第1章 第3节 第3课时 电化学中多池串联装置及离子交换膜的应用 学案（含答案）-高中化学鲁科版选择性必修1

第3课时　电化学中多池串联装置及离子交换膜的应用
[学习目标]　1.能够对电化学中多池串联装置进行分析。2.理解离子交换膜在电化学中的应用。
[重点难点]　离子交换膜在电化学中的应用。
　　　　　　　　多池串联装置
导学
1．有外接电源装置类型的判断方法
有外接电源的各装置均为电解池，若电解池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同，则该电解池为电镀池。如：
则甲为电镀池，乙、丙均为电解池。
2．无外接电源装置类型的判断方法
(1)直接判断
非常直观明显的装置，如燃料电池、铅蓄电池等在电路中为外接电源，则其他装置为电解池。如图所示：
则A为原电池，B为电解池。
则甲池为原电池，乙、丙为电解池。
(2)根据电池中的电极材料和电解质溶液判断
原电池一般是两种不同的金属电极或一个金属电极一个碳棒电极；而电解池则一般两个都是惰性电极，如两个铂电极或两个碳棒。原电池中的电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应，电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。如图所示：
则B为原电池，A为电解池。
(3)根据电极反应现象判断
在某些装置中根据电极反应或反应现象可判断电极，并由此判断电池类型。如图所示：
若C极溶解，D极上析出Cu，B极附近溶液变红，A极上放出黄绿色气体，则可知乙是原电池，D是正极，C是负极；甲是电解池，A是阳极，B是阴极，B、D极发生还原反应，A、C极发生氧化反应。
导练
1．按如图所示装置进行实验，并回答下列问题：
(1)判断装置的名称：A池为________，B池为________。
(2)锌极为________极，其电极反应为______________________________。
(3)石墨C2附近发生的实验现象为______________。
答案　(1)原电池　电解池　(2)负　Zn－2e－===Zn2＋　(3)有气泡产生，电极附近溶液变红色
2．如图所示，若电解5 min时，测得铜电极的质量增加2.16 g。试回答：
(1)电源中X极是正极还是负极？
(2)通电5 min时，B中共收集到224 mL(标准状况)气体，溶液体积为200 mL(电解前后溶液的体积变化忽略不计)，则通电前CuSO4溶液浓度是多少？
(3)若A中KCl溶液的体积也是200 mL，则电解后溶液中的c(OH－)为多少？
答案　(1)铜极增重，说明银在铜极析出，则铜极为阴极，X为负极。
(2)C中铜极增重2.16 g，即析出0.02 mol Ag，线路中通过0.02 mol电子。由关系式：4e－～O2可知，B中产生的O2只有0.005 mol，即112 mL。但B中共收集到224 mL气体，说明还有112 mL气体是H2，即Cu2＋全部在阴极放电后，H＋接着放电并产生了112 mL H2，则通过0.01 mol e－时，Cu2＋已完全变为Cu单质。由关系式：2e－～Cu可知，n(Cu2＋)＝0.005 mol，则c(CuSO4)＝＝0.025 mol·L－1。
(3)由关系式4e－～4OH－知，A中生成0.02 mol OH－，c(OH－)＝＝0.1 mol·L－1。
　　　　　　　　离子交换膜在电化学中的应用
导学
1．离子交换膜的功能、类型和作用
2．离子交换膜类型的判断方法
根据电解质溶液呈电中性的原则，判断膜的类型，判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余，因该电极附近溶液呈中性，从而判断出离子移动的方向，进而确定离子交换膜的类型，如电解饱和食盐水时，阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，则阴极区生成H2和OH－，阳极区域的Na＋穿过离子交换膜进入阴极室，与OH－结合生成NaOH，故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。
3．解题思路
4．常见带离子交换膜的三大装置
多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为两室、三室、多室等，以达到物质制备、浓缩、净化、提纯的目的。
(1)两室电解池
①制备原理：工业上利用如图两室电解装置制备烧碱。
②阳离子交换膜的作用
它只允许Na＋通过，而阻止阴离子(Cl－)和气体分子(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合发生爆炸，又避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应生成NaClO而影响烧碱的质量。
(2)三室电解池
利用三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如图所示。
阴极的NO被还原为NH：NO＋5e－＋6H＋===NH＋H2O，NH通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的NO被氧化为NO：NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，NO通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得电解总反应：8NO＋7H2O3NH4NO3＋2HNO3，为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3。
(3)多室电解池
利用四室电渗析法制备H3PO2(次磷酸)，其工作原理如图所示。
电解稀硫酸的阳极反应：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，产生的H＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2PO穿过阴离子交换膜进入产品室，与H＋结合生成弱电解质H3PO2。
导练
1．微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用如图装置处理有机废水(以含CH3COO－的溶液为例)。下列说法错误的是(　　)
A．负极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋
B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜
C．当电路中转移1 mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5 g
D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为1∶2
答案　BD
解析　由图可知，a极为CH3COO－―→CO2＋H＋，C元素化合价升高，则a极为负极，b极为正极，A项正确；该电池工作时，Cl－向a极移动，Na＋向b极移动，即隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，B项错误；电路中转移1 mol 电子时，向a极和b极分别移动1 mol Cl－和1 mol Na＋，则模拟海水理论上可除盐58.5 g，C项正确；电池工作时负极产生CO2，正极产生H2，结合正、负极的电极反应可知，一段时间后，正极和负极产生气体的物质的量之比为2∶1，D项错误。
2．LiOH是制备锂离子电池的材料，可由电解法制备。工业上利用如图装置电解制备LiOH，两电极区电解质溶液分别为LiOH溶液和LiCl溶液。下列说法正确的是(　　)
A．B极区电解液为LiOH溶液
B．电极每产生22.4 L气体，电路中转移2 mol e－
C．电解过程中Li＋迁移入B电极区、OH－迁移入A电极区
D．电解池中总反应方程式为2HCl2H2↑＋Cl2↑
答案　A
解析　A项，从图分析，右侧产生氢气，说明电极B为阴极，溶液中的氢离子放电生成氢气，则在B极区产生大量的氢氧根离子，所以电解液为氢氧化锂，正确；B项，没有说明气体是否在标准状况下，不能确定其转移电子的物质的量，错误；C项，阳离子交换膜只能通过阳离子，氢氧根离子不能通过，错误；D项，应为氯化锂和水电解生成氢气、氯气和氢氧化锂，错误。
1．世界水产养殖协会介绍了一种利用电化学原理净化鱼池中水质的方法，其原理如图所示，电极C1、C2为惰性电极，下列说法正确的是(　　)
A．C1极上发生还原反应
B．C1极上的电势比C2极上的高
C．若有1 mol NO被还原，则有1 mol H＋通过质子膜迁移至阴极区
D．若有机物为葡萄糖(C6H12O6)，则1 mol葡萄糖被完全氧化时，理论上电极流出20 mol e－
答案　B
解析　C1极上有机物转化为CO2，该电极发生氧化反应；C2极上NO转化为N2，发生了还原反应，所以C1、C2极分别为阳极、阴极，X、Y分别是正极和负极，A项错误、B项正确；1 mol NO被还原，得到5 mol电子，有5 mol H＋通过质子膜迁移至阴极区，C项错误；1 mol葡萄糖被氧化为CO2转移电子24 mol，D项错误。
2．纳米级Cu2O由于具有优良的催化性能而受到关注，采用肼(N2H4)燃料电池为电源，用离子交换膜控制电解液中c(OH－)制备纳米Cu2O，其装置如图甲、乙。下列说法正确的是(　　)
　
A．D电极应连接肼燃料电池的A极
B．肼燃料电池的A极电极反应式为N2H4－4e－===N2＋4H＋
C．当反应生成14.4 g Cu2O时，至少需要肼0.05 mol
D．图乙中的电解池离子交换膜是阳离子交换膜
答案　C
解析　用离子交换膜控制电解液中c(OH－)制备纳米Cu2O，则电解池中D电极上Cu失电子和OH－反就生成Cu2O，所以D电极为阳极，则C电极为阴极，该燃料电池中A为负极、B为正极，C电极上水得电子生成氢气和OH－，OH－通过离子交换膜进入D电极区，以此解答。肼燃料电池中A电极上肼失电子发生氧化反应，电极反应式为N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O，故B错误；串联电路中转移电子数相等，根据得失电子守恒得肼和Cu2O的关系式为N2H4～2Cu2O，消耗n(N2H4)＝n(Cu2O)＝×＝0.05 mol，故C正确；根据分析可知，该离子交换膜是阴离子交换膜，故D错误。