高中化学第四章电化学基础第三节电解池第2课时电解原理的应用教学案新人教版.docx
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高中化学第四章电化学基础第三节电解池第2课时电解原理的应用教学案新人教版
第二课时 电解原理的应用
[课标要求]
1.了解电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜以及电冶金等电解原理的应用。
2.掌握电解原理的有关计算。
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CuSO4溶液作电解液。
4.电解熔融Al2O3制取铝,电解熔融MgCl2制取镁,电解熔融NaCl制取钠。
1.电解饱和食盐水
氯碱工业:
电解饱和食盐水的工业叫做氯碱工业。
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。
(2)目的:
使金属增强抗腐蚀能力,增加美观度和表面硬度。
(3)实例(在铁件上镀铜)。
材料
电极反应式
阴极
Fe
Cu2++2e-===Cu
阳极
Cu
Cu-2e-===Cu2+
电解质溶液
CuSO4溶液
3.电解精炼铜
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,如冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属。
(3)电解熔融的氯化钠。
阳极反应:
2Cl--2e-===Cl2↑;
阴极反应:
2Na++2e-===2Na;
总反应:
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑。
[特别提醒]
(1)氯碱工业中所用的饱和食盐水必须精制,以除去食盐水中的Ca2+、Mg2+、SO
等杂质。
(2)电镀时电解质溶液的浓度不变而电解精炼铜时,电解质溶液的浓度减小。
1.用惰性电极电解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:
选B 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。
2.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
解析:
选D 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+。
1.计算方法
有关电解的计算通常是求电解后某产物的质量、气体的体积、某元素的化合价、元素的相对原子质量、溶液的pH及物质的量浓度等。
不论哪种计算,均可概括为下列三种方法:
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,其依据是电路中转移的电子数相等
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
关系式计算
根据得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁,建立计算所需要的关系式
2.等量关系
(1)当电流通过一个或多个串联的电解池时,它们皆处于同一闭合电路中,所以各池的电流强度相等,同一时间内通过的电子的物质的量相等。
(2)常见电化学计算的对应关系:
H2~Cl2~
O2~Cu~2Ag~2H+~2OH-。
如电解中析出气体时,在同温同压下析出各气体物质的量之比为n(H2)∶n(Cl2)∶n(O2)=1∶1∶0.5。
1.把两个惰性电极插入500mL的AgNO3溶液中,通入直流电电解。
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 由题意知电解AgNO3溶液时,阳极生成O2和HNO3,阴极生成Ag,n(H+)=cV=10-3×0.5=5×10-4(mol),若设生成Ag为x,则
Ag ~ H+
1mol 1mol
x 5×10-4mol
x=5×10-4mol,m(Ag)=5×10-4mol×108g·mol-1=0.054g=54mg。
2.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)铜极增重,说明银在铜极析出,则铜极为阴极,X为负极。
(2)C中铜极增重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112mL气体是H2,即Cu2+全部在阴极放电后,H+接着放电产生了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-1。
(3)由4e-~4OH-知,A中生成0.02molOH-,
c(OH-)=0.1mol·L-1,c(H+)=
mol·L-1=1.0×10-13mol·L-1,pH=13。
答案:
(1)负
(2)0.025mol·L-1 (3)13
[三级训练·节节过关]
1.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
解析:
选A 电镀时,通常镀层金属作阳极,镀件作阴极,含有镀层金属阳离子的电解质溶液作电镀液。
2.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.电解时以精铜为阳极,以CuSO4溶液为电解液
B.电解时阴极发生还原反应
C.粗铜连接电源负极,其电极反应是Cu-2e-===Cu2+
D.电解结束后,电解质溶液的浓度保持不变
解析:
选B 电解时精铜为阴极,粗铜为阳极,A项错误;溶液中Cu2+在阴极上得电子,发生还原反应,B项正确;粗铜应该连接电源正极,C项错误;阳极上Fe、Zn、Cu失电子,阴极上只有Cu2+得电子,电解结束后,电解质溶液中的Cu2+浓度减小,D项错误。
3.右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,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发生氧化反应
C.铁丝表面生成的气体能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝
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 石墨棒在蛋壳内,溶液中的氯离子在该极失电子被氧化,溶液中的H+浓度不变,故A错误;蛋壳表面缠绕的铁丝作阴极,氢离子在该极发生还原反应得到氢气,B错误;铁丝表面生成的气体是氢气,不能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝,C错误;蛋壳在该实验中的作用是阻止气体通过,D正确。
4.电解原理在化学工业中被广泛应用。
右图表示一个电解池,装有电解质溶液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极上的电极反应为____________________________________________,
在X极附近观察到的现象是_______________________________________________。
②Y极上的电极反应为____________________________________________________,
检验该电极反应产物的方法是_______________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)若用电解法精炼粗铜,电解质溶液a选用CuSO4溶液,则
①X极的材料是__________,电极反应为________________________________________
________________________________。
②Y极的材料是__________,电极反应为_______________________________________
________________________________。
(说明:
杂质发生的电极反应不必写出)
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↑。
与电源正极相连的极为阳极,所以X极为阴极,Y极为阳极。
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,能使湿润的碘化钾淀粉试纸变成蓝色。
(2)电解精炼铜时,用含杂质的铜作阳极,精铜作阴极。
反应过程中阳极上铜以及比铜活泼的金属失去电子,成为离子进入溶液,活泼性比铜弱的金属形成阳极泥;在阴极只有Cu2+能得到电子成为单质,其他较活泼金属对应的离子不能得到电子。
根据题图,X为阴极,Y为阳极。
所以X极的材料是精铜,电极反应:
Cu2++2e-===Cu;Y极的材料是粗铜,电极反应:
Cu-2e-===Cu2+。
答案:
(1)①2H++2e-===H2↑ 放出气体,溶液变红 ②2Cl--2e-===Cl2↑ 把湿润的碘化钾淀粉试纸放在Y极附近,试纸变为蓝色
(2)①精铜 Cu2++2e-===Cu ②粗铜 Cu-2e-===Cu2+
1.下列关于铜电极的叙述正确的是( )
A.铜锌原电池中铜是负极
B.用电解法精炼粗铜时,粗铜作阴极
C.在镀件上电镀铜时可用金属铜作阳极
D.电解稀硫酸制H2和O2时铜作阳极
解析:
选C 铜锌原电池中锌活泼,锌作负极;电解精炼铜时,粗铜中的铜失去电子,作阳极;电镀铜时,应选用铜片作阳极,镀件作阴极,含有铜离子的溶液作电镀液;电解稀硫酸时,铜作阳极,失电子的是铜而不是溶液中的OH-,因而得不到氧气。
2.电解CuSO4溶液时,若要达到以下三点要求:
①阳极质量减少;②阴极质量增加;③溶液中c(Cu2+)不变。
可选用的电极是( )
A.纯铜作阳极,含Zn、Ag的铜合金作阴极
B.含Zn、Ag的铜合金作阳极,纯铜作阴极
C.用纯铁作阳极,用纯铜作阴极
D.用石墨作阳极,用惰性电极(Pt)作阴极
解析:
选A A项,阳极反应Cu-2e-===Cu2+,阴极反应Cu2++2e-===Cu,正确;B项,阳极反应Zn-2e-===Zn2+,Cu-2e-===Cu2+,阴极反应Cu2++2e-===Cu,c(Cu2+)发生变化,不正确;C项,阳极反应Fe-2e-===Fe2+,阴极反应Cu2++2e-===Cu,c(Cu2+)发生变化,不正确;D项,阳极反应4OH--4e-===O2↑+2H2O,阴极质量不变,不正确。
3.用电化学方法提取废弃定影液中的银,同时使处理后的溶液中不引入其他新的重金属离子,下列方案正确的是( )
解析:
选D 要用电化学方法提取废弃定影液中的银,同时使处理后的溶液中不引入其他新的重金属离子,则应该用电解原理,因此阴极应该是银,阳极可以是惰性电极,例如碳棒,答案选D。
4.将一直流电源的正、负极(电极材料为Pt),用玻璃片分别压在一张用食盐水、碘化钾、淀粉溶液和石蕊溶液浸透的滤纸上,经过一段时间后,两极附近滤纸的颜色分别是( )
选项
A
B
C
D
阳极
蓝
白
红
蓝
阴极
白
蓝
蓝
蓝
解析:
选D 题中所述装置是电解食盐水,阳极反应:
2Cl--2e-===Cl2↑,Cl2使湿润的KI淀粉溶液变蓝色;阴极反应:
2H++2e-===H2↑,阴极附近溶液呈碱性,使石蕊溶液变蓝色。
5.右图中X为电源,Y为浸透饱和食盐水和酚酞溶液的滤纸,滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液,通电后Y中央的紫红色斑向d端扩散。
下列判断正确的是( )
A.滤纸上c点附近会变红色
B.Cu电极质量减小,Pt电极质量增大
C.Z中溶液的pH先减小,后增大
D.Z溶液中的SO
向Cu电极移动
解析:
选A 由题紫红色斑即MnO
向d端扩散,阴离子向阳极移动,说明d端为阳极,即b为正极,a为负极,c为阴极。
NaCl溶液中H+放电,c点附近变红色。
Z中为电解CuSO4溶液,Pt为阳极,水中的OH-放电,2H2O-4e-===O2↑+4H+,Cu为阴极,溶液中的Cu2+得电子生成铜,总反应为2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4,阳极区生成H+,则SO
向Pt极移动,B、D项错误;随着电解的进行,Z溶液变为硫酸,再电解则变为电解水,硫酸浓度增大,C项错误。
6.金属镍有广泛的用途。
粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制备高纯度的镍,则下列叙述中正确的是(已知:
氧化性Fe2+ A.阳极发生还原反应,其电极反应式: Ni2++2e-===Ni B.电解过程中,阳极质量的减少与阴极质量的增加相等 C.电解后,溶液中存在的金属阳离子只有Fe2+和Zn2+ D.电解后,电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt 解析: 选D 电解时阴极发生还原反应,A项错误;电解过程中,阳极Zn、Fe、Ni依次失去电子生成阳离子进入溶液;Cu、Pt不如Ni活泼不被氧化,沉入槽底成为阳极泥,阴极只析出Ni,B项错误,D项正确;电解后溶液中仍有少量的Ni2+,C项错误。 7.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: 选C 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。 8.如图所示,某工厂采用电解法处理含铬(Cr2O )酸性废水,其中,耐酸电解槽以铁板作阴、阳极,电解后,溶液中的Cr2O 全部变为Cr3+,下列说法不正确的是( ) A.M与电源的正极相连 B.出液口排出的溶液中还含有Fe3+ C.N极电极反应为2H++2e-===H2↑ D.阴极区附近溶液pH降低 解析: 选D A项,电解含铬(Cr2O )酸性废水,溶液中的H+在阴极放电产生H2,所以N与电源的负极相连,作阴极,M与电源的正极连接,作阳极,正确;B项,阳极Fe失去电子变为Fe2+,然后与溶液中的Cr2O 发生反应变为Fe3+,Cr2O 则被还原变为Cr3+,所以出液口排出的溶液中含有Cr3+、Fe3+,正确;C项,在阴极N极,溶液中的H+得到电子变为H2,电极反应为2H++2e-===H2↑,正确;D项,在阴极区,由于H+得到电子变为H2,附近溶液的酸性减弱,溶液pH升高,错误。 9.如图为相互串联的甲、乙两个电解池,试回答下列问题。 (1)甲池若为用电解原理精炼铜的装置,A极是电解池的________,材料是________,电极反应式为______________________;B极是电解池的________,材料是______,主要电极反应式为____________________________________________________________。 (2)乙池中若滴入少量酚酞溶液,开始一段时间后,Fe极附近呈________色。 (3)若甲池阴极增重12.8g,则乙池阳极放出气体在标准状况下的体积为________(不考虑气体溶解情况)。 解析: (2)Fe极电极反应式为2H++2e-===H2↑,H+放电后,溶液中生成OH-,溶液显碱性,使酚酞溶液呈红色。 (3)甲池阴极反应为Cu2++2e-===Cu, 生成n(Cu)= =0.2mol, 转移电子的物质的量n(e-)=0.4mol; 乙池阳极反应为2Cl--2e-===Cl2↑, 由电子守恒知生成Cl2为n(Cl2)=0.2mol, 故V(Cl2)=4.48L。 答案: (1)阴极 纯铜 Cu2++2e-===Cu 阳极 粗铜 Cu-2e-===Cu2+ (2)红 (3)4.48L 10.某课外活动小组用如图所示装置进行实验,试回答下列问题: (1)若开始实验时开关K与a连接,则B极的电极反应式为________________。 (2)若开始实验时开关K与b连接,则下列说法正确的是________(填序号)。 ①溶液中Na+向A极移动 ②从A极逸出的气体能使湿润的淀粉KI试纸变蓝 ③反应一段时间后向电解液中加适量盐酸可使其恢复到电解前的浓度 (3)该小组运用工业上离子交换膜法制烧碱的原理,用如下图所示装置电解K2SO4溶液。 ①该电解槽的阳极反应式为______________________,通过阴离子交换膜的离子数________(填“>”“<”或“=”)通过阳离子交换膜的离子数。 ②图中a、b、c、d分别表示有关溶液的pH,则a、b、c、d由小到大的顺序为________。 ③电解一段时间后,B口与C口产生气体的质量比为________。 解析: (1)开关K与a连接时,是原电池装置,B极是阴极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+。 (2)若K与b连接,是电解池装置,且A是阳极、B是阴极;阳离子向阴极移动;阳极是Cl-失电子生成Cl2,它能使湿润的淀粉KI试纸变蓝;阴极产生H2,故由阴、阳两极逸出的气体可知,要使电解液恢复到电解前的浓度需通入HCl气体而非加入盐酸。 (3)①由图示加入的物质可知,阳极是OH-失e-,阴极是H+得e-,据电荷守恒,则通过阳离子交换膜的K+数大于通过阴离子交换膜的SO 数。 ②电解后生成的硫酸和KOH溶液的浓度均比原来的大,则bc,又因为碱溶液的pH大于酸溶液的pH,则: b ③B口产生O2,C口产生H2,根据得失电子守恒知两者物质的量之比为1∶2,则质量之比为8∶1。 答案: (1)Fe-2e-===Fe2+ (2)②
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