2021秋（新教材）人教版化学选择性必修1作业：第四章 素养提升课　离子交换膜在电化学中的应用 WORD版含解析.docx

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:反应物相同,不同的交换膜,迁移的离子种类不同。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。离子迁移依据电荷平衡,而离子数目变化量可能不相等。典

2、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NaB(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p

3、H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

4、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-VO43-+2B(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-+6H2O8B(OH)4-+4VO43-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-4

5、OH-,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-+6H2O8B(OH)4-+4VO43-,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:B2.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

6、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)42-B.放电时,1 mol CO2转化为HCOOH,转移的电子数为2 molC.充电时,电池总反应为2Zn(OH)42-2Zn+O2+4OH-+2H2OD.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)42-,负极反应为Zn+4OH-2e-Zn(OH)42-,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

7、项正确;充电时,阴极上Zn(OH)42-参与反应得到锌,阳极上H2O参与反应得到氧气,电池总反应为2Zn(OH)42-2Zn+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:D3.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,阳极的电极反应式为3I-2e-I3-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

8、,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-I3-,D项正确。答案:C4.用LiOH可制备锂离子电池的正极材料。LiOH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-Cl2C.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

9、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:C5.微生物燃料电池是指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aB.HS-在硫氧化菌作用下转化为SO42-的反应是HS-+4H2O-8e-SO42-+9H+C.如

10、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:B6.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IO3-。(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AB。答案: (1)2H2O+2e-2OH-+H2I2+12OH-10e-2IO3-+6H2O(2)K+AB