应用课
第四章 化学反应与电能
第9课时 “有膜”电解池
【学习目标】
认识有隔膜电解池装置，掌握其工作原理。
【学习活动】
学习任务
目标：认识有隔膜电解池装置，掌握其工作原理。 任务：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的装置如图所示，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)若将K＋交换膜换为阴离子交换膜，会造成什么影响？ 参考答案：(1)根据图示和电解原理可知b极上发生的电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，产生的H＋在b极区附近与CrO发生反应2CrO＋2H＋===Cr2O＋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。 【知识拓展】 “有膜”电解池 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图所示：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应式，判断溶液离子浓度、质量、pH的变化，判断电极产物等。 4．多室电解池 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。 (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 阳极室中的电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区H＋放电，破坏了水的电离平衡，使OH－浓度增大，阳极区Cl－放电，使溶液中的c(Cl－)减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na＋通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH－结合，得到浓的NaOH溶液。利用这种方法制备的物质，纯度较高，基本没有杂质。 ②阳离子交换膜的作用(以①中电解池为例) 它只允许Na＋通过，而阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸，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通过阴离子交换膜进入产品室，与H＋结合生成弱电解质H3PO2；电解NaOH稀溶液的阴极反应：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室。 【针对训练1】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的装置如图所示，发生的反应为2Cu＋H2OCu2O＋H2↑。下列说法正确的是( ) A．钛电极上发生氧化反应 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．阳极反应式为2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O 答案：D 解析：钛电极与电源负极相连作阴极，发生氢离子得电子的还原反应，A项错误；根据总反应可得阳极反应式为2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O，消耗 OH－，则阳极附近溶液的pH减小，B项错误、D项正确；阳极反应式为2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O，则应采用阴离子交换膜，C项错误。 【针对训练2】三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，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SO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。下列叙述正确的是( ) A.通电后中间隔室的SO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.阴极区反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阴极区溶液pH减小 D.当电路中通过1 mol e－时，会有0.5 mol的O2生成 答案：B 解析：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SO向阳极区迁移；在阳极区水电离出的OH－失去电子，发生氧化反应，电极反应式为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，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，溶液中产生硫酸；阴极区H＋获得电子，发生还原反应，电极反应式为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，电极反应式为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1 mol e－时，根据得失电子守恒可知，反应产生氧气的物质的量是0.25 mol，D错误。 【针对训练3】工业上用电解法处理含镍酸性废水并得到单质Ni的原理如图所示。已知： 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)。 下列说法中不正确的是( ) A B C A.碳棒上发生的电极反应：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O B.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pH D.若将图中阳离子膜去掉，将A、B两室合并，则电解反应的总方程式发生改变 答案：B 解析：由题图可知，碳棒与电源正极相连，作电解池的阳极，电极反应式为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应，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，若将图中阳离子膜去掉，由于放电顺序：Cl－＞OH－，则Cl－在阳极放电：2Cl－－2e－===Cl2↑，电解反应的方程式会发生改变，故D正确。 【针对训练4】硼酸(H3BO3)为一元弱酸，已知H3PO3与足量NaOH溶液反应的离子方程式为H3BO3＋OH－===B(OH)，H3BO3可以通过电解的方法制备。其工作原理如下图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)。下列说法错误的是 ( ) A．a与电源的正极相连接 B．阳极的电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ C．当电路中通过3 mol电子时，可得到1 mol H3BO3 D．B(OH)穿过阴膜进入产品室，Na＋穿过阳膜进入阴极室 答案：C 解析：与a相连的石墨为阳极，则a与电源的正极相连接，故A正确；阳极上水失电子生成O2和H＋，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，故B正确；电解时阴极上水得电子生成H2和OH－，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，原料室中的钠离子通过阳膜进入阴极室，原料室中的B(OH)通过阴膜进入产品室，故D正确；阳极室中氢离子通过阳膜进入产品室，理论上每生成1 mol H3BO3，需要1 mol H＋、1 mol B(OH)，故需要转移1 mol电子，故C错误。 【针对训练5】利用电解法制备Ca(H2PO4)2并得到副产物NaOH和Cl2。下列说法正确的是( ) A.C膜可以为质子交换膜 B.阴极室的电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+ C.可用铁电极替换阴极的石墨电极 D.每转移2 mol e-,阳极室中c(Ca2+)降低 1 mol·L-1 答案：C 解析:阳离子向阴极移动,C膜只能是阳离子交换膜,A项错误;阴极室的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,B项错误;阴极电极不参与反应,故可用铁电极替换阴极的石墨电极,C项正确;未给出溶液体积,无法计算浓度,D项错误。 【针对训练6】工业上利用电渗析法制取次磷酸钴的原理如图所示。已知:①该装置的电极材料分别为金属钴和不锈钢。②Co(H2PO2)2溶液在强碱性条件下通过自身催化发生氧化还原反应可实现化学镀钴。下列说法错误的是 ( ) A.膜Ⅱ、膜Ⅲ均为阴离子交换膜 B.M极电极反应为Co-2e-+2H2POCo(H2PO2)2 C.阴极室中溶液pH增大 D.Co(H2PO2)2溶液化学镀钴过程中反应可能为Co2++H2PO+3OH-Co↓+HPO+2H2O 答案：B 解析：该装置为电解池，M极为阳极，电极材料应为金属钴，钴失电子生成钴离子，钴离子通过膜Ⅰ进入产品室，原料室中的H2PO通过膜Ⅲ、膜Ⅱ进入产品室与钴离子结合生成Co(H2PO2)2，膜Ⅱ、膜Ⅲ均为阴离子交换膜，A项正确；Co(H2PO2)2在产品室生成，不是在阳极生成，阳极的电极反应为Co-2e-Co2+，B项错误；阴极发生得电子的还原反应，电极反应为4H2O+4e-2H2↑+4OH-，有OH-生成，pH增大，C项正确；Co(H2PO2)2溶液化学镀钴过程中应有钴单质的生成，发生的反应可能为Co2++H2P+3OH-Co↓+HP+2H2O，D项正确。
2应用课
第四章 化学反应与电能
第9课时 “有膜”电解池
【学习目标】
认识有隔膜电解池装置，掌握其工作原理。
【学习活动】
学习任务
目标：认识有隔膜电解池装置，掌握其工作原理。 任务：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的装置如图所示，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)若将K＋交换膜换为阴离子交换膜，会造成什么影响？ 【知识拓展】 “有膜”电解池 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图所示：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应式，判断溶液离子浓度、质量、pH的变化，判断电极产物等。 4．多室电解池 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。 (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 阳极室中的电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区H＋放电，破坏了水的电离平衡，使OH－浓度增大，阳极区Cl－放电，使溶液中的c(Cl－)减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na＋通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH－结合，得到浓的NaOH溶液。利用这种方法制备的物质，纯度较高，基本没有杂质。 ②阳离子交换膜的作用(以①中电解池为例) 它只允许Na＋通过，而阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸，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通过阴离子交换膜进入产品室，与H＋结合生成弱电解质H3PO2；电解NaOH稀溶液的阴极反应：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室。 【针对训练1】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的装置如图所示，发生的反应为2Cu＋H2OCu2O＋H2↑。下列说法正确的是( ) A．钛电极上发生氧化反应 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．阳极反应式为2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O 【针对训练2】三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，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SO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。下列叙述正确的是( ) A.通电后中间隔室的SO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.阴极区反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阴极区溶液pH减小 D.当电路中通过1 mol e－时，会有0.5 mol的O2生成 【针对训练3】工业上用电解法处理含镍酸性废水并得到单质Ni的原理如图所示。已知： 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)。 下列说法中不正确的是( ) A B C A.碳棒上发生的电极反应：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O B.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pH D.若将图中阳离子膜去掉，将A、B两室合并，则电解反应的总方程式发生改变 【针对训练4】硼酸(H3BO3)为一元弱酸，已知H3PO3与足量NaOH溶液反应的离子方程式为H3BO3＋OH－===B(OH)，H3BO3可以通过电解的方法制备。其工作原理如下图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)。下列说法错误的是 ( ) A．a与电源的正极相连接 B．阳极的电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ C．当电路中通过3 mol电子时，可得到1 mol H3BO3 D．B(OH)穿过阴膜进入产品室，Na＋穿过阳膜进入阴极室 【针对训练5】利用电解法制备Ca(H2PO4)2并得到副产物NaOH和Cl2。下列说法正确的是( ) A.C膜可以为质子交换膜 B.阴极室的电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+ C.可用铁电极替换阴极的石墨电极 D.每转移2 mol e-,阳极室中c(Ca2+)降低 1 mol·L-1 【针对训练6】工业上利用电渗析法制取次磷酸钴的原理如图所示。已知:①该装置的电极材料分别为金属钴和不锈钢。②Co(H2PO2)2溶液在强碱性条件下通过自身催化发生氧化还原反应可实现化学镀钴。下列说法错误的是 ( ) A.膜Ⅱ、膜Ⅲ均为阴离子交换膜 B.M极电极反应为Co-2e-+2H2POCo(H2PO2)2 C.阴极室中溶液pH增大 D.Co(H2PO2)2溶液化学镀钴过程中反应可能为Co2++H2PO+3OH-Co↓+HPO+2H2O
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