第四章 第二节 第4课时 电化学原理的综合应用 学案 （含答案）—2023-2024学年（人教版2019）高中化学选择性必修1
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| 名称 | 第四章 第二节 第4课时 电化学原理的综合应用 学案 （含答案）—2023-2024学年（人教版2019）高中化学选择性必修1 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 518.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2023-08-30 17:17:50 | ||
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文档简介
第4课时 电化学原理的综合应用
[核心素养发展目标] 1.利用电化学原理制备物质、处理污水和有害物质。2.能够书写新情景下的电极反应式。
一、电解原理在物质制备中的应用
1．电解原理常用于物质的制备，具有反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等优点，电解原理能使许多不能自发的反应得以实现。工业上常用多室电解池制备物质，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，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。
2．多室电解池的分析思路
1．一种电解法制备高纯铬和硫酸的简单装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．a为直流电源的正极
B．阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
C．工作时，乙池中溶液的pH不变
D．若有1 mol离子通过A膜，理论上阳极生成0.25 mol气体
2．NaClO2(亚氯酸钠)是常用的消毒剂和漂白剂，工业上可采用电解法制备，工作原理如图所示。下列叙述正确的是( )
A．若直流电源为铅酸蓄电池，则b极为Pb
B．阳极反应式为ClO2＋e－===ClO
C．交换膜左侧NaOH的物质的量不变，气体X为Cl2
D．制备18.1 g NaClO2时理论上有0.2 mol Na＋由交换膜左侧向右侧迁移
3．H3PO2可用电渗析法制备，“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：
(1)写出阳极的电极反应式：________________________________________________。
(2)分析产品室可得到H3PO2的原因：_______________________________________
________________________________________________________________________。
(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有________杂质，该杂质产生的原因是________________________________
________________________________________________________________________。
二、电化学原理在环境保护中的应用
利用电化学原理把污染物去除或把有毒物质变为无毒或低毒物质，具有易于控制、无污染或少污染、高度灵活性和经济性等优点。
1.用铁和石墨作电极电解酸性废水，可将废水中的PO以FePO4(不溶于水)的形式除去，其装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．若X、Y电极材料连接反了，则仍可将废水中的PO除去
B．X极为石墨，该电极上发生氧化反应
C．电解过程中Y极周围溶液的pH减小
D．电解时废水中会发生反应：4Fe2＋＋O2＋4H＋＋4PO===4FePO4↓＋2H2O
2．厨房垃圾发酵液可通过电渗析法处理，同时得到乳酸的原理如图所示(图中HA表示乳酸分子，A－表示乳酸根离子)。下列有关说法正确的是( )
A．交换膜Ⅰ为阴离子交换膜，A－从浓缩室通过交换膜Ⅰ向阳极移动
B．交换膜Ⅱ为阳离子交换膜，H＋从浓缩室通过交换膜Ⅱ向阴极移动
C．阳极的电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋ O2↑
D．400 mL 0.1 mol·L－1乳酸溶液通电一段时间后，浓度上升到0.6 mol·L－1，则阴极上产生的H2在标准状况下的体积为4.48 L
3．二氧化碳的转化和利用是重要的研究课题。“碳达峰”“碳中和”“低碳”成为近年热词。
(1)研究人员开发了一种新型的硼、氮共掺杂的多孔石墨烯材料作为正极催化剂的锂二氧化碳二次电池，实现了碳酸锂在电池中的高度可逆分解，减少CO2的排放，其装置示意图如图1所示，放电时，正极反应式为______________________________________________。
(2)设计CO2熔盐捕获及电化学转化装置如图2。a极的电极反应式为___________________。
第4课时 电化学原理的综合应用
[核心素养发展目标] 1.利用电化学原理制备物质、处理污水和有害物质。2.能够书写新情景下的电极反应式。
一、电解原理在物质制备中的应用
1．电解原理常用于物质的制备，具有反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等优点，电解原理能使许多不能自发的反应得以实现。工业上常用多室电解池制备物质，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，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。
2．多室电解池的分析思路
1．一种电解法制备高纯铬和硫酸的简单装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．a为直流电源的正极
B．阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
C．工作时，乙池中溶液的pH不变
D．若有1 mol离子通过A膜，理论上阳极生成0.25 mol气体
答案 D
解析 A项，电解法制备铬，则Cr电极应该是阴极，即a为直流电源的负极，错误；B项，阴极反应式为Cr3＋＋3e－===Cr，错误；C项，工作时，甲池中硫酸根离子移向乙池，丙池中氢离子移向乙池，乙池中硫酸浓度增大，溶液的pH减小，错误；D项，若有1 mol离子通过A膜，即丙池产生1 mol氢离子，则理论上阳极生成0.25 mol氧气，正确。
2.NaClO2(亚氯酸钠)是常用的消毒剂和漂白剂，工业上可采用电解法制备，工作原理如图所示。下列叙述正确的是( )
A．若直流电源为铅酸蓄电池，则b极为Pb
B．阳极反应式为ClO2＋e－===ClO
C．交换膜左侧NaOH的物质的量不变，气体X为Cl2
D．制备18.1 g NaClO2时理论上有0.2 mol Na＋由交换膜左侧向右侧迁移
答案 C
解析 二氧化氯转化为NaClO2(亚氯酸钠)的过程发生了还原反应，应该发生在阴极，所以a是负极，b是正极，若直流电源为铅酸蓄电池，则b极为正极，应该是PbO2，故A错误；由总反应式2ClO2＋2NaCl===2NaClO2＋Cl2知，交换膜左边NaOH的物质的量不变，在阳极上氯离子失电子，发生氧化反应，产生氯气，气体X为Cl2，故B错误、C正确；Na＋由交换膜右侧向左侧迁移，故D错误。
3．H3PO2可用电渗析法制备，“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：
(1)写出阳极的电极反应式：________________________________________________。
(2)分析产品室可得到H3PO2的原因：_______________________________________。
(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有________杂质，该杂质产生的原因是________________________________。
答案 (1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
(2)阳极室的H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2
(3)PO H2PO或H3PO2被氧化
二、电化学原理在环境保护中的应用
利用电化学原理把污染物去除或把有毒物质变为无毒或低毒物质，具有易于控制、无污染或少污染、高度灵活性和经济性等优点。
1.用铁和石墨作电极电解酸性废水，可将废水中的PO以FePO4(不溶于水)的形式除去，其装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．若X、Y电极材料连接反了，则仍可将废水中的PO除去
B．X极为石墨，该电极上发生氧化反应
C．电解过程中Y极周围溶液的pH减小
D．电解时废水中会发生反应：4Fe2＋＋O2＋4H＋＋4PO===4FePO4↓＋2H2O
答案 D
解析 根据题意分析可知，X电极材料为铁，Y电极材料为石墨。若X、Y电极材料连接反了，铁就不能失电子变为离子，也就不能生成FePO4，A错误；Y极为石墨，该电极上发生还原反应，B错误；电解过程中Y极发生反应：2H＋＋2e－===H2↑，氢离子浓度减小，溶液的pH增大，C错误；铁在阳极失电子变为Fe2＋，通入的氧气把Fe2＋氧化为Fe3＋，Fe3＋与PO反应生成FePO4，D正确。
2．厨房垃圾发酵液可通过电渗析法处理，同时得到乳酸的原理如图所示(图中HA表示乳酸分子，A－表示乳酸根离子)。下列有关说法正确的是( )
A．交换膜Ⅰ为阴离子交换膜，A－从浓缩室通过交换膜Ⅰ向阳极移动
B．交换膜Ⅱ为阳离子交换膜，H＋从浓缩室通过交换膜Ⅱ向阴极移动
C．阳极的电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑
D．400 mL 0.1 mol·L－1乳酸溶液通电一段时间后，浓度上升到0.6 mol·L－1，则阴极上产生的H2在标准状况下的体积为4.48 L
答案 C
解析 阳极电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，生成的H＋通过交换膜Ⅰ进入浓缩室，所以交换膜Ⅰ为阳离子交换膜，A－从阴极通过交换膜Ⅱ向浓缩室移动，所以Ⅱ为阴离子交换膜，A、B错误，C正确；生成的乳酸物质的量为0.4 L×(0.6－0.1)mol·L－1＝0.2 mol，转移的n(H＋)等于生成的n(HA)为0.2 mol，同时转移电子物质的量为0.2 mol，根据2H2O＋2e－===
2OH－＋H2↑知，生成氢气的物质的量为0.1 mol，在标准状况下的体积是2.24 L，D错误。
3．二氧化碳的转化和利用是重要的研究课题。“碳达峰”“碳中和”“低碳”成为近年热词。
(1)研究人员开发了一种新型的硼、氮共掺杂的多孔石墨烯材料作为正极催化剂的锂二氧化碳二次电池，实现了碳酸锂在电池中的高度可逆分解，减少CO2的排放，其装置示意图如图1所示，放电时，正极反应式为______________________。
(2)设计CO2熔盐捕获及电化学转化装置如图2。a极的电极反应式为____________________。
答案 (1)3CO2＋4e－＋4Li＋===2Li2CO3＋C
(2)2C2O－4e－===4CO2↑＋O2↑
[核心素养发展目标] 1.利用电化学原理制备物质、处理污水和有害物质。2.能够书写新情景下的电极反应式。
一、电解原理在物质制备中的应用
1．电解原理常用于物质的制备，具有反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等优点，电解原理能使许多不能自发的反应得以实现。工业上常用多室电解池制备物质，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，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。
2．多室电解池的分析思路
1．一种电解法制备高纯铬和硫酸的简单装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．a为直流电源的正极
B．阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
C．工作时，乙池中溶液的pH不变
D．若有1 mol离子通过A膜，理论上阳极生成0.25 mol气体
2．NaClO2(亚氯酸钠)是常用的消毒剂和漂白剂，工业上可采用电解法制备，工作原理如图所示。下列叙述正确的是( )
A．若直流电源为铅酸蓄电池，则b极为Pb
B．阳极反应式为ClO2＋e－===ClO
C．交换膜左侧NaOH的物质的量不变，气体X为Cl2
D．制备18.1 g NaClO2时理论上有0.2 mol Na＋由交换膜左侧向右侧迁移
3．H3PO2可用电渗析法制备，“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：
(1)写出阳极的电极反应式：________________________________________________。
(2)分析产品室可得到H3PO2的原因：_______________________________________
________________________________________________________________________。
(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有________杂质，该杂质产生的原因是________________________________
________________________________________________________________________。
二、电化学原理在环境保护中的应用
利用电化学原理把污染物去除或把有毒物质变为无毒或低毒物质，具有易于控制、无污染或少污染、高度灵活性和经济性等优点。
1.用铁和石墨作电极电解酸性废水，可将废水中的PO以FePO4(不溶于水)的形式除去，其装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．若X、Y电极材料连接反了，则仍可将废水中的PO除去
B．X极为石墨，该电极上发生氧化反应
C．电解过程中Y极周围溶液的pH减小
D．电解时废水中会发生反应：4Fe2＋＋O2＋4H＋＋4PO===4FePO4↓＋2H2O
2．厨房垃圾发酵液可通过电渗析法处理，同时得到乳酸的原理如图所示(图中HA表示乳酸分子，A－表示乳酸根离子)。下列有关说法正确的是( )
A．交换膜Ⅰ为阴离子交换膜，A－从浓缩室通过交换膜Ⅰ向阳极移动
B．交换膜Ⅱ为阳离子交换膜，H＋从浓缩室通过交换膜Ⅱ向阴极移动
C．阳极的电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋ O2↑
D．400 mL 0.1 mol·L－1乳酸溶液通电一段时间后，浓度上升到0.6 mol·L－1，则阴极上产生的H2在标准状况下的体积为4.48 L
3．二氧化碳的转化和利用是重要的研究课题。“碳达峰”“碳中和”“低碳”成为近年热词。
(1)研究人员开发了一种新型的硼、氮共掺杂的多孔石墨烯材料作为正极催化剂的锂二氧化碳二次电池，实现了碳酸锂在电池中的高度可逆分解，减少CO2的排放，其装置示意图如图1所示，放电时，正极反应式为______________________________________________。
(2)设计CO2熔盐捕获及电化学转化装置如图2。a极的电极反应式为___________________。
第4课时 电化学原理的综合应用
[核心素养发展目标] 1.利用电化学原理制备物质、处理污水和有害物质。2.能够书写新情景下的电极反应式。
一、电解原理在物质制备中的应用
1．电解原理常用于物质的制备，具有反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等优点，电解原理能使许多不能自发的反应得以实现。工业上常用多室电解池制备物质，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，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。
2．多室电解池的分析思路
1．一种电解法制备高纯铬和硫酸的简单装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．a为直流电源的正极
B．阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
C．工作时，乙池中溶液的pH不变
D．若有1 mol离子通过A膜，理论上阳极生成0.25 mol气体
答案 D
解析 A项，电解法制备铬，则Cr电极应该是阴极，即a为直流电源的负极，错误；B项，阴极反应式为Cr3＋＋3e－===Cr，错误；C项，工作时，甲池中硫酸根离子移向乙池，丙池中氢离子移向乙池，乙池中硫酸浓度增大，溶液的pH减小，错误；D项，若有1 mol离子通过A膜，即丙池产生1 mol氢离子，则理论上阳极生成0.25 mol氧气，正确。
2.NaClO2(亚氯酸钠)是常用的消毒剂和漂白剂，工业上可采用电解法制备，工作原理如图所示。下列叙述正确的是( )
A．若直流电源为铅酸蓄电池，则b极为Pb
B．阳极反应式为ClO2＋e－===ClO
C．交换膜左侧NaOH的物质的量不变，气体X为Cl2
D．制备18.1 g NaClO2时理论上有0.2 mol Na＋由交换膜左侧向右侧迁移
答案 C
解析 二氧化氯转化为NaClO2(亚氯酸钠)的过程发生了还原反应，应该发生在阴极，所以a是负极，b是正极，若直流电源为铅酸蓄电池，则b极为正极，应该是PbO2，故A错误；由总反应式2ClO2＋2NaCl===2NaClO2＋Cl2知，交换膜左边NaOH的物质的量不变，在阳极上氯离子失电子，发生氧化反应，产生氯气，气体X为Cl2，故B错误、C正确；Na＋由交换膜右侧向左侧迁移，故D错误。
3．H3PO2可用电渗析法制备，“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：
(1)写出阳极的电极反应式：________________________________________________。
(2)分析产品室可得到H3PO2的原因：_______________________________________。
(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有________杂质，该杂质产生的原因是________________________________。
答案 (1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
(2)阳极室的H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2
(3)PO H2PO或H3PO2被氧化
二、电化学原理在环境保护中的应用
利用电化学原理把污染物去除或把有毒物质变为无毒或低毒物质，具有易于控制、无污染或少污染、高度灵活性和经济性等优点。
1.用铁和石墨作电极电解酸性废水，可将废水中的PO以FePO4(不溶于水)的形式除去，其装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．若X、Y电极材料连接反了，则仍可将废水中的PO除去
B．X极为石墨，该电极上发生氧化反应
C．电解过程中Y极周围溶液的pH减小
D．电解时废水中会发生反应：4Fe2＋＋O2＋4H＋＋4PO===4FePO4↓＋2H2O
答案 D
解析 根据题意分析可知，X电极材料为铁，Y电极材料为石墨。若X、Y电极材料连接反了，铁就不能失电子变为离子，也就不能生成FePO4，A错误；Y极为石墨，该电极上发生还原反应，B错误；电解过程中Y极发生反应：2H＋＋2e－===H2↑，氢离子浓度减小，溶液的pH增大，C错误；铁在阳极失电子变为Fe2＋，通入的氧气把Fe2＋氧化为Fe3＋，Fe3＋与PO反应生成FePO4，D正确。
2．厨房垃圾发酵液可通过电渗析法处理，同时得到乳酸的原理如图所示(图中HA表示乳酸分子，A－表示乳酸根离子)。下列有关说法正确的是( )
A．交换膜Ⅰ为阴离子交换膜，A－从浓缩室通过交换膜Ⅰ向阳极移动
B．交换膜Ⅱ为阳离子交换膜，H＋从浓缩室通过交换膜Ⅱ向阴极移动
C．阳极的电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑
D．400 mL 0.1 mol·L－1乳酸溶液通电一段时间后，浓度上升到0.6 mol·L－1，则阴极上产生的H2在标准状况下的体积为4.48 L
答案 C
解析 阳极电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，生成的H＋通过交换膜Ⅰ进入浓缩室，所以交换膜Ⅰ为阳离子交换膜，A－从阴极通过交换膜Ⅱ向浓缩室移动，所以Ⅱ为阴离子交换膜，A、B错误，C正确；生成的乳酸物质的量为0.4 L×(0.6－0.1)mol·L－1＝0.2 mol，转移的n(H＋)等于生成的n(HA)为0.2 mol，同时转移电子物质的量为0.2 mol，根据2H2O＋2e－===
2OH－＋H2↑知，生成氢气的物质的量为0.1 mol，在标准状况下的体积是2.24 L，D错误。
3．二氧化碳的转化和利用是重要的研究课题。“碳达峰”“碳中和”“低碳”成为近年热词。
(1)研究人员开发了一种新型的硼、氮共掺杂的多孔石墨烯材料作为正极催化剂的锂二氧化碳二次电池，实现了碳酸锂在电池中的高度可逆分解，减少CO2的排放，其装置示意图如图1所示，放电时，正极反应式为______________________。
(2)设计CO2熔盐捕获及电化学转化装置如图2。a极的电极反应式为____________________。
答案 (1)3CO2＋4e－＋4Li＋===2Li2CO3＋C
(2)2C2O－4e－===4CO2↑＋O2↑