学年人教版选修4 第4章第3节 电解池第2课时 学案.docx

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学年人教版选修4第4章第3节电解池第2课时学案

第3节电解池

课时2　电解原理的应用

学习目标：

1.通过电解饱和食盐水、电解精炼和电冶金等电解原理的应用，深刻理解化学、技术和社会之间的关系。

（重点）2.以电子守恒的观点，进行电解相关计算。

（难点）

[自主预习·探新知]

一、电解饱和食盐水制烧碱、氯气和氢气

1．装置及现象

现象

电极反应式

阴极

放出无色气体

2H＋＋2e－===H2↑

阳极

放出黄绿色气体

2Cl－－2e－===Cl2↑

2.电解总反应式

化学方程式：

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，

离子方程式：

2Cl－＋2H2O

2OH－＋H2↑＋Cl2↑。

二、电镀

1．定义：

应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方法。

2．电镀池的构成

3．实例（往铁件上镀铜）

（1）阴极材料：

铁，电极反应式：

Cu2＋＋2e－===Cu；

（2）阳极材料：

铜，电极反应式：

Cu－2e－===Cu2＋；

（3）电解质溶液：

CuSO4溶液。

三、电解精炼铜

1．电解精炼铜的原理是粗铜中比铜活泼的金属Zn、Fe等失去电子，产生的阳离子残留在溶液中，不比铜活泼的金属Ag、Au等以金属单质的形式沉积在电解池的底部，形成阳极泥，粗铜中的铜在阴极上析出。

2．装置

四、电冶金

1．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．电冶金：

电解是最强有力的氧化还原手段，适用于一些活泼金属单质的制取，如冶炼Na、Ca、Mg、Al等活泼金属。

3．举例

[基础自测]

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）以石墨为电极，电解KI溶液（其中含有少量酚酞和淀粉），电解过程中溶液的pH变小。

（　　）

（2）金属的精炼和电镀中，阳极都是活性电极。

（　　）

（3）无法发生反应：

Cu＋2H2O===Cu（OH）2＋H2↑。

（　　）

（4）从理论上讲，在铁上镀银的过程中，电镀液中的c（Ag＋）保持不变。

（　　）

（5）电解饱和食盐水时，在阳极区产生氢氧化钠。

（　　）

【答案】　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）√　（5）×

2．在铁制品上镀一层一定厚度的锌层，以下方案设计正确的是（　　）

A．锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含有锌离子

B．铂作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子

C．铁作阳极，镀件作阴极，溶液中含有亚铁离子

D．锌作阴极，镀件作阳极，溶液中含有亚铁离子

A　[本题考查的是电镀的原理。

电镀原理是镀层金属作阳极、镀件作阴极，含有镀层金属阳离子的电解质溶液作电镀液。

]

[合作探究·攻重难]

电解原理的应用

[思考交流]

模拟电解原理在化工生产中的应用，实验装置如下图，装置闭合电键K时，电流计G的指针将发生偏转。

（1）哪个装置是原电池？

哪个装置是电解池？

【提示】　甲、乙构成原电池，丙是电解池。

（2）a、b、c、d电极名称分别是什么？

【提示】　a是负极，b是正极，c是阳极，d是阴极。

（3）若模拟氯碱工业生产烧碱、氯气和氢气，如何选用电极材料和电解质溶液？

【提示】　c电极用Pt或石墨，d电极用铁丝（导体均可），X溶液为饱和食盐水。

（4）若模拟电镀生产，在铁件上镀一层金属银，如何选用电极材料和电解质溶液？

电极反应式如何书写？

【提示】　c电极用Ag，d电极用Fe，X溶液为AgNO3溶液；阳极：

Ag－e－===Ag＋，阴极：

Ag＋＋e－===Ag。

（5）若模拟电解精炼铜，如何选用电极材料和电解质溶液？

【提示】　c电极用粗铜，d电极用纯铜，X溶液为CuSO4溶液。

1．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

硫酸铜溶液保持不变

反应后硫酸铜溶液中混有Zn2＋等，Cu2＋浓度减小

2．原电池、电解池、电镀池的判断方法

（1）若装置中无外加电源，则该装置可能为原电池，然后根据原电池的构成条件进行分析判断。

（2）若有外接直流电源，两极插入电解质溶液中，则可能是电解池或电镀池；当阴极为金属，阳极亦为金属且与电解质溶液中的金属阳离子属同种元素时，则为电镀池。

（3）若多个单池相互串联，又有外接直流电源时，则与直流电源相连接的为电解池或电镀池。

若无外接直流电源时，较活泼的金属电极为原电池的负极（电子输出极），有关装置为原电池，其余为电镀池或电解池。

[对点训练]

1．按下图装置实验，若x轴表示流入阴极的电子的物质的量，则y轴可表示（　　）

①c（Ag＋）　②c（AgNO3）　③a棒的质量　④b棒的质量　⑤溶液的pH

A．①③B．③④

C．①②④D．①②⑤

D　[该电解池中阳极反应式为Ag－e－===Ag＋，阴极反应式为Ag＋＋e－===Ag，所以随着电解的进行，c（Ag＋）不变，c（AgNO3）不变，溶液的pH不变。

答案选D。

]

2．下图为相互串联的甲、乙两电解池，试回答：

甲　　　　　　乙

（1）若甲池利用电解原理在铁上镀银，则A是______（填电极材料），电极反应式是______________；B是________（填电极材料），电极反应式是_________，

应选用的电解质溶液是________。

（2）乙池滴入少量酚酞试液，电解一段时间后，___________________（填“C”或“Fe”）极附近呈红色。

（3）若甲池阴极增重43.2g，则乙池中阳极上放出的气体在标准状况下的体积是________L。

【解析】　

（1）电镀池中，镀件作阴极，镀层金属作阳极，含镀层金属阳离子的盐溶液作电解质溶液。

（2）使酚酞呈红色说明显碱性，即2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，故阴极（Fe）呈碱性。

（3）由电子守恒得：

2Ag～Cl2，n（Ag）＝

＝0.4mol，则n（Cl2）＝

n（Ag）＝0.2mol，V（Cl2）＝n·Vm＝4.48L。

【答案】　

（1）Fe　Ag＋＋e－===Ag

Ag　Ag－e－===Ag＋　AgNO3溶液　

（2）Fe　（3）4.48

电解的有关计算

1.电解计算的原则

（1）阳极失去的电子数＝阴极得到的电子数。

（2）串联电路中通过电解池的电子总数相等。

（3）电源输出的电子总数和电解池中转移的电子总数相等。

2．电解计算的常用方法

[对点训练]

3．用惰性电极电解饱和食盐水，当电源提供0.2mol电子时停止通电。

若此溶液体积为2L，则所得电解液的pH是（　　）

A．1B．8

C．13D．14

C　[电解饱和食盐水时供给0.2mol电子，则消耗的H＋为0.2mol，同时产生OH－为0.2mol，溶液体积为2L，pH＝13。

]

4．将1L含有0.4molCu（NO3）2和0.4molKCl的水溶液，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

B　[阴极析出铜0.3mol，由Cu2＋＋2e－===Cu知Cu2＋得到0.6mol电子，根据2Cl－－2e－===Cl2↑，求出当溶液中Cl－全部参与电极反应时，放出Cl20.2mol，失去电子0.4mol。

因此在阳极还有OH－放电，根据4OH－－4e－===2H2O＋O2↑和电子守恒，在阳极有0.05molO2放出，即阳极共放出0.25mol、标准状况下为5.6L的气体。

]

[当堂达标·固双基]

1．用含有少量银和锌的粗铜片作阳极，纯铜片作阴极，CuSO4溶液作电解质溶液，电解一段时间后，阳极的质量减少xg，则（　　）

A．电解质溶液的质量增加xg

B．阴极的质量增加xg

C．阴极的质量增加ag，a>x

D．阴极的质量增加bg，b

D　[粗铜作阳极，发生的电极反应有：

Cu－2e－===Cu2＋，Zn－2e－===Zn2＋，同时银沉积下来；阴极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，阴极质量增加，但增加的质量小于阳极减少的质量。

]

2.（2018·全国卷Ⅰ）．最近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。

示意图如图所示，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：

①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋

②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋

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EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为酸性

C　[阴极发生还原反应，氢离子由交换膜右侧向左侧迁移，阴极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，A项正确；结合阳极区发生的反应，可知协同转化总反应为CO2＋H2S===S＋CO＋H2O，B项正确；石墨烯作阳极，其电势高于ZnO@石墨烯的，C项错误；Fe3＋、Fe2＋在碱性或中性介质中会生成沉淀，它们只稳定存在于酸性较强的介质中，D项正确。

]

3．用石墨电极电解100mLH2SO4和CuSO4的混合溶液，通电一段时间后，两极均收集到2.24L气体（标准状况下），原混合溶液中Cu2＋的物质的量浓度为（　　）

A．1mol·L－1B．2mol·L－1

C．3mol·L－1D．4mol·L－1

A　[根据题设条件，两极上电极反应式为阴极：

首先Cu2＋＋2e－===Cu，然后2H＋＋2e－===H2↑；阳极：

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑。

既然阴极上收集到H2，说明Cu2＋已完全放电，根据电子守恒，阴极上Cu2＋、H＋得电子总数应等于OH－失电子总数。

析出0.1molH2获得0.2mol电子，析出0.1molO2失去0.4mol电子，所以有0.1molCu2＋放电，获得0.2mol电子，c（Cu2＋）＝0.1mol/0.1L＝1mol·L－1。

]

4．下图中电极a、b分别为Ag电极和Pt电极，电极c、d都是石墨电极。

通电一段时间后，在c、d两极上共收集到336mL（标准状况）气体。

回答：

（1）直流电源中，M为________极。

（2）Pt电极上生成的物质是________，其质量为_________________g。

（3）电源输出的电子，其物质的量与电极b、c、d分别生成的物质的物质的量之比为2∶________∶________∶________。

（4）AgNO3溶液的浓度________（填“增大”“减小”或“不变”，下同），AgNO3溶液的pH________，硫酸的浓度________，硫酸的pH________。

（5）若硫酸的质量分数由5.00%变为5.02%，则原有5.00%的硫酸________g。

【解析】　

（1）电解5.00%的稀硫酸，实际上是电解其中的水。

因此在该电解池中发生反应：

2H2O

2H2↑＋O2↑，V（H2）∶V（O2）＝2∶1。

据此可确定d极为阴极，则电源的N极为负极，M极为正极。

（2）在336mL气体中，V（H2）＝

×336mL＝224mL，为0.01mol；V（O2）＝

×336mL＝112mL，为0.005mol。

说明电路上有0.02mol电子转移，因此在b极（Pt、阴极）产生Ag：

0.02mol×108g·mol－1＝2.16g，即0.02mol的Ag。

（3）n（e－）∶n（Ag）∶n（O2）∶n（H2）＝0.02∶0.02∶0.005∶0.01＝2∶2∶

∶1。

（4）由Ag（阳）电极、Pt（阴）电极和AgNO3

溶液组成的电镀池，在通电一定时间后，在Pt电极上放电所消耗溶液中Ag＋的物质的量等于Ag电极被氧化给溶液补充的Ag＋的物质的量，因此AgNO3溶液的浓度不变，溶液的pH也不变。

电解5.00%的硫酸溶液，由于其中的水发生电解，因此硫酸浓度增大，由于H＋的浓度增大，故溶液的pH减小。

（5）设原5.00%的硫酸为xg，电解时消耗水0.01mol×18g·mol－1＝0.18g，则：

5.00%x＝5.02%（x－0.18），解得x＝45.18g。

【答案】　

（1）正　

（2）Ag　2.16　（3）2　

　1

（4）不变　不变　增大　减小　（5）45.18

[题后反思]　电解过程中析出的物质的量（或析出物质的质量）：

在对若干串联电解池进行电解时，各阴极或阳极上所通过的电量相等，析出物质的量取决于电路中通过的电量。