第二节第2课时 电解原理的应用.docx
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第二节第2课时电解原理的应用
第2课时 电解原理的应用
学业要求
核心素养建构
1.认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。
2.能进行电解原理的有关计算。
『知识梳理』
一、电解饱和食盐水
1.氯碱工业单元槽电解原理示意图
2.原理分析及电极反应
电解时U形管中,Cl-、OH-移向阳极,H+、Na+移向阴极。
(1)阳极离子放电顺序:
Cl->OH-__________,电极反应:
2Cl--2e-===Cl2↑(氧化反应)
(2)阴极离子放电顺序:
H+>Na+,
电极反应:
2H++2e-===H2↑(还原反应)。
3.总反应化学方程式:
2NaCl+2H2O
2NaOH+Cl2↑+H2↑。
离子方程式:
2Cl-+2H2O
H2↑+Cl2↑+2OH-。
[微自测]
1.用惰性电极电解NaCl溶液,下列叙述正确的是( )
A.电解时在阳极得到氯气,在阴极得到金属钠
B.若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液,溶液呈褐色
C.若在阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液,溶液呈无色
D.电解一段时间后,将全部电解质溶液转移到烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
解析 用惰性电极电解NaCl溶液,阳极产物为Cl2,阴极产物为H2和NaOH,不是金属钠,A错误;NaOH溶液使酚酞溶液变红色,C项错误;因产物中生成NaOH,溶液不可能呈中性,D项错误。
答案 B
二、电镀
1.电镀是一种利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的加工工艺。
2.电镀
3.电镀的目的主要是增强材料抗腐蚀能力,也有许多电镀是为了美观或增加表面硬度。
[微自测]
2.在铁片上镀银,铁片作________极,电极反应式为________________________,银作________极,电极反应式为________________________,电镀液的浓度________(填“变大”“变小”或“不变”)。
答案 阴 Ag++e-===Ag 阳 Ag-e-===Ag+ 不变
4.电解精炼(以铜的电解精炼为例,粗铜含Zn、Fe、Ni、Au、Pt、Ag等)
(1)装置与原理
阳极材料用粗铜,阴极材料用纯铜,电解质溶液用硫酸酸化的硫酸铜溶液。
(2)电解特点
电解结束后,阳极泥中含有Au、Pt、Ag等,电解质溶液中的金属阳离子有Zn2+、Fe2+、Ni2+、Cu2+,阴极得到精铜。
[微自测]
3.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)氯碱工业是非常重要的化工生产,在电解饱和食盐水时,在阴极上得到的产物为H2和NaOH( )
(2)电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网作阳极( )
(3)电解法精炼粗铜,用纯铜作阳极( )
(4)在镀件上电镀锌,用锌作阳极( )
(5)电解法精炼粗铜时,电解质溶液中各离子浓度一定不变( )
(6)在镀件上电镀铜,电镀过程中阳极减少的质量等于阴极增加的质量( )
答案
(1)√
(2)× (3)× (4)√ (5)×
(6)√
三、电冶金
1.金属冶炼的本质:
使矿石中的金属离子获得电子,从它们的化合物中还原出来。
如Mn++ne-===M。
2.电解熔融的氯化钠可制取金属钠:
阳极反应式:
2Cl--2e-===Cl2↑;
阴极反应式:
2Na++2e-===2Na;
总反应:
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑。
[微自测]
4.中学阶段介绍的应用电解法制备物质主要有三种:
一是铝的工业制备,二是氯碱工业,三是金属钠的制备。
下列关于这三种工业生产的描述中正确的是( )
A.电解法制金属钠时,阳极反应式:
Na++e-===Na
B.电解法生产铝时,需对铝土矿进行提纯,在提纯过程中应用了氧化铝或氢氧化铝的两性
C.在氯碱工业中,电解池中的阴极产生的是H2,NaOH在阳极附近产生
D.氯碱工业和金属钠的冶炼都用到了NaCl,在电解时它们的阴极都是Cl-失电子
解析 A项,阴极反应式为Na++e-===Na,错误;B项,氧化铝和氢氧化铝具有两性,在分离提纯时可用NaOH溶液将其溶解,过滤除去难溶物,再将AlO
转化成Al(OH)3,Al(OH)3热分解即得Al2O3,正确;C项,阴极产物为H2和NaOH,阳极产物为Cl2,错误;D项,阳极都是Cl-失电子,错误。
答案 B
探究一 电解原理的应用
与方法
[探究素材]
1.氯碱工业的生产过程
2.离子交换膜的分类和应用
注意:
在多交换膜的池中,离子迁移遵循电荷守恒,离子的迁移数目可能不相等。
[探究题目]
1.下图是工业电解饱和食盐水的装置示意图,下列说法中不正确的是( )
A.装置出口①处的物质是氯气
B.出口②处的物质是氢气,该离子交换膜只能让阳离子通过
C.装置中发生反应的离子方程式为2Cl-+2H+
Cl2↑+H2↑
D.该装置是将电能转化为化学能
解析 出口①处是电解池的阳极区,溶液中的氯离子失电子生成氯气,A项正确;出口②处是电解池的阴极区,溶液中的氢离子得到电子发生还原反应生成氢气,离子交换膜是阳离子交换膜,只允许阳离子通过,B项正确;电解饱和食盐水生成氢氧化钠和氢气、氯气,离子方程式为2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-,C项错误;该装置是电解装置,是把电能转化为化学能,D项正确。
答案 C
思辨意识
[探究素材]
电镀铜与精炼铜的比较
电镀铜
精炼铜
能量转变
电能转化为化学能
电能转化为化学能
阳极材料
纯铜
粗铜(含锌、银、金等杂质)
阴极材料
镀件
纯铜
阳极反应
Cu-2e-===Cu2+
Zn-2e-===Zn2+
Cu-2e-===Cu2+等
阴极反应
Cu2++2e-===Cu
Cu2++2e-===Cu
电解质溶液
及其变化
硫酸铜溶液浓度保持不变
反应后硫酸铜溶液中混有Zn2+等,Cu2+浓度减小
[探究题目]
2.关于电镀铜和电解精炼铜,下列说法中正确的是( )
A.都用粗铜作阳极、纯铜作阴极
B.电解液的成分都保持不变
C.阳极反应都只有Cu-2e-===Cu2+
D.阴极反应都只有Cu2++2e-===Cu
解析 A项,电镀时镀件作阴极,错误;B项,电解精炼铜时,电解液成分发生变化,错误;C项,电解精炼铜时,比铜活泼的金属杂质(如锌),比铜更易被氧化:
Zn-2e-===Zn2+。
答案 D
[探究素材]
多室电解池
三室电渗析法处理Na2SO4废水
解题模型:
四步分析法
第一步:
弄清是原电池还是电解池,判断电极有外接电源→电解池;n→阳极,m→阴极
第二步:
根据电极判断离子的移动方向和交换膜的种类
Na+→通过ab⇒阴极→ab是阳离子交换膜
SO
→通过cd⇒阳极→cd是阴离子交换膜
第三步:
根据放电顺序写出电极反应式
阴极,阳离子竞争放电,放电顺序:
H+>Na+,阴极的电极反应式为4H2O+4e-===2H2↑+4OH-;
阳极,阴离子竞争放电,放电顺序:
OH->SO
,阳极的电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+。
第四步:
根据电极反应式和离子移动方向确定电极反应物
阴极H+放电生成H2,剩余OH-与迁移过来的Na+生成NaOH;
阳极OH-放电生成O2,剩余H+与迁移过来的SO
生成H2SO4。
[探究题目]
3.现代膜技术可使某种离子具有单向通过能力,常用于电解池、原电池中。
电解NaB(OH)4溶液可制备H3BO3,其工作原理如图。
下列叙述错误的是( )
A.M室发生的电极反应式:
2H2O-4e-===O2↑+4H+
B.N室:
a<b
C.产品室发生的反应是B(OH)
+H+H3BO3+H2O
D.理论上每生成1mol产品,阴极室可生成标准状况下5.6L气体
解析 M室为阳极室,水中的氢氧根离子放电,2H2O-4e-===O2↑+4H+,A正确。
N室,水中的氢离子放电,生成氢氧根离子,原料室中钠离子移动到N室,NaOH浓度增大,B正确。
原料室中的B(OH)
移向产品室,M室中生成的H+移向产品室,二者反应生成产品,C正确。
根据关系式:
H3BO3~H+~
H2,理论上每生成1mol产品,阴极室可生成标准状况下11.2L气体,D错误。
答案 D
创新意识
[探究素材]
电解应用拓展
电解还可应用于物质制备(如制氢、氢氧化亚铁、纳米材料等)、环境保护(如废水处理等)和新技术等。
[探究题目]
4.工业上处理含Cr2O
的酸性工业废水常用以下方法:
①往工业废水里加入适量的NaCl,搅拌均匀;②用Fe作电极进行电解,经过一段时间后有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀产生;③过滤回收沉淀,废水达到排放标准。
试回答:
(1)电解时的电极反应:
阳极为________,阴极为________。
(2)Cr2O
转变成Cr3+的离子方程式:
_____________________________________________________________________。
(3)电解过程中Cr(OH)3、Fe(OH)3沉淀是怎样产生的?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
(4)能否用Cu电极来代替Fe电极?
________(填“能”或“不能”),简述理由_____________________________________________________________________。
解析 由于Cr(+6价)的化合物毒性远高于Cr(+3价)的化合物,将Cr(+6价)转化为Cr(+3价),对废水进行处理是电化学知识在实际工业生产中的具体运用。
在处理有关问题时,应注意思维的有序性:
首先应考虑溶液中阴、阳离子的定向移动;然后再考虑阴、阳极按放电顺序可能发生的电极反应。
阴极:
2H++2e-===H2↑,阳极:
Fe-2e-===Fe2+,产生的Fe2+在向阴极移动的过程中与向阳极移动的Cr2O
相遇,发生氧化还原反应:
6Fe2++Cr2O
+14H+===6Fe3++2Cr3++7H2O,使Cr2O
转化为Cr3+,同时Fe2+也转化为Fe3+,在以上电解的阴极反应及Fe2+与Cr2O
的氧化还原反应中消耗了大量的H+,溶液的pH不断变大,有利于Fe3+、Cr3+生成相应的Fe(OH)3、Cr(OH)3沉淀。
若将Fe电极改为Cu电极,由于产生的Cu2+不能将Cr2O
转化为毒性较低的Cr3+,显然是不行的。
在实际解题过程中,有时会根据Cr2O
的氧化性强于H+,简单地将阴极反应当做是Cr2O
得到电子,这就会导致以后对试题中相关问题的处理含糊不清,这主要是没有将电解过程中的几个不同层次的问题有序地加以分析和处理所致。
答案
(1)Fe-2e-===Fe2+ 2H++2e-===H2↑
(2)6Fe2++Cr2O
+14H+===6Fe3++2Cr3++7H2O
(3)在阴极反应及Cr2O
与Fe2+反应的过程中,将消耗大量的H+,使溶液pH上升,促进Fe3+、Cr3+水解并最终转化为Fe(OH)3、Cr(OH)3沉淀
(4)不能 因为阴极产生的Cu2+不能将Cr2O
还原为Cr3+
探究二 有关电解的计算
[探究素材]
电解池中有关量的计算方法:
[探究题目]
5.如图所示的A、B两个电解池中的电极均为铂,在A池中加入0.05mol·L-1的CuCl2溶液,B池中加入0.1mol·L-1的AgNO3溶液,进行电解。
a、b、c、d四个电极上所析出的物质的物质的量之比是( )
A.2∶2∶4∶1B.1∶1∶2∶1
C.2∶1∶1∶1D.2∶1∶2∶1
解析 由电解规律可知:
a、c为阴极,b、d为阳极。
a极上析出Cu,b极上析出Cl2,c极上析出Ag,d极上析出O2。
由电子守恒可得出:
2e-~Cu~Cl2~2Ag~
O2,所以a、b、c、d四个电极上所析出物质的物质的量之比为2∶2∶4∶1。
答案 A
[探究素材]
1.电解过程中产生的H+或OH-,其物质的量等于转移电子的物质的量。
2.进行电解计算时,要注意电极放电顺序,确定不同阶段的电极反应。
[探究题目]
6.如图所示,若电解5min时,测得铜电极的质量增加2.16g。
试回答:
(1)电源中X极是________(填“正”或“负”)极。
(2)通电5min时,B中共收集到224mL(标准状况)气体,溶液体积为200mL(电解前后溶液的体积变化忽略不计),则通电前c(CuSO4)=________。
(3)若A中KCl溶液的体积也是200mL,则电解后溶液的pH=________。
解析
(1)铜电极增重,说明银在铜电极析出,则铜电极为阴极,X为负极。
(2)C中铜电极增重2.16g,即析出0.02molAg,线路中通过0.02mol电子。
由4e-~O2,可知B中产生的O2只有0.005mol,即112mL。
但B中共收集到224mL气体,说明还有112mLH2,则通过0.01mol电子时,Cu2+已完全变为Cu单质。
由2e-~Cu,可知n(Cu2+)=0.005mol,则c(CuSO4)=
=0.025mol/L。
(3)由4e-~4OH-知,A中生成0.02molOH-,则:
c(OH-)=0.1mol/L,即pH=13。
答案
(1)负
(2)0.025mol/L (3)13
1.下列描述中,不符合生产实际的是( )
A.电解熔融的氧化铝制取金属铝,用铁作阳极
B.电解法精炼粗铜,用纯铜作阴极
C.电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网作阴极
D.在镀件上电镀锌,用锌作阳极
解析 电解池的阳极失电子发生氧化反应、阴极得电子发生还原反应。
电解熔融的Al2O3制Al时,若用Fe作阳极,会发生反应:
Fe-2e-===Fe2+,Fe2+移动到阴极上发生反应:
Fe2++2e-===Fe,使得到的Al不纯。
答案 A
2.如图为电解饱和食盐水的简单装置,下列有关说法正确的是( )
A.电解一段时间后,向蛋壳内的溶液中滴加几滴酚酞,呈红色
B.蛋壳表面缠绕的铁丝上发生氧化反应
C.铁丝表面生成的气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝
D.蛋壳可阻止生成的氯气与氢气、氢氧化钠溶液接触
解析 碳棒在蛋壳内,溶液中的Cl-在该极失电子被还原,溶液的碱性不增强,故A项错误;蛋壳表面缠绕的铁丝作阴极,H+在该极发生还原反应得到氢气,B项错误;铁丝表面生成的气体是氢气,不能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝,C项错误;蛋壳在该实验中的作用是阻止气体通过,D项正确。
答案 D
3.下列关于电化学知识的说法正确的是( )
A.电解饱和食盐水在阳极得到氯气,阴极得到金属钠
B.电解精炼铜时,阳极质量的减少不一定等于阴极质量的增加
C.电解AlCl3、FeCl3、CuCl2的混合溶液,在阴极上依次析出Al、Fe、Cu
D.电解CuSO4溶液一段时间后(Cu2+未反应完),加入适量Cu(OH)2可以使溶液恢复至原状态
解析 A项,电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2O
阴极产物+Cl2↑,错误;B项,阳极除铜放电外,比铜活泼的金属如Zn、Fe也放电,但阴极上只有Cu2+放电,正确;C项,根据金属活动性顺序可知,阴极上离子的放电顺序是Fe3+>Cu2+>H+>Fe2+>Al3+,Fe2+和Al3+不放电,Fe3+得电子生成Fe2+,不会析出铁和铝,在阴极上依次生成的是亚铁离子、铜、氢气,错误;D项,电解CuSO4溶液,阴极析出Cu,阳极生成氧气,应加入CuO或CuCO3。
答案 B
4.将含有0.4molCu(NO3)2和0.4molKCl的水溶液1L,用惰性电极电解一段时间后,在一电极上析出19.2gCu;此时,在另一电极上放出气体的体积在标准状况下为(不考虑产生的气体在水中的溶解)( )
A.3.36LB.5.6L
C.6.72LD.13.44L
解析 根据电解原理,阴、阳两极发生的电极反应为:
阴极:
Cu2++2e-===Cu,阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑。
由题意知,在阴极上析出Cu:
=0.3mol,则转移电子0.6mol,根据电子得失守恒分析,阳极上除Cl-放电外,OH-也会放电产生O2,即4OH--4e-===2H2O+O2↑,经计算可知得到Cl20.2mol,得到O20.05mol,故阳极放出气体的总体积为:
(0.2mol+0.05mol)×22.4L·mol-1=5.6L。
答案 B
5.电解原理在化学工业中有广泛应用。
如图表示一个电解池,装有电解液a;X、Y是两块电极板,通过导线与直流电源相连。
请回答以下问题:
(1)若X、Y都是惰性电极,a是饱和NaCl溶液,实验开始时,同时在两边各滴入几滴酚酞试液,则:
①电解池中X极上的电极反应式是_____________________________________________________________________。
②Y电极上的电极反应式为_____________________________________________________________________,
检验该电极反应产物的方法是_____________________________________________________________________。
③该反应的总反应方程式是_____________________________________________________________________。
(2)如果用电解方法精炼粗铜,电解液a选用CuSO4溶液,则:
①X电极的材料是________,电极反应式为_____________________________________________________________________。
②Y电极的材料是________,电极反应式为_____________________________________________________________________。
解析
(1)用惰性电极电解饱和食盐水时,阳极反应:
2Cl--2e-===Cl2↑;阴极反应:
2H++2e-===H2↑。
与电源正极相连的为阳极,反之为阴极。
所以X为阴极,Y为阳极。
X极在反应过程中消耗了H2O电离出的H+,溶液呈碱性,加入酚酞溶液变成红色;Y极产生Cl2,能使湿润的KI淀粉试纸变为蓝色。
(2)电解精炼Cu时,用含杂质的Cu为阳极,纯Cu为阴极。
反应过程中阳极上的Cu以及比Cu活泼的金属失去电子,成为离子进入溶液,活泼性比Cu弱的金属形成阳极泥;在阴极只有Cu2+能得电子成为单质,其他较活泼的金属对应的离子不能得电子。
根据装置图,X为阴极,Y为阳极。
所以,X电极的材料是纯铜,电极反应式为Cu2++2e-===Cu;Y电极的材料是粗铜,电极反应式为Cu-2e-===Cu2+。
答案
(1)①2H++2e-===H2↑
②2Cl--2e-===Cl2↑ 把湿润的碘化钾淀粉试纸放在Y电极附近,试纸变蓝色
③2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
(2)①纯铜 Cu2++2e-===Cu ②粗铜 Cu-2e-===Cu2+
基础巩固
1.观察下列几个装置示意图,有关叙述正确的是( )
A.装置①工业上可用于生产金属钠,电解过程中石墨电极产生金属,此法也可用于生产活泼金属镁、铝等
B.装置②中随着电解的进行左边电极会产生红色的铜,并且电流表示数不断变小
C.装置③中的离子交换膜只允许阳离子、阴离子和小分子水通过
D.装置④的待镀铁制品应与电源正极相连
答案 B
2.利用如图所示装置可以在铜牌表面电镀一层银。
下列有关说法正确的是( )
A.通电后,Ag+向阳极移动
B.银片与电源负极相连
C.该电解池的阴极反应可表示为Ag++e-===Ag
D.当电镀一段时间后,将电源反接,铜牌可恢复如初
解析 铜牌上镀银,银片为阳极,Ag+向阴极移动,阴极反应为Ag++e-===Ag。
由于实验中镀层不可能非常均匀致密,所以将电源反接,阳极上Cu、Ag均会溶解,铜牌不可能恢复如初。
答案 C
3.(2020·浙江1月选考,18)在氯碱工业中,离子交换膜法电解饱和食盐水示意图如下,下列说法不正确的是( )
A.电极A为阳极,发生氧化反应生成氯气
B.离子交换膜为阳离子交换膜
C.饱和NaCl溶液从a处进,NaOH溶液从d处出
D.OH-迁移的数量等于导线上通过电子的数量
解析 电解池的阳极发生氧化反应,氯离子放电生成氯气,所以电极A为阳极,故A项正确;在电极B上有水电离的H+放电生成氯气与OH-反应,所以用阳离子交换膜隔开,允许Na+透过,饱和NaCl溶液从a处进入,NaOH溶液从d处流出,故B项、C项正确;因用阳离子交换膜隔开,OH-不能透过,故D项错误。
答案 D
4.利用电解法可将含有Fe、Zn、Ag、Pt等杂质的粗铜提纯,下列叙述正确的是( )
A.电解时以纯铜作阳极
B.电解时阴极发生氧化反应
C.粗铜连接电源负极,其电极反应式是Cu-2e-===Cu2+
D.电解后,电解槽底部会形成含少量Ag、Pt等金属的阳极泥
解析 电解精炼铜时,粗铜应作阳极,纯铜作阴极,故A错误;阳极与电池的正极相连,发生氧化反应,阴极与电池的负极相连,发生还原反应,故B错误;粗铜连接电源的正极,发生氧化反应,故C错误;金属的活动性顺序为Zn>Fe>Cu>Ag>Pt,因此Ag、Pt不会放电,以单质形式在阳极附近沉积下来,故D正确。
答案 D
5.以惰性电极电解CuSO4溶液,若阳极上产生气体的物质的量为0.0100mol,则阴极上析出铜的质量为( )
A.0.64gB.1.28g
C.2.56gD.5.12g
解析 2CuSO4+2H2O
2Cu + O2↑+2H2SO4
0.0200mol0.0100mol
m(Cu)=0.0200mol×64g·mol-1=1.28g。
答案 B
6.某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器,用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液。
通电时,为使Cl2被完全吸收,制得有较强杀菌能力的消毒液,设计了如图的装置,则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是( )
A.a为正极,b为负极;NaClO和NaCl
B.a为负极,b为正极;NaClO和NaCl
C.a为阳极,b为阴极;HClO和NaCl
D.a为阴极,b为阳极;HClO和NaCl
解析 有关反应有2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,Cl2+2NaOH===NaCl+NaClO+H2O,因阳极生成Cl2,阴极生成NaOH,为使二者充分作用,Cl2应在下端产生,从而推知电源b为正极,a为负极,消毒液的主要成分是NaCl、NaClO。
答案 B
7.某溶液中含有溶质NaCl和H2SO4,它们的物质的量之比为3∶1。
用石墨作电极电解溶液时,根据电极产物,可明显分为三个阶段。
下列叙述不正确的是( )
A.阴极只析出H2
B.
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