素養(yǎng)提升課離子交換膜在電化學(xué)中的應(yīng)用1.離子交換膜的分類(1)陽離子交換膜,簡稱陽膜,只允許陽離子通過,即允許H+和其他陽離子通過,不允許陰離子通過。(2)陰離子交換膜,簡稱陰膜,只允許陰離子通過,不允許陽離子通過。(3)質(zhì)子交換膜,只允許H+通過,不允許其他陽離子和陰離子通過。2.離子交換膜的作用(1)能將兩極區(qū)隔離,阻止兩極區(qū)產(chǎn)生的物質(zhì)接觸,防止發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。(2)能選擇性地通過離子,起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。注意:①反應(yīng)物相同,不同的交換膜,遷移的離子種類不同。②同種交換膜,轉(zhuǎn)移相同的電子數(shù),如果離子所帶電荷數(shù)不同,遷移離子數(shù)不同。③離子遷移依據(jù)電荷平衡,而離子數(shù)目變化量可能不相等。典例精析【例】硼酸(H3BO3)為一元弱酸,已知H3BO3與足量NaOH溶液反應(yīng)的離子方程式為H3BO3+OH-[B(OH)4]-,H3BO3可以通過電解的方法制備。電解Na[B(OH)4]溶液制備H3BO3的原理如圖所示,下列敘述中正確的是()A.通電片刻后,從左至右,各室的pH依次增大、不變、不變、減小B.a膜、c膜為陰離子交換膜,b膜為陽離子交換膜C.產(chǎn)品室中發(fā)生的反應(yīng)為[B(OH)4]-+H+H3BO3+H2OD.理論上每生成1molH3BO3,兩極室共產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下11.2L氣體解析:M室中石墨電極為陽極,電解時陽極上水失電子生成O2和H+,電極反應(yīng)式為2H2O-4e-O2↑+4H+,M室pH減小;N室中石墨電極為陰極,電解時陰極上水得電子生成H2和OH-,電極反應(yīng)式為2H2O+2e-H2↑+2OH-,N室pH增大,A項錯誤。原料室中的[B(OH)4]-通過b膜進(jìn)入產(chǎn)品室、Na+通過c膜進(jìn)入N室,M室中氫離子通過a膜進(jìn)入產(chǎn)品室,所以產(chǎn)品室中發(fā)生的反應(yīng)為[B(OH)4]-+H+H3BO3+H2O,則a膜、c膜為陽離子交換膜,b膜為陰離子交換膜,B項錯誤,C項正確。理論上每生成1molH3BO3,M室生成1molH+,轉(zhuǎn)移電子1mol,N室生成0.5molH2,M室生成0.25molO2,兩極室共產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下16.8L氣體,D項錯誤。答案:C解題模板解答含膜電池題的思維模板活學(xué)活用1.一種高性能的堿性硼化釩(VB2)空氣電池如圖所示,其中在VB2電極發(fā)生反應(yīng):VB2+16OH--11e-VO43-+2[B(OH)4]-+4H2O。該電池工作時,下列說法中錯誤的是(A.負(fù)載通過0.04mol電子時,有0.224L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)O2參與反應(yīng)B.正極區(qū)溶液的pH降低,負(fù)極區(qū)溶液的pH升高C.電池總反應(yīng)為4VB2+11O2+20OH-+6H2O8[B(OH)4]-+4VO4D.電流由復(fù)合碳電極經(jīng)負(fù)載、VB2電極、KOH溶液回到復(fù)合碳電極解析:由題給信息知VB2電極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),則VB2電極為負(fù)極,復(fù)合碳電極為正極,正極的電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-4OH-,則電路中通過0.04mole-時,正極有0.01molO2參加反應(yīng),其在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為0.224L,A項正確;由正、負(fù)極的電極反應(yīng)式可知,該電池工作時,負(fù)極區(qū)溶液的pH降低,正極區(qū)溶液的pH升高,B項錯誤;該電池的總反應(yīng)方程式為4VB2+11O2+20OH-+6H2O8[B(OH)4]-+4VO43-C項正確;電流方向與電子的流動方向相反,電流從正極出發(fā),沿負(fù)載流向負(fù)極,再經(jīng)過溶液最終回到正極,D項正確。答案:B2.科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn-CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖所示,電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時,溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲氫物質(zhì)甲酸等,為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法中錯誤的是()A.放電時,負(fù)極反應(yīng)為Zn+4OH--2e-[Zn(OH)4]2-B.放電時,1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH,轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2molC.充電時,電池總反應(yīng)為2[Zn(OH)4]2-2Zn+O2↑+4OH-+2H2OD.充電時,正極溶液中OH-濃度升高解析:由題給裝置圖可知,放電時負(fù)極鋅失去電子后結(jié)合OH-生成[Zn(OH)4]2-,負(fù)極反應(yīng)為Zn+4OH--2e-[Zn(OH)4]2-,A項正確;放電時,正極上CO2得電子生成HCOOH,CO2中C的化合價為+4價,HCOOH中C的化合價為+2價,1molCO2轉(zhuǎn)化為1molHCOOH,轉(zhuǎn)移2mol電子,B項正確;充電時,陰極上[Zn(OH)4]2-參與反應(yīng)得到鋅,陽極上H2O參與反應(yīng)得到氧氣,電池總反應(yīng)為2[Zn(OH)4]2-2Zn+O2↑+4OH-+2H2O,C項正確;充電時,陽極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)2H2O-4e-O2↑+4H+,OH-濃度降低,D項錯誤。答案:D3.某新型水系鈉離子電池工作原理如圖所示。TiO2光電極能使電池在太陽光照下充電,充電時Na2S4還原為Na2S。下列說法中不正確的是()A.充電時,太陽能轉(zhuǎn)化為電能,電能又轉(zhuǎn)化為化學(xué)能B.放電時,a極為負(fù)極C.M是陰離子交換膜D.充電時,陽極發(fā)生的反應(yīng)為3I--2e-I3解析:根據(jù)題意及圖示可知,TiO2光電極能使電池在太陽光照下充電,則充電時,太陽能轉(zhuǎn)化為電能,電能又轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,A項正確;充電時Na2S4還原為Na2S,放電和充電互為逆過程,所以a極是負(fù)極,b極是正極,B項正確;由圖示可知,交換膜只允許Na+通過,故M是陽離子交換膜,C項錯誤;在充電時,陽極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)3I--2e-I3-,D答案:C4.LiOH是制備鋰離子電池的材料,可由電解法制備。如圖所示,兩極區(qū)電解質(zhì)溶液分別為LiOH和LiCl溶液。下列說法中錯誤的是()A.B極區(qū)電解質(zhì)溶液為LiOH溶液B.陽極的電極反應(yīng)式為2Cl--2e-Cl2↑C.電解過程中主要是H+通過陽離子交換膜向B極區(qū)遷移D.電極A連接電源的正極解析:B極區(qū)生成H2,同時生成LiOH,則B極區(qū)電解質(zhì)溶液為LiOH溶液,故A項正確;電極A為陽極,陽極區(qū)電解質(zhì)溶液為LiCl溶液,根據(jù)放電順序,陽極上Cl-失去電子,陽極電極反應(yīng)式為2Cl--2e-Cl2↑,故B項正確;在電解池中陽離子向陰極移動,所以電解過程中主要是Li+向B極區(qū)遷移,故C項錯誤;電極A為陽極,所以電極A連接電源的正極,故D項正確。答案:C5.微生物燃料電池是在微生物的作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。某微生物燃料電池的工作原理如圖所示,下列說法中正確的是()A.電子從b流出,經(jīng)外電路流向aB.HS-在硫氧化菌作用下轉(zhuǎn)化為SO42-的反應(yīng)是HS-+4H2O-8e-SOC.如果將反應(yīng)物直接燃燒,能量的利用率不會變化D.若該電池電路中有0.4mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移,則有0.5molH+通過質(zhì)子交換膜解析:b電極通入氧氣,是正極,a電極是負(fù)極,電子從a流出,經(jīng)外電路流向b,A項錯誤;如果將反應(yīng)物直接燃燒,會有部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能,因此能量的利用率會變化,C項錯誤;若該電池電路中有0.4mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移,根據(jù)電荷守恒可知有0.4molH+通過質(zhì)子交換膜與0.1mol氧氣結(jié)合轉(zhuǎn)化為水,D項錯誤。答案:B6.KIO3是一種重要的無機(jī)化合物,可作為食鹽中的補(bǔ)碘劑。KIO3也可采用“電解法”制備,裝置如圖所示。請回答下列問題:(1)電解時陰極的電極反應(yīng)式為

,陽極的電極反應(yīng)式為

。

(2)電解過程中通過陽離子交換膜的離子主要為,其遷移方向是(用A、B表示)。

解析:(1)該裝置為電解池,電解時陰極電解質(zhì)溶液為KOH溶液,