化学自习室移动版

【知识归纳】

1．离子交换膜的功能

使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。

2．离子交换膜在电化学中的作用

(1)隔离某些物质防止发生反应。

(2)用于物质的制备。

(3)物质分离、提纯等。

3．离子交换膜的类型

离子交换膜是由高分子特殊材料制成。离子交换膜分四类：

①阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H^＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。

②阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。

③质子交换膜，只允许H^＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。

④双极膜，由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜特点是在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H₂O解离成H^＋和OH^－并分别通过阴膜和阳膜，作为H^＋和OH^－的离子源。

4．应用原理

(1)阳(阴)离子交换膜有很多微孔，孔道上有许多带负(正)电荷的基团，阳(阴)离子可以自由通过孔道，而阴(阳)离子移动到孔道处，受到孔道带负(正)电荷基团的排斥而不能进入孔道中，因而不能通过交换膜。

质子交换膜是阳离子交换膜的特例，仅允许质子(H^＋)通过，其他离子不能通过。

(2)交换膜隔离两种电解质溶液，避免负极材料与能发生反应的电解质溶液直接接触，能提高电流效率。在这种装置中，交换膜起到盐桥作用，且优于盐桥(盐桥需要定时替换或再生)。通过限制离子迁移，使指定离子在溶液中定向移动形成闭合回路，完成氧化剂和还原剂在不接触条件下发生氧化还原反应。

【方法技巧】

1．解答步骤

第一步，分清隔膜类型。即交换膜属于阳膜、阴膜、质子膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过隔膜。

第二步，写出电极反应式。判断交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，根据电荷平衡判断离子迁移方向。

第三步，分析隔膜作用。在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或避免产物因发生反应而造成危险。

2．离子交换膜类型的判断方法

依据电解质溶液呈电中性的原理，判断膜的类型，判断时首先要写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余；依据该电极附近电解质溶液满足电荷守恒原则，判断出离子移动的方向、进而确定离子交换膜的类型。

【对点训练】

1.(2022全国甲卷)一种水性电解液Zn－MnO₂离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn^2＋以Zn(OH)₄^2－存在)。电池放电时，下列叙述错误的是

A．Ⅱ区的K^＋通过隔膜向Ⅲ区迁移

B．Ⅰ区的SO₄^2－通过隔膜向Ⅱ区迁移

C．MnO₂电极反应：MnO₂＋2e^-＋4H^＋=Mn^2＋＋2H₂O

D．电池总反应：Zn＋4OH^－＋MnO₂＋4H^＋=Zn(OH)₄^2－＋Mn^2＋＋2H₂O

解析：根据题意可知，此装置为原电池，Zn为负极，发生氧化反应，电极反应为Zn－2e^-＋4OH^－=Zn(OH)₄^2－，负极区K^＋剩余，通过隔膜迁移到II区；MnO₂电极为正极，发生还原反应：MnO₂＋2e^-＋4H^＋=Mn^2＋＋2H₂O，正极区SO₄^2－过量，通过隔膜迁移到II区，故II区中K₂SO₄溶液的浓度增大，据此分析。

A．K^＋从III区通过隔膜迁移到II区，故A错误；

B．Ⅰ区的SO₄^2－通过隔膜向Ⅱ区迁移，II区中K₂SO₄溶液的浓度增大，故B正确；

C．MnO₂电极做正极，电极反应为：MnO₂＋4H^＋＋2e^-═Mn^2＋＋2H₂O，故C正确；

D．保持正负极得失电子数相同，将正负极反应相加即可得总反应为Zn＋4OH^－＋MnO₂＋4H^＋═Zn(OH)₄^2－＋Mn^2＋＋2H₂O，故D正确；

2.(2022西宁一模)2020年9月中科院研究所报道了一种高压可充电碱－酸Zn－PbO₂混合电池，电池采用阴、阳双隔膜完成离子循环(如图)，该电池良好的电化学性能为解决传统水性电池的关键问题提供了很好的机会。下列说法正确的是()

A．充电时，D极发生还原反应

B．离子交换膜B、C分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜

C．放电时a极的电极反应为Zn－2e^-＋4OH^－=Zn(OH)₄^2－

D．放电时，每转移2mol 电子，中间K₂SO₄溶液中溶质减少1mol

解析：根据电池装置，a极室为碱性电解质溶液，d极室为酸性电解质溶液，放电时锌在负极被氧化，二氧化铅在正极被还原，充电时，阳极生成二氧化铅，阴极生成锌，据此分析解答。

A．由分析可知，充电时d极为阳极，发生氧化反应，故A错误；

B．因为是碱－酸混合电池，根据电池装置，a极室为KOH溶液，d极室为H₂SO₄溶液，放电时负极反应式为：Zn－2e^-＋4OH^－=Zn(OH)₄^2－，K^＋通过离子交换膜b由a极室进入中间中性溶液。正极反应式为：PbO₂＋4H^＋＋SO₄^2－＋2e^-=PbSO₄＋2H₂O，SO₄^2－通过离子交换膜c由d极室进入中间中性溶液。充电时反向转移，保持两极室电解质溶液酸碱性所以离子交换膜b、c分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜，B错误；

C．放电时，锌在负极结合OH^－生成Zn(OH)₄^2－，负电极反应式为：Zn－2e^-＋4OH^－=Zn(OH)₄^2－，故C正确；

D．根据放电时电极反应式可知，每转移2mol 电子，中间K₂SO₄溶液中溶质增加Lmol，故D错误。

3.(2022全国乙卷)Li－O₂电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电Li－O₂电电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子(e^-)和空穴(H^＋)，驱动阴极反应(Li^＋＋e^-=Li)和阳极反应(Li₂O₂＋2H^＋=2Li^＋＋O₂)对电池进行充电。下列叙述错误的是

A.充电时，电池的总反应Li₂O₂=2Li＋O₂

B.充电效率与光照产生的电子和空穴量有关

C.放电时，Li^＋从正极穿过离子交换膜向负极迁移

D.放电时，正极发生反应O₂＋2Li^＋＋2e^-=Li₂O₂

解析：充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应(Li^＋＋e^-=Li)和阳极反应(Li₂O₂＋2H^＋═2Li^＋＋O₂)，即阴阳极反应式相加得到充电时总反应：Li₂O₂=2Li＋O₂，由图可知，放电时Li→Li^＋，失去电子，金属Li电极为负极，O₂→Li₂O₂，氧气得到电子，光催化电极为正极。

A.充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应(Li^＋＋e^-=Li)和阳极反应(Li₂O₂＋2H^＋═2Li^＋＋O₂)，总反应可用阴阳极反应式相加，方程式为：Li₂O₂=2Li＋O₂，故A正确；

B.充电时，电子驱动阴极反应，空穴驱动阳极反应，即充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，故B正确；

C.放电时，相当于原电池，阳离子移向正极，阴离子移向负极，正极为光催化电极，Li^＋从负极穿过离子交换膜向正极迁移，故C错误；

D.放电时总反应与充电时相反，方程式为2Li＋O₂=Li₂O₂，正极反应为O₂＋2Li^＋＋2e^-=Li₂O₂，故D正确；

4.(2022湖南)海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂－海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是

A.海水起电解质溶液作用

B. N极仅发生的电极反应：2H₂O＋ 2e^-= 2OH^－＋ H₂↑

C.玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能

D.该锂－海水电池属于一次电池

解析：海水电池是以海水为电解质溶液的一类电池，海水源源不断，不需要另外携带电解质溶液；m(极)Li为负极，发生氧化反应，Li－e^-=Li^＋；且Li易与水反应，则玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能；N极为正极，发生还原反应，电极反应为O₂＋4e^-＋H₂O=4OH^－，据此分析解答。

A．能形成锂－海水电池，则海水为电解质溶液，故A正确；

B．N极为正极，正极上发生还原反应，钠离子在水溶液中不可能放电，而是海水是一个复杂的体系，里边存在溶解氧，则n(极不仅仅发生电极反应)：2H₂O＋2e^-═2OH^－＋H₂↑，故B错误；

C．Li易与水反应，则玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能，故C正确；

D．该反应不具备逆向反应的可能，为一次电池，故D正确；