离子交换膜在电化学中的应用 论文

离子交换膜在电化学中的应用摘要：在电化学中，由于需要提高电池效率和用电安全，在设计原电池和电解池时常常需要考虑设计离子交换膜。那么，离子交换膜的工作原理是怎样的，它在电池中起着怎样的作用，它又是怎样提高电池效率和用电安全的，本文将一一展开。关键词：离子交换膜原电池电解池一：离子交换膜的本质离子交换膜在本质上来说就是一种有选择性的透过膜，与半透薄膜的特点类似。可以细分为阳离子通道透过膜、阴离子通道透过膜、质子膜以及特殊透过膜。其中，从质子膜的字面意思上来理解：阳离子的半透膜即允许阳性离子的通过、阴性离子的半透膜即允许阳性氢离子的通过、质子膜即允许氢化物的通过。在理解时可以这样认为：离子交换膜即是一种泡在过饱和溶液中的琼脂离子的饱和溶液。该离子与要通过的离子相同，看起来，就像是离子通过该膜一样。比如：钠离子(Na+)半透膜就是将琼脂放进过饱和的钠离子(Na+)溶液中。在使用时，电解质溶液中的钠离子进入到琼脂中，而琼脂中的钠离子(Na+)进入到另一端溶液中去。看起来，好像是钠离子(Na+)通过了半透膜，所以，半透膜可以持续工作。从这里可以看出，半透膜与盐桥的工作原理是不同的。二：盐桥的工作原理盐桥电池也被称为双液原电池，与单液原电池相比，双液原电池将正极和负极放在两个烧杯中，减少了放电过程中的能量损失，所以电池效率提高了。其主要工作原理如下：当蓄电池进行放电时，负极区所在的烧杯中阳离子浓度会逐渐增大，为了能够保持其在水中的溶液具有高度电中性，盐桥中的阴离子会逐渐进入到负极区所在的烧杯中；同时，正极区所在的烧杯中阳离子浓度减小，为了保持其电中性，盐桥中的阳离子进入到正极区。这样，就完成了闭合回路。但是，盐桥是琼脂泡在饱和盐溶液中的，琼脂中的离子浓度并不是无限大的，所以，每次做完实验后，都要将琼脂重新泡在过饱和的电解质溶液中。有关于(-)Cu丨Cu(NO3)2‖AgNO3丨Ag(+)的原始电池叙述不恰当的地方是()A.电子沿导线由Cu片流向Ag片+B.正极的极性电极极化反应式为Ag+e-===AgC.Cu片上的两个ag分子发生了化学氧化还原反应，Ag片上的两个Ag分子发生了化学还原氧化反应D.反应时盐桥中的阳离子移向硝酸铜溶液分析可知：盐桥中的阳离子应该移向正极，而正极为硝酸银溶液。所以，答案D错误。三：离子交换膜在原电池中的作用由不同浓度组成的浓度差原电池中，为了防止特定离子发生定向移动，可以用其反向的离子交换膜进行隔离。例如：一种物质从高浓度到低浓度的扩散途径所引起的一类锂离子电池又被称为浓差式锂离子电池。如图所示是由Ag电极和硝酸银溶液构成的电池，工作时，b电极的质量不断地增大。以下列表中错误之处是()A.硝酸根离子从交换膜的右侧迁移到左侧。B.a极为负极，发生氧化反应C.交换层和膜左侧的固体溶液平均浓度终究极有可能远远大于整个交换层和膜右侧的固体溶液平均浓度D.原子电池的整体反应方式并非一定都是氧化和还原的反应分析：由于电池中存在一层阴离子的交换膜，所以硝酸根的阴离子会从交换膜右侧(浓度大)到左侧(浓度小)方向移动，原来的电池中阴离子向交换膜的负极方向移动，则a极为负极，发生了氧化反应，A、B项正确。当电池在高温下工作了一段时间后，两侧的溶液浓度相等，电池将不再继续工作，c项错误。该原子蓄电池的正极反应式定义为：Ag-e-====Ag+，正极+反应式定义为：Ag+e-===Ag，其总反应不是氧化还原反应，D项正确四：离子交换膜在电解池中的作用在反应中，阴阳极被半透膜隔开，阳极生成氯气Cl2、阴极生成氢气H2和氢氧化钠NaOH，由于氯气活泼，极易与氢氧化钠反应，所以工业上把阴阳极用半透膜隔开，半透膜阳极一侧只是饱和食盐水，阳极生成氯气不易溶解也不反应，半透膜阴极一侧是氢氧化钠溶液，阴极生成氢氧化钠、氢气H2，钠离子Na+离子半径较小，在半透膜两侧自由穿行，维持电荷守恒，由于阴极不断消耗水生成氢气，使得反应需不断补充水分，因此需要向阴极通入水或稀氢氧化钠溶液。也是为了使产品氢氧化钠纯净。综合考虑，应在此实验中采用阳离子交换膜。下图中的是离子交换层的膜加工方法所用的一种电解质高度溶于饱和食盐水的阴极工作力学原理及结构示意图，阴极由镀钛碳钢钢丝网涂层焊接加工制成，阳极由镀钛金属涂层二氧化硅和镀钛碳钢网涂层焊接加工做成(离子交换层的膜中只含有只具备能够同时允许阳极阴离子退出进入直接通过的阳离子交换层的膜和只具有能够同时允许阴极阳离子退出进入直接通过的阳离子交换层的膜)。(1)如果证明若一个小型目标电源产品在一个电容器中的d电位处被阴极引出，则称为m阳源电极对于目标电源的一个_______极与整个电源电路中的一个______极没有接触，n阴极电极上的一个电极对于这个电极的化学反应能力方程式及其定义函数为____________；使用精制的食盐水首先我们应该从装在________上的口袋中开始排放进入一个酸性电解池中，从而在c电极处开始排放分解出来的化学溶剂和酸性液体及其组成主要成分有____________________。(2)上图例如，当其中包含有10mol某种离子分解的需要离子可能穿过一片l时，理论上在化学集成电路中所有的需要离子通过的一个分解电子被确定称为________na；而上图中的离子交换层和膜l可能属于一个_________(可以选择一个可以填"阳"或"阴")的离子交换层的膜，如果已经完全取消了该离子交换层的膜，则在化学溶液中可能产生的一个最大可能现象是具有反应性的化学副作用，即传统化学离子分解方法的_______________________________________________________(3)为了增大右侧介质在电极区域的导电性能，从b处引出的物质不是一定量的水而是一定量的某种化学物质稀溶液，该物质很有可能就是_________。a.氯化钠b.氢氧化钠c.碳酸钠d.氢氧化钾分析后的结果由此可知：在n处的水在电极上会产生一个氢氧化钠NaOH，则位于n处在电极上的复合还原反应是通过水得获取电子的一种复合还原脱氢反应：在水中每当获取水得电子时会产生大量氢气和形成氢氧根的阴离子，其方程式为：2H2O+2e-===H2↑+2OH-。同时m电极应为阳极。离子半透膜应为阳离子半透膜。如果取消该半透膜，则可能会发生反应氯气与氢氧化钠反应Cl2+2NaOH===NaCl+NaClO次磷酸的制备上，在高考中也曾用半透膜进行考察。题目中的列表内容如下：h3po2也是一种完全可以直接使用四室电渗析的方法用来进行薄膜制备，"四室电渗析法"的具体工作过程原理大致可以如下面右图所示(其中阳膜、阴膜的薄层分别可以允许阳性太空离子、阴性太阳离子同时透过)：(((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)早期研究使用"三室电渗析法"来代替制备硫酸H3PO2-将"四室电渗析法"的阴阳二二极室稀硫酸溶液取出以及将H3PO2稀硫酸溶液取出来进行代替。并且我们撤除了一个阳极室与一个产品房之间的一个阴道和太阳膜，从而可以使得它们被重新合并来成为一个阳极室和一个产品房。其主要的优缺点也就在于这种塑料产品中会大量含有一种___________的化学杂质，该种产品杂质大量使用产生的一个根本原因很有可能是也就是分析：阴极室内溶液失去了一个电子，发生了呈酸性和氢氧化钾的反应，溶液明显改变呈酸性，水液中失去了一个电子而水解生成酸性氧气和碳酸氢离子。其中的线性电极温度响应函数方程式定义可以通过定义形式为：2HO-4e-=====O+4H+生成次氯二磷酸的阳极工作机理原因主要在于应该从阳极闭合分析回路的原理角度，阴、阳二氯离子分别流向阳极进行闭合分析；再经阳极室的次氯氢离子生成H+然后穿过阳极阴膜快速扩散至整个产品房，原料室的次氯二磷酸跟生成H2PO2-经阳极间的次氯二磷酸生成h3po2-然后穿过阳极阴膜快速扩散至整个产品房，二者相互作用反应后来还可以分别生成弱碱性电解质次氯二磷酸钠和H3PO2生成的杂志应该特别注意阳极反应后生成的氧气O2，氧气对人体是否具有抗氧化作用，次磷酸H3PO2和次磷酸跟H2PO2-均可以具有抗氧化的还原作用，二者都会被氧气进行氧化而生成磷酸或磷酸根离子而2016年的全国一卷的第11题也很符合情况。题目如下：三室式电渗析法处理含硫酸钠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，两膜中间的钠离子和硫酸根离子可通过离子交换膜，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.通电后中间隔室的硫酸根离子向其正极区域迁移，正极区溶液Ph逐渐增大b.此方法在处理氢氧化钠和硫酸产物的废水时，可以分别得到氢氧化钠和硫酸制品c.与负极区域的反应式为2H2O-4e-====O2+4H+，负极区域的溶液ph逐渐降低d.当电路中经由1mol电子的容量减小时，会使溶液中的浓度达0.5mol的氧气产生。分析结果可知：a项正极区在大量溶液中同时发生的离子化学反应迁移方式定义为：由于氧和水同时失去了大量电子而不能生成大量的中性氧气和大量氢离子，所以，其中的氢离子迁移方程式具体定义如下为：2h2o-4e-=====o2→+4h+，由于氧和水同时失去了电子生成大量氢离子氢的h+，正极区的大量溶液中阳和阴离子氢的数量随之增多，故中间位于隔室的大量硫酸根和阳离子通过so42-向整个正极区进行迁移，正极区内的溶液中阴离ph数量减小。b项中在负极电磁区内所含盐发生的主要化学反应为由于盐与水分解得到的两个电子而分解生成盐的氢气和作为氢氧根的阴离子，其盐在方程式中的定义如下为：2h2o+2e-====h2∞+2oh-，阴极阳离子盐的数量逐渐增多，中间的分隔室内含钠的阴离子通过na+向其在负极区内部迁移，故其在负极区内部可能产生naoh，正极电磁区内部可能产生二氢硫酸盐nh2so4。c项由此和b项数据分析结果可知，负极辐射区内的氧会持续产生大量氢氧根和阴离子OH-，负极区溶液的pH升高。d项正极区发生的化学反应表示为：在电路中水失去一个电子而生成氧气和氢离子，方程式定义为：2H2O-4e-====O2+4H+，当在正极区中通过1mol电子的能量增加。生成0.25mol氧气O2。综上所述可以发现：离子交换膜虽然在原电池和电解池中都有应用，但是在电解池中的应用更为广泛，应用前景也更为广阔。五：离子交换膜的发展前景展望