4.2.6 “有膜”电解池 学案 （含答案） 2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修1

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 ... ...