電化學中離子交換膜的應用

李春文

摘?要：離子交換膜能夠實現物質的分離和提純，能夠實現物質的制備，能夠治理環境污染，能夠實現海水的淡化.離子交換膜能夠對電解質溶液的酸堿性產生影響，能夠對電極反應式產生影響，也能對兩極溶液質量產生影響.

關鍵詞：離子交換膜;應用;電化學;高中化學

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2020）22-0098-03

離子交換膜又稱“隔膜”，由特殊的高分子材料制成.根據通過隔膜的陰陽離子可以把離子交換膜分為三類，即陽離子交換膜，簡稱陽膜，允許陽離子和質子通過;陰離子交換膜，簡稱陰膜，只允許陰離子通過;質子交換膜，只允許質子通過.選擇合適的離子交換膜能夠實現電化學在實際生產和生活中的應用，真正做到學以致用.

一、實現物質的分離和提純

例1?通過電解法分離NaHSO3與Na2SO3混合物，其裝置如下圖.下列說法不正確的是（ ）.

A.陽極的電極反應式為4OH--4e -2H2O+O2↑

B. 陽極區c（H+）增大，H+由a室經陽離子交換膜進入b室

C. a室的電解質溶液可以換成K2SO4

D. c室得到Na2SO3的原因是OH-+HSO-3H2O+SO2-3

解析?選擇合適的離子交換膜可以實現NaHSO3和Na2SO3混合溶液的分離和提純.根據裝置圖分析，電解池陽極發生的反應為氧化反應，則陽極處OH-放電產生O2，陽極電極反應為：4OH --4e -2H2O+O2↑，陰極為物質發生還原反應，考慮到溶液是堿性，則陰極反應式為：2H2O+2e-2OH-+H2↑.由以上分析，可判斷A項正確;由于陽極OH -放電，使陽極區的c（H+）增大，通過陽離子交換膜進入b室，發生反應：SO2-3+H+HSO-3，即b室得到NaHSO3溶液，故B項正確;由于a室和b室之間是陽離子交換膜，若稀硫酸換成K2SO4溶液，K+就會通過陽離子交換膜進入b室，使NaHSO3溶液中混有雜質，故C項錯誤;陰極發生還原反應，使c室的c（OH-）增大，發生反應：OH-+HSO-3H2O+SO2-3，故D正確.

答案：C

二、實現物質的制備

例2?氫碘酸（HI）可用“四室電滲析法”制備，其工作原理如圖所示（陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過）.下列敘述錯誤的是（）.

A.通電后，陰極室溶液的pH增大

B.陽極電極反應式是2H2O-4e-4H++O2↑

C.得到1 mol產品HI，陽極室溶液質量減少8 g

D.通電過程中，NaI的濃度逐漸減小

解析?選擇合適的離子交換膜，通過四室電滲析法制備氫碘酸，實現物質的制備.通電后，陰極電極反應式為2H2O+2e-2OH-+H2↑，由于陰極區的離子交換膜為陽膜，產生的OH-不能通過陽離子交換膜，則溶液的pH增大，故A正確;陽極上發生氧化反應，電極反應式為2H2O-4e-4H++O2↑，故B正確;根據陽極電極反應式可知，得到1 mol產品HI，則轉移1 mol電子，水電解產生的氧氣逸出，產生的H+通過陽離子交換膜進入產品室，所以根據陽極電極反應式可知，陽極室溶液質量減少9 g，故C錯誤;通電過程中，陰極室的堿性增強，原料室中的Na+移向陰極室，I-通過陰膜移向產品室，所以NaI的濃度逐漸減小，故D正確.

答案：C

三、用于治理環境污染

例3?SO2和NOx是主要大氣污染物，利用下圖裝置可同時吸收SO2和NO.下列有關說法錯誤的是（）.

A.a極為直流電源的負極，與其相連的電極發生還原反應

B.陰極得到2 mol電子時，通過陽離子交換膜的H+為2 mol

C.吸收池中發生反應的離子方程式為：2NO+2S2O2-4+2H2ON2+4HSO-3

D.陽極發生的反應式為SO2+2e-+2H2OSO2-4+4H+

解析?該裝置合理選擇陽離子交換膜，使兩種大氣污染物得以消除，實現了環境的治理.A項，與A相連的電極上，HSO-3轉化成S2O2-4，S元素的化合價+4價降到+3價，發生還原反應，所以a極為負極，與其相連的為陰極，故A項正確;B項，陰極發生還原反應，電極反應式為：2HSO-3+2e-+2H+S2O2-4+2H2O，而陽極發生氧化反應，電極反應式為：SO2-2e-+2H2OSO2-4+4H+，陰極得到2mol電子時，陽極失去2 mol電子，生成4 mol H+，使陽極區多2 mol正電荷，所以2 mol H+通過陽離子交換膜進入陰極區，發生還原反應，故B項正確;C項，

S2O2-4與NO發生氧化還原反應，生成氮氣，離子方程式為：2NO+2S2O2-4+2H2ON2+4HSO-3，故C項正確;D項，陽極發生氧化反應，應是SO2失電子，故D項錯誤.

答案：D

四、實現海水的淡化

例4?一種三室微生物燃料電池可用于污水凈化、海水淡化，其工作原理如圖所示，圖中有機廢水中有機物可用C6H10O5表示.下列有關說法不正確的是（）.

A.Cl-由中間室移向左室

B.X氣體為CO2

C.處理后的含NO-3 廢水的pH降低

D.電路中每通過4 mol電子，產生X氣體的體積在標準狀況下為22.4 L

解析?選擇合適的離子交換膜，使三室微生物燃料電池既實現了污水凈化又實現了海水淡化.其反應原理是：NO-3得電子發生還原反應，則裝置中右邊電極是正極，電極反應為2NO-3+10e-+12H+N2↑+6H2O，正極陽離子濃度減小，右側選擇陽離子交換膜，使海水中的Na+移向正極;裝置左邊電極是負極，負極上有機物失電子，發生氧化反應生成X，有機物在厭氧菌作用下生成二氧化碳，其電極反應式為：C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+，負極區的正電荷增多，左側室陰離子交換膜，海水中的Cl-移向負極.這樣既實現了污水的凈化，又實現了海水的淡化.根據負極的電極反應式C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+，電路中每通過4 mol電子，產生標準狀況下X氣體的體積為424 ×6×22.4 L=22.4 L.

答案：C

五、判斷電極反應方程式是否正確

例5?金屬（M）-空氣電池（如圖）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.采用多孔電極的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：4M++nO2+2nH2O+4ne-4M（OH）n

D. 在Mg-空氣電池中，為防止負極區沉積

Mg（OH）2沉淀，宜采用中性電解質及陽離子交換膜

解析?A選項，反應物接觸面積越大，反應速率越快，所以采用多孔電極的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，從而提高反應速率，故A正確;B選項，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，則單位質量的電極材料失去電子的物質的量越多則得到的電能越多，假設質量都是1g時，這三種金屬轉移電子物質的量分別為1g24g/mol×2=112mol、1g27g/mol×3=19mol、1g65g/mol×2=132.5mol，所以Al-空氣電池的理論比能量最高，故B正確;C選項，正極上氧氣得電子和水反應生成OH-，因為是陰離子交換膜，所以陽離子不能進入正極區域，則正極反應式為O2+2H2O+4e-4OH-，故C錯誤;D選項，負極上Mg失電子生成Mg2+，為防止負極區沉積Mg（OH）2，則負極區溶液不能含有大量OH-，同時使Mg2+向正極移動，所以宜采用中性電解質及陽離子交換膜，故D正確.

答案：C

六、對溶液的pH產生影響

例6?海水中含有大量Na+、Cl-及少量Ca2+、Mg2+、SO2-4，用電滲析法對該海水樣品進行淡化處理，如圖所示.下列說法正確的是（）.

A.b膜是陽離子交換膜

B.A極室產生氣泡并伴有少量沉淀生成

C.淡化工作完成后A、B、C三室中pH大小為pHA<pHB<pHC

D.B極室產生的氣體可使濕潤的KI-淀粉試紙變藍

解析?若實現海水的淡化，需要將陰陽離子向兩極移動，所以a膜為陰離子交換膜，b膜為陽離子交換膜.A極上的電極反應為：2Cl--2e-Cl2↑，Cl2溶于水，使A區的pH減小，同時產生的Cl2能使濕潤的KI-淀粉試紙變藍.B極上的電極反應為：2H++2e-H2↑，由于b膜是陽離子交換膜，產生的OH-不會向陽極移動，所以會使B區的堿性增強，pH變大，而C區就是電解質向陰陽兩極移動的過程，pH不變，則pH大小關系為pHA<pHC<pHB.

答案：A

近幾年的高考試題中，可以看到，一般涉及電化學的問題，幾乎都要涉及離子交換膜.有了離子交換膜，才使電化學的理論知識轉化為實際生產，真正實現學習電化學的重要意義.

參考文獻：

[1]王曉波.含離子交換膜電池的應用[J].數理化解題研究，2020（10）：65-66.

[責任編輯：季春陽]