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一、离子交换膜的认知模型建构

1．离子交换膜的种类

离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。因为一般在应用时主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。一般来说，离子交换膜可以分为四类：

第一种是阳离子交换膜，只允许阳离子通过；

第二种是阴离子交换膜，只允许阴离子通过；

第三种是质子交换膜，只允许H^＋通过；

第四种是双极膜，使H^＋、OH^－分别向两极移动。

2．离子交换膜的作用

离子交换膜的作用有三个：

首先能使某些离子选择性的定向通过，制备特定产品；其次可以平衡电荷，使溶液保持电中性；第三，离子交换膜可以防止某些副反应的发生。

其模型如图1所示，来源于电解原理的应用——氯碱工业：

氯碱工业模型建构：

(1)装置

一膜二进四出。一膜指该装置含有一个阳离子交换膜；二进指原料有两个进口，阳极室进精制饱和食盐水，阴极室进含少量NaOH的水溶液(NaOH的作用是增强溶液导电性，提高电解效率)；四出指四个出口，阳极室出来的为淡盐水和Cl₂、阴极室出来的为浓NaOH和H₂。图1中，a为精制饱和食盐水，b为含少量NaOH的水溶液，c为浓NaOH，d为H₂，e为Cl₂。

(2)目的

通过电解饱和食盐水制备Cl₂和NaOH，故称为氯碱工业。明确目的是解题的前提，根据目的能判断出阴极与阳极、各入口与出口的物质、离子交换膜的类型等。

(3)电极反应式及总反应式

阳极：2Cl^－－2e^-=Cl₂；

阴极：2H₂＋2e^-=H₂(或2H₂O＋2e^-＝H₂＋2OH^－)；

总反应：2NaCl＋2H₂OH₂＋Cl₂＋2NaOH。

(4)阳离子交换膜的作用

在氯碱工业中，阳离子交换膜可使Na^＋移向阴极．与OH^－结合得到产品NaOH；②平衡电荷，使溶液保持电中性；第三，能防止Cl₂与NaOH反应，避免制得的产品不纯。

二、认知模型的应用

1．离子交换膜类型的判断

根据离子交换膜的作用判断离子交换膜的类型，其方法为：首先判断目的是否为制备特定产品，如果是，则根据所制备的产品，离子发生定向移动得到产品；其次判断离子交换膜是否为阻止副反应的发生，如果是，则某些离子不能移动到能发生副反应的区间；如果两者都不是，则根据电中性原则进行判断。

【例1】我国科学家最近发明了一种Zn－PbO₂电池，电解质为K₂SO₄、H₂SO₄和KOH，由a和b两种离子交换膜隔开，形成A、B、C三个电解质溶液区域，结构示意图如图2所示：

回答下列问题：

(1)电池中，Zn为     极，b区域的电解质为    (填“K₂SO₄”“H₂SO₄”或“KOH”)。

(2)电池反应的离子方程式为                 ，

(3)阳离子交换膜为图中的          (填“a”或“b”)膜。

【答案】(1)负 K₂SO₄

(2)PbO₂＋SO₄^2－＋Zn＋2H₂O=PbSO₄＋Zn(OH)₂

(3)a

【解析】该装置为“Zn－PbO₂电池”，因此负极为Zn，正极为PbO₂，负极反应式为Zn－2e^-＋2OH^－＝Zn(OH)₄^－，正极反应式为PbO₂＋2e^-＋4H^＋＋SO₄^2－=PbSO₄＋2H₂O。根据电极反应式可知，A区域的电解质为KOH，C区域的电解质为H₂SO₄，B区域的电解质为K₂SO₄。

A区域消耗OH^－，为了保持电中性，K^＋透过a膜向B区域移动，故a膜为阳离子交换膜；C区域消耗H^＋与SO₄^2－，且物质的量比值为4：1，说明C区域的电解质为H₂SO₄，，为了保持溶液电中性，多余的SO₄^2－向B区域移动，故b膜为阴离子交换膜。

【命题意图】本题以我国科学家最近发明的一种Zn－PbO₂电池为载体，考查原电池基本原理，如正负极的判断、电解质溶液的选择、总反应式的书写、离子交换膜的类型判断。该电池以新情境的方式出现，其实考查的内容还是电化学基本知识，如负极反应类似于教材中碱性锌锰干电池的负极反应、正极反应与教材中铅蓄电池的正极反应是一样的。

【模型应用】该题考查离子交换膜的类型，结合本题的特点，选用离子交换膜类型判断的第三个方法“根据电中性原则进行判断”。

【例2】(2019全国卷Ⅰ12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成．电池工作时MV^＋/MV^2＋在电极与酶之间传递电子，示意图如图3所示。下列说法错误的是

a．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能

b．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H₂＋2MV²⁺＝2H^＋＋2MV^＋

C．正极区，固氮酶为催化剂，N₂发生还原反应生成NH₃

D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动

【答案】B

【解析】该装置为原电池．左侧为负极，右侧为正极。负极反应式为MV^＋-e^-→MV^2＋，在负极区发生的协同反应为H₂＋2MV^2＋=2H^＋＋2MV^－；正极反应式为MV²⁺＋e^-＝MV⁺、正极区发生的协同反应为6MV^＋＋N₂＋6H^＋＝6MV^2＋＋2NH₃，所以正极区需要H^＋迁入，因此交换膜为质子交换膜，故D项正确。其他选项：该装置的目的是利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，该合成氨反应在常温下进行，并形成原电池产生电能，反应不需要高温、高压和催化剂，故A项正确；左侧电极发生氧化反应，电极反应式为MV^-＋e^-＝＝MV^2＋，为负极，不是阴极。故B项错误；正极区发生的协同反应为N₂＋6MV⁺＋6H^＋＝2NH₃＋6MV^2＋，N₂发生还原反应生成NH₃，故C项正确。

【命题意图】本题以生物燃料电池为载体，考查原电池基本原理．如正负极电极反应式、离子的移动方向、离子交换膜的类型。

【模型应用】判断离子透过交换膜的迁移方向。结合本题的特点，采用离子交换膜类型判断的第一个方法，“判断是否为制备特定产品，如果是，则根据所制备的产品，离子发生定向移动得到产品”，可以判断出离子交换膜的类型，进而判断出离子的移动方向。

【例3】(2021全国甲卷13)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如图4所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H₂O解离为H^＋和OH^－，并在直流电场的作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是(      )   

A．KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用

B．阳极上的反应式为＋2H^＋＋2e^-→＋H₂O

C．制得2mol 乙醛酸，理论上外电路中迁移了1mol 电子

D．双极膜中间层中的H在外电场作用下向铅电极方向迁移

【答案】D

【解析】该装置为电解池．根据电极反应可知铅电极为阴极，石墨电极为阳极。双极膜的作用是使双极膜中产生的H^＋、OH^－分别移向电解池的两极，根据电解池基本原理，H^＋移向阴极(铅电极)，故D项正确。其他选项：该装置电源为电解池．目的是制备乙醛酸，石墨电极反应式为2Br^－－2e^-＝Br₂，发生氧化反应，为阳极，故B项错误；石墨电极产生的Br₂将乙二醛氧化为乙醛酸，故A项错误；左右两池中均产生乙醛酸，左池每生成1mol 乙醛酸转移2mol 电子，右池每生成1mol 乙醛酸转移2mol 电子，故整个装置中每生成2mol 乙酸酸外电路转移2mol 电子，C项错误。

【命题意图】本题以电解法制备乙醛酸为载体．考査电解池基本原理，如电极反应式的书写、转移电子的计算、离子迁移方向的判断。

【模型应用】判断双极膜中离子的移动方向，利用“离子交换膜的种类”与电解池中离子的迁移方向进行分析。

2．利用离子交换膜制备目标物

利用离子交换膜的选择性，可以在指定电解室里制备目标产品。解决此类题的方法是先明确目标产物，其次根据离子交换膜的类型，判断离子迁移的方向(或者根据目标产物．确定离子迁移的方向，进而判断出离子交换膜的类型)。

【例4】(2018全国卷Ⅰ27节选)焦亚硫酸钠(Na₂S₂O₅)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。回答下列问题：

(1)生产Na₂S₂O₅，通常是由NaHSO₃过饱和溶液经结晶脱水制得。写出该过程的化学方程式：

(3)制备Na₂S₂O₅也可采用三室膜电解技术，装置如图5所示，其中SO₂碱吸收液中含有NaHSO₃和Na₂SO₃。

阳极的电极反应式为                电解后       室的NaHSO₃浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到Na₂S₂O₅。

【答案】(l)2NaHSO₃=Na₂S₂O₅＋H₂O    (3)2H₂O－4e^-＝4H^＋＋O₂   a

【解析】该装置为电解池，两个离子交换膜均为阳离子交换膜，阳极电极反应式为2H₂O－4e^-=O₂＋4H^＋，随着反应进行，阳极区正电荷增多，为了保持电中性，H^＋需要向a室迁移，在a室中发生反应SO₃^2－＋H^＋=HSO₃^－；阴极电极反应式为2H₂O＋2e^-=H₂＋2OH^－，随着反应进行，阴极区负电荷增多，为了保持电中性，Na^＋由a室迁入b室，得到NaOH。因此，电解后a室的NaHSO₃浓度增加。

【命题意图】本题以三室膜电解技术制备Na₂S₂O₅为载体．考查电解池基本原理，如电极反应式的书写、离子移动方向的判断。

【模型应用】本题离子交换膜的类型已经给出，两个交换膜均为阳离子交换膜，只允许阳离子通过。根据本题的目的？结合电极反应式，可以判断出透过交换膜的离子的迁移方向，进而判断出目标产物的生成区域。

【例5】(2016全国卷Ⅰ11)三室式电渗析法处理含Na₂SO₄，废水的原理如图6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SO₄^2－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SO₄^2－离子向正极迁移，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1mol 电子的电量时，会有0.5mol 的O₂生成

【答案】B

【解析】该装置为电解池，阴极反应式为2H₂O＋2e^-＝H₂＋2OH^－．随着反应进行，阴极区负电荷增多，结合浓Na₂SO₄变为稀Na₂SO₄，可知Na^＋向阴极区迁移，可得到NaOH，溶液pH增大；阳极反应式为2H₂O－4e^-=O₂＋4H^＋、随着反应进行，阳极区正电荷增多。SO₄^2－向阳极区迁移，得到H₂SO₄，溶液pH减小，故A、C项错误，B项正确。根据阳极反应式可知电路中通过1mol 电子时，会有0．25mol 的O₂生成，D项错误。

【命题意图】本题以三室式电渗析法处理含Na₂SO₄废水为载体，考査电解池基本原理，如离子移动方向的判断、电极区pH的变化、电极反应式的书写、电解相关计算。

【模型应用】电解后阴、阳极区的产品判断，需要结合本题的目的进行分析。由装置可知，进入装置的为浓Na₂SO₄，出来的为稀Na₂SO₄，说明Na^＋和SO₄^2－分别向两极移动。结合电解池中离子移动方向与阴阳极电极反应式，可以判断出阴阳极区的产品。

3．离子定向迁移数目的计算

从不同的角度来看？离子的迁移数有两种计算方法，即可根据电极反应式计算——总反应的方程式应符合电中性原则；或根据外电路转移电子数等于内电路迁移的电荷数计算。

【例6】(2020山东卷10)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用如图7装置处理有机废水(以含CH₃COO^－的溶液为例)。下列说法错误的是( )

A．负极反应为CH₃COO^－＋2H₂O－8e^-＝2CO₂＋7H^＋

B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜

C．当电路中转移1mol 电子时，模拟海水理论上除盐58．5g

D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2：1

【答案】B

【解析】C项有两种计算方法，方法①“根据电中性原则”，负极反应式为CH₃COO^－＋2H₂O－8e^-=2CO₂＋7H^＋，每转移8mol e^-，负极区负电荷减少1mol、正电荷增加7mol，为了保持电中性，需要8mol Cl^－迁入负极区，同时有8mol Na^＋迁入正极区，可除去8mol NaCl，因此当转移1mol e^-时，可除去1mol NaCl，即58．5g；方法②“外电路转移电子数等于内电路迁移的电荷数”，电路中转移1mol 电子时，向a极和b极分别迁入1mol Cl^－和1mol Na^＋，则模拟海水理论上可除盐58．5g，C项正确。其他选项：a极由CH₃COO^－→CO₂时碳元素的化合价升高，失电子发生氧化反应，为原电池的负极？其电极反应式为CH₃COO^－＋2H₂O－8e^-=2CO₂＋7H^＋，A项正确；该电池工作时，Cl^－向a极移动，Na^＋向b极移动，即隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，B项错误；电池工作时负极产生CO₂，正极产生H₂，电极反应式为2H^＋＋2e^-＝H₂，结合正、负极的电极反应可得关系式CO₂～4e^-～2H₂，一段时间后，正极和负极产生气体的物质的量之比为2：1，D项正确。

【命题意图】本题以微生物脱盐电池为载体，考査原电池基本原理，如电极反应式的书写、电化学相关计算、离子交换膜类型的判断。

【模型应用】本题离子交换膜类型的判断采用第一种方法“判断目的是否为制备特定产品，如果是，则根据所制备的产品，离子发生定向移动得到产品”。该题的目的是除去模拟海水中NaCl，Na^＋、Cl^－分别向两极移动，根据离子交换膜的选择性，进而判断出离子交换膜的类型。离子定向迁移数目的计算，可以依据离子交换膜的第二个作用“平衡电荷，使溶液保持电中性”进行计算。

三、备考策略

由于离子交换膜在工业生产中具有重要应用，在近几年的高考题中频繁出现，是电化学的一个热点问题S这一类题型的特点是新情境、老问题，考查的知识点有原电池原理、电解池原理、化学电源等。考查的学科核心素养有“证据推理与模型认知”，如利用氯碱工业模型解答离子交换膜问题；“宏观辨识与微观探析”，如电极反应的现象与电极反应式的书写广变化观念与平衡思想”，如电极反应式中物质变化与能量转化；“科学探究与创新意识”，如新型化学电源的最新研究成果；“科学态度与社会责任”，如利用电化学基本原理研制高效环保型化学电源等。针对此类题的题型特点及考查内容，学生备考复习时可以从三个方面入手：

1．熟练掌握电化学基本原理

电化学基本原理是解决离子交换膜问题的基础，是知识向能力转化的前提。电化学基本原理包括原电池原理、电解池原理、化学电源等，这些基本原理的复习可以针对具体的原理建立相应的认知模型，用建构的模型去解决新情境中的老问题。

2．建构离子交换膜的认知模型

对于离子交换膜的复习，学生首先要对离子交换膜有深刻的理解和认识。离子交换膜在教材中是有据可循的，其来源于鲁科版教材中的氯碱工业。学生可将教材中的氯碱工业进行深入挖掘，对离子交换膜的种类及作用进行认知模型建构，并形成一种利用模型分析具体问题的能力。

3．模型的应用与升华

学生可用建构的模型对近几年高考题进行分析，总结每一道题中离子交换膜的作用及类型，并对近几年高考题的出题特点及知识点考查方式进行归纳总结，探寻高考命题规律与命题意图，形成一套行之有效的解题方法，同时形成一种从化学学科素养的角度去思考问题的思维习惯。