高二化学新人教版选修4第四章第三节第2课时电解原理的应用 学案.docx
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高二化学新人教版选修4第四章第三节第2课时电解原理的应用学案
第2课时 电解原理的应用
1.熟知电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜、电冶金的原理,会写其电极反应式及化学方程式。
2.学会电解的相关计算。
知识点一 电解原理的应用
阅读教材P80~P82,思考并填空。
1.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+Cl2↑+H2↑,
离子方程式:
2Cl-+2H2O
2OH-+Cl2↑+H2↑。
2.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。
电镀的目的是使金属增强抗腐蚀能力,增加美观和表面硬度。
(2)电镀池的构成
(3)实例(往铁件上镀铜)
①阴极材料:
Fe,电极反应式:
Cu2++2e-===Cu;
②阳极材料:
Cu,电极反应式:
Cu-2e-===Cu2+;
③电解质溶液:
CuSO4溶液。
3.电解精炼铜
(1)装置:
如图所示。
(2)电极反应式:
阳极为Zn-2e-===Zn2+,Cu-2e-===Cu2+等;阴极为Cu2++2e-===Cu。
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,电极反应通式为Mn++ne-===M。
(2)电解熔融的NaCl制Na
对于冶炼像钠、钙、镁、铝这样活泼的金属,电解法几乎是唯一可行的工业方法。
例如:
电解熔融的NaCl制Na:
NaCl在高温熔融条件发生电离:
NaCl===Na++Cl-,通直流电后,阴极:
2Na++2e-===2Na,
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑,
总化学方程式为2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑。
(1)电解法制取钠、钾、镁、铝时不能电解含有这些金属阳离子的水溶液。
(2)工业上用电解熔融MgCl2而不是MgO的方法制Mg;用电解熔融Al2O3而不是AlCl3的方法制Al。
1.判断正误
(1)在镀件上电镀铜时,可用金属铜作阳极。
( )
(2)电解精炼铜时,电解质溶液的浓度不变。
( )
(3)电解精炼铜时,用纯铜作阳极,粗铜作阴极。
( )
(4)工业上用电解熔融氧化镁的方法制取Mg。
( )
(5)用U形管做电解饱和食盐水的实验,通电前在U形管的两端滴加几滴石蕊试液,通电后阳极处溶液变蓝。
( )
答案:
(1)√
(2)× (3)× (4)× (5)×
2.工业上电解食盐水的阴极区产物是( )
A.氯气 B.氢气和氯气
C.氢气和氢氧化钠D.氯气和氢氧化钠
解析:
选C。
用惰性电极电解食盐水时,阴极反应式:
2H++2e-===H2↑,破坏了水的电离平衡,阴极区域OH-与Na+结合成NaOH。
1.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)若装置中有外加电源,且两电极插入电解质溶液中并构成闭合回路,则该装置为电解池或电镀池,电解质溶液中含有阳极金属离子的即为电镀池,否则为一般电解池。
2.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
电解精炼铜时,粗铜中的银、金等活泼性差的金属会以单质的形式沉积在电解槽底部,形成阳极泥;而活泼性比Cu强的金属(如Zn、Ni等)会以金属阳离子的形式进入溶液。
某同学设计一个燃料电池(如下图所示),目的是探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理,其中乙装置中X为阳离子交换膜。
根据要求回答相关问题:
(1)通入氢气的电极为________(填“正极”或“负极”),负极的电极反应式为________________________________________________________________________。
(2)石墨电极为________(填“阳极”或“阴极”),反应一段时间后,在乙装置中滴入酚酞溶液,________(填“铁极”或“石墨极”)区的溶液先变红。
(3)如果粗铜中含有锌、银等杂质,丙装置中反应一段时间,硫酸铜溶液浓度将________(填“增大”“减小”或“不变”)。
精铜电极上的电极反应式为____________________________。
[解析]
(1)通入氢气的电极为负极,由于电解质溶液是碱性的,所以该电极反应式为H2-2e-+2OH-===2H2O。
(2)由于石墨电极与电源的正极连接,所以石墨电极为阳极,反应一段时间后,在乙装置中滴入酚酞溶液,溶液中的H+在阴极(Fe电极)放电,破坏了附近的水的电离平衡,该区域的溶液显碱性,因此铁极的溶液先变红。
(3)如果粗铜中含有锌、银等杂质,因为粗铜中有活动性比Cu强的金属失去电子,而得到电子的只有Cu2+,所以丙装置中反应一段时间,硫酸铜溶液浓度会减小;精铜电极上的电极反应式为Cu2++2e-===Cu。
[答案]
(1)负极 H2-2e-+2OH-===2H2O
(2)阳极 铁极 (3)减小 Cu2++2e-===Cu
(1)写出例1中乙池电解的总反应方程式。
(2)若例1甲池中消耗标准状况下的氢气11.2L,则丙池中理论上应析出铜的质量为多少?
答案:
(1)2NaCl+2H2O
2NaOH+Cl2↑+H2↑
(2)32g
氯碱工业
1.关于电解NaCl水溶液,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,溶液呈棕色
C.若在阴极附近的溶液中滴入酚酞试液,溶液呈无色
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
解析:
选B。
电解食盐水时发生的反应:
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:
2H++2e-===H2↑
总反应:
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,对照分析选项,A错误;阳极附近的溶液中会溶有少量的Cl2,滴加KI溶液后发生反应:
Cl2+2I-===I2+2Cl-,溶液呈棕色,B正确;阴极附近产生大量的OH-,滴加酚酞试液后变红色,C错误;电解后生成NaOH,溶液呈碱性,D错误。
2.如图为电解饱和食盐水的简易装置,下列有关说法正确的是( )
A.电解一段时间后,往蛋壳中的溶液中滴加几滴酚酞,呈红色
B.蛋壳表面缠绕的铁丝发生氧化反应
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:
选D。
由题图可知,蛋壳表面的铁丝为阴极,发生反应:
2H++2e-===H2↑,石墨棒为阳极,发生反应:
2Cl--2e-===Cl2↑,故往蛋壳中滴加酚酞,溶液不会变红。
铁丝为阴极,受到保护,附近H+发生还原反应,故选D。
电镀、电解精炼
3.下图是常见的电化学装置图,①、③、④中均为惰性电极,下列说法正确的是( )
A.装置①中阳极反应为2Cl--2e-===Cl2↑,阴极反应为Cu2++2e-===Cu
B.装置②中铜片为阳极,若铜片和铁制品的质量相等,电解一段时间后,电路中有2mol电子转移,此时铜片和铁制品的质量差为64g
C.装置③中b极为负极,该极上的电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-
D.装置④中阳离子交换膜上每通过1molNa+时,阴极上产生11.2LH2
解析:
选A。
装置①为用惰性电极电解CuCl2溶液,A项正确;装置②为电镀铜装置,阳极反应为Cu-2e-===Cu2+,阴极反应为Cu2++2e-===Cu,B项错误;装置③为氢氧燃料电池,b极通入O2,发生还原反应,作电池的正极,C项错误;D项中没有明确说明生成H2所处的温度和压强,错误。
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:
选D。
电解精炼粗铜时应以粗铜作阳极,连接电源的正极,发生氧化反应;比Cu活泼的金属也会失去电子参与反应,活泼性不如Cu的金属不参与反应,形成阳极泥沉积于电解槽底部。
知识点二 电解的有关计算
思考并填空。
1.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.计算的方法
(1)根据电子守恒法计算:
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,其依据是电路上转移的电子数相等。
(2)根据总反应式计算:
先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列比例式计算。
(3)根据关系式计算:
根据得失电子守恒的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。
如电解计算时常用的定量关系为4e-~4Ag~2Cu~2Cl2~2H2~O2~4H+~4OH-。
3.计算步骤
首先要正确书写电极反应式(要特别注意阳极材料);其次注意溶液中有多种离子共存时,要根据离子放电顺序确定离子放电的先后;最后根据得失电子守恒进行相关计算。
将含有0.4molCuSO4和0.2molNaCl的水溶液1L,用惰性电极电解一段时间后,在一个电极上得到0.3molCu,另一个电极上析出气体在标准状况下的体积为( )
A.4.48L B.5.6L
C.6.72LD.13.44L
[解析] 阴极反应为Cu2++2e-===Cu,因为反应的n(Cu2+)=0.3mol,总n(Cu2+)=0.4mol,说明Cu2+过量,阴极共得到0.6mol电子。
由电子守恒可知,阳极应失去0.6mol电子。
阳极:
首先2Cl--2e-===Cl2↑,因为0.2molCl-只能失去0.2mol电子,另外0.4mol电子只能由水电离出OH-失去,阳极反应还有:
4OH--4e-===2H2O+O2↑,则阳极共放出气体体积(0.1mol+0.1mol)×22.4L/mol=4.48L,故应选A。
[答案] A
对于例1中的反应:
(1)若不考虑电解质溶液体积的变化,此时溶液中c(H+)为多少?
(2)若电极上得到0.1molCu时不再电解,加入何物质能使电解质溶液复原?
其物质的量是多少?
答案:
(1)0.4mol·L-1
(2)CuCl2 0.1mol
电解的有关计算
1.把两个惰性电极插入500mL的AgNO3溶液中,通直流电电解。
当电解液的pH从6.0变为3.0时(设电解时阴极没有氢气析出,且电解液在电解前后体积变化可以忽略),电极上析出银的质量大约是( )
A.27mg B.54mg
C.108mgD.216mg
解析:
选B。
首先应弄清楚两极的反应。
阳极:
4OH--4e-===O2↑+2H2O;阴极没有氢气析出,则阴极反应为Ag++e-===Ag。
OH-的消耗导致了H+的增加,增加量大约为1×10-3mol/L×0.5L=5×10-4mol,即转移电子数为5×10-4mol,析出银的质量为5×10-4mol×108g/mol=0.054g=54mg。
2.用惰性电极电解下列溶液,在阴、阳两极生成气体的体积比为1∶1的是( )
A.NaCl溶液B.CuCl2溶液
C.CuSO4溶液D.KOH溶液
解析:
选A。
A项,电解方程式为2NaCl+2H2O
Cl2↑(阳极)+H2↑(阴极)+2NaOH,A正确;B项,电解方程式为CuCl2
Cu(阴极)+Cl2↑(阳极),阴极没有气体生成,B不正确;C项,电解方程式为2CuSO4+2H2O
2Cu(阴极)+O2↑(阳极)+2H2SO4,阴极没有气体生成,C不正确;D项,电解方程式为2H2O
2H2↑(阴极)+O2↑(阳极),阴、阳两极生成气体的体积比为2∶1,D不正确。
重难易错提炼
1.电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑。
2.电镀时,待镀的金属制品作阴极,镀层金属作阳极,用含镀层金属离子的溶液作电镀液。
3.电解精炼铜时,用纯铜作阴极,粗铜作阳极,用可溶性铜盐[如CuSO4、Cu(NO3)2等]溶液作电解液。
4.电解熔融Al2O3制取铝,电解熔融NaCl制取钠,电解熔融MgCl2制取镁。
课后达标检测
[基础巩固]
1.下列关于工业冶金的描述中不正确的是( )
A.电解熔融的氧化铝制取金属铝,阳极反应式为2O2--4e-===O2↑
B.电解法精炼铜,用粗铜作阴极
C.电解冶炼金属钠与电解饱和食盐水的阳极产物相同
D.在镀件上镀锌,用锌盐(如硫酸锌)溶液作电镀液
解析:
选B。
电解熔融氧化铝时,氧离子在阳极失电子生成氧气,故A正确;电解精炼铜时,粗铜为阳极,故B错;电解冶炼金属钠与电解饱和食盐水的阳极反应都是2Cl--2e-===Cl2↑,故C正确;电镀锌时,溶液中的锌离子在镀件上得电子而析出,所以电镀液需要选用锌盐溶液,故D正确。
2.下列关于铜电极的叙述中,正确的是( )
A.铜锌原电池中铜是正极
B.用电解法精炼粗铜时阳极只有Cu放电
C.在镀件上电镀铜时可用金属铜作阴极
D.电解稀硫酸制H2、O2时铜作阳极
解析:
选A。
A叙述的是原电池,铜不如锌活泼,铜应为正极。
B、C、D叙述的是电解池。
电解精炼粗铜时杂质Zn、Ni等也会放电。
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,所以镀铜时铜应作为阳极以提供Cu2+,而电解稀硫酸时,如把铜作为阳极,铜就会首先放电,阳极就不能产生氧气。
3.欲在金属表面镀银,应把镀件挂在电镀池的阴极。
下列各组中,选用的阳极金属和电镀液均正确的是( )
A.Ag和AgCl溶液 B.Ag和AgNO3溶液
C.Fe和AgNO3溶液D.Pt和Ag2SO4溶液
解析:
选B。
电镀槽中,要求镀件作阴极,可用镀层金属作阳极,电镀液通常采用含有镀层金属离子的可溶性盐溶液,A、D项中AgCl和Ag2SO4均为沉淀,只有B项符合要求。
4.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<x
解析:
选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。
5.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
解析:
选B。
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;乙装置中铁为阴极,2Na++2e-===Na,C错;石墨为阳极,2Cl--2e-===Cl2↑,A为Cl2出口,B是Na出口,D错。
6.某同学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,设计了如图装置。
以下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:
选B。
此装置为电解NaCl溶液的装置,会产生H2、Cl2和NaOH。
为制得有较强杀菌能力的消毒液,只需产物Cl2和NaOH充分接触,相互反应生成NaClO即可。
所以,装置下端产生的气体应为Cl2,则b为电源正极,a为负极,消毒液主要成分为NaClO和NaCl。
7.电解硫酸铜溶液要达到如下三个要求:
①阳极质量减小②阴极质量增加 ③电解过程中Cu2+浓度不变
则可选用的电极是( )
A.石墨作阳极,铁作阴极
B.粗铜(含Fe、Ni、Zn)作阳极,纯铜作阴极
C.纯铜作阳极,铁作阴极
D.铁作阳极,纯铜作阴极
解析:
选C。
本题中所述的电解过程实际就是电镀过程:
阳极质量减少,必须用活性金属电极作阳极,则A选项不符合题意;由于Cu2+的放电能力比H+的大,阴极质量增加,但是要使Cu2+浓度不变,则阳极必须用纯铜,所以选C。
8.用惰性电极电解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Cu的质量为( )
A.0.64gB.1.28g
C.2.56gD.5.12g
解析:
选B。
用惰性电极电解CuSO4溶液,在阳极产生的气体为O2,由4OH--4e-===2H2O+O2↑知,产生0.0100mol的O2转移0.0400mol电子,则根据Cu2++2e-===Cu可推出应析出0.0200mol的铜,其质量为1.28g。
9.右图中的A为直流电源,B为浸透饱和氯化钠溶液和酚酞试液的滤纸,C为电镀槽,接通电路后,发现B上的c点显红色。
请填空:
(1)电源A中a为__________极。
(2)滤纸B上发生的总反应的化学方程式为__________________________________________。
(3)欲在电镀槽中实现铁上镀锌,接通K,使c、d两点短路,则电极e上发生的反应为________________________________________________________________________,
电极f上发生的反应为________________________________________________________________________,
槽中盛放的电镀液可以是__________或__________(只要求填两种电解质溶液)。
解析:
(1)根据c点变红知该极上的反应为2H++2e-===H2↑,即该极为阴极,与电源的负极相连,所以a是正极。
(2)滤纸B上发生的总反应的化学方程式为2NaCl+2H2O
H2↑+Cl2↑+2NaOH。
(3)e为阳极,电极反应为Zn-2e-===Zn2+;阴极反应为Zn2++2e-===Zn;电镀液为含镀层离子的电解质溶液,所以可用ZnSO4溶液或ZnCl2溶液等。
答案:
(1)正
(2)2NaCl+2H2O
H2↑+Cl2↑+2NaOH (3)Zn-2e-===Zn2+ Zn2++2e-===Zn ZnSO4溶液 ZnCl2溶液(其他合理答案也可)
10.电解原理在化学工业中有着广泛的应用。
(1)如图,其中a是电解质溶液,X、Y是两块电极板。
若X、Y是惰性电极,a是CuSO4溶液,则电解时的化学方程式为________________________________;通电一段时间后,向烧杯中的电解质溶液中加入0.2molCuO粉末,电解质溶液恰好恢复到电解前的浓度和pH,则电解过程中转移的电子的物质的量为__________。
若X、Y分别是铁和铜,a仍是CuSO4溶液,则Y极的电极反应式为________________________。
(2)
已知+2价的铁的化合物通常具有较强的还原性,易被氧化。
实验室用亚铁盐溶液与烧碱反应很难制得白色纯净的Fe(OH)2沉淀,但是用电解的方法却可以制得纯净的Fe(OH)2沉淀。
制备装置如图所示,其中a、b两电极材料分别为铁和石墨。
①a电极上的反应式为______________________。
②电解质溶液d最好选__________(填编号)。
A.纯水B.CuSO4溶液
C.NaOH溶液D.H2SO4溶液
③液体c为__________(填编号)。
A.四氯化碳B.硝基苯
C.苯D.乙醇
解析:
(1)用惰性电极电解CuSO4溶液的化学方程式为2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4;通电一段时间后,向烧杯中的电解质溶液中加入0.2molCuO粉末,电解质溶液恰好恢复到电解前的浓度和pH,说明在电解的过程中刚好生成了0.2molCu和0.1molO2,所以转移的电子的物质的量为0.4mol。
当X、Y分别是铁和铜时,为电镀池,所以Y极的电极反应式为Cu-2e-===Cu2+。
(2)该题主要考查在无氧环境下制备Fe(OH)2沉淀,所以液体c应选择密度比水小且与水不互溶的物质,故选C。
答案:
(1)2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4 0.4mol Cu-2e-===Cu2+
(2)①Fe-2e-===Fe2+ ②C ③C
[能力提升]
11.空间实验室“天宫一号”的供电系统中有再生氢氧燃料电池(RFC),RFC是一种将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的可充电电池。
如图所示为RFC工作原理示意图,有关说法正确的是( )
A.当有0.1mol电子转移时,a极产生标准状况下1.12LO2
B.b极上发生的电极反应是4H2O+4e-===2H2↑+4OH-
C.c极上发生还原反应,B中的H+可以通过隔膜进入A
D.d极上发生的电极反应是O2+4H++4e-===2H2O
解析:
选C。
由图可知a为阴极、b为阳极、气体X为H2、气体Y为O2、c为正极、d为负极。
正极、阴极发生还原反应,负极、阳极发生氧化反应,A、B、D项错误;在原电池中阳离子移向正极,C项正确。
12.电解装置如图所示,电解槽内装有KI及淀粉溶液,中间用阴离子交换膜隔开。
在一定的电压下通电,发现左侧溶液变蓝色,一段时间后,蓝色逐渐变浅。
已知:
3I2+6OH-===IO
+5I-+3H2O,下列说法不正确的是( )
A.右侧发生的电极反应式:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
B.电解结束时,右侧溶液中含有IO
C.电解槽内发生反应的总化学方程式:
KI+3H2O
KIO3+3H2↑
D.如果用阳离子交换膜代替阴离子交换膜,电解槽内发生的总化学反应不变
解析:
选D。
电解时左侧溶液变蓝,说明反应中I-→I2,则电极反应为2I--2e-===I2,该极为阳极。
右侧电极为阴极,发生还原反应,则应水放电生成H2,电极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,A正确;电解过程中阴离子OH-可通过阴离子交换膜向阳极移动,因此OH-可从右侧进入左侧,导致单质I2与OH-反应:
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- 高二化学新人教版选修4第四章第三节第2课时电解原理的应用 学案 化学 新人 选修 第四 三节 课时 电解 原理 应用