高中化学专题1化学反应与能量变化第二单元第四课时电解原理的应用学案苏教版选修4.docx
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高中化学专题1化学反应与能量变化第二单元第四课时电解原理的应用学案苏教版选修4
第四课时 电解原理的应用
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[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通电,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。
电解原理的应用
1.电解饱和食盐水
(1)饱和食盐水中存在的离子有Na+、Cl-、OH-、H+。
通电后,Na+、H+向阴极移动,H+优于Na+放电,电极反应为2H++2e-===H2↑;Cl-、OH-向阳极移动,Cl-优于OH-放电,电极反应为2Cl--2e-===Cl2↑;总反应方程式为2NaCl+2H2O
2NaOH+Cl2↑+H2↑。
(2)电解过程中,由于阴极区H+浓度变小,使阴极区溶液中水电离的OH-富集。
因此,如果设法用隔膜阻止OH-移向阳极,则氢氧化钠可以在阴极附近的溶液中富集,由阴极溶液可以得到NaOH。
2.电镀
(1)概念
应用电解原理,在某些金属或非金属材料表面镀上一薄层其他金属或合金的过程,叫作电镀。
(2)电镀的目的
增强材料的抗腐蚀能力,增加表面硬度和美观性。
(3)电镀池的构成
①阳极:
镀层金属。
②阴极:
待镀金属。
③电解质溶液:
含镀层金属离子的溶液。
(4)实例:
在餐具上镀银。
①图示(如右):
②两极反应:
阳极:
Ag-e-===Ag+;
阴极:
Ag++e-===Ag。
3.铜的电解精炼
(1)含义:
利用电解原理提纯铜。
(2)电解池的构成
①阳极:
粗铜(含Zn、Fe、Ni、Ag等杂质)。
②阴极:
精(纯)铜。
③电解质溶液:
含Cu2+的电解质溶液。
(3)装置如右图所示:
(4)电极反应
①阳极:
Zn-2e-===Zn2+、
Fe-2e-===Fe2+、Ni-2e-===Ni2+、
Cu-2e-===Cu2+。
②阴极:
Cu+2e-===Cu
③阳极泥:
阳极不溶解的金属银等沉积在阳极底部,构成阳极泥。
4.钠、镁、铝的冶炼
(1)电解熔融NaCl:
2NaCl
2Na+Cl2↑
(2)电解熔融MgCl2:
MgCl2
Mg+Cl2↑。
(3)电解熔融Al2O3:
2Al2O3
4Al+3O2↑。
[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.如图为阳离子交换膜法电解饱和食盐水原理示意图。
下列说法不正确的是( )
A.从E口逸出的气体是Cl2
B.从B中加入含少量NaOH的水溶液以增强导电性
C.标准状况下每生成22.4LCl2,便产生2molNaOH
D.完全电解后加适量盐酸可以恢复到电解前的浓度
解析:
选AD 由图中Na+的移动方向可知,左边为阳极室,右边为阴极室,阳极2Cl--2e-===Cl2↑,阴极2H++2e-===H2↑,同时产生NaOH,电解反应方程式:
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑。
由题意可知A项错误、B项正确;C项,由化学方程式得到产生1molCl2,便产生2molNaOH,正确;D项,完全电解后要恢复到电解前的浓度,应通入HCl气体至溶液呈中性,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+。
有关电解的计算
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c(H+)或c(OH-)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,n(H+)=cV=10-3×0.5mol=5×10-4mol,电解AgNO3溶液时,阳极生成O2和HNO3,阴极生成Ag,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.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.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.Pt和Ag2CO3溶液D.Pt和Ag2SO4溶液
解析:
选B 镀层金属银作阳极,电镀液为含镀层金属离子的AgNO3溶液作电解质溶液。
3.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.电解时以粗铜为阳极,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AB 电解时精铜为阴极,粗铜为阳极,A项正确;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。
4.把分别盛有熔融的氯化钾、氯化镁、三氧化二铝的三个电解槽串联,在一定条件下通电一段时间后,析出钾、镁、铝的物质的量之比为( )
A.1∶2∶3B.3∶2∶l
C.6∶3∶1D.6∶3∶2
解析:
选D 假设电路中通过1mol电子,根据K+→K(得1e-)、Mg2+→Mg(得2e-)、Al3+→Al(得3e-),析出K、Mg、Al的物质的量分别为
、
、
,物质的量之比为
∶
∶
=6∶3∶2。
5.如图A为直流电源,B为浸透饱和氯化钠溶液和酚酞溶液的滤纸,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上的a为________极。
(2)滤纸B上发生的总化学方程式为____________________。
(3)欲在电镀槽中实现铁上镀铜,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__________________________,槽中放的电镀液可以是__________(填一种电解质溶液即可)。
解析:
(1)电解NaCl溶液时阴极发生反应2H++2e-===H2↑,生成NaOH遇酚酞变红色,所以电源b为负极,a为正极。
(3)接通K,e为电镀池的阳极,为金属铜,发生反应Cu-
2e-===Cu2+,电镀液为含Cu2+的电解液,f为阴极,发生反应:
Cu2++2e-===Cu。
答案:
(1)正
(2)2NaCl+2H2O
2NaOH+Cl2↑+H2↑ (3)Cu-2e-===Cu2+
Cu2++2e-===Cu CuSO4溶液
一、单项选择题
1.下列描述中,不符合生产实际的是( )
A.电解法精炼铜,用粗铜作阳极
B.电解熔融的氧化铝制取金属铝,用铁作阳极
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:
选B A项,电解法精炼铜,粗铜为阳极,纯铜为阴极,正确;B项,用铁作阳极,阳极上铁被氧化,应使用惰性电极,错误;C项,用涂镍碳钢网作阴极,阴极材料不反应,正确;D项,电镀时,镀层金属作阳极,用锌作阳极,电解液为含有锌离子的电解质溶液,正确。
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
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。
3.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,阴极反应Cu2++2e-===Cu,c(Cu2+)发生变化,不正确。
4.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。
5.用惰性电极电解饱和食盐水,当电源供给0.2mol电子时停止通电,若此溶液体积为2L,则所得电解液中氢氧根离子浓度为( )
A.1mol·L-1 B.0.2mol·L-1
C.0.1mol·L-1D.0.01mol·L-1
解析:
选C 由2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑知,当电路中转移2mole-时生成2molNaOH,即n(NaOH)=0.2mol,c(OH-)=
=0.1mol·L-1。
二、不定项选择题
6.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c点H+放电,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。
7.碘盐的主要成分是KIO3和NaCl,KIO3在工业上可用电解法制取,以石墨和铁为电极,电解KI溶液,化学方程式为KI+H2O―→KIO3+H2↑(未配平)。
下列有关说法中正确的是( )
A.电解时,石墨作阴极,铁作阳极
B.电解时,在阴极上产生KIO3
C.电解前后电解质溶液pH变大
D.电解中,每转移0.6mole-,理论上可得到0.1mol无水KIO3晶体
解析:
选D 配平化学方程式为KI+3H2O
KIO3+3H2↑。
铁是活泼电极不能作阳极,A项错误;阳极发生氧化反应,B项错误;反应后没有酸或碱生成,溶液的pH不变,C项错误;KI―→KIO3发生氧化反应,转移6e-,为阳极反应,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与电源的负极相连
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AD 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,错误;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。
三、非选择题
9.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+
10.如下图装置所示,C、D、E、F都是惰性电极,甲、乙中溶液的体积和浓度都相同(假设通电前后溶液体积不变),A、B为外接直流电源的两极。
将直流电源接通后,F极附近呈红色。
请回答:
(1)B极是电源的________。
(2)若甲、乙装置中的C、D、E、F电极均只有一种单质生成时,对应单质的物质的量之比为________。
(3)现用丙装置给铜件镀银,则H应该是____________(填“镀层金属”或“镀件”),电镀液是________溶液。
当乙中溶液的c(OH-)=0.1mol·L-1时(此时乙溶液体积为500mL),丙中镀件上析出银的质量为________,甲中溶液的pH________(填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)若将C电极换为铁,其他装置都不变,则甲中发生总反应的离子方程式是________________________________________________________________________。
解析:
(1)乙池为电解饱和食盐水装置,F极附近变红色,说明F极为阴极。
(2)C、D、E、F的电极产物分别为O2、Cu、Cl2、H2,若通过1mol电子,其物质的量之比为
∶
∶
∶
=1∶2∶2∶2。
(3)根据电镀原理,阴极材料应为镀件,电镀液应为硝酸银溶液,当乙中溶液的c(OH-)=0.1mol·L-1时(乙溶液体积为500mL),电子转移为0.05mol,根据电子守恒,可知丙中镀件上析出银的物质的量也为0.05mol,质量为5.4g,甲池电解产物为Cu、O2、H2SO4,溶液的pH减小。
答案:
(1)负极
(2)1∶2∶2∶2 (3)镀件 硝酸银
5.4g 变小 (4)Fe+Cu2+
Fe2++Cu
一、单项选择题
1.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。
2.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。 3.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。 4. 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NaCl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: 选B 电解氯化钠溶液时,阳极反应是氯离子失电子生成氯气,阴极反应是氢离子得电子生成氢气,为使Cl2被完全吸收,制得有较强杀菌能力的消毒液,应让氯气在下端产生,即a为负极,b为正极,氯气和氢氧化
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- 高中化学 专题 化学反应 能量 变化 第二 单元 第四 课时 电解 原理 应用 学案苏教版 选修