李春文

摘?要：離子交換膜能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)的分離和提純，能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)的制備，能夠治理環(huán)境污染，能夠?qū)崿F(xiàn)海水的淡化.離子交換膜能夠?qū)﹄娊赓|(zhì)溶液的酸堿性產(chǎn)生影響，能夠?qū)﹄姌O反應(yīng)式產(chǎn)生影響，也能對(duì)兩極溶液質(zhì)量產(chǎn)生影響.

關(guān)鍵詞：離子交換膜;應(yīng)用;電化學(xué);高中化學(xué)

中圖分類號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(jù)通過(guò)隔膜的陰陽(yáng)離子可以把離子交換膜分為三類，即陽(yáng)離子交換膜，簡(jiǎn)稱陽(yáng)膜，允許陽(yáng)離子和質(zhì)子通過(guò);陰離子交換膜，簡(jiǎn)稱陰膜，只允許陰離子通過(guò);質(zhì)子交換膜，只允許質(zhì)子通過(guò).選擇合適的離子交換膜能夠?qū)崿F(xiàn)電化學(xué)在實(shí)際生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用，真正做到學(xué)以致用.

一、實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離和提純

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

A.陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為4OH--4e -2H2O+O2↑

B. 陽(yáng)極區(qū)c（H+）增大，H+由a室經(jīng)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入b室

C. a室的電解質(zhì)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(shí)現(xiàn)NaHSO3和Na2SO3混合溶液的分離和提純.根據(jù)裝置圖分析，電解池陽(yáng)極發(fā)生的反應(yīng)為氧化反應(yīng)，則陽(yáng)極處OH-放電產(chǎn)生O2，陽(yáng)極電極反應(yīng)為：4OH --4e -2H2O+O2↑，陰極為物質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)，考慮到溶液是堿性，則陰極反應(yīng)式為：2H2O+2e-2OH-+H2↑.由以上分析，可判斷A項(xiàng)正確;由于陽(yáng)極OH -放電，使陽(yáng)極區(qū)的c（H+）增大，通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入b室，發(fā)生反應(yīng)：SO2-3+H+HSO-3，即b室得到NaHSO3溶液，故B項(xiàng)正確;由于a室和b室之間是陽(yáng)離子交換膜，若稀硫酸換成K2SO4溶液，K+就會(huì)通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入b室，使NaHSO3溶液中混有雜質(zhì)，故C項(xiàng)錯(cuò)誤;陰極發(fā)生還原反應(yīng)，使c室的c（OH-）增大，發(fā)生反應(yīng)：OH-+HSO-3H2O+SO2-3，故D正確.

答案：C

二、實(shí)現(xiàn)物質(zhì)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(yáng)膜和陰膜分別只允許陽(yáng)離子、陰離子通過(guò)）.下列敘述錯(cuò)誤的是（）.

A.通電后，陰極室溶液的pH增大

B.陽(yáng)極電極反應(yīng)式是2H2O-4e-4H++O2↑

C.得到1 mol產(chǎn)品HI，陽(yáng)極室溶液質(zhì)量減少8 g

D.通電過(guò)程中，NaI的濃度逐漸減小

解析?選擇合適的離子交換膜，通過(guò)四室電滲析法制備氫碘酸，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的制備.通電后，陰極電極反應(yīng)式為2H2O+2e-2OH-+H2↑，由于陰極區(qū)的離子交換膜為陽(yáng)膜，產(chǎn)生的OH-不能通過(guò)陽(yáng)離子交換膜，則溶液的pH增大，故A正確;陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為2H2O-4e-4H++O2↑，故B正確;根據(jù)陽(yáng)極電極反應(yīng)式可知，得到1 mol產(chǎn)品HI，則轉(zhuǎn)移1 mol電子，水電解產(chǎn)生的氧氣逸出，產(chǎn)生的H+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室，所以根據(jù)陽(yáng)極電極反應(yīng)式可知，陽(yáng)極室溶液質(zhì)量減少9 g，故C錯(cuò)誤;通電過(guò)程中，陰極室的堿性增強(qiáng)，原料室中的Na+移向陰極室，I-通過(guò)陰膜移向產(chǎn)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(huán)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(shí)吸收SO2和NO.下列有關(guān)說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）.

A.a極為直流電源的負(fù)極，與其相連的電極發(fā)生還原反應(yīng)

B.陰極得到2 mol電子時(shí)，通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的H+為2 mol

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

D.陽(yáng)極發(fā)生的反應(yīng)式為SO2+2e-+2H2OSO2-4+4H+

解析?該裝置合理選擇陽(yáng)離子交換膜，使兩種大氣污染物得以消除，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境的治理.A項(xiàng)，與A相連的電極上，HSO-3轉(zhuǎn)化成S2O2-4，S元素的化合價(jià)+4價(jià)降到+3價(jià)，發(fā)生還原反應(yīng)，所以a極為負(fù)極，與其相連的為陰極，故A項(xiàng)正確;B項(xiàng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：2HSO-3+2e-+2H+S2O2-4+2H2O，而陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：SO2-2e-+2H2OSO2-4+4H+，陰極得到2mol電子時(shí)，陽(yáng)極失去2 mol電子，生成4 mol H+，使陽(yáng)極區(qū)多2 mol正電荷，所以2 mol H+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入陰極區(qū)，發(fā)生還原反應(yīng)，故B項(xiàng)正確;C項(xiàng)，

S2O2-4與NO發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氮?dú)?，離子方程式為：2NO+2S2O2-4+2H2ON2+4HSO-3，故C項(xiàng)正確;D項(xiàng)，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，應(yīng)是SO2失電子，故D項(xiàng)錯(cuò)誤.

答案：D

四、實(shí)現(xiàn)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(jī)廢水中有機(jī)物可用C6H10O5表示.下列有關(guān)說(shuō)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(guò)4 mol電子，產(chǎn)生X氣體的體積在標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)了污水凈化又實(shí)現(xiàn)了海水淡化.其反應(yīng)原理是：NO-3得電子發(fā)生還原反應(yīng)，則裝置中右邊電極是正極，電極反應(yīng)為2NO-3+10e-+12H+N2↑+6H2O，正極陽(yáng)離子濃度減小，右側(cè)選擇陽(yáng)離子交換膜，使海水中的Na+移向正極;裝置左邊電極是負(fù)極，負(fù)極上有機(jī)物失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)生成X，有機(jī)物在厭氧菌作用下生成二氧化碳，其電極反應(yīng)式為：C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+，負(fù)極區(qū)的正電荷增多，左側(cè)室陰離子交換膜，海水中的Cl-移向負(fù)極.這樣既實(shí)現(xiàn)了污水的凈化，又實(shí)現(xiàn)了海水的淡化.根據(jù)負(fù)極的電極反應(yīng)式C6H10O5-24e-+7H2O6CO2↑+24H+，電路中每通過(guò)4 mol電子，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yōu)點(diǎn)，有望成為新能源汽車和移動(dòng)設(shè)備的電源，該類電池放電的總反應(yīng)方程式為：4M+nO2+2nH2O4M（OH）n，已知：電池的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能，下列說(shuō)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(zhì)溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴(kuò)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(guò)程的正極反應(yīng)式：4M++nO2+2nH2O+4ne-4M（OH）n

D. 在Mg-空氣電池中，為防止負(fù)極區(qū)沉積

Mg（OH）2沉淀，宜采用中性電解質(zhì)及陽(yáng)離子交換膜

解析?A選項(xiàng)，反應(yīng)物接觸面積越大，反應(yīng)速率越快，所以采用多孔電極的目的是提高電極與電解質(zhì)溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴(kuò)散至電極表面，從而提高反應(yīng)速率，故A正確;B選項(xiàng)，電池的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能，則單位質(zhì)量的電極材料失去電子的物質(zhì)的量越多則得到的電能越多，假設(shè)質(zhì)量都是1g時(shí)，這三種金屬轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)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(xiàng)，正極上氧氣得電子和水反應(yīng)生成OH-，因?yàn)槭顷庪x子交換膜，所以陽(yáng)離子不能進(jìn)入正極區(qū)域，則正極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-4OH-，故C錯(cuò)誤;D選項(xiàng)，負(fù)極上Mg失電子生成Mg2+，為防止負(fù)極區(qū)沉積Mg（OH）2，則負(fù)極區(qū)溶液不能含有大量OH-，同時(shí)使Mg2+向正極移動(dòng)，所以宜采用中性電解質(zhì)及陽(yáng)離子交換膜，故D正確.

答案：C

六、對(duì)溶液的pH產(chǎn)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(duì)該海水樣品進(jìn)行淡化處理，如圖所示.下列說(shuō)法正確的是（）.

A.b膜是陽(yáng)離子交換膜

B.A極室產(chǎn)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(chǎn)生的氣體可使?jié)駶?rùn)的KI-淀粉試紙變藍(lán)

解析?若實(shí)現(xiàn)海水的淡化，需要將陰陽(yáng)離子向兩極移動(dòng)，所以a膜為陰離子交換膜，b膜為陽(yáng)離子交換膜.A極上的電極反應(yīng)為：2Cl--2e-Cl2↑，Cl2溶于水，使A區(qū)的pH減小，同時(shí)產(chǎn)生的Cl2能使?jié)駶?rùn)的KI-淀粉試紙變藍(lán).B極上的電極反應(yīng)為：2H++2e-H2↑，由于b膜是陽(yáng)離子交換膜，產(chǎn)生的OH-不會(huì)向陽(yáng)極移動(dòng)，所以會(huì)使B區(qū)的堿性增強(qiáng)，pH變大，而C區(qū)就是電解質(zhì)向陰陽(yáng)兩極移動(dòng)的過(guò)程，pH不變，則pH大小關(guān)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(xué)的問(wèn)題，幾乎都要涉及離子交換膜.有了離子交換膜，才使電化學(xué)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)電化學(xué)的重要意義.

參考文獻(xiàn)：

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

[責(zé)任編輯：季春陽(yáng)]