26 第三板块 层级Ⅲ 活动项目(二) 设计优化电解池理论模型，实现从理论到实际的转化（Word教参）-【新高考方案】2024年高考化学二轮复习专题增分方略（新教材Ⅱ 山东专用）

活动项目(二)　初步设计电解池理论模型并优化模型，实现从理论模型到实际模型的转化 设计意图：先初步设计电解池理论模型，但在解决CO2反应慢、H2S吸附率低等问题时都充分利用化学动力学进行方案设计及优化。H2S的处理跳脱原体系，引入 EDTA-Fe3＋进行循环利用从而间接除去H2S。最终优化设计成绿色、实用、高效的电解池实际模型。通过此环节能有效地提升学生建构模型和应用模型的能力。 (一)初步设计电解池理论模型 1．结合教材中电解饱和NaCl溶液为模型，根据电解去除天然气中CO2和H2S气体反应的总反应式CO2＋H2S===CO＋S↓＋H2O，写出两个电极反应。 阳极：_________________________________________________________________。 阴极：__________________________________________________________________。 提示：H2S－2e－===2H＋＋S↓； CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O 2.设计电解装置：电解装置的三要素为①直流电源；②电极材料；③电解质溶液。根据电解装置的要素进行初步设计电解池。 提示：根据两电极的反应可知CO2的电极反应需要H＋，H2S的电极反应产生H＋，故为了使电解质溶液相对稳定，可采用质子交换膜。电解装置如图所示： (二)优化电解模型 3．为确保CO2、H2S在电极上放电而不逸出，可选用石墨烯作为电极材料。它具有很好的吸附性能，且传递电子的速率是恒定的，载流子的迁移率也是所有导体中最大的。 (1)二氧化碳的吸附率很高，但反应较慢，如何加快二氧化碳的反应速率：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)硫化氢的吸附率低，为提高其吸附率，设计如下装置，采用氧化—电解的双反应器对含硫化氢的废气进行脱硫制氢。请说明其工作原理。 提示：(1)可从影响化学反应速率的外界因素的角度进行分析，从而选择提高CO2反应速率的方法。加快化学反应速率的外因有：①增加反应物的浓度；②增大压强；③提高反应温度；④使用催化剂。CO2的吸附率高，说明CO2在石墨烯电极上的浓度足够高，但是反应速率仍很慢，同时结合实际生产可知最好的方法是使用催化剂。为了符合绿色化学思想，催化剂可选用ZnO。 (2)在氧化吸收器中发生的反应为2Fe3＋＋H2S===2Fe2＋＋S↓＋2H＋，生成的Fe2＋进入电解反应器，在阳极上进行放电：Fe2＋－e－===Fe3＋，Fe3＋再进行循环使用。因此为提高H2S的去除率，可向电解装置右侧加入含Fe3＋的溶液。在实际生产中，因为Fe3＋水解程度较高，往往使用EDTA-Fe3＋代替 4．从能量转化的角度优化，将直流电源换成光伏电池。我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为： ①EDTA-Fe2＋－e－===EDTA-Fe3＋ ②2EDTA-Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋ 该装置工作时，下列叙述错误的是(　 ) A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O B．协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低 D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需为酸性 提示：由信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴极。再由图可知，电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，A项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B项正确；阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高，C项错误；Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D项正确。 [类题迁移] 1．一种将电解池和燃料电池相组合的新工艺，使氯碱工业节能超过30%，其原理如图所示(离子交换膜均为阳离子交换膜)。下列说法错误的是(　 ) A．X为Cl2，Y为H2 B．A为电解池，B为燃料电池 C．NaOH溶液浓度：b＞a＞c D．燃料电池的正极反应式为H2