高届高级高二化学选修4学案第四章第三节第2课时电解原理的应用.docx
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高届高级高二化学选修4学案第四章第三节第2课时电解原理的应用
第2课时 电解原理的应用
[核心素养发展目标] 1.变化观念与平衡思想:
通过对氯碱工业、电镀、电解精炼铜、电冶金等原理的分析,认识电能与化学能之间的能量转化。
2.证据推理与模型认知:
建立电解应用问题的分析思维模型和电解相关计算的思维模型,加深对电解原理的理解和应用。
一、电解原理的应用
1.氯碱工业
(1)原理
阳极反应式:
2Cl--2e-=Cl2↑。
阴极反应式:
2H2O+2e-=2OH-+H2↑。
总反应电极反应式:
2Cl-+2H2O
H2↑+Cl2↑+2OH-。
(2)阳离子交换膜的作用:
只允许Na+等阳离子通过,不允许Cl-、OH-等阴离子及气体分子通过,可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合发生爆炸,也能避免氯气与阴极产生的氢氧化钠反应而影响氢氧化钠的产量。
2.电镀
(1)概念:
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。
电镀可以使金属更加美观耐用,抗腐蚀性能增强。
(2)原理(以电镀铜为例)
构成
对应物质
发生的变化
阳极
镀层金属(Cu)
Cu-2e-=Cu2+
阴极
镀件金属(Fe)
Cu2++2e-=Cu
电镀液
含镀层金属离子(Cu2+)的电解质溶液
浓度不变
3.电解精炼(以电解精炼铜为例)
(1)目的
①降低铜中的杂质含量,从而提高铜的性能。
②回收粗铜中的金、银等贵重金属。
(2)原理
阳极:
Cu-2e-=Cu2+(主要);
阴极:
Cu2++2e-=Cu。
电解质溶液:
浓度减小。
4.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)电解法制取常见活泼金属
①电解熔融NaCl制取金属Na
NaCl在高温下熔融,并发生电离:
NaCl=Na++Cl-,通直流电后,
阴极:
2Na++2e-=2Na;
阳极:
2Cl--2e-=Cl2↑。
总反应:
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑,其装置如图所示。
②电解熔融MgCl2制取金属Mg
阴极:
Mg2++2e-=Mg;
阳极:
2Cl--2e-=Cl2↑;
总反应:
MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑。
③电解熔融Al2O3制取金属Al
阴极:
4Al3++12e-=4Al;
阳极:
6O2--12e-=3O2↑;
总反应:
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑。
(1)氯碱工业中用的是阳离子交换膜将两电解室隔开( √ )
(2)电解NaCl溶液可制取金属钠( × )
(3)在Fe上电镀Zn,应用Zn作阳极,用ZnSO4溶液作电镀液( √ )
(4)电解精炼铜时,粗铜作阳极,活泼性比Cu弱的杂质金属成为阳极泥沉在阳极区( √ )
1.工业上用电解法制备Mg用熔融的MgCl2而不用MgO,制备Al用熔融的Al2O3而不用AlCl3的原因是什么?
【参考答案】:
MgCl2、MgO均为离子化合物,熔融状态下均导电,可用于电解冶炼Mg,但MgO熔点高耗能高。
AlCl3为共价化合物,熔融状态下不导电,不可用于电解冶炼Al。
2.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溶液,则:
①电解池中X极上的电极反应式是________,在X极附近观察到的现象是__________。
②Y电极上的电极反应式是__________,检验该电极反应产物的方法是_____________。
(2)若X电极为Fe、Y电极为Zn,a是ZnCl2溶液,则可以实现铁制品上镀锌。
X极上的电极反应式是_______________,Y电极上的电极反应式是___________________,ZnCl2溶液浓度__________(填“增大”“减小”或“不变”)。
【参考答案】:
(1)①2H++2e-=H2↑ 放出气体,溶液变红
②2Cl--2e-=Cl2↑ 把湿润的淀粉碘化钾试纸放在Y电极附近,试纸变蓝
(2)Zn2++2e-=Zn Zn-2e-=Zn2+ 不变
3.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有少量铁、锌、铜、铂等杂质,可用电解法制备高纯度的镍。
已知氧化性:
Fe2+<Ni2+<Cu2+,则阳极的电极反应式为__________________________,电解后溶液中存在的金属阳离子有______________,阳极泥的成分有________。
【参考答案】:
Zn-2e-=Zn2+、Fe-2e-=Fe2+、Ni-2e-=Ni2+ Zn2+、Fe2+、Ni2+ Cu、Pt
电解精炼时,比精炼金属活泼的金属杂质将失电子变成离子留在电解质溶液中,而活泼性在精炼金属后面的金属杂质无法在阳极失电子,随着精炼金属的溶解而沉在阳极区。
二、电解的有关计算
1.计算的原则
(1)阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数。
(2)串联电路中通过各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.解题方法
(1)根据守恒法计算:
用于串联电路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。
(2)根据总反应式计算:
先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式计算。
(3)根据关系式计算:
根据得失电子守恒关系,在已知量与未知量之间,建立计算所需的关系式。
1.用惰性电极电解硫酸铜溶液。
若阳极上产生气体的物质的量为0.01mol,阴极无气体逸出,请计算阴极上析出铜的质量?
【参考答案】:
1.28g
【试题解析】:
方法一 根据得失电子守恒,由电极反应式计算用惰性电极电解硫酸铜溶液,在阳极产生的气体为氧气,由4OH--4e-=2H2O+O2↑知,产生0.01mol的氧气转移0.04mol电子,则根据Cu2++2e-=Cu可推出应析出0.02mol的铜,其质量为1.28g。
方法二 根据电解化学方程式计算
2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4
128g1mol
m 0.01mol
m=
=1.28g。
2.如图所示,甲烧杯中盛有100mL0.50mol·L-1AgNO3溶液,乙烧杯中盛有100mL0.25mol·L-1CuCl2溶液,A、B、C、D均为质量相同的石墨电极,如果电解一段时间后,发现A极比C极重1.9g。
(1)电源E为________极。
(2)A极的电极反应式为________________________________,析出物质________mol。
(3)B极的电极反应式为_______________________,析出气体________mL(标准状况)。
(4)D极的电极反应式为__________________________________________________________,析出气体________mL(标准状况)。
(5)甲烧杯中滴入石蕊溶液,________(填“A”或“B”)极附近变红。
【参考答案】:
(1)负
(2)Ag++e-=Ag 0.025
(3)2H2O-4e-=4H++O2↑ 140
(4)2Cl--2e-=Cl2↑ 280
(5)B
【试题解析】:
(1)电解一段时间后,发现A极比C极重1.9g,则A极是阴极,和电源的负极相连,即E是负极,F是正极,B是阳极,C是阴极,D是阳极。
(2)A极是阴极,电极反应式为Ag++e-=Ag,析出金属银,C是阴极,电极反应式为Cu2++2e-=Cu,析出金属铜,A极比C极重1.9g,设电路中转移电子的物质的量为x,则108g·mol-1·x-
g·mol-1·x=1.9g,x=0.025mol,析出金属银的物质的量是0.025mol。
(3)B是阳极,该极上是H2O失电子,电极反应为2H2O-4e-=4H++O2↑,电路中转移电子0.025mol,生成氧气是
mol=0.00625mol,体积是0.00625mol×22.4L·mol-1=0.14L=140mL。
(4)D是阳极,该极上的电极反应是2Cl--2e-=Cl2↑,电路中转移电子0.025mol,生成氯气是
×0.025mol=0.0125mol,体积是280mL。
(5)电解硝酸银溶液,在阴极上析出Ag,阳极上放出O2,产生硝酸,滴入石蕊溶液,B极附近显红色。
(1)得失电子守恒法计算:
用于串联电路、通过阴阳两极的电量相同等类型的计算,其依据是电路上转移的电子数相等。
(2)总反应式计算:
先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列比例式计算。
(3)关系式计算:
借得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁,建立计算所需的关系式。
如电路中通过4mole-可构建如下关系式:
4e-~
~
1.关于镀铜和电解精炼铜,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
【参考答案】:
D
【试题解析】:
A项,电镀时镀件作阴极;B项,电解精炼铜时电解液成分改变;C项,电解精炼铜时,杂质若有比铜活泼的金属(如锌),则还会发生Zn-2e-=Zn2+的反应。
2.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
【参考答案】:
A
【试题解析】:
电解池的阳极发生失电子的氧化反应、阴极发生得电子的还原反应。
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。
3.(2019·山西长治第二中学月考)1L1mol·L-1的AgNO3溶液在以银为阳极,铁为阴极的电解槽中电解,当阴极增重2.16g时,下列判断不正确的是( )
A.溶液浓度仍为1mol·L-1B.阳极上产生112mLO2(标准状况)
C.转移的电子数是1.204×1022D.反应中有0.02mol金属被氧化
【参考答案】:
B
4.(2019·重庆高二质检)如图甲为锌铜原电池装置,乙为电解熔融氯化钠装置。
则下列说法正确的是( )
A.甲装置中锌为负极,发生还原反应,铜为正极,发生氧化反应
B.甲装置盐桥的作用是使反应过程中ZnSO4溶液和CuSO4溶液保持电中性
C.乙装置中铁极的电极反应式为2Na-2e-=2Na+
D.乙装置中B是氯气出口,A是钠出口
【参考答案】:
B
【试题解析】:
甲装置为原电池,Zn为负极,发生氧化反应,Cu为正极,发生还原反应,A错误;乙装置中铁为阴极,反应式为2Na++2e-=2Na,石墨为阳极,反应式为2Cl--2e-=Cl2↑,A是Cl2出口,B是Na出口,C、D错误。
5.蓄电池是一种可以反复充电、放电的装置,有一种蓄电池在充电和放电时发生的反应是NiO2+Fe+2H2O
Fe(OH)2+Ni(OH)2,用该蓄电池电解(阴、阳极均为惰性电极)M(NO3)x溶液时,若此蓄电池工作一段时间后消耗0.36g水。
(1)电解时,电解池的阳极应连接________(填字母)。
A.NiO2B.Fe
C.Fe(OH)2D.Ni(OH)2
(2)电解M(NO3)x溶液时某一极质量增至mg,金属M的相对
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- 高级 化学 选修 第四 三节 课时 电解 原理 应用