聚焦离子交换膜在电化学中的考查

2017-09-25常艳华

中学化学 2017年7期

关键词：阳离子阴离子阳极

常艳华

电化学的内容是历年高考重要考点之一，考查方式主要以选择题和电极反应式书写及计算的形式出现。近三年在电解池或原电池中涉及到离子交换膜的题目明显增多，部分考生由于对膜材料性质

不会分析，题目的解答准确率明显下降。本文分类解析一下与离子交换膜有关的近两年的电化学高考题。

题型一：在原电池中的考查

例1 （2016年浙江卷）金属（M）-空氣电池（如图1）具有原料易得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为：

4M+nO2+2nH2O4M（OH） n

已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。下列说法不正确的是（）。

A.采用多孔电极目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面

B.比较Mg、Al、Zn三种金属–空气电池，Al-空气电池的理论比能量最高

C.M-空气电池放电过程的正极反应式：4Mn++nO2+2nH2O+4ne-4M（OH）n

D.在M-空气电池中，为防止负极区沉积Mg（OH）2，宜采用中性电解质及阳离子交换膜

解析此题考查原电池工作原理。金属（M）-空气电池的总反应方程式：4M+nO2+2nH2O4M（OH）2可知，金属（M）为负极，发生氧化反应，空气中的氧气在正极发生反应。A项多孔电极可以增加氧气与电极的接触，使氧气充分反应，故正确；B项24 g镁失去2 mol电子，27 g铝失去3 mol电子，65 g锌失去2 mol电子，所以铝-空气电池的理论比能量最高，故正确；C项根据题给放电的总反应：4M+nO2+2nH2O4M（OH）n，氧气在正极得电子，由于有阴离子交换膜，正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-，故错误；D项负极是金属失去电子生成金属阳离子，因为镁离子或铝离子或锌离子都可以和氢氧根离子反应生成氢氧化物沉淀，说明应采用中性电解质溶液及阳离子交换膜，防止正极产生的OH-移过来反应，故正确。答案选C。

图2例2 （2015年天津卷）铜锌原电池装置如图2所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是（）。

A.铜电极上发生氧化反应

B.电池工作一段时间后，甲池的c（SO2-4）减小

C.电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加

D.阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡

解析此题考查铜锌原电池工作原理。

由图2可知，该原电池反应式为：Zn+Cu2+Zn2++Cu，Zn为负极，发生氧化反应，Cu为正极，发生还原反应，故选项A错误；离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，甲池中c（SO2-4）不变，故选项B错误；

甲池中的Zn2+通过阳离子交换膜进入乙池（正极区），乙池中发生反应：Cu2++2e-Cu，保持溶液呈电中性，进入乙池的Zn2+与放电的Cu2+的物质的量相等，而Zn的摩尔质量大于Cu，故乙池溶液总质量增大，故选项C正确；D.甲池中的Zn2+通过阳离子交换膜进入乙池，以保持溶液电荷守恒，阴离子不能通过阳离子交换膜，故选项D错误。答案为C。

小结：原电池中，依据工作原理，电子从负极流向正极，正极区集聚电子，电子带负电，根据异性相吸的原理，阳离子移向正极，阴离子移向负极。无论膜怎么变，移动原理不变，可以以不变应万变。

题型二：在电解池中的考查

例3 （2016年全国卷Ⅰ）三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图3所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na+和SO2-4可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述正确的是（）。

A.通电后中间隔室的SO2-4向正极迁移，正极区溶液pH增大

B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品

C.负极反应为2H2O-4e-O2+4H+，负极区溶液pH降低

D.当电路中通过1 mol电子的电量时，会有0.5 mol的O2生成

解析此题考查电解池工作原理。与正极相连的为阳极，与负极相连的为阴极；H2O在阳（正）极区放电2H2O-4e-O2+4H+，溶液中的H+浓度增大，pH减小，故选项A错；为保持溶液中性，中间隔室中的SO2-4应向阳（正）极区移动，得到H2SO4产品，负（阴）极区H2O放电2H2O+2e-H2+2OH-，OH-浓度增大，pH增大，Na +向阴（负）极区移动，得到NaOH，故B正确，C错误；D项当电路中通过1 mol电子的电量时，生成n（O2）=1÷4=0.25 mol，D错误。答案为B。

延伸在直流电场的作用下，两膜中间的Na+和SO2-4可通过离子交换膜，ab允许Na +向阴（负）极区移动，为阳离子交换膜；cd允许SO2-4向阳（正）极区移动，为阴离子交换膜。

图4例4 （2016年高考天津卷节选）化工生产的副产物也是氢气的来源。电解法制取有广泛用途的Na2FeO4，同时获得氢气：Fe+2H2O+2OH-

通电FeO2-4+3H2↑，工作原理如图4所示。装置通电后，铁电极附近生成紫红色的FeO2-4，镍电极有气泡产生。若氢氧化钠溶液浓度过高，铁电极区会产生红褐色物质。已知：Na2FeO4只在强碱性条件下稳定，易被H2还原。

①电解一段时间后，c（OH-）降低的区域在（填“阴极室”或“阳极室”）。

②电解过程中，须将阴极产生的气体及时排出，其原因是。

解析此题考查电解原理在工业上的应用。①根据题意镍电极有气泡产生是H+放电生成H2，可知是阴极；铁电极发生氧化反应，为阳极，溶液中的OH-减少，因此电解一段时间后，c（OH-）降低的区域在阳极室。②由氢气具有还原性，根据题意Na2FeO4只在强碱性条件下稳定，易被H2还原。电解过程中，须将阴极产生的气体及时排出，防止Na2FeO4与H2反应使产率降低。endprint

答案：（5）①阳极室 ②防止Na2FeO4与H2反应使产率降低

综述离子交换膜在电化学中的考查方式主要有两种：原电池工作原理和电解池工作原理，记清原电池工作原理中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动；电解池中阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。离子交换膜按功能可以分为：阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜。解题时只需结合题意，写出相关电极反应式，按要求让允许通过的离子通过。

【历年高考题链接】

1.（2015年全国Ⅰ卷）微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图5所示。下列有关微生物电池的说法错误的是（）。

A.正极反应中有CO2生成

B.微生物促进了反应中电子的转移

C.质子通过交换膜从负极区移向正极区

D.电池总反应为：

C6H12O6+6O26CO2+6H2O

2.（2013年江苏化学）Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液，结构示意图如图6。该电池工作时，下列说法正确的是（）。

A.Mg电极是该电池的正极

B.H2O2在石墨电极上发生氧化反应

C.石墨电极附近溶液的pH增大

D.溶液中Cl-向正极移动