電化學中的離子交換膜賞析

1、電化學中的離子交換膜賞析韓錦藝（慈溪市滸山中學 浙江 寧波 慈溪315301）隨著課程改革的進行，新課程的教育理念和教學方式，使廣大教師的教育理念隨之改變，也使我們的課堂教學煥發(fā)勃勃生機。特別是關于課堂實效是重中之重，尤其是課堂設計。近年來在高考中出現(xiàn)了有關交換膜原理應用的考查題，非常值得關注.以下是我對此類題型的改編，希望通過例題讓學生理解離子交換摸的應用以作用。"離子交換膜"是一種含離子基團、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜,在應用時主要利用它的選擇透過性，又稱離子選擇透過性膜，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛應用。中學常見的交換膜有陽離子膜、陰離子膜、質(zhì)子膜、特殊離子交換

2、膜。化學2專題4 化學科學與人類文明第一單元中有電解飽和食鹽水的裝置：裝置中應用了陽離子交換膜。下面我們來欣賞4個例題。1、離子交換膜：陽離子交換膜: 陽離子交換膜只允許陽離子通過，阻止陰離子和氣體通過。例如1：氯堿工業(yè)中電解飽和食鹽水的原理示意圖如下圖所示：（1）電極a是電源的                。      （2）溶液A的溶質(zhì)是（填化學式）  

3、;             。（3）電解飽和食鹽水的離子方程式是                              。（4）電解時用鹽酸控制陽極區(qū)溶液的pH在23

4、，用化學平衡移動原理解釋鹽酸的作用                             。（5）離子交換膜的作用為                

5、  、                    。解析：（1）電解飽和食鹽水時，因陰極H+放電，陽極Cl-放電，所以電極a為正極。（2）為使兩室溶液電荷平衡，陽極室中的鈉離子通過陽離子交換膜遷入陰極室；陰極處OH-增加，所以溶液A的溶質(zhì)為NaOH。（3）略。（4）因陽極上產(chǎn)生Cl2能溶解于水，產(chǎn)能發(fā)生Cl2+H2OHCl+HClO，根據(jù)平衡移動原理知，增大鹽酸的濃度可使平衡向逆向

6、移動，調(diào)節(jié)批pH23可減少了氯氣的溶解度，有利于氯氣的溢出。（5）隔開氯氣和氫氧化鈉，防止兩者反應。隔開氯氣和氫氣，防止兩者混合，在光照下發(fā)生爆炸。陰離子交換膜：陰離子交換膜只允許陰離子通過，阻止陽離子和氣體通過。例如2、（2013浙江理綜）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在一定的電壓下通電，發(fā)現(xiàn)左側溶液變藍色，一段時間后，藍色逐漸變淺已知：3I2+6OH- =IO3-+5I-+3H2O，下列說法不正確的是（）通電A右側發(fā)生的電極反應式：2H2O+2e-=H2+2OH-B電解結束后，右側溶液中含有IO3-C電解槽內(nèi)發(fā)生反應的總化學方程式：KI+3H2O =

7、KIO3+3H2D如果用陽離子交換膜代替陰離子交換膜，電解槽內(nèi)總反應不變通電解析：A左側溶液變藍色，生成I2，左側電極為陽極，右側電極為陰極，陰極上氫離子得電子生成氫氣，右側電極反應式為：2H+2e- = H2，故A正確；B左側電極為陽極，電極反應為：2I-2e-=I2，同時發(fā)生反3I2+6OH-=IO3-+5I-+3H2O，右側電極為陰極，電極反應式為：2H2O+2e-=H2+2OH-，故總的電極反應式為：KI+3H2O = KIO3+I2,故B正確。通電C一段時間后，藍色變淺，發(fā)生反應3I2+6OH-=IO3-+5I-+3H2O，中間為陰離子交換膜，右側I-、OH-通過陰離子交換膜向左側移

8、動，保證兩邊溶液呈電中性，左側的IO3-通過陰離子交換膜向右側移動，故右側溶液中含有IO3-，故C正確；D如果用陽離子交換膜代替陰離子交換膜，左側電極為陽極，電極反應為：2I-2e-=I2，右側電極為陰極，電極反應式為：2H2O+2e-=H2+2OH-，保證兩邊溶液呈電中性，左側多余K+通過陽離子交換膜遷移至陰極，左側生成I2，右側溶液中有KOH生成，碘單質(zhì)與KOH隔開，總反應相當于：2KI+2H2O = 2KOH+I2+H2，電解槽內(nèi)發(fā)生的總化學方程式發(fā)生變化，故D錯誤。故選D離子交換膜綜合應用例如3、（2015宜昌高三教學測試）工業(yè)上電解法處理含鎳酸性廢水并得到單質(zhì)Ni的原理如圖所示下列說

9、法不正確的是（）已知：Ni2+在弱酸性溶液中發(fā)生水解 氧化性：Ni2+（高濃度）H+Ni2+（低濃度）A碳棒上發(fā)生的電極反應：4OH- - 4e-O2+2H2OB電解過程中，B室 NaCl溶液的物質(zhì)的量濃度將不斷減少C為了提高Ni的產(chǎn)率，電解過程中需要控制廢水pHD若將圖中陽離子膜去掉，將A、B兩室合并，則電解反應總方程式發(fā)生改變。 解析：A、由圖知，碳棒與電源正極相連是電解池的陽極，電極反應4OH-4e-=2H2O+O2，故A正確；B、鍍鎳鐵棒與電源負極相連是電解池的陰極，電極反應Ni2+2e-=Ni電解過程中為平衡A、C中的電荷，A中的Na+和C中的Cl-分別通過陽離子膜和陰離子膜移向B中

10、，這使B中NaCl溶液的物質(zhì)的量濃度不斷增大，故B錯誤；C、因Ni2+在弱酸性溶液中易發(fā)生水解；氧化性：Ni2+（高濃度）H+Ni2+（低濃度），電解過程中需要控制廢水pH，抑制Ni2+水解，提高產(chǎn)率。故C正確；D、若將圖中陽離子膜去掉，由于放電順序Cl-OH-，則Cl-移向陽極放電：2Cl- -2e-=Cl2，電解反應總方程式會發(fā)生改變，故D正確；故選B2、質(zhì)子交換膜：只允許質(zhì)子（H+）通過。例題4、（2010重慶節(jié)選）釩(v)及其化合物廣泛應用于工業(yè)催化、新材料和新能源等領域。V2O5是接觸法制硫酸的催化劑。 全釩液流儲能電池是利用不同價態(tài)離子對的氧化還原反應來實現(xiàn)化學能和電能相

11、互轉化的裝置，其原理如下圖所示。 （1）當左槽溶液顏色逐漸由黃變藍，其電極反應式為            。 （2）充電過程中，右槽溶液顏色逐漸由            色變?yōu)?#160;           色。 （3）放電過程中氫離子的作用是&#

12、160;           和            。充電時若轉移的電子數(shù) 為3.0l×1023個，左槽溶液中n(H+)的變化量為            。解析：（1）當左槽溶液逐漸由黃變藍，其電極反應式為VO2+2H+e-=VO2+H

13、2O，說明此時為原電池，且為原電池的正極故答案為：VO2+2H+e-=VO2+H2O；（2）充電過程中，右槽連接的是電源負極，為電解池的陰極，電極反應式為V3+e-=V2+，V3+為綠色，V2+為紫色，故可以看到右槽溶液顏色逐漸由綠色變?yōu)樽仙蚀鸢笧椋壕G，紫；（3）充電時，左槽發(fā)生的反應為VO2+H2O-e-=VO2+2H+，當轉移電子為3.01×1023個即為0.5mol電子時，生成氫離子為1mol，通過交換膜定向移動使電流通過溶液，溶液中離子的定向移動可形成電流，移出0.5molH+，則左槽溶液中n（H+）的變化量為1mol-0.5mol=0.5mol，故答案為：0.5mol。3、特殊離子交換膜： 雙極膜等。 通過對以上