資源簡介

應用課
第四章 化學反應與電能
第9課時 “有膜”電解池
【學習目標】
認識有隔膜電解池裝置，掌握其工作原理。
【學習活動】
學習任務
目標：認識有隔膜電解池裝置，掌握其工作原理。 任務：重鉻酸鉀(K2Cr2O7)是一種強氧化劑，可用于檢測酒駕中酒精的含量，電化學制備K2Cr2O7的裝置如圖所示，其中a、b均為石墨電極。 (1)結合化學用語分析制備重鉻酸鉀(K2Cr2O7)的化學原理。 (2)若將K＋交換膜換為陰離子交換膜，會造成什么影響？ 參考答案：(1)根據圖示和電解原理可知b極上發生的電極反應為2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，產生的H＋在b極區附近與CrO發生反應2CrO＋2H＋===Cr2O＋H2O。 (2)將K＋交換膜換為陰離子交換膜，將會使陰極室的OH－進入陽極室，從而降低陽極室的酸性，導致重鉻酸鉀(K2Cr2O7)的產率降低，同時會引入雜質KOH。 【知識拓展】 “有膜”電解池 1．交換膜的功能及工作原理 (1)功能：使離子選擇性定向移動，目的是平衡整個溶液的離子濃度或電荷。 (2)工作原理(以陽離子交換膜為例)：交換膜上有很多微孔，“孔道”上有許多帶負電荷的基團，陽離子可以自由通過“孔道”，由濃度大的區域向濃度小的區域移動。陰離子移動到“孔道”處，受到“孔道”帶負電荷基團的排斥而不能進入“孔道”中，因而不能通過交換膜。這就是“選擇性”透過的原因。其構造與工作示意圖如圖所示：陰離子交換膜的構造和工作原理與此相同，只不過是“孔道”中帶正電荷基團而已。 2．離子交換膜的類型 (1)陽離子交換膜：只允許陽離子通過； (2)陰離子交換膜：只允許陰離子通過； (3)質子交換膜：只允許質子通過。 3．有膜電解池試題的解題思路 (1)確定電解池的陰、陽極：根據外接電源的正負極、電子流向、電極現象等確定電解池的陰、陽極。 (2)根據交換膜的類型確定移動的離子及移動方向： ①陽離子交換膜：只有陽離子由陽極移向陰極； ②陰離子交換膜：只有陰離子由陰極移向陽極； ③質子交換膜：只有氫離子由陽極移向陰極。 (3)根據移動的離子書寫判斷電極反應式，判斷溶液離子濃度、質量、pH的變化，判斷電極產物等。 4．多室電解池 多室電解池是利用離子交換膜的選擇透過性，即允許帶某種電荷的離子通過而限制帶相反電荷的離子通過，將電解池分為兩室、三室、多室等，以達到濃縮、凈化、提純及電化學合成的目的。 (1)兩室電解池 ①制備原理：工業上利用如圖兩室電解裝置制備燒堿 陽極室中的電極反應：2Cl－－2e－===Cl2↑，陰極室中的電極反應：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，陰極區H＋放電，破壞了水的電離平衡，使OH－濃度增大，陽極區Cl－放電，使溶液中的c(Cl－)減小，為保持電荷守恒，陽極室中的Na＋通過陽離子交換膜與陰極室中生成的OH－結合，得到濃的NaOH溶液。利用這種方法制備的物質，純度較高，基本沒有雜質。 ②陽離子交換膜的作用(以①中電解池為例) 它只允許Na＋通過，而阻止陰離子(Cl－)和氣體(Cl2)通過。這樣既防止了兩極產生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和陰極產生的NaOH反應生成NaClO而影響燒堿的質量。 (2)三室電解池 利用三室電解裝置制備NH4NO3，其工作原理如圖所示。 陰極的NO被還原為NH：NO＋5e－＋6H＋===NH＋H2O，NH通過陽離子交換膜進入中間室；陽極的NO被氧化為NO：NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，NO通過陰離子交換膜進入中間室。根據電路中轉移電子數相等可得電解總反應：8NO＋7H2O3NH4NO3＋2HNO3，為使電解產物全部轉化為NH4NO3，補充適量NH3可以使電解產生的HNO3轉化為NH4NO3。 (3)多室電解池 利用“四室電滲析法”制備H3PO2(次磷酸)，其工作原理如圖所示。 電解稀硫酸的陽極反應：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，產生的H＋通過陽離子交換膜進入產品室，原料室中的H2PO通過陰離子交換膜進入產品室，與H＋結合生成弱電解質H3PO2；電解NaOH稀溶液的陰極反應：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通過陽離子交換膜進入陰極室。 【針對訓練1】納米級Cu2O因具有優良的催化性能而受到廣泛關注。采用離子交換膜控制電解液中OH－的濃度制備納米級Cu2O的裝置如圖所示，發生的反應為2Cu＋H2OCu2O＋H2↑。下列說法正確的是(　　) A．鈦電極上發生氧化反應 B．陽極附近溶液的pH逐漸增大 C．離子交換膜應采用陽離子交換膜 D．陽極反應式為2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O 答案：D　 解析：鈦電極與電源負極相連作陰極，發生氫離子得電子的還原反應，A項錯誤；根據總反應可得陽極反應式為2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O，消耗 OH－，則陽極附近溶液的pH減小，B項錯誤、D項正確；陽極反應式為2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O，則應采用陰離子交換膜，C項錯誤。 【針對訓練2】三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如圖所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場的作用下，兩膜中間的Na＋和SO可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進入中間隔室。下列敘述正確的是(　　) A.通電后中間隔室的SO向陽極區遷移，正極區溶液pH增大 B.該法在處理含Na2SO4廢水時可以得到NaOH和H2SO4產品 C.陰極區反應為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，陰極區溶液pH減小 D.當電路中通過1 mol e－時，會有0.5 mol的O2生成 答案：B　 解析：電解池中陰離子向陽極區定向移動，因此通電后中間隔室的SO向陽極區遷移；在陽極區水電離出的OH－失去電子，發生氧化反應，電極反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，所以陽極區溶液酸性增強，溶液pH減小，A錯誤。陽極區OH－失去電子，電極反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，溶液中產生硫酸；陰極區H＋獲得電子，發生還原反應，電極反應式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，產生氫氧化鈉，因此該法在處理含Na2SO4廢水時可以得到NaOH和H2SO4產品，B正確。陰極區水電離出的氫離子放電，電極反應式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，c(OH－)增大，所以陰極區溶液pH增大，C錯誤。當電路中通過1 mol e－時，根據得失電子守恒可知，反應產生氧氣的物質的量是0.25 mol，D錯誤。 【針對訓練3】工業上用電解法處理含鎳酸性廢水并得到單質Ni的原理如圖所示。已知： ①Ni2＋在弱酸性溶液中發生水解； ②氧化性：Ni2＋(高濃度)>H＋>Ni2＋(低濃度)。 下列說法中不正確的是(　　) A　　　B　　　C A.碳棒上發生的電極反應：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O B.電解過程中，B室中NaCl溶液的物質的量濃度將不斷減小 C.為了提高Ni的產率，電解過程中需要控制廢水的pH D.若將圖中陽離子膜去掉，將A、B兩室合并，則電解反應的總方程式發生改變 答案：B　 解析：由題圖可知，碳棒與電源正極相連，作電解池的陽極，電極反應式為4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，故A正確；電解過程中為平衡A、C室中的電荷，A室中的Na＋和C室中的Cl－分別通過陽離子膜和陰離子膜移向B室中，使B室中NaCl溶液的物質的量濃度不斷增大，故B錯誤；因Ni2＋在弱酸性溶液中易發生水解反應，且氧化性：Ni2＋(高濃度)＞H＋＞Ni2＋(低濃度)。為了提高Ni的產率，電解過程中需要控制廢水的pH，故C正確，若將圖中陽離子膜去掉，由于放電順序：Cl－＞OH－，則Cl－在陽極放電：2Cl－－2e－===Cl2↑，電解反應的方程式會發生改變，故D正確。 【針對訓練4】硼酸(H3BO3)為一元弱酸，已知H3PO3與足量NaOH溶液反應的離子方程式為H3BO3＋OH－===B(OH)，H3BO3可以通過電解的方法制備。其工作原理如下圖所示(陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過)。下列說法錯誤的是 (　　) A．a與電源的正極相連接 B．陽極的電極反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ C．當電路中通過3 mol電子時，可得到1 mol H3BO3 D．B(OH)穿過陰膜進入產品室，Na＋穿過陽膜進入陰極室 答案：C　 解析：與a相連的石墨為陽極，則a與電源的正極相連接，故A正確；陽極上水失電子生成O2和H＋，電極反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，故B正確；電解時陰極上水得電子生成H2和OH－，電極反應式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，原料室中的鈉離子通過陽膜進入陰極室，原料室中的B(OH)通過陰膜進入產品室，故D正確；陽極室中氫離子通過陽膜進入產品室，理論上每生成1 mol H3BO3，需要1 mol H＋、1 mol B(OH)，故需要轉移1 mol電子，故C錯誤。 【針對訓練5】利用電解法制備Ca(H2PO4)2并得到副產物NaOH和Cl2。下列說法正確的是(　 　) A.C膜可以為質子交換膜 B.陰極室的電極反應式為2H2O-4e-O2↑+4H+ C.可用鐵電極替換陰極的石墨電極 D.每轉移2 mol e-,陽極室中c(Ca2+)降低 1 mol·L-1 答案：C　 解析:陽離子向陰極移動,C膜只能是陽離子交換膜,A項錯誤;陰極室的電極反應式為2H2O+2e-H2↑+2OH-,B項錯誤;陰極電極不參與反應,故可用鐵電極替換陰極的石墨電極,C項正確;未給出溶液體積,無法計算濃度,D項錯誤。 【針對訓練6】工業上利用電滲析法制取次磷酸鈷的原理如圖所示。已知:①該裝置的電極材料分別為金屬鈷和不銹鋼。②Co(H2PO2)2溶液在強堿性條件下通過自身催化發生氧化還原反應可實現化學鍍鈷。下列說法錯誤的是 (　　) A.膜Ⅱ、膜Ⅲ均為陰離子交換膜 B.M極電極反應為Co-2e-+2H2POCo(H2PO2)2 C.陰極室中溶液pH增大 D.Co(H2PO2)2溶液化學鍍鈷過程中反應可能為Co2++H2PO+3OH-Co↓+HPO+2H2O 答案：B　 解析：該裝置為電解池，M極為陽極，電極材料應為金屬鈷，鈷失電子生成鈷離子，鈷離子通過膜Ⅰ進入產品室，原料室中的H2PO通過膜Ⅲ、膜Ⅱ進入產品室與鈷離子結合生成Co(H2PO2)2，膜Ⅱ、膜Ⅲ均為陰離子交換膜，A項正確；Co(H2PO2)2在產品室生成，不是在陽極生成，陽極的電極反應為Co-2e-Co2+，B項錯誤；陰極發生得電子的還原反應，電極反應為4H2O+4e-2H2↑+4OH-，有OH-生成，pH增大，C項正確；Co(H2PO2)2溶液化學鍍鈷過程中應有鈷單質的生成，發生的反應可能為Co2++H2P+3OH-Co↓+HP+2H2O，D項正確。
2應用課
第四章 化學反應與電能
第9課時 “有膜”電解池
【學習目標】
認識有隔膜電解池裝置，掌握其工作原理。
【學習活動】
學習任務
目標：認識有隔膜電解池裝置，掌握其工作原理。 任務：重鉻酸鉀(K2Cr2O7)是一種強氧化劑，可用于檢測酒駕中酒精的含量，電化學制備K2Cr2O7的裝置如圖所示，其中a、b均為石墨電極。 (1)結合化學用語分析制備重鉻酸鉀(K2Cr2O7)的化學原理。 (2)若將K＋交換膜換為陰離子交換膜，會造成什么影響？ 【知識拓展】 “有膜”電解池 1．交換膜的功能及工作原理 (1)功能：使離子選擇性定向移動，目的是平衡整個溶液的離子濃度或電荷。 (2)工作原理(以陽離子交換膜為例)：交換膜上有很多微孔，“孔道”上有許多帶負電荷的基團，陽離子可以自由通過“孔道”，由濃度大的區域向濃度小的區域移動。陰離子移動到“孔道”處，受到“孔道”帶負電荷基團的排斥而不能進入“孔道”中，因而不能通過交換膜。這就是“選擇性”透過的原因。其構造與工作示意圖如圖所示：陰離子交換膜的構造和工作原理與此相同，只不過是“孔道”中帶正電荷基團而已。 2．離子交換膜的類型 (1)陽離子交換膜：只允許陽離子通過； (2)陰離子交換膜：只允許陰離子通過； (3)質子交換膜：只允許質子通過。 3．有膜電解池試題的解題思路 (1)確定電解池的陰、陽極：根據外接電源的正負極、電子流向、電極現象等確定電解池的陰、陽極。 (2)根據交換膜的類型確定移動的離子及移動方向： ①陽離子交換膜：只有陽離子由陽極移向陰極； ②陰離子交換膜：只有陰離子由陰極移向陽極； ③質子交換膜：只有氫離子由陽極移向陰極。 (3)根據移動的離子書寫判斷電極反應式，判斷溶液離子濃度、質量、pH的變化，判斷電極產物等。 4．多室電解池 多室電解池是利用離子交換膜的選擇透過性，即允許帶某種電荷的離子通過而限制帶相反電荷的離子通過，將電解池分為兩室、三室、多室等，以達到濃縮、凈化、提純及電化學合成的目的。 (1)兩室電解池 ①制備原理：工業上利用如圖兩室電解裝置制備燒堿 陽極室中的電極反應：2Cl－－2e－===Cl2↑，陰極室中的電極反應：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，陰極區H＋放電，破壞了水的電離平衡，使OH－濃度增大，陽極區Cl－放電，使溶液中的c(Cl－)減小，為保持電荷守恒，陽極室中的Na＋通過陽離子交換膜與陰極室中生成的OH－結合，得到濃的NaOH溶液。利用這種方法制備的物質，純度較高，基本沒有雜質。 ②陽離子交換膜的作用(以①中電解池為例) 它只允許Na＋通過，而阻止陰離子(Cl－)和氣體(Cl2)通過。這樣既防止了兩極產生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和陰極產生的NaOH反應生成NaClO而影響燒堿的質量。 (2)三室電解池 利用三室電解裝置制備NH4NO3，其工作原理如圖所示。 陰極的NO被還原為NH：NO＋5e－＋6H＋===NH＋H2O，NH通過陽離子交換膜進入中間室；陽極的NO被氧化為NO：NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，NO通過陰離子交換膜進入中間室。根據電路中轉移電子數相等可得電解總反應：8NO＋7H2O3NH4NO3＋2HNO3，為使電解產物全部轉化為NH4NO3，補充適量NH3可以使電解產生的HNO3轉化為NH4NO3。 (3)多室電解池 利用“四室電滲析法”制備H3PO2(次磷酸)，其工作原理如圖所示。 電解稀硫酸的陽極反應：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，產生的H＋通過陽離子交換膜進入產品室，原料室中的H2PO通過陰離子交換膜進入產品室，與H＋結合生成弱電解質H3PO2；電解NaOH稀溶液的陰極反應：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通過陽離子交換膜進入陰極室。 【針對訓練1】納米級Cu2O因具有優良的催化性能而受到廣泛關注。采用離子交換膜控制電解液中OH－的濃度制備納米級Cu2O的裝置如圖所示，發生的反應為2Cu＋H2OCu2O＋H2↑。下列說法正確的是(　　) A．鈦電極上發生氧化反應 B．陽極附近溶液的pH逐漸增大 C．離子交換膜應采用陽離子交換膜 D．陽極反應式為2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O 【針對訓練2】三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如圖所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場的作用下，兩膜中間的Na＋和SO可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進入中間隔室。下列敘述正確的是(　　) A.通電后中間隔室的SO向陽極區遷移，正極區溶液pH增大 B.該法在處理含Na2SO4廢水時可以得到NaOH和H2SO4產品 C.陰極區反應為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，陰極區溶液pH減小 D.當電路中通過1 mol e－時，會有0.5 mol的O2生成 【針對訓練3】工業上用電解法處理含鎳酸性廢水并得到單質Ni的原理如圖所示。已知： ①Ni2＋在弱酸性溶液中發生水解； ②氧化性：Ni2＋(高濃度)>H＋>Ni2＋(低濃度)。 下列說法中不正確的是(　　) A　　　B　　　C A.碳棒上發生的電極反應：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O B.電解過程中，B室中NaCl溶液的物質的量濃度將不斷減小 C.為了提高Ni的產率，電解過程中需要控制廢水的pH D.若將圖中陽離子膜去掉，將A、B兩室合并，則電解反應的總方程式發生改變 【針對訓練4】硼酸(H3BO3)為一元弱酸，已知H3PO3與足量NaOH溶液反應的離子方程式為H3BO3＋OH－===B(OH)，H3BO3可以通過電解的方法制備。其工作原理如下圖所示(陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過)。下列說法錯誤的是 (　　) A．a與電源的正極相連接 B．陽極的電極反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ C．當電路中通過3 mol電子時，可得到1 mol H3BO3 D．B(OH)穿過陰膜進入產品室，Na＋穿過陽膜進入陰極室 【針對訓練5】利用電解法制備Ca(H2PO4)2并得到副產物NaOH和Cl2。下列說法正確的是(　 　) A.C膜可以為質子交換膜 B.陰極室的電極反應式為2H2O-4e-O2↑+4H+ C.可用鐵電極替換陰極的石墨電極 D.每轉移2 mol e-,陽極室中c(Ca2+)降低 1 mol·L-1 【針對訓練6】工業上利用電滲析法制取次磷酸鈷的原理如圖所示。已知:①該裝置的電極材料分別為金屬鈷和不銹鋼。②Co(H2PO2)2溶液在強堿性條件下通過自身催化發生氧化還原反應可實現化學鍍鈷。下列說法錯誤的是 (　　) A.膜Ⅱ、膜Ⅲ均為陰離子交換膜 B.M極電極反應為Co-2e-+2H2POCo(H2PO2)2 C.陰極室中溶液pH增大 D.Co(H2PO2)2溶液化學鍍鈷過程中反應可能為Co2++H2PO+3OH-Co↓+HPO+2H2O
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