的離子方程式；

（2）離子交換膜的作用為。

（3）精制飽和食鹽水從圖中位置補充，氫氧化鈉溶液從圖中位置流出。（選填“a”、“b”、“c”或“d”）

【歷年高考鏈接答案】

1.A 2.C 3.D

4.（4）①2H2O-4e-O2↑+4H+

②陽極室的H+穿過陽膜擴散至產品室，原料室的H2PO-2穿過陰膜擴散至產品室，二者反應生成H3PO2 ③PO3-4 H2PO-2或H3PO2被氧化。

5.（1）2Cl-+2H2O通電Cl2↑+H2↑+2OH-

（2）阻止OH-進入陽極室，與Cl2發生副反應：2NaOH+Cl2NaCl+NaClO+H2O；阻止陽極產生的Cl2和陰極產生的H2混合發生爆炸。（3）

a；d；

（收稿日期：2017-03-10）endprint