鲁科版 (2019)微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用导学案

微专题4 “有膜”电解池题型的解题方法

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。

【例题】　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

D　[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。]

离子交换膜的判断

根据题给信息“采用离子交换膜控制电解液中OH－的浓度制备Cu2O”，结合电极反应式：2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O，电解时OH－移动至阳极反应，应采用阴离子交换膜。

1．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

C　[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。]

2．用惰性电极电解FeSO4溶液制备高纯铁的原理如图所示。下列说法错误的是(　　)

A．阳极主要发生反应：Fe2＋－e－===Fe3＋

B．可用高纯铁电极作阴极

C．电解液中的SO由右向左通过阴离子交换膜

D．电解法制备高纯铁总反应：3Fe2＋Fe＋2Fe3＋

C　[根据图中信息可知，阳极亚铁离子失电子产生铁离子，发生的电极反应为Fe2＋－e－===Fe3＋，选项A正确；可用高纯铁电极作阴极，阴极上亚铁离子得电子产生铁单质析出在高纯铁电极上，选项B正确；电解池中阴离子SO定向移动到阳极，故由左向右通过阴离子交换膜，选项C错误；电解法制备高纯铁阳极电极反应式为2Fe2＋－2e－===2Fe3＋，阴极电极反应式为Fe2＋＋2e－===Fe，总反应为3Fe2＋Fe＋2Fe3＋，选项D正确。]

3．重铬酸钾又名红矾钾，是化学实验室中的一种重要分析试剂。工业上以铬酸钾(K2CrO4)为原料，采用电化学法制备重铬酸钾(K2Cr2O7)。制备装置如图所示(阳离子交换膜只允许阳离子透过)：

制备原理：2CrO(黄色)＋2H＋===Cr2O(橙色)＋H2O。

(1)通电后阳极室产生的现象为____________________________；其电极反应式是________________________________________________________________。

(2)该制备过程总反应的离子方程式可表示为4CrO＋4H2O===2Cr2O＋4OH－＋2H2↑＋O2↑，若实验开始时在右室中加入38.8 g K2CrO4，t min后测得右室中K与Cr的物质的量之比为3∶2，则溶液中K2CrO4和K2Cr2O7的物质的量之比为________；此时电路中转移电子的物质的量为________。

[解析]　(1)阳极发生氧化反应，溶液中氢氧根离子失去电子生成氧气和水。(2)直接设K2CrO4和K2Cr2O7物质的量分别为x、y，则钾原子的物质的量为2x＋2y，铬原子物质的量为x＋2y，依据两原子个数比为3∶2，可求出两物质的物质的量之比为2∶1；根据铬酸钾的质量可求出铬原子总物质的量为0.2 mol，又t min后两物质的物质的量之比为2∶1，则铬酸钾为0.1 mol，重铬酸钾为0.05 mol，根据化学方程式可知，生成0.05 mol的重铬酸钾的反应中转移电子为0.05×2 mol。

[答案]　(1)阳极产生无色气体，溶液由黄色逐渐变为橙色　4OH－－4e－===O2↑＋2H2O(或2H2O－4e－===O2↑＋4H＋)

(2)2∶1　0.1 mol