微诊断 离子交换膜及其作用

微诊断离子交换膜及其作用

新洲一中张新平

[典型案例]

[2016·浙江高考T11.]金属（M）–空气电池（如下图）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+2nH2O=4M(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．采用多孔电极的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：4M n++nO2+2nH2O+4ne–=4M(OH)n

D．在Mg–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

[诊断解析]

1.测试正确率为6

2.5％，主要错误集中在误判选项C正确而导致错选D。

2. 从选项C、D的选判过程中，究其本质的原因应该是趋向于对离子交换膜的认识出现偏差所致。

题图中的阴离子交换膜，只允许阴离子通过——此电池中只允许正极区产生的OH-通过阴离子交换膜移向负极区，而不允许负极生成的阳离子M n+移动进入正极区。因此，M–空气电池放电过程中，负极反应：M –ne-+ nOH- =M(OH)n；正极因为没有M n+，其反应式为：O2+2H2O+4e–=4OH-，故选项C不正确。

从―电池放电的总反应方程式为：4M+nO2+2nH2O=4M(OH)n‖不难看出，其实质是源于钢铁的吸氧腐蚀：M类比Fe、取n=2，即4Fe+2O2+4H2O=4Fe(OH)2，简化后得：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2，所不同的是，氢氧化亚铁最后都会被氧化为氢氧化铁，再失去部分水而形成铁锈。

选项D．在Mg–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。若采用中性电解质，则直接降低生产Mg(OH)2沉淀的氢氧根离子的浓度，能够达到防止负极区沉积Mg(OH)2的目的；若采用阳离子交换膜，则在正极区产生的氢氧根离子就被阻止通过，不能达到负极，也就防止了在负极区沉积Mg(OH)2。故选项D正确。

3. 其它选项略析如下：

A．多孔电极如图多孔疏松状的活性炭一样，具有较大的表面积，因此，有利于提高电极与电解质溶液的接触面积，也有利于吸附氧气及氧气在电极表面的扩散，故选项A正

确。

B ．比较Mg 、Al 、Zn 三种金属–空气电池，依据信息：―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，则Al –空气电池的理论比能量最高，其比能量之比是

，故选项B 正确。

[归纳小结]

离子交换膜是对离子具有选择透过性的高分子材料制成的薄膜。在电化学中，常常用到多种离子交换膜来达到某种目的。因此，膜的使用以及对其作用的认识，对于理解电化学原理非常重要。

1.阴离子交换膜（简称阴膜）是一类含有碱性活性基团，对阴离子具有选择透过性的高分子聚合物膜，也称为离子选择透过性膜。阴离子交换膜由三个部分构成：带固定基团的聚合物主链即高分子基体（也称基膜）、荷正电的活性基团（即阳离子）以及活性基团上可以自由移动的阴离子，如图所示。

一般以-NH 3+、-NR 2H +或者-PR 3+等阳离子作为活性交换基团，并且在阴极产生OH -作为载流子，经过阴离子交换膜的选择透过性作用移动到阳极。

阴离子交换膜具有非常广泛的应用，它是分离装置、提纯装置以及电化学组件中的重要组成部分，在氯碱工业、水处理工业、重金属回收、湿法冶金以及电化学工业等领域都起到举足轻重的作用。近年来，随着新型化学电源的发展，阴离子交换膜作为电池隔膜在液流储能电池、碱性阴离子交换膜燃料电池、新型超级电容器等方面的应用也得到关注和研究。

范例：如上题图示如下——所生成的阳离子M n+不能通过阴离子交换膜到达正极区，而只允许阴离子OH -通过阴离子交换膜进入负极区。

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2.阳离子交换膜（简称阳膜），通常是磺酸型的,带有固定基团和可解离的离子，如钠型磺酸型:固定基团是磺酸根，解离离子是钠离子。阳离子交换膜可以看作是一种高分子电解质，他的高分子母体是不溶解的，而连接在母体上的磺酸基团带有负电荷和可解离离子相互吸引着，他们具有亲水性。由于阳膜带负电荷，虽然原来的解离正离子受水分子作用解离到水中，但在膜外我们通电通过电场作用，带有正电荷的阳离子就可以通过阳膜，而阴离子因为同性排斥而不能通过，所以阳膜具有选择透过性——即选择性的透过阴离子。

范例：[2016·新课标全国卷I.T11]三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，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SO42－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SO42－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2 H2O–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

[解析]以惰性电极电解硫酸钠溶液，其本质就是电解水。再如下图所示，分别用ab阳膜、cd阴膜，则在负极区（即与电源负极相连的区域，一般也称阴极区）就可以获得氢氧化钠溶液，而在正极区就可以获得硫酸。故选项B正确。

又如：[2014·新课标全国卷I.T27]（4）H3PO2也可用电渗析法制备，―四室电渗析法‖工作原理如图所示（阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过）：……

3. 质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)是质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）的核心部件，对电池性能起着关键作用。它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。全质子交换膜主要用氟磺酸型质子交换膜；nafion重铸膜；非氟聚合物质子交换膜；新型复合质子交换膜等。

范例：[2015·新课标全国卷I.T11]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+6O2=6CO2+6H2O

解析：质子交换膜应用于原电池。

依据厌氧反应的左池C6H12O6→CO2，可知C化合价升高，左池为负极，CO2在负极生成，故选项A错误；右池是有氧反应——有氧获得电子，故右池为正极。正极反应为

O2+4e-+4H+=2H2O。

微生物是酶催化剂，加快反应速率，促进了反应中电子的转移，B正确；氢离子是阳离子，通过质子交换膜，从负极区移向正极，C正确；电池总反应相当于C6H12O6燃烧，所以