電化學(xué)中的離子交換膜賞析

1、電化學(xué)中的離子交換膜賞析韓錦藝（慈溪市滸山中學(xué) 浙江 寧波 慈溪315301）隨著課程改革的進(jìn)行，新課程的教育理念和教學(xué)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(xué)煥發(fā)勃勃生機(jī)。特別是關(guān)于課堂實(shí)效是重中之重，尤其是課堂設(shè)計(jì)。近年來(lái)在高考中出現(xiàn)了有關(guān)交換膜原理應(yīng)用的考查題，非常值得關(guān)注.以下是我對(duì)此類題型的改編，希望通過(guò)例題讓學(xué)生理解離子交換摸的應(yīng)用以作用。"離子交換膜"是一種含離子基團(tuán)、對(duì)溶液里的離子具有選擇透過(guò)能力的高分子膜,在應(yīng)用時(shí)主要利用它的選擇透過(guò)性，又稱離子選擇透過(guò)性膜，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛應(yīng)用。中學(xué)常見(jiàn)的交換膜有陽(yáng)離子膜、陰離子膜、質(zhì)子膜、特殊離子交換

2、膜?；瘜W(xué)2專題4 化學(xué)科學(xué)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(yīng)用了陽(yáng)離子交換膜。下面我們來(lái)欣賞4個(gè)例題。1、離子交換膜：陽(yáng)離子交換膜: 陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)，阻止陰離子和氣體通過(guò)。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(xué)式）  

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

4、，用化學(xué)平衡移動(dòng)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(shí)，因陰極H+放電，陽(yáng)極Cl-放電，所以電極a為正極。（2）為使兩室溶液電荷平衡，陽(yáng)極室中的鈉離子通過(guò)陽(yáng)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(yáng)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(dòng)原理知，增大鹽酸的濃度可使平衡向逆向

6、移動(dòng)，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(kāi)氯氣和氫氧化鈉，防止兩者反應(yīng)。隔開(kāi)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(guò)，阻止陽(yáng)離子和氣體通過(guò)。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(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（）通電A右側(cè)發(fā)生的電極反應(yīng)式：2H2O+2e-=H2+2OH-B電解結(jié)束后，右側(cè)溶液中含有IO3-C電解槽內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的總化學(xué)方程式：KI+3H2O =

7、KIO3+3H2D如果用陽(yáng)離子交換膜代替陰離子交換膜，電解槽內(nèi)總反應(yīng)不變通電解析：A左側(cè)溶液變藍(lán)色，生成I2，左側(cè)電極為陽(yáng)極，右側(cè)電極為陰極，陰極上氫離子得電子生成氫氣，右側(cè)電極反應(yīng)式為：2H+2e- = H2，故A正確；B左側(cè)電極為陽(yáng)極，電極反應(yīng)為：2I-2e-=I2，同時(shí)發(fā)生反3I2+6OH-=IO3-+5I-+3H2O，右側(cè)電極為陰極，電極反應(yīng)式為：2H2O+2e-=H2+2OH-，故總的電極反應(yīng)式為：KI+3H2O = KIO3+I2,故B正確。通電C一段時(shí)間后，藍(lán)色變淺，發(fā)生反應(yīng)3I2+6OH-=IO3-+5I-+3H2O，中間為陰離子交換膜，右側(cè)I-、OH-通過(guò)陰離子交換膜向左側(cè)移

8、動(dòng)，保證兩邊溶液呈電中性，左側(cè)的IO3-通過(guò)陰離子交換膜向右側(cè)移動(dòng)，故右側(cè)溶液中含有IO3-，故C正確；D如果用陽(yáng)離子交換膜代替陰離子交換膜，左側(cè)電極為陽(yáng)極，電極反應(yīng)為：2I-2e-=I2，右側(cè)電極為陰極，電極反應(yīng)式為：2H2O+2e-=H2+2OH-，保證兩邊溶液呈電中性，左側(cè)多余K+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜遷移至陰極，左側(cè)生成I2，右側(cè)溶液中有KOH生成，碘單質(zhì)與KOH隔開(kāi)，總反應(yīng)相當(dāng)于：2KI+2H2O = 2KOH+I2+H2，電解槽內(nèi)發(fā)生的總化學(xué)方程式發(fā)生變化，故D錯(cuò)誤。故選D離子交換膜綜合應(yīng)用例如3、（2015宜昌高三教學(xué)測(cè)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(shuō)

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(yīng)：4OH- - 4e-O2+2H2OB電解過(guò)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(guò)程中需要控制廢水pHD若將圖中陽(yáng)離子膜去掉，將A、B兩室合并，則電解反應(yīng)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(yáng)極，電極反應(yīng)4OH-4e-=2H2O+O2，故A正確；B、鍍鎳鐵棒與電源負(fù)極相連是電解池的陰極，電極反應(yīng)Ni2+2e-=Ni電解過(guò)程中為平衡A、C中的電荷，A中的Na+和C中的Cl-分別通過(guò)陽(yáng)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(cuò)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(guò)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(yáng)離子膜去掉，由于放電順序Cl-OH-，則Cl-移向陽(yáng)極放電：2Cl- -2e-=Cl2，電解反應(yīng)總方程式會(huì)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(guò)。例題4、（2010重慶節(jié)選）釩(v)及其化合物廣泛應(yīng)用于工業(yè)催化、新材料和新能源等領(lǐng)域。V2O5是接觸法制硫酸的催化劑。 全釩液流儲(chǔ)能電池是利用不同價(jià)態(tài)離子對(duì)的氧化還原反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能相

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

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

13、2O，說(shuō)明此時(shí)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(guò)程中，右槽連接的是電源負(fù)極，為電解池的陰極，電極反應(yīng)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(shí)，左槽發(fā)生的反應(yīng)為VO2+H2O-e-=VO2+2H+，當(dāng)轉(zhuǎn)移電子為3.01×1023個(gè)即為0.5mol電子時(shí)，生成氫離子為1mol，通過(guò)交換膜定向移動(dòng)使電流通過(guò)溶液，溶液中離子的定向移動(dòng)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(guò)對(duì)以上