何友潔

摘 要：現(xiàn)代化教育背景下，高中化學(xué)教育教學(xué)中會(huì)關(guān)注高考的試題傾向，這樣能幫助學(xué)生更有針對(duì)性的進(jìn)行學(xué)習(xí)。近年來(lái)涉及離子交換膜的電化學(xué)試題頻繁出現(xiàn)在全國(guó)高考試題中，這種題型體現(xiàn)綜合考察性的特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)也有極高的要求。但現(xiàn)階段的高中化學(xué)教材中，很少有圍繞離子交換膜的介紹。面對(duì)這樣的情況，為了幫助學(xué)生的化學(xué)綜合素養(yǎng)的提升，讓學(xué)生更順應(yīng)高考解題的需要，文章圍繞著離子交換膜在電化學(xué)中的應(yīng)用及其解法展開(kāi)分析。

關(guān)鍵詞：離子交換膜;電化學(xué)解題;應(yīng)用途徑

在高中化學(xué)魯科版2019選擇性必修一第三章物質(zhì)在水溶液中的行為提到離子反應(yīng)，在離子反應(yīng)中，圍繞離子反應(yīng)發(fā)生的條件、離子反應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)的探究。其中進(jìn)一步的延伸就可以將離子交換膜呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，離子交換膜的應(yīng)用以及電解液介質(zhì)對(duì)電極反應(yīng)的影響，是近年來(lái)試題中出現(xiàn)較高頻率的內(nèi)容。通過(guò)離子交換膜的功能在于選擇性的透過(guò)某些離子和阻止某些離子來(lái)隔離某些物質(zhì)，電解液介質(zhì)主要是對(duì)電極反應(yīng)物的產(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng)。

一、電化學(xué)中的交換膜和介質(zhì)

對(duì)離子交換膜在電化學(xué)解題中的應(yīng)用展開(kāi)分析，要從宏觀層面對(duì)調(diào)化學(xué)中的交換膜和介質(zhì)進(jìn)行全面了解。交換膜的作用就是讓離子選擇性的定向遷移，主要目的是保障整個(gè)溶液離子濃度或電荷的平衡[1]。交換膜的主要作用就是在電化學(xué)中防止副反應(yīng)的出現(xiàn)，防止各種不安全因素出現(xiàn)。交換膜在物質(zhì)的制備、分離和提純中發(fā)揮著非常突出的作用。離子交換膜的主要類型就是陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜和特殊離子交換膜。在電化學(xué)中常見(jiàn)的介質(zhì)包括CH3OH、O2燃料電池。

隔膜式離子交換膜的又一個(gè)別稱，它們都是高分子特殊材料所制成的。前文提到了離子交換膜的幾種類型，在陽(yáng)離子交換膜的情況下是只允許陽(yáng)離子通過(guò)，自身不允許應(yīng)力通過(guò)。反之在陰離子交換膜的情況下，只允許陰離子通過(guò)，不允許陽(yáng)離子通過(guò)。而在一種特殊類型的交換膜中，是只允許質(zhì)子通過(guò)，不允許陽(yáng)離子和陰離子通過(guò)。隔膜的作用就是將兩個(gè)極區(qū)相隔離，防止兩個(gè)極區(qū)內(nèi)的物質(zhì)出現(xiàn)接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能選擇性的通過(guò)離子起到平衡電荷，形成閉合回路的效果。

二、離子交換膜在電化學(xué)解題中的應(yīng)用

在解題過(guò)程中遇到離子交換膜的電化學(xué)生題時(shí)，題解題思路分為三個(gè)步驟，首先對(duì)題目進(jìn)行仔細(xì)審核，了解離子交換膜的類型，從而明確這種離子交換膜允許哪種立即通過(guò)，這一步是非常關(guān)鍵的，也是基本。另外要寫(xiě)出準(zhǔn)確規(guī)范的電極反應(yīng)式，判斷離子交換膜兩側(cè)離子的變化。最后圍繞題目的相關(guān)要求完成書(shū)寫(xiě)規(guī)范作答，接下來(lái)就根據(jù)相關(guān)的題目進(jìn)行分析，來(lái)了解離子交換膜在電化學(xué)解題中是如何應(yīng)用的[2]。

例1 ：（ 2018 年全國(guó)卷Ⅲ27 題節(jié)選） KIO3 是一種 無(wú)機(jī)化合物，可作為食鹽的補(bǔ)碘劑，回答下列問(wèn)題：

①寫(xiě)出電解時(shí)陰極的電極反應(yīng)式

②電解過(guò)程中通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的離子主要為

其遷移方向是

在看到這一題目時(shí)，學(xué)生們首先要做的事情就是了解這道題考查的內(nèi)容。這道題考察的是化學(xué)工業(yè)以及電化學(xué)相關(guān)知識(shí)，在解題過(guò)程中，離子交換膜是陽(yáng)離子交換膜。根據(jù)圖1的內(nèi)容，能發(fā)現(xiàn)陰極區(qū)為氫氧化鉀溶液，電極反應(yīng)為水電離的氫離子放電，所以反應(yīng)式為2H+ + 2e -==H2↑。在這樣的情況下，陰極區(qū)水的電離平衡容易被破壞，平衡向電離方向移動(dòng)，OH- 本身的濃度也會(huì)增大，為了使溶液呈電中性，溶液中的陽(yáng)離子需要向陰極遷移，這時(shí)候溶液中會(huì)大量存在k+遷移，方向是從左邊向右邊，即從a側(cè)到b側(cè)。透過(guò)這道題目能發(fā)現(xiàn)該題考查的主要是陽(yáng)離子交換膜參與電解裝置圍繞著電極的極性、電極反應(yīng)式的情況進(jìn)行了考察。在這個(gè)題目中，要求電解反應(yīng)是一定要準(zhǔn)確規(guī)范地書(shū)寫(xiě)明白，任何電解質(zhì)溶液都呈電中性的知識(shí)點(diǎn)，就能順利解題。

例2：正在研發(fā)的鋰空氣電池能量密度高、成本低，可作為未來(lái)電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，其中多孔電極材料催化劑使該電池表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能。電池反應(yīng)為2Li+O2===Li2O2。其工作原理如圖2。下列有關(guān)該電池的說(shuō)法不正確的是（ ）

A.該電池的有機(jī)電解液可用鋰鹽的有機(jī)溶液

B.離子交換膜采用陰離子交換膜

C.電池充電時(shí)間越長(zhǎng)，電池中Li2O2越多

D.電池工作時(shí)，正極反應(yīng)可能經(jīng)過(guò)兩個(gè)過(guò)程：

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所說(shuō)，在電化學(xué)解題中，離子交換膜的主要應(yīng)用就是先讀題，判斷好離子交換膜的類型，然后寫(xiě)出電極反應(yīng)式，這樣就能判斷交換膜兩側(cè)離子變化，最后根據(jù)題目完成規(guī)范操作即可。

參考文獻(xiàn)：

[1]許海菊.淺談離子交換膜在電化學(xué)解題中的應(yīng)用技巧[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)（高中版），2021（08）：63-64.

[2]魏春明.“離子交換膜”在電化學(xué)中的應(yīng)用[J].理科考試研究，2018，25（19）：53-56.