電化學中的防護墻——離子交換膜

陳飛

離子交換膜是一種對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜，在應用時，主要是利用它的離子選擇透過性，所以也稱為離子選擇透過性膜。不論是原電池還是電解池裝置，大多數都帶有離子交換膜，其在電化學中應用十分廣泛，也是高考試題中的常客。本文探討離子交換膜在電化學中的重要應用，對同學們深人理解原電池原理和電解池原理提供幫助。

一、離子交換膜的類型

離子交換膜按功能及結構的不同可以分為多種類型。高考試題中主要是根據透過的微粒種類將其分為陽離子交換膜、陰離子交換膜和質子交換膜。陽離子交換膜只允許陽離子通過，阻止陰離子和氣體通過，陰離子交換膜只允許陰離子通過，質子交換膜只允許質子（H+）通過。

二、離子交換膜的作用

離子交換膜在不同的裝置中有不同的作用，下面我們來看一下在電化學中的主要作用。一是防止副反應發生，提高裝置的工作效率，提高產品的純度，防止引發不安全因素。例如在電解飽和食鹽水中，利用陽離子交換膜防止陽極產生的氯氣進入陰極室與氫氧化鈉反應，導致所制產品不純，也可防止陰極產生的氫氣與陽極產生的氯氣相遇而發生危險。二是使離子選擇性定向移動，平衡整個溶液中的離子濃度或電荷，使溶液始終保持電中性。三是使某種離子能夠發生定向移動，構成閉合回路，從而形成原電池或電解池裝置。四是常用于物質的制備、分離和提純等。

三、原電池中的離子交換膜

1.質子交換膜。

例1【改編題】利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MVt在電極與酶之間傳遞電子，如圖1所示。下列說法正確的是（）。

A.該方法在高溫條件下比現有工業合成氨的效率高

B.陽極區，在固氮酶作用下發生反應為N，+6H++6Mv+==6MV2++2NH

C.負極區，氫化酶為催化劑，H，發生還原反應

D.電池工作時質子通過交換膜由負極區向正極區移動

解析：該方法選用酶作催化劑，在高溫條件下，酶失去催化活性，和現有工業合成氨相比，效率降低，A項錯誤。左室電極為燃料電池的負極，MV在負極失電子發生氧化反應生成MV2+，在電化學上把發生氧化反應的一極稱為陽極，陽極區在氫化酶的作用下MV2+與H，反應生成H和MV，反應的化學方程式為H，+2MV+-2H++2Mv+，氫氣發生氧化反應，B項和C項均錯誤。電池工作時，氫離子（即質子）通過交換膜由負極向正極移動，故D項正確。

答案：D

點評：原電池工作時陽離子移向正極區，陰離子移向負極區。質子通過質子交換膜向正極區移動，從而形成閉合回路構成燃料電池，保證交換膜兩邊溶液都是電中性，能產生穩定電流，提高電池效率。

2.陽離子交換膜。

例2新型鋅-碘液流電池具有能量密度高、循環壽命長等優勢，其工作原理如下頁圖2所示。下列說法錯誤的是（）。

A.放電時電子從鋅電極經外電路流向石墨電極

B.放電時正極反應式為I+2e-3IC.若將陽離子交換膜換成陰離子交換膜，放電時正、負極發生改變

D.放電時左側電解質儲罐中的溶質濃度增大

解析：根據圖示，放電時鋅作負極，石墨作正極，電子從鋅電極經外電路流向石墨電極，A項正確。放電時，石墨電極反應式為I+2e-3I。B項正確。將陽離子交換膜換成陰離子交換膜，放電時正、負極不會發生改變，C項錯誤。放電時Zn？通過陽離子交換膜移向正極，和正極區的I廠結合成Znl，，所以左側儲罐中的溶質濃度增大，D項正確。

答案：C

點評：陽離子交換膜只允許陽離子通過，陽離子通過交換膜移向正極，形成閉合回路并保持溶液的電中性，使原電池具有穩定電流。

3.陰離子交換膜。

例了一種微生物脫鹽池的裝置如圖3所示，下列說法錯誤的是（）。

A.有機廢水中的CH，COO在負極發生氧化反應

B.X為陰離子交換膜，Y為陽離子交換膜C.負極反應式為CH;COO+2H，O+____8e=2C0，↑+7H+

D.該裝置工作時，化學能轉化為電能解析：根據裝置圖，有機廢水中的CH;COO～在負極發生氧化反應生成CO。和Ht，A項正確。海水中的NaC1經過該裝置除去了CI和Nat，Cl通過X膜進入負極區，Nat通過Y膜進人正極區，達到脫鹽的目的，因此X為陰離子交換膜，Y為陽離子交換膜，B項正確;負極的電極反應式為CHCOO～+2H，0-8e--2C0.↑+7H+，是失去電子的氧化反應，C項錯誤。該裝置工作時，化學能轉化為電能，D項正確。

答案：C

點評：本題中設置了陰、陽兩種離子交換膜，使海水中的CI和Nat分別通過離子交換膜達到脫鹽的目的。

四、電解池中的離子交換膜

有的電解池沒有離子交換膜，有的電解池有離子交換膜。對于有離子交換膜的電解池，有的有一個離子交換膜，有的有兩個離子交換膜，還有的設置多個離子交換膜。設置交換膜把電解池分成若干室，不同的電解室能得到不同產物，從而可以制取我們所需的物質，多室電解池因在工業生產及環境治理等方面應用廣泛，成為高考命題的寵兒。

1.單膜電解池。

單膜電解池中只有一個隔膜，可以是質子交換膜、陽離子交換膜或者陰離子交換膜。起隔離兩邊電解質溶液中的某些離子或物質的作用。

例4工業上可利用圖4所示電解裝置吸收和轉化SO，（A、B均為惰性電極）。

下列說法錯誤的是（）。

A.A極接電源的負極

B.A極區溶液的堿性逐漸減弱

C.本裝置中使用的是陽離子交換膜

D.B極的電極反應式為SO，-2e+2H，OSO+4H+

解析：根據HSO;生成S，O，硫元素的化合價降低，發生還原反應，A極為陰極，應接電源的負極，A項正確。陰極的電極反應式為2HSO;+2H++2eS，O？+2H，O，消耗H，堿性增強，B項錯誤。陽極的電極反應式為SO，+2H，O-2e～-SO+4Ht，H通過離子交換膜由右向左移動裝置中使用的應為陽離子交換膜，C項正確。B為陽極，發生反應SO，+2H，0-2eSO？+4Ht，D項正確。

答案：B

點評：電解池中陽離子通過陽離子交換膜移向陰極區，陰離子通過陰離子交換膜移向陽極區。

2.雙膜電解池。

雙膜電解池是電解池中設置了兩個離子交換膜，兩個膜可以相同，也可以不相同。

例5焦亞硫酸鈉（NagS，O，）在醫藥、橡膠、印染、食品等方面應用廣泛。制備NaS，O，可采用三室膜電解技術，裝置如圖5所示，其中SO，堿吸收液中含有NaHSO。和NaSO。陽極的電極反應式為

電解后，室的NaHSO濃度增

加。將該室溶液進行結晶脫水，可得到Na，S，O，。

解析：陽極吸引陰離子，水電離的OH在陽極放電，電極反應式為2H，O-4e-0.↑+4H，電解過程中生成的H通過左邊的陽離子交換膜進人a室，和a室中Na，SO。結合生成NaHSO，所以a室中NaHSO濃度增加。陰極是水電離出的H放電，OH～濃度增大，OH和NaHSO，反應生成Na，SO，，同時a室中的Nat通過陽離子交換膜進入b室生成NaOH。

答案：2H，O-4e4H++O，↑a例6（改編題）三室式電滲析法處理含NagSO，廢水的原理如圖6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SO可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進人中間隔室。下列敘述錯誤的是（）。

A.通電后中間隔室的SO？向正極遷移B.該法在處理含Na，SO，廢水時可以得到NaOH和H，SO4產品

C.負極反應為2H，O-4e==0，+4Ht，負極區溶液pH降低

D.ab為陽離子交換膜，cd為陰離子交換膜解析：正極區發生的反應為2H，O-4e0.↑+4H+，由于生成H+，正極區溶液中陽離子增多，故中間隔室的SO通過cd膜向正極遷移，A項正確。負極區發生的反應為2H，O+2e-H，↑+20H～，陰離子增多，中間隔室的Nat通過ab膜向負極遷移，故負極區產生NaOH，正極區產生H，SO，，B項和D項均正確，C項錯誤。

答案：C

點評：電解池中陽離子向負極（陰極）遷移，陰離子向正極（陽極）遷移。

3.多膜電解池。

多膜電解池是利用離子交換膜將電解池隔成多個極室，借助離子交換膜的選擇透過性，自動把產品分離開，得到的目標物質更加純凈，降低分離提純的成本。

例7H，PO。可用電滲析法制備。“四室電滲析法”工作原理如圖7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HPO，的原因：

（3）早期采用“三室電滲析法”制備H，POq：將“四室電滲析法”中陽極室的稀硫酸用HPO，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

解析：（1）在陽極水電離出的OH放電，電極反應式為2H，0-4e0，↑+4H+。（2）在陽極室中生成的H穿過陽膜進人產品室，原料室中H，PO，通過陰膜進入產品室，Ht和H，PO2反應生成產品HPO，。在陰極室，水電離出的H放電，電極反應為2H，O+2e-H↑+20H，原料室中的Nat通過陽膜進人陰極室，在陰極室生成NaOH。（3）如果將陽極室中的稀硫酸用H，PO，溶液代替，撤去陽極室與產品室之間的陽膜，合并陽極室與產品室，這樣陽極區的H，PO2或HPO，就會失電子發生氧化反應生成PO。

答案：（1）2H，0-4e=-0.↑+4H+（2）陽極室中H通過陽膜進人產品室，原料室中H，PO2通過陰膜進人產品室，二者反應生成HPO，

（3）PO;H，PO2或H，PO，被氧化例8雙極膜（BP）是陰、陽復合膜，在直流電的作用下，陰、陽膜復合層間的H，O解離成H和OH，作為H和OH離子源。利用雙極膜電滲析法電解食鹽水可獲得淡水、NaOH和HCI，其工作原理如圖8所示，M、N為離子交換膜。下列說法錯誤的是（）。

A.陽極的電極反應為40H-4e0，↑+2H，O

B.如果沒有雙極膜（BP），陽極會有Cl2生成

C.M為陽離子交換膜，N為陰離子交換膜

D.電路中每轉移2mol電子，兩極共得到1mol氣體

解析：陰極吸引Ht，H得電子生成氫氣，電極反應為2H++2e-H↑，陽極吸引OH～，陽極的電極反應為40H～-4e-0，↑+2H，0，A項正確。若沒有雙極膜（BP），C進入陽極室直接放電生成Cl，B項正確。Nat穿過M進入陰極室，在陰極區生成NaOH，所以M為陽離子交換膜，CI穿過N進人陽極室，在陽極區生成HCI，N為陰離子交換膜，故C項正確。電路中每轉移2mol電子，陽極生成0.5mol氧氣，陰極生成1mol氫氣，兩極共得到1.5mol氣體，D項錯誤。

答案：D

解題步驟：第一步，分清離子交換膜類型，是陽離子交換膜、陰離子交換膜或質子交換膜，判斷允許哪種離子通過。第二步，寫出電極反應式，判斷離子交換膜兩側離子濃度的變化，根據電荷守恒判斷離子遷移方向。第三步，分析離子交換膜作用，在產品制備中，離子交換膜的作用主要是提高產品純度，避免產物之間發生反應或造成危險。

總之，離子交換膜試題往往與生產、生活及新科技等相聯系，常以裝置圖為載體呈現，題材廣，信息新，考查同學們閱讀提煉信息的能力和獲取知識并遷移應用的能力。只要大家熟練掌握原電池和電解池的工作原理，根據裝置中的電極種類、離子移動方向、溶液pH的變化、電極反應式等，就能順利判斷離子交換膜的類別，從而更好體會離子交換膜在電化學中的獨特作用;反之知道了離子交換膜的類型和作用就能更好地解決電化學的有關問題。

（責任編輯謝啟剛）