新教材2023高中化学第四章化学反应与电能素养提升课离子交换膜在电化学中的应用同步测试新人教版选择性必修1

素养提升课　离子交换膜在电化学中的应用

1.离子交换膜的分类

(1)阳离子交换膜,简称阳膜,只允许阳离子通过,即允许H+和其他阳离子通过,不允许阴离子通过。

(2)阴离子交换膜,简称阴膜,只允许阴离子通过,不允许阳离子通过。

(3)质子交换膜,只允许H+通过,不允许其他阳离子和阴离子通过。

2.离子交换膜的作用

(1)能将两极区隔离,阻止两极区产生的物质接触,防止发生化学反应。

(2)能选择性地通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。

注意:①反应物相同,不同的交换膜,迁移的离子种类不同。②同种交换膜,转移相同的电子数,如果离子所带电荷数不同,迁移离子数不同。③离子迁移依据电荷平衡,而离子数目变化量可能不相等。

典例精析

【例】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)4]-,H3BO3可以通过电解的方法制备。电解Na[B(OH)4]溶液制备H3BO3的原理如图所示,下列叙述中正确的是(　　)

A.通电片刻后,从左至右,各室的pH依次增大、不变、不变、减小

B.a膜、c膜为阴离子交换膜,b膜为阳离子交换膜

C.产品室中发生的反应为[B(OH)4]-+H+H3BO3+H2O

D.理论上每生成1 mol H3BO3,两极室共产生标准状况下11.2 L气体

解析:M室中石墨电极为阳极,电解时阳极上水失电子生成O2和H+,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,M室pH减小;N室中石墨电极为阴极,电解时阴极上水得电子生成H2和OH-,电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,N室pH增大,A项错误。原料室中的[B(OH)4]-通过b膜进入产品室、Na+通过c膜进入N室,M室中氢离子通过a膜进入产品室,所以产品室中发生的反应为[B(OH)4]-+H+H3BO3+H2O,则a膜、c膜为阳离子交换膜,b膜为阴离子交换膜,B项错误,C项正确。理论上每生成1 mol H3BO3,M室生成1 mol H+,转移电子1 mol,N室生成0.5 mol H2,M室生成0.25 mol O2,两极室共产生标准状况下16.8 L气体,D项错误。

答案:C

解题模板

解答含膜电池题的思维模板

活学活用

1.一种高性能的碱性硼化钒(VB2)空气电池如图所示,其中在VB2电极发生反应:VB2+16OH--11e-V+2[B(OH)4]-+4H2O。该电池工作时,下列说法中错误的是 (　　)

A.负载通过0.04 mol电子时,有0.224 L(标准状况)O2参与反应

B.正极区溶液的pH降低,负极区溶液的pH升高

C.电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O8[B(OH)4]-+4V

D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极

解析:由题给信息知VB2电极上发生失电子的氧化反应,则VB2电极为负极,复合碳电极为正极,正极的电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,则电路中通过0.04 mol e-时,正极有0.01 mol O2参加反应,其在标准状况下的体积为0.224 L,A项正确;由正、负极的电极反应式可知,该电池工作时,负极区溶液的pH降低,正极区溶液的pH升高,B项错误;该电池的总反应方程式为4VB2+11O2+20OH-+6H2O8[B(OH)4]-+4V,

C项正确;电流方向与电子的流动方向相反,电流从正极出发,沿负载流向负极,再经过溶液最终回到正极,D项正确。

答案:B

2.科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如图所示,电极为金属锌和选择性催化材料。放电时,温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等,为解决环境和能源问题提供了一种新途径。

下列说法中错误的是 (　　)

A.放电时,负极反应为Zn+4OH--2e-[Zn(OH)4]2-

B.放电时,1 mol CO2转化为HCOOH,转移的电子数为2 mol

C.充电时,电池总反应为2[Zn(OH)4]2-2Zn+O2↑+4OH-+2H2O

D.充电时,正极溶液中OH-浓度升高

解析:由题给装置图可知,放电时负极锌失去电子后结合OH-生成[Zn(OH)4]2-,负极反应为Zn+4OH--2e-[Zn(OH)4]2-,A项正确;放电时,正极上CO2得电子生成HCOOH,CO2中C的化合价为+4价,HCOOH中C的化合价为+2价,1 mol CO2转化为1 mol HCOOH,转移2 mol 电子,B项正确;充电时,阴极上[Zn(OH)4]2-参与反应得到锌,阳极上H2O参与反应得到氧气,电池总反应为2[Zn(OH)4]2-2Zn+O2↑+4OH-+2H2O,

C项正确;充电时,阳极上发生失电子的氧化反应2H2O-4e-O2↑+4H+,

OH-浓度降低,D项错误。

答案:D

3.某新型水系钠离子电池工作原理如图所示。TiO2光电极能使电池在太阳光照下充电,充电时Na2S4 还原为 Na2S。下列说法中不正确的是　　                                                                 (　　)

A.充电时,太阳能转化为电能,电能又转化为化学能

B.放电时,a极为负极

C.M是阴离子交换膜

D.充电时,阳极发生的反应为3I--2e-

解析:根据题意及图示可知,TiO2光电极能使电池在太阳光照下充电,则充电时,太阳能转化为电能,电能又转化为化学能,A项正确;充电时Na2S4还原为Na2S,放电和充电互为逆过程,所以a极是负极,b极是正极,B项正确;由图示可知,交换膜只允许Na+通过,故M是阳离子交换膜,C项错误;在充电时,阳极上发生失电子的氧化反应3I--2e-,D项正确。

答案:C

4.LiOH是制备锂离子电池的材料,可由电解法制备。如图所示,两极区电解质溶液分别为LiOH和LiCl溶液。下列说法中错误的是 (　　)

A.B极区电解质溶液为LiOH溶液

B.阳极的电极反应式为2Cl--2e-Cl2↑

C.电解过程中主要是H+通过阳离子交换膜向B极区迁移

D.电极A连接电源的正极

解析:B极区生成H2,同时生成LiOH,则B极区电解质溶液为LiOH溶液,故A项正确;电极A为阳极,阳极区电解质溶液为LiCl溶液,根据放电顺序,阳极上Cl-失去电子,阳极电极反应式为2Cl--2e-Cl2↑,故B项正确;在电解池中阳离子向阴极移动,所以电解过程中主要是Li+向B极区迁移,故C项错误;电极A为阳极,所以电极A连接电源的正极,故D项正确。

答案:C

5.微生物燃料电池是在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料电池的工作原理如图所示,下列说法中正确的是(　　)

A.电子从b流出,经外电路流向a

B.HS-在硫氧化菌作用下转化为S的反应是HS-+4H2O-8e-S+9H+

C.如果将反应物直接燃烧,能量的利用率不会变化

D.若该电池电路中有0.4 mol电子发生转移,则有0.5 mol H+通过质子交换膜

解析:b电极通入氧气,是正极,a电极是负极,电子从a流出,经外电路流向b,A项错误;如果将反应物直接燃烧,会有部分化学能转化为光能,因此能量的利用率会变化,C项错误;若该电池电路中有0.4 mol电子发生转移,根据电荷守恒可知有0.4 mol H+通过质子交换膜与0.1 mol 氧气结合转化为水,D项错误。

答案:B

6.KIO3是一种重要的无机化合物,可作为食盐中的补碘剂。KIO3也可采用“电解法”制备,装置如图所示。请回答下列问题:

(1)电解时阴极的电极反应式为 　　　　　,阳极的电极反应式为　 　　　　　　　　。 

(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　(用A、B表示)。 

解析:(1)该装置为电解池,电解时阴极电解质溶液为KOH溶液,水中H+放电,故电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑,阳极反应为I2失去电子结合OH-生成I。(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为K+,在电解池中离子移动方向为阳离子移向阴极,故K+的迁移方向是A→B。

答案:(1)2H2O+2e-2OH-+H2↑　I2+12OH--10e-2I+6H2O　(2)K+　A→B