2020-2021學(xué)年魯科版選修4第1章第2節(jié)電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能電解第3課時(shí)學(xué)案

第2節(jié)電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能——電解第三課時(shí)探究任務(wù)1.掌握有隔膜電解池的工作原理。培養(yǎng)宏觀辨識(shí)與微觀探析的學(xué)科核心素養(yǎng)。2．形成“有膜〞電解池的解題思路，增強(qiáng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。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(dòng)，目的是平衡整個(gè)溶液的離子濃度或電荷。(2)工作原理(以陽(yáng)離子交換膜為例)：交換膜上有很多微孔，“孔道〞上有許多帶負(fù)電荷的基團(tuán)，陽(yáng)離子可以自由通過(guò)“孔道〞，由濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域移動(dòng)。陰離子移動(dòng)到“孔道〞處，受到“孔道〞帶負(fù)電荷基團(tuán)的排斥而不能進(jìn)入“孔道〞中，因而不能通過(guò)交換膜。這就是“選擇性〞透過(guò)的原因。其構(gòu)造與工作示意圖如下圖：陰離子交換膜的構(gòu)造和工作原理與此相同，只不過(guò)是“孔道〞中帶正電荷基團(tuán)而已。2．離子交換膜的類型(1)陽(yáng)離子交換膜：只允許陽(yáng)離子通過(guò)；(2)陰離子交換膜：只允許陰離子通過(guò)；(3)質(zhì)子交換膜：只允許質(zhì)子通過(guò)。3．有膜電解池試題的解題思路(1)確定電解池的陰、陽(yáng)極：根據(jù)外接電源的正負(fù)極、電子流向、電極現(xiàn)象等確定電解池的陰、陽(yáng)極。(2)根據(jù)交換膜的類型確定移動(dòng)的離子及移動(dòng)方向：①陽(yáng)離子交換膜：只有陽(yáng)離子由陽(yáng)極移向陰極；②陰離子交換膜：只有陰離子由陰極移向陽(yáng)極；③質(zhì)子交換膜：只有氫離子由陽(yáng)極移向陰極。(3)根據(jù)移動(dòng)的離子書寫判斷電極反響式，判斷溶液離子濃度、質(zhì)量、pH的變化，判斷電極產(chǎn)物等?！纠}】納米級(jí)Cu2O因具有優(yōu)良的催化性能而受到廣泛關(guān)注。采用離子交換膜控制電解液中OH－的濃度制備納米級(jí)Cu2O的裝置如下圖，發(fā)生的反響為2Cu＋H2Oeq\o(=,\s\up9(通電))Cu2O＋H2↑。以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()A.鈦電極上發(fā)生氧化反響B(tài).陽(yáng)極附近溶液的pH逐漸增大C.離子交換膜應(yīng)采用陽(yáng)離子交換膜D.陽(yáng)極反響式為2Cu＋2OH－－2e－=Cu2O＋H2OD[鈦電極與電源負(fù)極相連作陰極，發(fā)生氫離子得電子的復(fù)原反響，A項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)總反響可得陽(yáng)極反響式為2Cu－2e－＋2OH－=Cu2O＋H2O，消耗OH－，那么陽(yáng)極附近溶液的pH減小，B項(xiàng)錯(cuò)誤、D項(xiàng)正確；陽(yáng)極反響式為2Cu－2e－＋2OH－=Cu2O＋H2O，那么應(yīng)采用陰離子交換膜，C項(xiàng)錯(cuò)誤。]離子交換膜的判斷根據(jù)題給信息“采用離子交換膜控制電解液中OH－的濃度制備Cu2O〞，結(jié)合電極反響式：2Cu－2e－＋2OH－=Cu2O＋H2O，電解時(shí)OH－移動(dòng)至陽(yáng)極反響，應(yīng)采用陰離子交換膜。1．三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如下圖，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場(chǎng)的作用下，兩膜中間的Na＋和SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))可通過(guò)離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進(jìn)入中間隔室。以下表達(dá)正確的選項(xiàng)是()A.通電后中間隔室的SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))向陽(yáng)極區(qū)遷移，正極區(qū)溶液pH增大B.該法在處理含Na2SO4廢水時(shí)可以得到NaOH和H2SO4產(chǎn)品C.陰極區(qū)反響為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，陰極區(qū)溶液pH減小D.當(dāng)電路中通過(guò)1mole－時(shí)，會(huì)有0.5mol的O2生成B[電解池中陰離子向陽(yáng)極區(qū)定向移動(dòng)，因此通電后中間隔室的SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))向陽(yáng)極區(qū)遷移；在陽(yáng)極區(qū)水電離出的OH－失去電子，發(fā)生氧化反響，電極反響式為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，所以陽(yáng)極區(qū)溶液酸性增強(qiáng)，溶液pH減小，A錯(cuò)誤。陽(yáng)極區(qū)OH－失去電子，電極反響式為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，溶液中產(chǎn)生硫酸；陰極區(qū)H＋獲得電子，發(fā)生復(fù)原反響，電極反響式為2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，產(chǎn)生氫氧化鈉，因此該法在處理含Na2SO4廢水時(shí)可以得到NaOH和H2SO4產(chǎn)品，B正確。陰極區(qū)水電離出的氫離子放電，電極反響式為2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，c(OH－)增大，所以陰極區(qū)溶液pH增大，C錯(cuò)誤。當(dāng)電路中通過(guò)1mole－時(shí)，根據(jù)得失電子守恒可知，反響產(chǎn)生氧氣的物質(zhì)的量是0.25mol，D錯(cuò)誤。]2．工業(yè)上用電解法處理含鎳酸性廢水并得到單質(zhì)Ni的原理如下圖。：①Ni2＋在弱酸性溶液中發(fā)生水解；②氧化性：Ni2＋(高濃度)>H＋>Ni2＋(低濃度)。以下說(shuō)法中不正確的選項(xiàng)是()ABCA.碳棒上發(fā)生的電極反響：4OH－－4e－=O2↑＋2H2OB.電解過(guò)程中，B室中NaCl溶液的物質(zhì)的量濃度將不斷減小C.為了提高Ni的產(chǎn)率，電解過(guò)程中需要控制廢水的pHD.假設(shè)將圖中陽(yáng)離子膜去掉，將A、B兩室合并，那么電解反響的總方程式發(fā)生改變B[由題圖可知，碳棒與電源正極相連，作電解池的陽(yáng)極，電極反響式為4OH－－4e－=O2↑＋2H2O，故A正確；電解過(guò)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(guò)陽(yáng)離子膜和陰離子膜移向B室中，使B室中NaCl溶液的物質(zhì)的量濃度不斷增大，故B錯(cuò)誤；因Ni2＋在弱酸性溶液中易發(fā)生水解反響，且氧化性：Ni2＋(高濃度)＞H＋＞Ni2＋(低濃度)。為了提高Ni的產(chǎn)率，電解過(guò)程中需要控制廢水的pH，故C正確，假設(shè)將圖中陽(yáng)離子膜去掉，由于放電順序：Cl－＞OH－，那么Cl－在陽(yáng)極放電：2Cl－－2e－=Cl2↑，電解反響的方程式會(huì)發(fā)生改變，故D正確。]電解是利用外電路電源提供電能的一種強(qiáng)有力的氧化復(fù)原手段，可以使不能發(fā)生的氧化復(fù)原反響強(qiáng)制發(fā)生。因此電解原理有著廣泛的應(yīng)用，可以應(yīng)用電解手段制備、凈化、提純某些物質(zhì)。1．SO2是一種常見(jiàn)的大氣污染物，能夠引起酸雨等環(huán)境問(wèn)題，工業(yè)上利用電化學(xué)方法將SO2廢氣二次利用，制備保險(xiǎn)粉(Na2S2O4)的裝置如下圖。(1)分析電極a、b、Ⅰ、Ⅱ的名稱，并寫出電極Ⅰ、Ⅱ的電極反響式。(2)通電一段時(shí)間后溶液中H＋轉(zhuǎn)移0.1mol，計(jì)算此裝置處理的廢氣SO2的體積(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)。提示：(1)根據(jù)圖示可以得出電極Ⅰ上發(fā)生的是SO2制備Na2S2O4的過(guò)程，發(fā)生的是得電子的復(fù)原反響，因此電極Ⅰ為陰極，電極反響式為2SO2＋2e－=S2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))；電極Ⅱ上發(fā)生的是SO2生成硫酸的反響，為失電子的氧化反響，故電極Ⅱ?yàn)殛?yáng)極，電極反響式為2H2O＋SO2－2e－=4H＋＋SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))。所以外接電源的a為負(fù)極，b為正極。(2)溶液中H＋轉(zhuǎn)移0.1mol，根據(jù)電子守恒可知電路中通過(guò)的電子的物質(zhì)的量為0.1mol。由陰極電極反響式為2SO2＋2e－=S2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，陽(yáng)極電極反響式為2H2O＋SO2－2e－=4H＋＋SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，那么陰陽(yáng)兩極共處理標(biāo)準(zhǔn)狀況下SO2廢氣(0.1＋0.05)mol×22.4L·mol－1＝3.36L。2．CO2氣體是引起溫室效應(yīng)和氣候變暖的主要物質(zhì)。(1)JournalofEnergyChemistry報(bào)道我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)CO2熔鹽捕獲與轉(zhuǎn)化裝置如圖。判斷a、d電極的名稱，并寫出電極反響式。(2)溶于海水的CO2主要以4種無(wú)機(jī)碳形式存在，其中HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))占95%，利用圖示裝置從海水中提取CO2，有利于減少環(huán)境溫室氣體含量。分析b室中的海水pH變化的原因。提示：(1)根據(jù)圖示可以得出d電極上發(fā)生COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))轉(zhuǎn)化為C的反響，根據(jù)化合價(jià)可以判斷發(fā)生的是得電子的復(fù)原反響，因此電極d為陰極，電極反響式為COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋4e－=C＋3O2－；那么電極a為陽(yáng)極，根據(jù)圖示可以判斷電極反響式為2C2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(5))－4e－=4CO2↑＋O2↑。(2)a室為電解池的陽(yáng)極室，發(fā)生的電極反響為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，產(chǎn)生的H＋通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入b室，與主要含碳粒子(HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))發(fā)生反響HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))＋H＋=H2O＋CO2↑，HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))的濃度減小，從而導(dǎo)致pH減小。3．重鉻酸鉀(K2Cr2O7)是一種強(qiáng)氧化劑，可用于檢測(cè)酒駕中酒精的含量，電化學(xué)制備K2Cr2O7的裝置如下圖，其中a、b均為石墨電極。(1)結(jié)合化學(xué)用語(yǔ)分析制備重鉻酸鉀(K2Cr2O7)的化學(xué)原理。(2)假設(shè)將K＋交換膜換為陰離子交換膜，會(huì)造成什么影響？提示：(1)根據(jù)圖示和電解原理可知b極上發(fā)生的電極反響為2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，產(chǎn)生的H＋在b極區(qū)附近與CrOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))發(fā)生反響2CrOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋2H＋=Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋H2O。(2)將K＋交換膜換為陰離子交換膜，將會(huì)使陰極室的OH－進(jìn)入陽(yáng)極室，從而降低陽(yáng)極室的酸性，導(dǎo)致重鉻酸鉀(K2Cr2O7)的產(chǎn)率降低，同時(shí)會(huì)引入雜質(zhì)KOH。通過(guò)本情境素材對(duì)電解過(guò)程中的電極、電解質(zhì)的討論，增強(qiáng)了學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的化學(xué)核心素養(yǎng)，也提升了證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)。1．用惰性電極電解FeSO4溶液制備高純鐵的原理如下圖。以下說(shuō)法錯(cuò)誤的選項(xiàng)是()A.陽(yáng)極主要發(fā)生反響：Fe2＋－e－=Fe3＋B.可用高純鐵電極作陰極C.電解液中的SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))由右向左通過(guò)陰離子交換膜D.電解法制備高純鐵總反響：3Fe2＋eq\o(=,\s\up9(通電))Fe＋2Fe3＋C[根據(jù)圖中信息可知，陽(yáng)極亞鐵離子失電子產(chǎn)生鐵離子，發(fā)生的電極反響為Fe2＋－e－=Fe3＋，選項(xiàng)A正確；可用高純鐵電極作陰極，陰極上亞鐵離子得電子產(chǎn)生鐵單質(zhì)析出在高純鐵電極上，選項(xiàng)B正確；電解池中陰離子SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))定向移動(dòng)到陽(yáng)極，故由左向右通過(guò)陰離子交換膜，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；電解法制備高純鐵陽(yáng)極電極反響式為2Fe2＋－2e－=2Fe3＋，陰極電極反響式為Fe2＋＋2e－=Fe，總反響為3Fe2＋eq\o(=,\s\up9(通電))Fe＋2Fe3＋，選項(xiàng)D正確。]2．如圖是工業(yè)上電解飽和食鹽水的裝置示意圖，以下說(shuō)法中不正確的選項(xiàng)是()A.裝置出口①處的物質(zhì)是氯氣B.出口②處的物質(zhì)是氫氣，該離子交換膜只能讓陽(yáng)離子通過(guò)－＋2H＋eq\o(=,\s\up9(通電))Cl2↑＋H2↑D.該裝置將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能C[與電源正極相連的為陽(yáng)極，溶液中的氯離子在陽(yáng)極失電子生成氯氣，出口①處的物質(zhì)是氯氣，A正確；溶液中水電離出的氫離子在陰極得到電子發(fā)生復(fù)原反響生成氫氣，出口②處的物質(zhì)是氫氣，離子交換膜是陽(yáng)離子交換膜，只允許陽(yáng)離子通過(guò)，不能讓陰離子通過(guò)，B正確；電解飽和食鹽水過(guò)程中生成氫氧化鈉、氫氣和氯氣，反響的離子方程式為2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up9(通電))Cl2↑＋H2↑＋2OH－，C錯(cuò)誤；該裝置是電解池，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，D正確。]3．H2S有劇毒，石油化工中常用以下方法處理石油煉制過(guò)程中產(chǎn)生的H2S廢氣。先將含H2S的廢氣(其他成分不參與反響)通入FeCl3溶液中，過(guò)濾后將溶液參加以鐵和石墨棒為電極的電解槽中電解(如下圖)，電解后的溶液可以循環(huán)利用。以下有關(guān)說(shuō)法不正確的選項(xiàng)是()A.過(guò)濾所得沉淀的成分為S和FeSB.與外接電源a極相連的電極的電極反響式：Fe2＋－e－=Fe3＋C.與外接電源b極相連的是鐵電極D.外電路中有0.20mol的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，反響得到氫氣2.24L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)A[將H2S通入FeCl3溶液中，H2S被鐵離子氧化為S，即發(fā)生2Fe3＋＋H2S=S↓＋2Fe2＋＋2H＋，所以過(guò)濾所得沉淀的成分為S，A錯(cuò)誤；與b極相連的電極上氫離子得電子生成氫氣，故為陰極，所以與a極相連的電極為陽(yáng)極，陽(yáng)極上亞鐵離子失電子生成鐵離子，即電極反響式為Fe2＋－e－=Fe3＋，B正確；如果Fe與外接電源的a極相連，那么Fe作陽(yáng)極失電子，導(dǎo)致溶液中的亞鐵離子不能失電子，所以不能用Fe作陽(yáng)極與a極相連，鐵電極只能和b極相連，C正確；陰極的電極反響式為2H＋＋2e－=H2↑，當(dāng)外電路中有0.20mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，會(huì)生成0.1mol氫氣，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氫氣的體積為2.24L，D正確。]4．重鉻酸鉀又名紅礬鉀，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的一種重要分析試劑。工業(yè)上以鉻酸鉀(K2CrO4)為原料，采用電化學(xué)法制備重鉻酸鉀(K2Cr2O7)。制備裝置如下圖(陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子透過(guò))：制備原理：2CrOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))(黃色)＋2H＋=Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7)