新型電化學裝置中的“膜”

孟凡盛

一、高考真題中的“膜”

【例1】（2020年全國I卷第12題）科學家近年發明了一種新型Zn-CO2水介質電池。電池示意圖如下，電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是（）

A.放電時，負極反應為Zn-2e-+4OH- =Zn（OH）42-

B.放電時，l mol CO2轉化為HCOOH，轉移的電子數為2 mol

C.充電時，電池總反應為2Zn（OH）42-=2Zn+O2↑+ 4OH-+2H2O

D.充電時，正極溶液中OH- 濃度升高

【解析】讀圖知，放電時，活潑金屬鋅失去電子被氧化為四羥基鋅酸根，故負極反應為：Zn-2e-+4OH- = Zn（OH）42-，A正確;放電時，CO2（+4價碳）在正極得到電子被還原為HCOOH（+2價碳），碳的化合價降低2，故1 mol CO2轉化為HCOOH時轉移的電子物質的量為2 mol，B正確;圖中虛線表示充電時物質變化過程，充電時負極反應為：2Zn（OH）42-+4e-=2Zn+8OH-，正極反應為放氧生酸：2H2O-4e-=O2↑+4H+，兩極生成的氫離子和氫氧根離子在雙極隔膜上結合成4 mol H2O，生成的4 mol H2O與正極消耗的2 mol H2O相減，總反應中凈生成2 mol H2O，故充電時，電池總反應為2Zn（OH）42-=2Zn+ O2↑+4OH-+ 2H2O，C正確;充電時，正極反應為放氧生酸，溶液中H+濃度增大，溶液中c（H+）·c（OH-）=KW，溫度不變時，KW不變，因此溶液中OH-濃度降低，D錯誤。

【答案】D

【啟示】本題利用新型電池創設情境，考查學生的電化學基礎知識和觀察理解能力。雙極隔膜的特點是在直流電場的作用下，陰、陽膜復合層間的H2O解離成H+和OH-并分別通過陰膜和陽膜，作為H+和OH-離子源。中學教材沒有涉及雙極隔膜的相關知識，試題也沒有提供信息，高考真題給我們的啟示就是高三復習時應適當拓展挖掘更多電化學裝置中“膜”的知識。

二、常見的離子交換膜

1.離子交換膜

離子交換膜是一種含離子基團的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。因為一般在應用時主要是利用它透過的離子，所以也稱為離子選擇透過性膜。

2.離子交換膜分類

（1）陽離子交換膜是對陽離子有選擇透過性作用的膜，簡稱陽膜（C）;單價選擇性陽離子交換膜是對+1價陽離子有選擇透過性作用的膜，簡稱單價陽膜（SC）;質子交換膜（PEM）是對質子或H+有選擇透過性作用的膜。

（2）陰離子交換膜是對陰離子有選擇透過性作用的膜，簡稱陰膜（A）;單價選擇性陰離子交換膜是對-1價陰離子有選擇透過性作用的膜，簡稱單價陰膜（SA）。

（3）兩性離子交換膜既可以作為陽離子交換膜又可以作為陰離子交換膜。

（4）雙極性膜是由一張陽膜和一張陰膜復合制成的陰、陽復合膜。該膜的特點是在直流電場的作用下，陰、陽膜復合層間的H2O解離成H+和OH-并分別通過陰膜和陽膜，作為H+和OH-離子源。雙極性膜簡稱雙極膜（BM）。

3.離子交換膜的性能

性能優良的離子交換膜，選擇透過性好，導電能力強。

三、2021年高考電化學“膜”試題預測

【預測1】我國學者以新型的Fe-SnO2為雙功能催化劑實現室溫條件下電催化固氮產氨和硝酸，電解質溶液為稀硝酸和稀氨水，原理如圖所示，雙極膜能將H2O解離成H+和OH-。下列說法正確的是（ ）

A.電解時雙極膜產生的H+向右側正極室移動

B. Fe-SnO2能同時降低氮氣還原和氧化的活化能

C.陰極反應為N2+6H2O-10e-=2NO3-+12H+

D.總反應為4N2+9H2O3NH4NO3+2NH3

【解析】室溫“一箭雙雕”式固氮具有良好的商業前景，體現“學術探索情境”的最新高考命題動向，通過提供語言簡潔信息豐富的圖文，考查考生宏觀辨識與微觀探析的核心素養。讀圖知，右側氮氣得到電子發生還原反應的電極是電解池的陰極（負極），左側氮氣失去電子發生氧化反應的電極是電解池的陽極（正極），電解時溶液中離子移動方向符合“陰陽相吸”，即陰離子移向陽極、陽離子移向陰極，故雙極膜產生的帶正電荷的氫離子移向左側陰極室，A錯誤;根據教材所學知識可以得知，工業固氮是氮氣與氫氣在高溫高壓催化劑條件下進行的氮還原反應，工業上利用氮氣制備硝酸的第一步是氮氣與空氣中的氧氣在放電條件下進行氮氧化反應，苛刻的反應條件意味著上述兩個反應有很高的活化能，題干中雙功能催化劑實現室溫條件下電催化固氮產氨和硝酸，說明Fe-SnO2能同時降低氮氣還原和氧化的活化能，B正確;電解池的陰極發生氧化劑得電子的還原反應，故陰極反應為N2+6H2O +6e-=2NH3+6OH-，從電極反應失電子的形式就可以判斷C錯誤;電解池陽極發生還原劑失電子的氧化反應，陽極反應為N2+6H2O-10e-=2NO3-+12H+，雙極膜使陰極生成的氨與陽極生成的硝酸不能接觸，故總反應為4N2+9H2O3HNO3+5NH3，D錯誤。

【答案】B

【預測2】海水淡化是解決沿海城市飲用水問題的關鍵技術。下圖是電滲析法淡化海水的裝置工作原理示意圖（電解槽內部的“┆”和“│”表示不同類型的離子交換膜）。工作過程中b電極上持續產生Cl2。下列關于該裝置的說法錯誤的是（ ）

A.工作過程中b極電勢高于a極

B.“┆”表示陰離子交換膜，“│”表示陽離子交換膜

C.海水預處理主要是除去Ca2+、Mg2+等