浅谈离子交换膜在电化学解题中的应用技巧

许海菊  高级教师 陕西省咸阳师院附属中学  712000

摘要：近几年来涉及离子交换膜的电化学试题频繁的出现在全国高考的化学试题中，这种题型综合性强，完美体现了对学生化学核心素养的考查，但化学教材对离子交换膜几乎没有介绍，基于学生解题的需求，知识结构的完整，现就离子交换膜的相关问题，谈谈自己的理解和做法，为广大高中学生在涉及离子交换膜的电化学解题方面提供帮助。

关键词：高中化学；电化学；离子交换膜

电化学基础是高中化学重要组成部分，一直以来是全国高考化学试题的高频考点热点内容，题型灵活、新颖、前沿，“离子交换膜”这几个字，时常出现在电化学试题的图形中。相对来说，电化学知识理论性强，理论与实际真题有时不好对接，学生学起来往往难于掌握，课堂好像听懂了，不会做题，加之，高中化学教材对离子交换膜几乎没有介绍，只是有时出现在习题中，平时课堂教学多数教师也没有系统的介绍离子交换膜的相关知识，对其结构特点功能挖掘较少，所以，电化学试题中一旦出现离子交换膜问题，学生就不会分析，一头雾水，问题百出，基于此原因，笔者就离子交换膜在电化学解题中的应用技巧问题，为同学们化学成绩的提高提供帮助。

资料显示，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性透过能力的高分子膜，一般在应用时，利用它的离子选择性透过膜，所以，离子交换膜也称为离子选择性透过膜。离子交换膜的功能使离子选择性的定向迁移，目的是保证整个溶液的浓度和电荷是平衡的，同时，隔离某些物质，防止其它反应的发生，而影响产品的纯度或发生不安全的危险事故。在常见的有离子膜参与的电化学试题中，离子交换膜主要有三种类型：阳离子交换膜，阴离子交换膜和质子交换膜。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过；阴离子交换膜只允许阴离子通过，阻止阳离子和气体通过；质子交换膜只允许质子通过，阻止其他的阴阳离子和气体通过。所以，离子交换膜是一种有选择性的通过某些离子来隔离其他的离子和分子的高分子膜。

遇到离子交换膜的电化学真题时，具体的解题思路、解题步骤可分为以下三步：首先，仔细审题分清离子交换膜的类型，从而知道此膜允许哪种离子通过该膜，这一步很是关键；其次，写出准确、规范的电极反应式，判断离子交换膜两侧离子的变化；最后，根据题目要求，完整书写，规范作答。下面列举几个实例加以具体分析：

实例1（2018年全国卷Ⅲ27题节选）KIO₃是一种重要的无机化合物，可作为食盐的补碘剂。回答下列问题：

（2）利用“KClO₃氧化法”制备KIO₃……

（3）KClO₃也可采用“电解法”制备，装置如图所示。

①写出电解时阴极的电极反应式______。

②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为_________，其迁移方向是_____________。

解析：本题考查的是化学工业以及电化学的相关知识，注意离子交换膜为阳离子交换膜 。

（3）由图示看出，阴极区为氢氧化钾溶液，电极反应为水电离的氢离子放电，反应式为：2H⁺ +2e^-=H₂↑，这样阴极区水的电离平衡被破坏，平衡向电离方向移动，OH^-浓度增大，为了使溶液呈电中性，溶液中的阳离子应该向阴极迁移，显然是溶液中大量存在的K⁺迁移，方向为由左向右，即由a到b。

答案：（3）①2H⁺ +2e^-=H₂↑②K⁺  a到b

评析：本题涉及到有阳离子交换膜参与的电解装置，考查了电极的极性、电极反应式的准确、规范书写，任何电解质溶液都呈电中性等知识点。

实例2：硼酸(H₃BO₃)为一元弱酸，已知H₃BO₃与足量NaOH溶液反应的离子方程式为H₃BO₃＋OH^－===B(OH)，H₃BO₃可以通过电解的方法制备，其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．当电路中通过1 mol e^－时，可得到1 mol H₃BO₃

B．将电源的正、负极反接，工作原理不变

C．阴极室的电极反应式为2H₂O－4e^－===O₂↑＋4H^＋

D．B(OH)穿过阴膜进入阴极室，Na^＋穿过阳膜进入产品室

解析：电解时电极反应：阳极：2H₂O－4e^－== O₂↑＋4H^＋，阴极：4H₂O＋4e^－==2H₂↑＋4OH^－，阴极得到电子发生还原反应，C错误；电路中通过1 mole^－时有1 mol H^＋生成，硼酸(H₃BO₃)为一元弱酸，B(OH)＋H^＋===H₂O＋H₃BO₃，生成1 mol H₃BO₃需要1 molH^＋，所以电路中通过1 mole^－时，可得到1 mol H₃BO₃，A正确；如果将电源的正负极反接，电池工作原理一定发生变化，B错误；因为阳极反应式为2H₂O－4e^－===O₂↑＋4H^＋，阳极室中的H^＋穿过阳膜进入产品室，B(OH)穿过阴膜进入产品室，发生反应：B(OH)＋H^＋===H₂O＋H₃BO₃，Na^＋穿过阳膜进入阴极室，D错误。

正确答案：A。

评析：这是一个有阴阳离子交换膜共同参与的电解综合应用问题，考查基本的化学用语书写，溶液呈电中性等问题，体现了对学生化学核心素养的考查。

实例3.采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如下图所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是(　　)

A. 阳极反应为2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑

B. 电解一段时间后，阳极室的pH未变

C. 电解过程中，H⁺由a极区向b极区迁移

D. 电解一段时间后，a极生成的O₂与b极反应的O₂等量

解析：看图知：a放出氧气，氧元素的化合价升高，发生氧化反应，a极作阳极，b极通入氧气，生成过氧化氢，氧元素的化合价降低，发生还原反应，b极作阴极。电解时电极反应，阳极：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑，阴极：2O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O₂，总反应为：O₂+2H₂O=2H₂O₂，可知：a极生成的氧气小于b极消耗的氧气，故D错误，符合题意。A正确，B.电解时阳极产生H⁺，H⁺是阳离子，通过质子交换膜移向阴极，阴极消耗的H⁺与通过质子交换膜移向阴极H⁺的物质的量是相等的，所以电解一段时间后，阳极室的pH值不变，故B正确，C.由B的分析可知，C正确，

正确答案：D。

评析：这是一个有质子交换膜参与的电解装置，质子交换膜只允许质子和水分子通过，要看清楚装置中两极参与反应的物质，从而准确判断出阴阳极，准确规范写出电极反应式，答案不难选出。

结语：有离子交换膜参与的电化学试题，综合性强，对学生能力要求高，看到试题，不要紧张，仔细审题，看准交换膜的类型，是什么交换膜就允许什么离子通过，离子交换膜的存在并不改变电化学原理，应用化学反应原理，完美作答。

参考文献：

[1]杨国明.离子交换膜在电化学装置中的应用[J].数理化学习(高中版),2018(01):60-62.

[2]王贵飞.高中电化学“膜”型解题策略研究[J].数理化解题研究,2020(36):77-78.

作者简介：许海菊（1964.07-），陕西咸阳人，本科，中学高级教师，从事高中化学教学研究