離子交換膜在高中電化學(xué)中的應(yīng)用研究

左松

摘要：為了提高學(xué)生對(duì)電化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)效率，針對(duì)電化學(xué)中離子交換膜的應(yīng)用展開分析。首先介紹離子交換膜，分析應(yīng)用化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用離子交換膜的基本要求，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)判斷離子交換膜以及計(jì)算物質(zhì)量的方法。最后，分別從原電池、電解池裝置兩個(gè)方面，以例題分析的方式，探討離子交換膜的應(yīng)用，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電化學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解，旨在提升高中電化學(xué)部分的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：離子交換膜;高中;電化學(xué);原電池

離子交換膜是高中化學(xué)“電化學(xué)”部分的重要知識(shí)點(diǎn)，離子交換膜一般分為陽(yáng)離子交換膜（質(zhì)子交換膜）、陰離子交換膜。因?yàn)楣I(yè)電化學(xué)中離子交換膜有非常普遍的應(yīng)用，所以這一知識(shí)點(diǎn)也在高中化學(xué)教學(xué)中得到重視，同時(shí)也是高考的?？键c(diǎn)和重難點(diǎn)。本文結(jié)合電化學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀，針對(duì)離子交換膜的應(yīng)用模型進(jìn)行分析，總結(jié)有利于學(xué)生理解離子交換膜的有效措施。

一、離子交換膜

離子交換膜是一種高分子膜，其中包括離子基團(tuán)，溶液中的離子的選擇性透過(guò)性非常高，應(yīng)用離子交換膜時(shí)，主要是通過(guò)其離子選擇性透過(guò)膜，因此也可稱其為離子選擇性透過(guò)膜。人教版高中化學(xué)選修四中“電化學(xué)”這一部分知識(shí)點(diǎn)中，離子交換膜可以完成離子選擇性定向遷移，維持溶液濃度、電荷之間的平衡性。將一些物質(zhì)隔離，以免其形成的反應(yīng)會(huì)對(duì)產(chǎn)品純度造成影響，或者引發(fā)危險(xiǎn)事故。

二、離子交換膜應(yīng)用條件

（一）明確離子交換膜類型

電化學(xué)教學(xué)中，針對(duì)離子交換膜的判斷首先應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生了解其用途，例如用于制取物質(zhì)、規(guī)避電極產(chǎn)物產(chǎn)生反應(yīng)。最后學(xué)生可以在教師的輔助下，得出電極反應(yīng)式，以此為依據(jù)對(duì)電極周圍存在剩余的離子作出判斷，遵循溶液電中性原則，初步判斷離子移動(dòng)的根本方向，從而明確離子交換膜所屬種類。例如課堂上教師和學(xué)生共同分析制備Cl、H、NaOH產(chǎn)品的裝置，分析該裝置主要是為了避免Cl、NaOH溶液發(fā)生副反應(yīng)，而且陰極區(qū)OH無(wú)法進(jìn)入到陽(yáng)極區(qū)溶液，要想使溶液為電中性，此時(shí)便需要運(yùn)用到陽(yáng)離子交換膜。

（二）計(jì)算離子交換膜離子量

依然以制備Cl、H、NaOH產(chǎn)品裝置為例，當(dāng)外電路轉(zhuǎn)移2mol e時(shí)，此時(shí)陽(yáng)極溶液便會(huì)有Cl減少2mol，當(dāng)有2mol Na剩余的情況下，陽(yáng)極溶液正電荷則會(huì)增加。陰極形成2mol的OH，此時(shí)陰極溶液負(fù)電荷量便會(huì)增加2mol，使溶液為電中性。如果外電路轉(zhuǎn)移2mole，那么陽(yáng)極溶液內(nèi)部的2mol Na會(huì)穿過(guò)陽(yáng)離子交換膜，隨之進(jìn)入到右側(cè)的陰極區(qū)溶液，此時(shí)外電路轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)量和穿過(guò)陽(yáng)離子交換膜Na攜帶電荷物質(zhì)量一致。由此可見，利用離子交換膜，其中離子攜帶電荷穿過(guò)陽(yáng)離子交換膜的物質(zhì)的量和外電路中通過(guò)的電子的物質(zhì)的量相同。

三、高中電化學(xué)教學(xué)中的離子交換膜應(yīng)用

（一）應(yīng)用于原電池

電化學(xué)教學(xué)中，運(yùn)用離子交換膜，教師可以指導(dǎo)學(xué)生選擇性通過(guò)離子，一方面加強(qiáng)電荷平衡性，構(gòu)建閉合回路，另一方面還可以避免兩極區(qū)域物質(zhì)產(chǎn)生直接反應(yīng)，使電池電流效率得到提升。在原電池中運(yùn)用離子交換膜，發(fā)揮離子交換膜鹽橋作用，但對(duì)比常規(guī)形式的鹽橋，無(wú)需定時(shí)替換或者再生，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了延伸，運(yùn)用效果更為理想。 為此，下面根據(jù)例1分析原電池中離子交換膜的應(yīng)用，幫助學(xué)生理解。

例1：（2020·山東卷，10改編）微生物脫鹽電池是一種高效、經(jīng)濟(jì)的能源裝置，利用微生物處理有機(jī)廢水獲得電能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)海水淡化。現(xiàn)以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用下圖裝置處理有機(jī)廢水（以含CHCOO-的溶液為例）。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（ ）。

A.負(fù)極反應(yīng)為CHCOO-+2HO2CO↑+7H

B.隔膜2為陽(yáng)離子交換膜，隔膜1為陰離子交換膜

C.當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時(shí)，模擬海水理論上除鹽58.5 g

D.電池工作一段時(shí)間后，正、負(fù)極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為2：1

解析： 結(jié)合圖示可知放電時(shí)的電極反應(yīng)如下：

根據(jù)上述分析可知，A項(xiàng)錯(cuò)誤;該電池工作時(shí)，Cl向a極移動(dòng)，Na向b極移動(dòng)，即隔膜1為陰離子交換膜，隔膜2為陽(yáng)離子交換膜，B項(xiàng)正確;電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時(shí)，向a極和b極分別轉(zhuǎn)移1 mol Cl和1 mol Na，則模擬海水理論上可除鹽58.5 g，C項(xiàng)正確;電池工作時(shí)負(fù)極產(chǎn)生CO，正極產(chǎn)生H，結(jié)合正、負(fù)極的電極反應(yīng)知，一段時(shí)間后，正極和負(fù)極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為2∶1，D項(xiàng)正確。

（二）應(yīng)用于電解裝置

電解裝置在電化學(xué)的教學(xué)中十分常見，按照實(shí)際要求可以采取1種或者若種離子交換膜，電解池隔離為若干個(gè)室。隨后，限制離子遷移便可完成向產(chǎn)品的制備。為了讓學(xué)生更加高效地理解電解裝置中離子交換膜的應(yīng)用，針對(duì)例2展開分析。

例2.（2021·廣東卷，16）鈷（Co）的合金材料廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域。圖示為水溶液中電解制備金屬鈷的裝置示意圖。下列說(shuō)法正確的是（ ）。

A.工作時(shí)，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大

B.生成1 mol Co，Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少16 g

C.移除兩交換膜后，石墨電極上發(fā)生的反應(yīng)不變

D.電解總反應(yīng)：2Co+2HO2Co+O↑+4H

解析 該裝置為電解池，其中石墨為陽(yáng)極，Co為陰極。陽(yáng)極區(qū)水電離出的OH放電，電極反應(yīng)式為2HO-4e-O↑+4H+，生成的H+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜由Ⅰ室移向Ⅱ室，Ⅰ室H+濃度增大，pH減小，Ⅱ室H+濃度增大，pH減小，A項(xiàng)不正確;陰極區(qū)Co放電，電極反應(yīng)式為2Co+4e-2Co，由得失電子守恒得出關(guān)系式：2H2O～4e-～2Co可知，生成1 mol 鈷，Ⅰ室有1 mol水放電，溶液質(zhì)量減少18 g，B項(xiàng)不正確;移除離子交換膜后，Cl會(huì)在石墨電極處發(fā)生氧化反應(yīng)生成Cl，C項(xiàng)不正確;電解總反應(yīng)為2Co+2HO2Co+O↑+4H+，D項(xiàng)正確。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，電化學(xué)作為高中化學(xué)學(xué)科的重要知識(shí)點(diǎn)之一，在該部分的教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用離子交換膜，一方面應(yīng)該讓學(xué)生學(xué)習(xí)判斷離子交換膜類型的方法，另一方面則要熟悉離子交換膜運(yùn)用的原理，在求解相關(guān)化學(xué)習(xí)題過(guò)程中，弄清楚離子交換膜的作用，提高學(xué)生電化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫小芳，王世存.中美高中化學(xué)教材“電化學(xué)”的對(duì)比研究[J].化學(xué)教育（中英文），2021，42（17）：95.

[2]黃鳴春，薄一琳.高中化學(xué)“電化學(xué)”主題的基本課程問(wèn)題探析[J].化學(xué)教學(xué)，2021（08）：27-32.

[3]莘贊梅.高中電化學(xué)的教學(xué)問(wèn)題探討及建議[J].化學(xué)教學(xué)，2020（03）：41-44.