電化學中離子交換膜認知模型的建構與應用

河南 熊建飛 吳利敏

一、離子交換膜的認知模型建構

1.離子交換膜的種類

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的離子選擇透過性，所以也稱為離子選擇透過性膜。一般來說，離子交換膜可以分為四類：第一種是陽離子交換膜，只允許陽離子通過；第二種是陰離子交換膜，只允許陰離子通過；第三種是質子交換膜，只允許H+通過；第四種是雙極膜，使H+、OH-分別向兩極移動。

2.離子交換膜的作用

離子交換膜的作用有三個：首先能使某些離子選擇性的定向通過，制備特定產品；其次可以平衡電荷，使溶液保持電中性；第三，離子交換膜可以防止某些副反應的發生。其模型如圖1所示，來源于電解原理的應用——氯堿工業：

圖1

氯堿工業模型建構：

(1)裝置

一膜二進四出。一膜指該裝置含有一個陽離子交換膜；二進指原料有兩個進口，陽極室進精制飽和食鹽水，陰極室進含少量NaOH的水溶液(NaOH的作用是增強溶液導電性，提高電解效率)；四出指四個出口，陽極室出來的為淡鹽水和Cl2、陰極室出來的為濃NaOH和H2。圖1中，a為精制飽和食鹽水，b為含少量NaOH的水溶液，c為濃NaOH，d為H2，e為Cl2。

(2)目的

通過電解飽和食鹽水制備Cl2和NaOH，故稱為氯堿工業。明確目的是解題的前提，根據目的能判斷出陰極與陽極、各入口與出口的物質、離子交換膜的類型等。

(3)電極反應式及總反應式

(4)陽離子交換膜的作用

在氯堿工業中，陽離子交換膜可使Na+移向陰極，與OH-結合得到產品NaOH；②平衡電荷，使溶液保持電中性；第三，能防止Cl2與NaOH反應，避免制得的產品不純。

二、認知模型的應用

1.離子交換膜類型的判斷

根據離子交換膜的作用判斷離子交換膜的類型，其方法為：首先判斷目的是否為制備特定產品，如果是，則根據所制備的產品，離子發生定向移動得到產品；其次判斷離子交換膜是否為阻止副反應的發生，如果是，則某些離子不能移動到能發生副反應的區間；如果兩者都不是，則根據電中性原則進行判斷。

【例1】我國科學家最近發明了一種Zn-PbO2電池，電解質為K2SO4、H2SO4和KOH，由a和b兩種離子交換膜隔開，形成A、B、C三個電解質溶液區域，結構示意圖如圖2所示：

圖2

回答下列問題：

(1)電池中，Zn為________極，B區域的電解質為__________(填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)。

(2)電池反應的離子方程式為________________________。

(3)陽離子交換膜為圖中的________(填“a”或“b”)膜。

【答案】(1)負 K2SO4

(3)a

【命題意圖】本題以我國科學家最近發明的一種Zn-PbO2電池為載體，考查原電池基本原理，如正負極的判斷、電解質溶液的選擇、總反應式的書寫、離子交換膜的類型判斷。該電池以新情境的方式出現，其實考查的內容還是電化學基本知識，如負極反應類似于教材中堿性鋅錳干電池的負極反應、正極反應與教材中鉛蓄電池的正極反應是一樣的。

【模型應用】該題考查離子交換膜的類型，結合本題的特點，選用離子交換膜類型判斷的第三個方法“根據電中性原則進行判斷”。

【例2】(2019·全國卷Ⅰ·12)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+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如圖3所示。下列說法錯誤的是

圖3

( )

A.相比現有工業合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能

C.正極區，固氮酶為催化劑，N2發生還原反應生成NH3

D.電池工作時質子通過交換膜由負極區向正極區移動

【答案】B

【命題意圖】本題以生物燃料電池為載體，考查原電池基本原理，如正負極電極反應式、離子的移動方向、離子交換膜的類型。

【模型應用】判斷離子透過交換膜的遷移方向，結合本題的特點，采用離子交換膜類型判斷的第一個方法“判斷是否為制備特定產品，如果是，則根據所制備的產品，離子發生定向移動得到產品”，可以判斷出離子交換膜的類型，進而判斷出離子的移動方向。

【例3】(2021·全國甲卷·13)乙醛酸是一種重要的化工中間體，可采用如圖4所示的電化學裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-，并在直流電場的作用下分別向兩極遷移。下列說法正確的是

圖4

( )

A.KBr在上述電化學合成過程中只起電解質的作用

C.制得2 mol乙醛酸，理論上外電路中遷移了1 mol電子

D.雙極膜中間層中的H+在外電場作用下向鉛電極方向遷移

【答案】D

【命題意圖】本題以電解法制備乙醛酸為載體，考查電解池基本原理，如電極反應式的書寫、轉移電子的計算、離子遷移方向的判斷。

【模型應用】判斷雙極膜中離子的移動方向，利用“離子交換膜的種類”與電解池中離子的遷移方向進行分析。

2.利用離子交換膜制備目標物

利用離子交換膜的選擇性，可以在指定電解室里制備目標產品，解決此類題的方法是先明確目標產物，其次根據離子交換膜的類型，判斷離子遷移的方向(或者根據目標產物，確定離子遷移的方向，進而判斷出離子交換膜的類型)。

【例4】(2018·全國卷Ⅰ·27節選)焦亞硫酸鈉(Na2S2O5)在醫藥、橡膠、印染、食品等方面應用廣泛。回答下列問題：

(1)生產Na2S2O5，通常是由NaHSO3過飽和溶液經結晶脫水制得。寫出該過程的化學方程式：________________。

(3)制備Na2S2O5也可采用三室膜電解技術，裝置如圖5所示，其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。陽極的電極反應式為______________________________。電解后，__________室的NaHSO3濃度增加。將該室溶液進行結晶脫水，可得到Na2S2O5。

圖5

【命題意圖】本題以三室膜電解技術制備Na2S2O5為載體，考查電解池基本原理，如電極反應式的書寫、離子移動方向的判斷。

【模型應用】本題離子交換膜的類型已經給出，兩個交換膜均為陽離子交換膜，只允許陽離子通過。根據本題的目的，結合電極反應式，可以判斷出透過交換膜的離子的遷移方向，進而判斷出目標產物的生成區域。

圖6

下列敘述正確的是

( )

B.該法在處理含Na2SO4廢水時可以得到NaOH和H2SO4產品

D.當電路中通過1 mol電子的電量時，會有0.5 mol的O2生成

【答案】B

【命題意圖】本題以三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水為載體，考查電解池基本原理，如離子移動方向的判斷、電極區pH的變化、電極反應式的書寫、電解相關計算。

3.離子定向遷移數目的計算

從不同的角度來看，離子的遷移數有兩種計算方法，即可根據電極反應式計算——總反應的方程式應符合電中性原則；或根據外電路轉移電子數等于內電路遷移的電荷數計算。

【例6】(2020·山東卷·10)微生物脫鹽電池是一種高效、經濟的能源裝置，利用微生物處理有機廢水獲得電能，同時可實現海水淡化。現以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用如圖7裝置處理有機廢水(以含CH3COO-的溶液為例)。下列說法錯誤的是

圖7

( )

B.隔膜1為陽離子交換膜，隔膜2為陰離子交換膜

C.當電路中轉移1 mol電子時，模擬海水理論上除鹽58.5 g

D.電池工作一段時間后，正、負極產生氣體的物質的量之比為2∶1

【答案】B

【命題意圖】本題以微生物脫鹽電池為載體，考查原電池基本原理，如電極反應式的書寫、電化學相關計算、離子交換膜類型的判斷。

【模型應用】本題離子交換膜類型的判斷采用第一種方法“判斷目的是否為制備特定產品，如果是，則根據所制備的產品，離子發生定向移動得到產品”。該題的目的是除去模擬海水中NaCl，Na+、Cl-分別向兩極移動，根據離子交換膜的選擇性，進而判斷出離子交換膜的類型。離子定向遷移數目的計算，可以依據離子交換膜的第二個作用“平衡電荷，使溶液保持電中性”進行計算。

三、備考策略

由于離子交換膜在工業生產中具有重要應用，在近幾年的高考題中頻繁出現，是電化學的一個熱點問題。這一類題型的特點是新情境、老問題，考查的知識點有原電池原理、電解池原理、化學電源等。考查的學科核心素養有“證據推理與模型認知”，如利用氯堿工業模型解答離子交換膜問題；“宏觀辨識與微觀探析”，如電極反應的現象與電極反應式的書寫；“變化觀念與平衡思想”，如電極反應式中物質變化與能量轉化；“科學探究與創新意識”，如新型化學電源的最新研究成果；“科學態度與社會責任”，如利用電化學基本原理研制高效環保型化學電源等。針對此類題的題型特點及考查內容，學生備考復習時可以從三個方面入手：

1.熟練掌握電化學基本原理

電化學基本原理是解決離子交換膜問題的基礎，是知識向能力轉化的前提。電化學基本原理包括原電池原理、電解池原理、化學電源等，這些基本原理的復習可以針對具體的原理建立相應的認知模型，用建構的模型去解決新情境中的老問題。

2.建構離子交換膜的認知模型

對于離子交換膜的復習，學生首先要對離子交換膜有深刻的理解和認識。離子交換膜在教材中是有據可循的，其來源于魯科版教材中的氯堿工業。學生可將教材中的氯堿工業進行深入挖掘，對離子交換膜的種類及作用進行認知模型建構，并形成一種利用模型分析具體問題的能力。

3.模型的應用與升華