高中化学人教版 (2019)选择性必修1电解池第4课时导学案及答案

这是一份高中化学人教版 (2019)选择性必修1电解池第4课时导学案及答案，共8页。学案主要包含了掌握解题必备知能，构建解题思维模型等内容，欢迎下载使用。
(一)离子交换膜的分类与作用
(二)三类交换膜应用实例
1.阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)
2.阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过)
3.质子交换膜(只允许H+和水分子通过)
(三)常见带离子交换膜的四类装置
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。
类型1 单膜双室
带阳离子交换膜的氯碱工业电解模型:
分析如下:
此时,阳离子交换膜的作用是平衡电荷,形成闭合回路;防止Cl2和H2混合而引起爆炸;避免Cl2与NaOH反应生成NaClO,影响NaOH的产量;避免Cl-进入阴极区导致制得的NaOH不纯。
类型2 双膜三室
水溶液中电解制备金属钴的装置示意图
分析如下:
类型3 三膜四室
以四室电渗析法制备H3PO2(次磷酸)为例,其工作原理如图所示:
分析如下:
类型4 四膜五室
海水中除含有钠、氯等元素,还含有钙、镁、钾、硫酸根离子等。现利用“电渗析法”对海水进行淡化,技术原理如图:
分析如下:

二、构建解题思维模型
[典例] (2024·重庆卷)我国科研工作者研发了一种新型复合电极材料,可将CO2电催化转化为甲酸,如图是电解装置示意图。下列说法正确的是( )
A.电解时电极N上产生OH-
B.电解时电极M上发生氧化反应
C.阴、阳离子交换膜均有两种离子通过
D.总反应为2CO2+2H2O2HCOOH+O2
听课记录:
|思维建模|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电中性,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。
[题点多维训练]
1.(2025·吉安高二期末)利用阳离子交换膜和过滤膜制备高纯度Cu的装置如图所示,下列叙述错误的是( )
A.电极A是粗铜,电极B是纯铜
B.电路中通过1 ml电子,溶解32 g粗铜
C.溶液中SO42-向电极A迁移
D.膜A是过滤膜,阻止阳极泥及杂质进入阴极区
2.某工厂采用电解法处理含铬废水,耐酸电解槽用铁板作阴、阳极,工作原理如图所示。经过一段时间后,有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀随废水排出,从而使废水中铬含量低于排放标准。下列说法不正确的是( )
A.阴极区发生的电极反应包括:2H++2e-H2↑
B.还原Cr2O72-的主要方式是Cr2O72-+6Fe2++14H+2Cr3++6Fe3++7H2O
C.废水的pH过高或过低均会降低铬的去除率
D.电解槽工作时,Cr2O72-通过阴离子交换膜从阳极室进入阴极室
3.(2023·广东卷)用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池(下图),可实现大电流催化电解KNO3溶液制氨。工作时,H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH-,有利于电解反应顺利进行。下列说法不正确的是( )
A.电解总反应:KNO3+3H2ONH3·H2O+2O2↑+KOH
B.每生成1 ml NH3·H2O,双极膜处有9 ml的H2O解离
C.电解过程中,阳极室中KOH的物质的量不因反应而改变
D.相比于平面结构双极膜,“卯榫”结构可提高氨生成速率
4.氢氧化钾是重要的工业产品,工业级氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸根杂质,可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过),其工作原理如图所示。
(1)该电解槽的阳极反应式是 。
(2)通电开始后,阴极附近溶液pH会增大,请简述其原因: 。
(3)除去杂质后的氢氧化钾溶液从液体出口 (填“A”或“B”)导出。
课下请完成课时跟踪检测(三十四)
第4课时 离子交换膜在电化学中的应用
[典例] 选D 电极M上CO2转化为HCOO-,发生还原反应:CO2+2e-+H2OHCOO-+OH-,为阴极;电极N上H2O转化为O2,发生氧化反应:2H2O-4e-O2↑+4H+,为阳极;阴极室HCOO-、OH-透过阴离子交换膜进入中间室,阳极室H+透过阳离子交换膜进入中间室,HCOO-和H+结合为HCOOH。电解时电极N上发生反应2H2O-4e-O2↑+4H+,产生H+,A项错误;由分析知,电解时电极M上发生还原反应,B项错误;由分析知,阳离子交换膜只有H+通过,C项错误;根据阳极反应2H2O-4e-O2↑+4H+,阴极反应CO2+2e-+H2OHCOO-+OH-,可得总反应为2CO2+2H2O2HCOOH+O2,D项正确。
[题点多维训练]
1.选B 精炼铜时,粗铜作阳极,纯铜作阴极,根据装置图可知,电极A为粗铜,电极B为纯铜,故A正确;粗铜中含其他活泼金属杂质,也会失电子被溶解,当电路中通过1 ml电子时,溶解的粗铜质量不确定,故B错误;根据电解原理,硫酸根离子向阳极(电极A)移动,故C正确;膜A为过滤膜,阻止阳极泥及杂质进入阴极区,膜B为阳离子交换膜,故D正确。
2.选D 耐酸电解槽用铁板作阴、阳极,在阴极区,H+得电子,发生的电极反应包括:2H++2e-H2↑,A正确;在阳极区,Fe失电子生成的Fe2+还原Cr2O72-,主要方式是Cr2O72-+6Fe2++14H+2Cr3++6Fe3++7H2O,B正确;若废水的pH过高,会直接与Fe2+反应生成Fe(OH)2沉淀,影响Cr2O72-的还原,若pH过低,会将Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀溶解,都会降低铬的去除率,C正确;电解槽工作时,因为Cr2O72-要进入阳极区被Fe2+还原,所以Cr2O72-通过阴离子交换膜从阴极室进入阳极室,D错误。
3.选B 由信息大电流催化电解KNO3溶液制氨可知,在电极a处KNO3放电生成NH3,发生还原反应,故电极a为阴极,电极方程式为NO3-+8e-+9H+NH3·H2O+2H2O,电极b为阳极,电极方程式为4OH--4e-O2↑+2H2O,“卯榫”结构的双极膜中的H+移向电极a,OH-移向电极b。由分析中阴阳电极方程式可知,电解总反应为KNO3+3H2ONH3·H2O+2O2↑+KOH,故A正确;每生成1 ml NH3·H2O,阴极得8 ml e-,同时双极膜处有8 ml H+进入阴极室,即有8 ml的H2O解离,故B错误;电解过程中,阳极室每消耗4 ml OH-,同时有4 ml OH-通过双极膜进入阳极室,KOH的物质的量不因反应而改变,故C正确;相比于平面结构双极膜,“卯榫”结构具有更大的膜面积,有利于H2O被催化解离成H+和OH-,可提高氨生成速率,故D正确。
4.解析:根据电解原理,阳极应是OH-失电子,所以电极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑,而阴极为H+放电,促进水的电离,使OH-浓度增大,所以pH增大。根据阳离子交换膜的特点,K+可从阳极区进入阴极区和OH-组成KOH,从而可在阴极区得到纯的KOH,故液体应从B口导出。
答案:(1)4OH--4e-2H2O+O2↑
(2)H+放电,促进水的电离,OH-浓度增大 (3)B装置图
说明
锌铜原电池
①负极反应式:Zn-2e-Zn2+
②正极反应式:Cu2++2e-Cu
③Zn2+通过阳离子交换膜进入正极区
④阳离子→透过阳离子交换膜→原电池正极
装置图
说明
以Pt为电极电解淀粉⁃KI溶液,中间用阴离子交换膜隔开
①阴极反应式:2H2O+2e-H2↑+2OH-
②阳极反应式:2I--2e-I2
③阴极产生的OH-移向阳极与阳极产物反应。3I2+6OH-IO3-+5I-+3H2O
④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极
装置图
说明
在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH),可获得清洁能源H2
①阴极反应式:2H++2e-H2↑
②阳极反应式:
CH3COOH-8e-+2H2O2CO2↑+8H+
③阳极产生的H+通过质子交换膜移向阴极
④H+→透过质子交换膜→电解池的阴极
判断电极名称
书写电极反应
检查离子浓度变化
确定膜
(或离子移动方向)
阳极
(石墨)
2H2O-4e-
O2↑+4H+
Ⅰ室c(H+)增大,即c(阳离子)增大
H+通过阳离子交换膜由Ⅰ室移向Ⅱ室
阴极
(C)
C2++2e-C
Ⅲ室阴离子电荷数大于阳离子电荷数
Cl-通过阴离子交换膜由Ⅲ室移向Ⅱ室
判断电极名称
书写电极反应
检查离子浓度变化
确定膜(或离子移动方向)
阳极(a)
2H2O-4e-
O2↑+4H+
阳极室c(H+)增大,即c(阳离子)增大
H+通过阳离子交换膜进入产品室,原料室中的H2PO2-通过阴离子交换膜进入产品室
阴极(b)
4H2O+4e-
2H2↑+4OH-
阴极室c(OH-)增大,即c(阴离子)增大
原料室中的Na+通过阳离子交换膜进入阴极室
判断电极名称
书写电极反应
检查离子浓度变化
确定膜
(或离子移动方向)
阳极(甲)
2Cl--2e-Cl2↑
甲室c(Cl-)减小,即c(阴离子)减小
Na+等阳离子通过阳离子交换膜由甲室移向乙室
阴极(戊)
2H2O+2e-H2↑+2OH-
戊室c(OH-)增大,即c(阴离子)增大
OH-等阴离子通过阴离子交换膜由戊室移向丁室