江蘇 陳仕功

高考新常態(tài)
——有關(guān)交換膜的電化學(xué)試題

江蘇 陳仕功

近幾年高考試題來(lái)看，電化學(xué)知識(shí)成為試題明星，而有關(guān)交換膜的電化學(xué)試題更是引領(lǐng)高考新常態(tài)，緊跟社會(huì)發(fā)展和生產(chǎn)生活實(shí)際，成為明星中的明星。下面就交換膜有關(guān)知識(shí)做一分類例析。

一、使用陽(yáng)離子交換膜的電化學(xué)裝置

【例1】（2015山東，節(jié)選）利用LiOH和鈷氧化物可制備鋰離子電池正極材料。LiOH可由電解法制備，鈷氧化物可通過(guò)處理鈷渣獲得。利用如圖裝置電解制備LiOH，兩電極區(qū)電解液分別為L(zhǎng)iOH和LiCl溶液。B 極區(qū)電解液為_(kāi)_______（填化學(xué)式）溶液，陽(yáng)極電極反應(yīng)式為_(kāi)_________ ______，電解過(guò)程中Li＋向________（填“A”或“B”）電極遷移。

【解析】B極區(qū)生產(chǎn)H2，則電極B為陰極，電極式：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，同時(shí)生成LiOH，則B極區(qū)電解液為L(zhǎng)iOH溶液；電極A為陽(yáng)極，陽(yáng)極區(qū)電解液為L(zhǎng)iCl溶液，根據(jù)放電順序，陽(yáng)極上Cl－失去電子，則陽(yáng)極電極反應(yīng)式為2Cl－—2e－Cl2↑；根據(jù)電流方向，電解過(guò)程中Li＋向B電極遷移。

【答案】LiOH 2Cl－—2e－Cl2↑ B

【例2】（2015天津）鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子和水分子通過(guò)，下列有關(guān)敘述正確的是（ ）

A．銅電極上發(fā)生氧化反應(yīng)

C．電池工作一段時(shí)間后，乙池溶液的總質(zhì)量增加

D．陰陽(yáng)離子分別通過(guò)交換膜向負(fù)極和正極移動(dòng)，保持溶液中電荷平衡

【解析】該原電池反應(yīng)式為Zn＋Cu2＋Zn2＋＋Cu，Zn為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，Cu為正極，發(fā)生還原反應(yīng)，故A錯(cuò)誤；陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子和水分子通過(guò)，故兩池中c（SO24－）不變，故B錯(cuò)誤；甲池中的Zn2＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入乙池，乙池中發(fā)生反應(yīng)：Cu2＋＋2e－Cu，保持溶液呈電中性，進(jìn)入乙池的Zn2＋與放電的Cu2＋的物質(zhì)的量相等，而Zn的相對(duì)原子質(zhì)量大于Cu，故乙池溶液總質(zhì)量增大，故C正確；甲池中的Zn2＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入乙池，以保持溶液電荷守恒，陰離子不能通過(guò)陽(yáng)離子交換膜，故D錯(cuò)誤。

【答案】C

【背景知識(shí)】離子交換膜是一種含離子的基團(tuán)，對(duì)溶液里的離子具有選擇透過(guò)的高分子膜，又稱離子選擇性透過(guò)膜。其中陽(yáng)離子交換膜有很多微孔，孔道上有許多帶負(fù)電荷的基團(tuán)，陽(yáng)離子可以自由通過(guò)孔道，而陰離子移動(dòng)到孔道處，受到孔道帶負(fù)電荷基團(tuán)的排斥而不能進(jìn)入孔道中，因而不能通過(guò)交換膜。［例1］使用陽(yáng)離子交換膜，H2、OH－不能通過(guò)交換膜，保證Cl2和生成的H2、OH－不接觸，同時(shí)Li＋能通過(guò)，制得濃度更高的LiOH，而LiCl溶液濃度降低，須定時(shí)添加。［例2］使用陽(yáng)離子交換膜，甲池中的Zn2＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入乙池，以保持溶液電荷守恒，而SO2－4卻不能透過(guò)。

二、使用陰離子交換膜的電化學(xué)裝置

【例3】（2013浙江）電解裝置如圖所示，電解槽內(nèi)裝有KI及淀粉溶液，中間用陰離子交換膜隔開(kāi)。在一定的電壓下通電，發(fā)現(xiàn)左側(cè)溶液變藍(lán)色，一段時(shí)間后，藍(lán)色逐漸變淺。已知：3I2＋ 6OH－IO3－＋5I－＋3H2O，下列說(shuō)法不正確的是（ ）

A．右側(cè)發(fā)生的電極方程式：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－

C．電解槽內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的總化學(xué)方程式KI＋3H2OKIO3＋3H2↑

D．如果用陽(yáng)離子交換膜代替陰離子交換膜，電解槽內(nèi)發(fā)生的總化學(xué)方程式不變

【解析】電解的電極反應(yīng)：陽(yáng)極2I－－2e－I2，使左側(cè)溶液變藍(lán)色；3I2＋6OH－IO＋5I－＋3H2O，則一段時(shí)間后，藍(lán)色變淺；IO通過(guò)陰離子交換膜向右側(cè)移動(dòng)；陰極2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，右側(cè)放出氫氣。

如果用陽(yáng)離子交換膜代替陰離子交換膜：陽(yáng)極2I－－2e－I2，多余K＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜遷移至陰極；陰極2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，保證兩邊溶液呈電中性，結(jié)果不會(huì)生成IO，總化學(xué)方程式當(dāng)然不同。

【答案】D

【例4】（2013江蘇）Mg－H2O2電池可用于驅(qū)動(dòng)無(wú)人駕駛的潛航器。該電池以海水為電解質(zhì)溶液，示意圖如下。該電池工作時(shí)，下列說(shuō)法正確的是（ ）

A．Mg電極是該電池的正極

B．H2O2在石墨電極上發(fā)生氧化反應(yīng)

C．石墨電極附近溶液的pH增大

D．溶液中Cl－向正極移動(dòng)

【解析】本題考查學(xué)生對(duì)原電池工作原理的理解程度，是一道簡(jiǎn)單的電化學(xué)試題。組成的原電池的負(fù)極被氧化，鎂為負(fù)極，而非正極；雙氧水作為氧化劑，在石墨上被還原變?yōu)樗?，溶液pH增大；溶液中Cl－移動(dòng)方向同外電路電子移動(dòng)方向一致，應(yīng)向負(fù)極方向移動(dòng)，隔膜應(yīng)為陰離子交換膜。

【答案】C

【背景知識(shí)】離子交換膜的功能在于選擇性地通過(guò)某些離子和阻止某些離子來(lái)隔離某些物質(zhì)。陰離子交換膜也有很多微孔，孔道上有許多帶正電荷的基團(tuán)，陰離子可以自由通過(guò)孔道，而陽(yáng)離子移動(dòng)到孔道處，受到孔道帶正電荷基團(tuán)的排斥而不能進(jìn)入孔道中，因而不能通過(guò)交換膜。［例3］中陰離子交換膜保證OH－，IO通過(guò)，從而發(fā)生上述現(xiàn)象；陽(yáng)離子交換膜使K＋通過(guò)，OH—不能通過(guò)，所以發(fā)生總反應(yīng)不同。［例4］隔膜應(yīng)為陰離子交換膜，從而保證Cl－順利透過(guò)。

三、使用質(zhì)子交換膜的電化學(xué)裝置

【例5】（2013重慶）化學(xué)在環(huán)境保護(hù)中起著十分重要的作用，電化學(xué)降解法可用于治理水中硝酸鹽的污染。電化學(xué)降解NO的原理如圖所示。

①電源正極為_(kāi)_________（填“A”或“B”），陰極反應(yīng)式為_(kāi)________________。

②若電解過(guò)程中轉(zhuǎn)移了2mol電子，則膜兩側(cè)電解液的質(zhì)量變化差（Δm左－Δm右）為_(kāi)_______g。

②14．4

【例6】（2015新課標(biāo)Ⅰ）微生物電池是指在微生物的作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作原理如圖所示。下列有關(guān)微生物電池的說(shuō)法錯(cuò)誤的是（ ）

A．正極反應(yīng)中有CO2生成

B．微生物促進(jìn)了反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移

C．質(zhì)子通過(guò)交換膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)

D．電池總反應(yīng)為C6H12O6＋6O26CO2＋6H2O

【解析】首先根據(jù)原電池反應(yīng)判斷出厭氧反應(yīng)為負(fù)極區(qū)域，有氧反應(yīng)為正極區(qū)域。根據(jù)厭氧反應(yīng)中碳元素的化合價(jià)的變化：葡萄糖分子中碳元素平均為0價(jià)，二氧化碳中碳元素的化合價(jià)為＋4價(jià)，所以生成二氧化碳的反應(yīng)為氧化反應(yīng)，所以在負(fù)極生成；在微生物的作用下，該裝置為原電池裝置，能加快氧化還原反應(yīng)速率，故微生物促進(jìn)了電子的轉(zhuǎn)移；原電池中陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，電池的總反應(yīng)實(shí)質(zhì)是葡萄糖的氧化反應(yīng)。

【答案】A

【背景知識(shí)】質(zhì)子交換膜（PEM）是PEMFC核心部件，是一種能使質(zhì)子選擇透過(guò)的膜，對(duì)質(zhì)子具有良好識(shí)別能力，只允許質(zhì)子透過(guò)，而電子、原料氣等不可以透過(guò)。本題以環(huán)境保護(hù)為背景考查化學(xué)理論，是平衡理論和電化學(xué)理論的綜合，陽(yáng)極產(chǎn)生H＋，透過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，參與放電，而能使質(zhì)子交換的是固定在氟碳高聚物主鏈上的磺酸基。

四、使用多膜的電化學(xué)裝置

【例7】（2014新課標(biāo)Ⅰ，節(jié)選）次磷酸（H3PO2）是一種精細(xì)化工產(chǎn)品，具有較強(qiáng)還原性，回答下列問(wèn)題：H3PO2可以通過(guò)電解的方法制備，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)）：

①寫(xiě)出陽(yáng)極的電極反應(yīng)式：________________________；

②分析產(chǎn)品室可得到H3PO2的原因______________；

③早期采用“三室電滲析法”制備H3PO2，將“四室電滲析法”中陽(yáng)極室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去陽(yáng)極室與產(chǎn)品室之間的陽(yáng)膜，從而合并了陽(yáng)極室與產(chǎn)品室，其缺點(diǎn)是產(chǎn)生__________雜質(zhì)。該雜質(zhì)產(chǎn)生的原因是________ __________。

【解析】①在陽(yáng)極室陰離子有OH－和SO，OH－優(yōu)先放電，故電極反應(yīng)為2H2O－4e－O2↑＋4H＋；②電解時(shí)，陽(yáng)極室產(chǎn)生的H＋定向移動(dòng)，穿過(guò)陽(yáng)膜擴(kuò)散到產(chǎn)品室，原料室的H2PO定向移動(dòng)，穿過(guò)陰膜擴(kuò)散至產(chǎn)品室，發(fā)生H3PO2；③早期采用的是上圖所示的三室電滲析法電解，由于2H2O－4e－O2↑＋4H＋，產(chǎn)生O2的氧氣會(huì)將較強(qiáng)還原性的H3PO3或氧化，，，從而導(dǎo)致雜質(zhì)的產(chǎn)生，四室法可防止O2與H3PO2或H2PO2－接觸。

【答案】①2H2O－4e－O2↑＋4H＋②陽(yáng)極室的H＋穿過(guò)陽(yáng)膜擴(kuò)散到產(chǎn)品室，原料室的H2PO穿過(guò)陰膜擴(kuò)散到產(chǎn)品室，二者反應(yīng)生成 ③被氧化

【背景知識(shí)】交換膜在電化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，工業(yè)上用電解原理來(lái)制取產(chǎn)品時(shí)，使用離子交換膜具有占地面積小，能連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量高，能耗低等優(yōu)點(diǎn)。本題以次磷酸（H3PO2）為載體，考查電解原理在物質(zhì)制備中的應(yīng)用，突出電滲析原理的新信息的獲取、分析、理解，充分體現(xiàn)了“源于教材又不拘泥于教材”的指導(dǎo)思想，即不僅要知其然，還要知其所以然。

（作者單位：江蘇省響水中學(xué)）