人教版高中化学选择性必修1第四章素养提升课离子交换膜在电化学中的应用练习含答案
展开素养提升课 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】(2023·湖北卷)我国科学家设计如图所示的电解池,实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变,电解生成氢气的速率为x mol·h-1。下列说法错误的
是 ( )
A.b电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-
B.离子交换膜为阴离子交换膜
C.电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜
D.海水为电解池补水的速率为2x mol·h-1
解析:由题图可知,该装置为电解水制取氢气的装置,a电极与电源正极相连,为电解池的阳极,b电极与电源负极相连,为电解池的阴极,阴极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,阳极反应为4OH--4e-O2↑+2H2O,电池总反应为2H2O2H2↑+O2↑。A项,b电极为电解池的阴极,发生还原反应,电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,正确;B项,该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液浓度不变,阳极发生的电极反应为4OH--4e-O2↑+2H2O,为保持OH-的浓度不变,则阴极产生的OH-要通过离子交换膜进入阳极室,即离子交换膜应为阴离子交换摸,正确;C项,电解时电解槽中不断有水被消耗,海水中的动能高的水可穿过PTFE膜,为电解池补水,正确;D项,由电解总反应可知,每生成1 mol H2要消耗1 mol H2O,生成H2的速率为x mol·h-1,则补水的速率也应是x mol·h-1,错误。
答案:D
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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.(2023·广东江门鹤山一中第一学期第二阶段考试)科学家设计出质子膜H2S燃料电池,实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如图所示。下列说法错误的
是( )
A.该装置将化学能转化为电能
B.电极b上发生的反应为O2+4e-+4H+2H2O
C.电极a上发生的反应为2H2S-4e-S2↓+4H+
D.电路中每通过4 mol电子,理论上在电极a消耗44.8 L H2S
解析:该装置是质子膜H2S燃料电池,将化学能转化为电能,A项正确;正极O2得电子发生还原反应,酸性条件下,氧气得电子生成水,则电极b上发生的电极反应为O2+4H++4e-2H2O,B项正确;a极上硫化氢失电子生成S2和H+,发生氧化反应,电极反应为2H2S-4e-S2↓+4H+,C项正确;没有说明是否为标准状况,不能计算消耗H2S的体积,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为 ,阳极的电极反应为 。
(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
