2020-2021学年鲁科版选修4第1章第2节电能转化为化学能电解第3课时学案

第2节电能转化为化学能——电解第三课时探究任务1.掌握有隔膜电解池的工作原理。培养宏观辨识与微观探析的学科核心素养。2．形成“有膜〞电解池的解题思路，增强发现问题解决问题的能力。1．交换膜的功能及工作原理(1)功能：使离子选择性定向移动，目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷。(2)工作原理(以阳离子交换膜为例)：交换膜上有很多微孔，“孔道〞上有许多带负电荷的基团，阳离子可以自由通过“孔道〞，由浓度大的区域向浓度小的区域移动。阴离子移动到“孔道〞处，受到“孔道〞带负电荷基团的排斥而不能进入“孔道〞中，因而不能通过交换膜。这就是“选择性〞透过的原因。其构造与工作示意图如下图：阴离子交换膜的构造和工作原理与此相同，只不过是“孔道〞中带正电荷基团而已。2．离子交换膜的类型(1)阳离子交换膜：只允许阳离子通过；(2)阴离子交换膜：只允许阴离子通过；(3)质子交换膜：只允许质子通过。3．有膜电解池试题的解题思路(1)确定电解池的阴、阳极：根据外接电源的正负极、电子流向、电极现象等确定电解池的阴、阳极。(2)根据交换膜的类型确定移动的离子及移动方向：①阳离子交换膜：只有阳离子由阳极移向阴极；②阴离子交换膜：只有阴离子由阴极移向阳极；③质子交换膜：只有氢离子由阳极移向阴极。(3)根据移动的离子书写判断电极反响式，判断溶液离子浓度、质量、pH的变化，判断电极产物等。【例题】纳米级Cu2O因具有优良的催化性能而受到广泛关注。采用离子交换膜控制电解液中OH－的浓度制备纳米级Cu2O的装置如下图，发生的反响为2Cu＋H2Oeq\o(=,\s\up9(通电))Cu2O＋H2↑。以下说法正确的选项是()A.钛电极上发生氧化反响B.阳极附近溶液的pH逐渐增大C.离子交换膜应采用阳离子交换膜D.阳极反响式为2Cu＋2OH－－2e－=Cu2O＋H2OD[钛电极与电源负极相连作阴极，发生氢离子得电子的复原反响，A项错误；根据总反响可得阳极反响式为2Cu－2e－＋2OH－=Cu2O＋H2O，消耗OH－，那么阳极附近溶液的pH减小，B项错误、D项正确；阳极反响式为2Cu－2e－＋2OH－=Cu2O＋H2O，那么应采用阴离子交换膜，C项错误。]离子交换膜的判断根据题给信息“采用离子交换膜控制电解液中OH－的浓度制备Cu2O〞，结合电极反响式：2Cu－2e－＋2OH－=Cu2O＋H2O，电解时OH－移动至阳极反响，应采用阴离子交换膜。1．三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如下图，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。以下表达正确的选项是()A.通电后中间隔室的SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))向阳极区迁移，正极区溶液pH增大B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品C.阴极区反响为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，阴极区溶液pH减小D.当电路中通过1mole－时，会有0.5mol的O2生成B[电解池中阴离子向阳极区定向移动，因此通电后中间隔室的SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))向阳极区迁移；在阳极区水电离出的OH－失去电子，发生氧化反响，电极反响式为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，所以阳极区溶液酸性增强，溶液pH减小，A错误。阳极区OH－失去电子，电极反响式为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，溶液中产生硫酸；阴极区H＋获得电子，发生复原反响，电极反响式为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，产生氢氧化钠，因此该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品，B正确。阴极区水电离出的氢离子放电，电极反响式为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，c(OH－)增大，所以阴极区溶液pH增大，C错误。当电路中通过1mole－时，根据得失电子守恒可知，反响产生氧气的物质的量是0.25mol，D错误。]2．工业上用电解法处理含镍酸性废水并得到单质Ni的原理如下图。：①Ni2＋在弱酸性溶液中发生水解；②氧化性：Ni2＋(高浓度)>H＋>Ni2＋(低浓度)。以下说法中不正确的选项是()ABCA.碳棒上发生的电极反响：4OH－－4e－=O2↑＋2H2OB.电解过程中，B室中NaCl溶液的物质的量浓度将不断减小C.为了提高Ni的产率，电解过程中需要控制废水的pHD.假设将图中阳离子膜去掉，将A、B两室合并，那么电解反响的总方程式发生改变B[由题图可知，碳棒与电源正极相连，作电解池的阳极，电极反响式为4OH－－4e－=O2↑＋2H2O，故A正确；电解过程中为平衡A、C室中的电荷，A室中的Na＋和C室中的Cl－分别通过阳离子膜和阴离子膜移向B室中，使B室中NaCl溶液的物质的量浓度不断增大，故B错误；因Ni2＋在弱酸性溶液中易发生水解反响，且氧化性：Ni2＋(高浓度)＞H＋＞Ni2＋(低浓度)。为了提高Ni的产率，电解过程中需要控制废水的pH，故C正确，假设将图中阳离子膜去掉，由于放电顺序：Cl－＞OH－，那么Cl－在阳极放电：2Cl－－2e－=Cl2↑，电解反响的方程式会发生改变，故D正确。]电解是利用外电路电源提供电能的一种强有力的氧化复原手段，可以使不能发生的氧化复原反响强制发生。因此电解原理有着广泛的应用，可以应用电解手段制备、净化、提纯某些物质。1．SO2是一种常见的大气污染物，能够引起酸雨等环境问题，工业上利用电化学方法将SO2废气二次利用，制备保险粉(Na2S2O4)的装置如下图。(1)分析电极a、b、Ⅰ、Ⅱ的名称，并写出电极Ⅰ、Ⅱ的电极反响式。(2)通电一段时间后溶液中H＋转移0.1mol，计算此装置处理的废气SO2的体积(标准状况下)。提示：(1)根据图示可以得出电极Ⅰ上发生的是SO2制备Na2S2O4的过程，发生的是得电子的复原反响，因此电极Ⅰ为阴极，电极反响式为2SO2＋2e－=S2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))；电极Ⅱ上发生的是SO2生成硫酸的反响，为失电子的氧化反响，故电极Ⅱ为阳极，电极反响式为2H2O＋SO2－2e－=4H＋＋SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))。所以外接电源的a为负极，b为正极。(2)溶液中H＋转移0.1mol，根据电子守恒可知电路中通过的电子的物质的量为0.1mol。由阴极电极反响式为2SO2＋2e－=S2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，阳极电极反响式为2H2O＋SO2－2e－=4H＋＋SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，那么阴阳两极共处理标准状况下SO2废气(0.1＋0.05)mol×22.4L·mol－1＝3.36L。2．CO2气体是引起温室效应和气候变暖的主要物质。(1)JournalofEnergyChemistry报道我国科学家设计CO2熔盐捕获与转化装置如图。判断a、d电极的名称，并写出电极反响式。(2)溶于海水的CO2主要以4种无机碳形式存在，其中HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))占95%，利用图示装置从海水中提取CO2，有利于减少环境温室气体含量。分析b室中的海水pH变化的原因。提示：(1)根据图示可以得出d电极上发生COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))转化为C的反响，根据化合价可以判断发生的是得电子的复原反响，因此电极d为阴极，电极反响式为COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋4e－=C＋3O2－；那么电极a为阳极，根据图示可以判断电极反响式为2C2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(5))－4e－=4CO2↑＋O2↑。(2)a室为电解池的阳极室，发生的电极反响为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，产生的H＋通过阳离子交换膜进入b室，与主要含碳粒子(HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))发生反响HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))＋H＋=H2O＋CO2↑，HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))的浓度减小，从而导致pH减小。3．重铬酸钾(K2Cr2O7)是一种强氧化剂，可用于检测酒驾中酒精的含量，电化学制备K2Cr2O7的装置如下图，其中a、b均为石墨电极。(1)结合化学用语分析制备重铬酸钾(K2Cr2O7)的化学原理。(2)假设将K＋交换膜换为阴离子交换膜，会造成什么影响？提示：(1)根据图示和电解原理可知b极上发生的电极反响为2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，产生的H＋在b极区附近与CrOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))发生反响2CrOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋2H＋=Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋H2O。(2)将K＋交换膜换为阴离子交换膜，将会使阴极室的OH－进入阳极室，从而降低阳极室的酸性，导致重铬酸钾(K2Cr2O7)的产率降低，同时会引入杂质KOH。通过本情境素材对电解过程中的电极、电解质的讨论，增强了学生科学探究与创新意识的化学核心素养，也提升了证据推理与模型认知素养。1．用惰性电极电解FeSO4溶液制备高纯铁的原理如下图。以下说法错误的选项是()A.阳极主要发生反响：Fe2＋－e－=Fe3＋B.可用高纯铁电极作阴极C.电解液中的SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))由右向左通过阴离子交换膜D.电解法制备高纯铁总反响：3Fe2＋eq\o(=,\s\up9(通电))Fe＋2Fe3＋C[根据图中信息可知，阳极亚铁离子失电子产生铁离子，发生的电极反响为Fe2＋－e－=Fe3＋，选项A正确；可用高纯铁电极作阴极，阴极上亚铁离子得电子产生铁单质析出在高纯铁电极上，选项B正确；电解池中阴离子SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))定向移动到阳极，故由左向右通过阴离子交换膜，选项C错误；电解法制备高纯铁阳极电极反响式为2Fe2＋－2e－=2Fe3＋，阴极电极反响式为Fe2＋＋2e－=Fe，总反响为3Fe2＋eq\o(=,\s\up9(通电))Fe＋2Fe3＋，选项D正确。]2．如图是工业上电解饱和食盐水的装置示意图，以下说法中不正确的选项是()A.装置出口①处的物质是氯气B.出口②处的物质是氢气，该离子交换膜只能让阳离子通过－＋2H＋eq\o(=,\s\up9(通电))Cl2↑＋H2↑D.该装置将电能转化为化学能C[与电源正极相连的为阳极，溶液中的氯离子在阳极失电子生成氯气，出口①处的物质是氯气，A正确；溶液中水电离出的氢离子在阴极得到电子发生复原反响生成氢气，出口②处的物质是氢气，离子交换膜是阳离子交换膜，只允许阳离子通过，不能让阴离子通过，B正确；电解饱和食盐水过程中生成氢氧化钠、氢气和氯气，反响的离子方程式为2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up9(通电))Cl2↑＋H2↑＋2OH－，C错误；该装置是电解池，将电能转化为化学能，D正确。]3．H2S有剧毒，石油化工中常用以下方法处理石油炼制过程中产生的H2S废气。先将含H2S的废气(其他成分不参与反响)通入FeCl3溶液中，过滤后将溶液参加以铁和石墨棒为电极的电解槽中电解(如下图)，电解后的溶液可以循环利用。以下有关说法不正确的选项是()A.过滤所得沉淀的成分为S和FeSB.与外接电源a极相连的电极的电极反响式：Fe2＋－e－=Fe3＋C.与外接电源b极相连的是铁电极D.外电路中有0.20mol的电子发生转移时，反响得到氢气2.24L(标准状况)A[将H2S通入FeCl3溶液中，H2S被铁离子氧化为S，即发生2Fe3＋＋H2S=S↓＋2Fe2＋＋2H＋，所以过滤所得沉淀的成分为S，A错误；与b极相连的电极上氢离子得电子生成氢气，故为阴极，所以与a极相连的电极为阳极，阳极上亚铁离子失电子生成铁离子，即电极反响式为Fe2＋－e－=Fe3＋，B正确；如果Fe与外接电源的a极相连，那么Fe作阳极失电子，导致溶液中的亚铁离子不能失电子，所以不能用Fe作阳极与a极相连，铁电极只能和b极相连，C正确；阴极的电极反响式为2H＋＋2e－=H2↑，当外电路中有0.20mol电子发生转移时，会生成0.1mol氢气，在标准状况下，氢气的体积为2.24L，D正确。]4．重铬酸钾又名红矾钾，是化学实验室中的一种重要分析试剂。工业上以铬酸钾(K2CrO4)为原料，采用电化学法制备重铬酸钾(K2Cr2O7)。制备装置如下图(阳离子交换膜只允许阳离子透过)：制备原理：2CrOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))(黄色)＋2H＋=Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7)