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 本刊论文 |
| 复习与练习例谈电化学中的“离子交换膜”问题 |
| 作者：刘成宝 时间：2016/08/02 点击：693 |
“离子交换膜”是一种含离子基团、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜，有广泛应用。
一、化学电源中的离子交换膜
图1
例1某新型电池，以NaBH4（B的化合价为+3价）和H2O2作原料，该电池可用作深水勘探等无空气环境电源，其工作原理如图1所示。下列说法正确的是（ ）。
A.电池工作时Na+从b极区移向a极区
B.每消耗3 mol H2O2，转移3 mol e-
C.b极上的电极反应式为：H2O2+2e-+2H+2H2O
D.a极上的电极反应式为：BH-4+8OH--8e-BO-2+6H2O
解析钠离子交换膜只允许Na+通过，Na+的移动情况要结合电极反应式进行判断。该电池的总反应方程式为NaBH4+4H2O2NaBO2+6H2O，a电极（负极）反应式为BH-4+8OH--8e-BO-2+6H2O，b电极（正极）反应式为4H2O2+8e-8OH-。因此a极区负电荷减少，b极区负电荷增多，Na+从a极区移向b极区。
图2
例2如图2装置Ⅰ是一种可充电电池，装置Ⅱ为电解池。装置Ⅰ的离子交换膜只允许Na+通过，已知电池放电的化学方程式为：2Na2S2+NaBr3Na2S4+3NaBr，当闭合开关K时，X电极附近溶液变红。下列说法正确的是（ ）。
A.闭合开关K时，钠离子从右到左通过离子交换膜
B.闭合开关K时，负极反应式为：3NaBr-2e-NaBr3+2Na+
C.闭合开关K时，X电极反应式为：2Cl--2e-Cl2↑
D.闭合开关K时，当有0.1 mol Na+通过离子交换膜时，X电极上放出标准状况下气体1.12 L
解析X电极附近溶液变红，说明X极区产生OH-，因此X为阴极，装置Ⅰ的左端为负极。由该电池的反应方程式可知，负极反应式为2Na2S2-2e-Na2S4+2Na+，正极反应式为NaBr3+2e-+2Na+3NaBr，则Na+从左通过离子交换膜移向右侧。当有0.1 mol Na+通过交换膜时，外电路中转移0.1 mol电子，则X电极上生成的H2为0.05 mol。图3
例3人工光合作用能够借助太阳能，用CO2和H2O制备化学原料。图3是通过人工光合作用制备HCOOH的原理示意图，下列说法不正确的是（ ）。
A.该过程是将太阳能转化为化学能的过程
B.催化剂a表面发生氧化反应，有O2产生
C.催化剂a附近酸性减弱，催化剂b附近酸性增强
D.催化剂b表面的反应是CO2+2H++2e-HCOOH
解析光合作用在将化学能转化为电能的同时，将产生O2，因此该电池反应的方程式为2CO2+2H2O→2HCOOH+O2。由电子的流动方向及H+的移动方向可知，左侧为负极，电极反应式为2H2O-4e-O2+4H+，右侧为正极，电极反应式为2CO2+4H++4e-2HCOOH，因此催化剂a附近酸性增强。
图4
例4锂离子电池已经成为应用最广泛的可充电电池。某种锂离子电池的结构示意图如图4，其中两极区间的隔膜只允许Li+通过。电池充电时的总反应化学方程式为：LiCoO2Li1-xCoO2+xLi。关于该电池的推论错误的是（ ）。
A.放电时，Li+主要从负极区通过隔膜移向正极区
B.放电时，负极反应xLi-xe-xLi+
C.充电时，将电能转化为化学能
D.充电时，负极（C）上锂元素被氧化
解析由题知放电时的反应为：Li1-xCoO2+xLiLiCoO2，则负极反应为xLi-xe-xLi+，正极反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+LiCoO2，Li+从负极区通过隔膜移向正极区。
二、电解池中的离子交换膜
图5
例5有一种节能的氯碱工业新工艺，将电解池与燃料电池相组合，相关流程如图5所示（电极未标出），回答下列有关问题：
（1）燃料电池中阳离子的移动方向（填“从左向右”或“从右向左”）。
（2）a、b、c的大小关系为：。
解析燃料电池以NaOH溶液为电解质，负极、正极的电极反应式分别为2H2-4e-+4OH-4H2O、O2+4e-+2H2O4OH-，正极区负电荷增多，则Na+通过离子交换膜从左向右移动。由于阳离子交换膜只允许阳离子通过，在负极室内有H2O生成，导致负极室内NaOH溶液浓度减小，即a%>b%，而正极室内NaOH溶液浓度增大，即c%>a%，因此c%>a%>b%。在电解池中，阴极的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-，因此Na+通过离子交换膜由阳极向阴极移动，也可判断出a%>b%。在电解池中，由于阳离子交换膜只允许阳离子通过，从而避免阳极产生的Cl2与阴极产生的H2、NaOH发生反应，以确保安全及所得NaOH溶液的纯度。
图6
例6人工肾脏可采用间接电化学方法除去代谢产物中的尿素，原理如图6所示。电解结束后，阴极室溶液的pH与电解前相比将；若两极共收集到气体13.44 L（标准状况），则除去的尿素为g（忽略气体的溶解）。
解析电解时右端产生H2，左端生成Cl2，确定A为电源的正极，B为负极，阳极室中发生的反应依次为2Cl--2e-Cl2↑，CO（NH2）2+3Cl2+H2ON2↑+CO2↑+6HCl，阴极反应为2H2O+2e-2OH-+H2↑（或2H++2e-H2↑），由电子转移守恒关系可知在阴、阳极上产生的OH-与H+的物质的量相等，阳极室中反应产生的H+通过质子交换膜进入阴极室与OH-恰好反应生成水，所以阴极室中电解前后溶液的pH不变。计算略。
图7
例7以铬酸钾为原料，电化学法制备重铬酸钾的实验装置示意图如图7，下列说法不正确的是（ ）。
A.在阴极室，发生的电极反应为：2H2O+2e-2OH-+H2↑
B.在阳极室，通电后溶液逐渐由黄色变为橙色，是因为阳极区H+浓度增大，使平衡2CrO2-4+2H+Cr2O2-7+H2O向右移动
C.该制备过程中总反应的化学方程式为：4K2CrO4+4H2O2K2Cr2O7+4KOH+2H2↑+O2↑
D.测定阳极液中K和Cr的含量，若K与Cr的物质的量之比（n（K）/n（Cr））为d，则此时铬酸钾的转化率为1-d/2
解析阴极反应为4H2O+4e-4OH-+2H2↑，阳极反应为2H2O-4e-4H++O2↑，溶液中的阳离子通过交换膜由阴极室进入阳极室。在阳极室由于H+浓度增大，使平衡2CrO2-4+2H+Cr2O2-7+H2O右移，从而得到K2Cr2O7。由电子转移守恒关系及电荷守恒关系可知，每有2 mol K2CrO4反应或1 mol K2Cr2O7生成时，将有2 mol K+由阴极室进入阳极室。故设最初阳极室中的K2CrO4为1 mol，转化的K2CrO4为
x mol，则阳极室n（K）=（2-x）mol，n（K）/n（Cr）=（2-x）mol/1 mol=d，计算出K2CrO4的转化率为：2-d1×100%。
例8电解装置如图所示，电解槽内装有KI及淀粉溶液，中间用阴离子交换膜隔开。在一定的电压下通电，发现左侧溶液变蓝色，一段时间后，蓝色逐渐变浅（已知：3I2+6OH-IO-3+5I-+3H2O）。下列说法不正确的是（ ）。
A.右侧发生的电极方程式：2H2O+2e-H2↑+2OH-
B.电解结束时，右侧溶液中含有IO-3
C.电解 [本文由wWw. DYLw.Net提供，第 一论文 网专业代写教育教学论文和本科毕业 论文以及发表论文服务，欢迎光临DYlw.nET]槽内发生反应的总化学方程式：KI+3H2OKIO3+3H2↑
D.如果用阳离子交换膜代替阴离子交换膜，电解槽内发生的总化学方程式不变
解析左侧先变蓝的原因是由于2I--2e-I2，遇淀粉呈现蓝色。右侧发生反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-，因此OH-能够通过阴离子交换膜进入左侧，发生反应3I2+6OH-IO-3+5I-+3H2O，从而得到KIO3，而IO-3又可以通过阴离子交换膜进入右侧。若使用阳离子交换膜，则在两电极产生的I2与OH-因不能接触而不反应。此时的总反应方程式为2KI+2H2OI2+3H2↑+2KOH。 |
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