2021高考备考：化学资料（四）

真善

电化学：盐桥与离子交换膜

一一兼谈高考命题

特级教师  胡征善

一、盐桥

在双液原电池中，用阴、阳离子迁移速率相近的盐制成胶状（通常用琼脂，保证阴、阳离子在其中能自由扩散），要求盐与双液电池中的电解质溶液不发生化学反应，通常可以是KCl、KNO3等。但在电解质溶液中存在还原性强的离子，KNO3一般就不能用了(因为NO3—在酸性溶液中有强氧化性)。

2020年全国I卷化学第27(2)题：

电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率(u∝)应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择_____作为电解质。

【解析】

根据题给信息：“电迁移率(u∝)应尽可能地相近”的组合有：Li+和HCO3一，

K+与NO3—或CI一。但Li+与HCO3—的电迁移率(u∝)小且可能反应生成

Li2CO3，故不宜选用。

Ca2+与SO42—不仅电迁移率(u∝)差较大且CaSO4属微溶物质，故不宜选用。

根据信息“阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应”，题给的电解质溶液中含有Fe2+和Fe3+（其溶液均呈酸性），故不能选用含HCO3—和NO3—的盐。

综合考虑，本题只能选用KCl。

二、离子交换膜

具有离子选择性透过的聚合物薄膜。在电化学和电渗领域有广泛的应用。离子交换膜(有阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜等)不仅可以在电解质溶液中作隔膜，防止某离子或气体通过，保证得到电解产物或提高产物纯度，而且可以包裹住电极防止电极与电解质溶液反应。

（1）在原电池中的应用

水溶液锂电池

能让Li+通过H2O和H+不能通过的特制聚合物薄膜紧密包裹的金属锂，外层紧密套上锂导电陶瓷（使得金属锂与水隔绝）作电池负极，与锂离子电池的传统正极材料及水溶液构成高能量密度、高能量利用率的电动汽车新型水锂电池（见下图）。

Lithium metal 金属锂

LISICON film 锂导电陶瓷

GPE 聚合物 Li+自由扩散，

H2O、H+不能通过

Aqueous eIectrolyte 电解质溶液

Anode reaction 阳（负）极反应

Cathode reaction 阴（正）极反应

Charge 充电 Discharge 放电

[辨析]

锂电池与锂离子电池是两种不同的电池，但都同属锂系电池。

锂电池是金属锂或锂合金作电池的负极，Li失去电子形成Li+，将化学能转化为电能的电池。锂电池通常是一次电池，亦有二次电池，但因其循环寿命过低和充电易爆不安全等弊端而受到制约。

锂离子电池是将Li+嵌入材料（常用碳素材料）中作负极（富Li+电极），经过

Li+的嵌入/脱嵌来存储与释放电能。锂离子电池是二次电池。

2020年全国理综三卷第12题

答案：B

解析：A选项：电路中有0.04moI电子通过，正极消耗0.01moIO2，电极反应为：

O2一十4e一十2H2O==4OH一

B选项：根据题给的负极反应和上述正极反应可知，负极消耗溶液中OH一，电极附近溶液pH减小，正极产生OH一，电极附近溶液pH增大。

C选项：将负极反应×4十正极反应X11得C选项的电池反应。

D选项：注意题目指定电流流动方向，叙述正确。若是电子流动方向与电流流动方向相反且电子不能通过电解质溶(熔)液。

注：

（1）电流是承载电荷的载子（自由电子或自由离子等）的定向移动。电流要有闭合电路，在电化学中是电子导体和离子导体共同传递电荷，在电极上实现电子导体和离子导体的转化。

（2）本题中电池的离子选择性膜是阴离子交换膜，让正极产生的OH一向负极迁移。阴、阳离子交换膜只让阴或阳离子通过定向迁移传递电荷，电解质溶（熔）液中的电流是阴阳离子迁移共同承当的。

（2）在电解中的应用

【例1】

H3PO2也可以通过电解的方法制备。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)：

（1）写出阳极的电极反应式_____________________________。

（2）分析产品室可得到H3PO2的原因_________________________。

（3）早期采用“三室电渗析法”制备

H3PO2，将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室，其缺点是______杂质。该杂质产生的原因是：______________。

【解析】

（1）阳极：2H2O一4e—=O2↑十4H+ 阴极：4H2O十4e—=2H2↑十4OH—

（2）原料室中Na+通过阳膜进入原料室，平衡阴极室产生OH—的电荷，原料室中的H2PO2—通过阴膜进入产品室，阳极产生的H+通过阳膜加入产品室。

H2PO2—十H+=H3PO2

（3）H2PO2—具有强还原性，在阳极失电子被氧化。因NaH2PO2溶液呈碱性，所以其电极反应为

H2PO2—一4e—十4OH—=H2PO4—十

2H2O 

交换膜的类型发生变換（如阴、阳离子交换膜变换），电解目标将无法实现。

【例2】

电解装置如图所示，电解槽内装有KI及淀粉溶液，中间用阴离子交换膜隔开。在一定的电压下通电，发现左侧溶液变蓝色，一段时间后，蓝色逐渐变浅。

已知:3I2十6OH—==IO3—十5I—十3H2O

下列说法不正确的是

A．右侧发生的电极方程式：

2H2O十2e—==H2↑十2OH—

B．电解结束时，右侧溶液中含有IO3—

C．电解槽内发生反应的总化学方程式

KI十3H2O===KIO3十3H2↑

D．如果用阳离子交换膜代替阴离子交换膜，电解槽内发生的总化学方程式不变

[答案] D

【解析】

电解的电极反应为：

【例3】

用如图装置电解硫酸钾溶液来制取氢气、氧气、硫酸和氢氧化钾。

试分析其制备过程(电解反应、离子迁移、产品出口)。若交换膜互换，情况又如何？

【解析】

电极a为阳极，电极反应为

2H2O一4e—=O2↑十4H+

B出口是O2。

硫酸钾溶液中的SO42—通过阴离子交换膜，平衡阳极产生的H+，得到较浓的硫酸，从A出口输出。电极b为阴极，电极反应为

4H2O十4e—=2H2↑十4OH—

C出口是H2。

硫酸钾溶液中的K+通过阳离子交换膜，平衡阴极产生OH—的电荷，得到较浓的氢氧化钾溶液，从D出口输出。

因为K2SO4溶液中的K+和SO42—按数目比2 ：1分别向阴极室和阳极室迁移，从E出口的是K2SO4稀溶液，补充K2SO4进行循环。

 电解整个过程实质是电解消耗水，靠离子交换膜控制离子的迁移方向，得到需要产品。

若离子交换膜互换，阳极产生的H+和阴极产生的OH—都向K2SO4溶液中迁移，并中和生成H2O，K2SO4溶液变稀，且硫酸和氢氧化钾溶液都变浓，本质消耗水得到H2和O2，但各种溶液中溶质的物质的量都没有变化，并没有制得硫酸和氢氧化钾。

[辨析]

原电池或电解池中电极上放电应是氧化性强或还原性强的粒子（分子或离子）。氧化性越强的粒子越易在阴极（正极）得电子被还原，还原性越强的粒子越易在阳极（负极）失电子被氧化。

例如在燃料电池中，H2、CO、气态烃等燃料分子在负极被氧化，O2或CI2等氧化性分子在正极被还原。

在电解池中阴离子可以在阴极放电，例如NO3一/H+在阴极被还原；阳离子可以在阳极放电，例如Fe2+在阳极被氧化。

（3）在电渗析中的应用(电渗析除盐)

电渗析除盐在海水淡化、废水处理中有重要作用。

【例】

海水成分复杂，几种主要离子的平均含量Cl—：19.10 g/kg，Na+：10.62 g/kg，SO42—：2.71 g/kg。利用下列装置模拟海水综合处理——制淡水：

指出交换膜a、b是何种交换膜？出口A、B是何产品？写出所发生的化学反应。设通过交换膜的Na+和SO42—的物质的量分别为x、y mol，则通过交换膜Cl—的物质的量是多少？

【解析】

交换膜a是阳离子交换膜、交换膜b是阴离子交换膜。A出口时淡水，B出口是浓盐水。H+十OH—=H2O。根据电荷守恒式n(Na+)=n(Cl—)十2n(SO42—)可求得：

n(Cl—)=(x—2y) mol。

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