高中化学人教版选修4学案第四章第三节电解池附答案.docx
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高中化学人教版选修4学案第四章第三节电解池附答案
第三节电解池
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知识梳理
1.电解原理
(1)电解CuCl2溶液
①通电前,CuCl2溶液中存在的阳离子有________,阴离子有_________,这些离子来自于__________________和________________________。
②通电后,阳离子移向________,阴离子移向________。
在阳极放电的离子是_________,在阴极放电的离子是_________,分别发生_________反应和_________________反应,生成_________和_________。
电极反应方程式为:
阳极:
___________________________________________________________。
阴极:
___________________________________________________________。
电解CuCl2溶液的总方程式为:
_____________________________________。
③电解CuCl2溶液观察到的现象是:
_________________________________。
(2)电解
①电解:
___________________________叫做电解。
电解池:
___________________________的装置,也就是___________________________的装置叫做电解池或电解槽。
②构成电解池的条件
Ⅰ._________________________________________________;
Ⅱ._________________________________________________;
Ⅲ._________________________________________________。
③电解池的两极
阳极与_________相连,在阳极上发生_________反应。
阴极与_________相连,在阴极上发生_________反应。
④电解质溶液导电的实质
电解质溶液导电的过程,就是__________________的过程,就是在阴阳两极发生氧化还原反应的过程。
⑤离子的放电
阴阳离子在两极得失电子的过程称放电。
多种阳离子或多种阴离子分别移向阴极、阳极时,优先放电的是__________________的离子。
2.电解原理的应用
(1)电解饱和食盐水
①理论分析
通电前溶液中含有的离子:
________________________________。
通电时_________移向阴极,_________放电;_________移向阳极,_________放电。
电极反应式为
因_________放电,导致水的电离平衡H2O
H++OH-向右移动,致使生成_________。
电解总方程式为____________________________________。
②实验现象
Ⅰ.两极均产生气体。
Ⅱ._________溶液先变红,说明有_________生成。
Ⅲ._________极产生的气体能使湿的KI淀粉试纸变蓝,说明有_________生成。
(2)电镀
①电镀的含义
电镀是应用_________在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。
②电镀的目的
电镀的目的主要是____________________________________。
③电镀的原理
阳极:
______________________________________________________。
阴极:
______________________________________________________。
电镀液:
____________________________________________________。
④铜的精炼
Ⅰ.装置要求
阳极是_________,阴极是_________,电解质溶液是__________________。
Ⅱ.化学原理
阳极反应:
Cu-2e-====Cu2+,Zn-2e-====Zn2+
阴极反应:
__________________________________________。
Ⅲ.电解特点
a.粗铜中的铜“迁移”到纯铜上;
b.CuSO4溶液的浓度_________。
(3)电冶金
金属冶炼的实质是___________________________。
疑难突破
如何判断阴阳两极的电解产物?
剖析:
首先要弄清放电顺序
(1)阴极放电顺序(即氧化性顺序)
Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>(H+)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>A13+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+
(2)阳极放电顺序(即还原性顺序)
(除Pt、Au外)金属单质>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根>F-
(1)阳极产物的判断:
首先看电极,如果是活性电极,则电极金属失电子,金属被溶解,溶液中的阴离子不能失电子。
如果是惰性电极(Pt、Au、石墨),则要再看溶液中的离子的失电子能力。
此时根据阴离子放电顺序加以判断。
(2)阴极产物的判断
直接根据阳离子放电顺序进行判断,阳离子放电顺序:
Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>
Sn2+>Fe2+>Zn2+>A13+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。
问题探究
问题:
电解过程如何进行?
请以电解氯化铜溶液为例探究。
探究:
第一步:
把两根石墨棒插入U形管里的CuCl2溶液内,无现象发生。
第二步:
把用导线连接在一起的两根石墨棒插入U形管里的CuCl2溶液内,无现象发生。
第三步:
将两根石墨棒、一只电流表和低压直流电源串联起来,将石墨棒插入U形管里的CuCl2溶液内,接通电源。
把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与电源正极相连的电极附近。
电流表的指针发生偏转;阴极石墨棒周围CuCl2溶液绿色变深,阳极石墨棒周围CuCl2溶液绿色变浅;阴极石墨棒上逐渐覆盖了一层红色固体,阳极石墨棒上有气泡放出,并可闻到刺激性的气味,同时看到湿润的碘化钾淀粉试纸变为蓝色。
典题精讲
【例1】(经典回放)图4-11是电解CuCl2溶液的装置,其中c、d为石墨电极,则下列有关判断正确的是()
图4-11
A.a为负极,b为正极B.a为阳极,b为阴极
C.电解过程中,d电极质量增加D.电解过程中,氯离子浓度不变
思路解析:
电流从电源的正极流出,故a为电源的正极,b为负极;与电源正极相连的c为阳极,与电源负极相连的d为阴极。
在电解过程中,因Cu2+是阳离子,移向阴极d,在阴极放电析出Cu,所以d电极质量增加;Cl-是阴离子,移向阳极c,在阳极放电析出Cl2,会导致溶液中氯离子浓度降低。
答案:
C
【例2】(2004全国高考理综Ⅱ)电解原理在化学工业中有广泛应用。
图4-12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:
图4-12
(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试液,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)如用电解方法精炼粗铜,电解液a选用CuSO4溶液,则:
①X电极的材料是___________,电极反应式是_________________________________。
②Y电极的材料是___________,电极反应式是_________________________________。
(说明:
杂质发生的电极反应不必写出)
思路解析:
Y极与直流电源的正极相连,Y是电解池的阳极;X极与直流电源的负极相连,X是电解池的阴极,溶液中阳离子趋向阴极,在阴极放电,阴极的电极反应式:
2H++2e-====H2↑,由于H+不断放电,c(H+)不断减小,打破了水的电离平衡,使水的电离平衡向电离的方向进行,使c(OH-)增大,故阴极附近放出气体,溶液使酚酞变红,Cl-向阳极移动,在阳极放电,阳极的电极反应式为:
2Cl--2e-====Cl2↑;精炼粗铜时,粗铜作阳极,纯铜作阴极。
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电极附近,试纸变蓝色
(2)①纯铜Cu2++2e-====Cu②粗铜Cu-2e-====Cu2+
【例3】(2004广东高考)pH=a的某电解质溶液中,插入两只惰性电极,通直流电一段时间后,溶液的pH>a,则该电解质可能是()
A.NaOHB.H2SO4C.AgNO3D.Na2SO4
思路解析:
依题意,要求在电解过程中溶液pH增大。
电解NaOH溶液,实质上是电解水,使溶液的浓度增大,所以溶液的pH增大;电解稀H2SO4溶液,实质上也是电解水,使溶液的浓度增大,所以溶液的pH减小;电解AgNO3溶液有HNO3生成,pH减小;电解Na2SO4溶液实质上是电解水,使溶液的浓度增大,但溶液中c(H+)和c(OH-)相等,所以溶液的pH不变。
答案:
A
【例4】(经典回放)图4-13是可用于测量阿伏加德罗常数的装置示意图,其中A、B是两块纯铜片,插在CuSO4稀溶液中,铜片与引出导线相连,引出端分别为X、Y。
图4-13
(1)当以I=0.21A的电流电解60min后,测得铜片A的质量增加了0.25g,则图4-3-3装置中的X端应与直流电的___________极相连,它是电解池的___________极。
(2)电解后铜片B的质量___________(填“增加”“减少”或“不变”)。
(3)列式计算实验测得的阿伏加德罗常数NA。
(已知电子电荷量e-=1.60×10-19C)
思路解析:
(1)由电镀铜的相关知识,可知铜片A的质量增加,说明A是阴极,与之相连的X端应与直流电的负极相连。
(2)因B作阳极,阳极反应是Cu-2e-=====Cu2+,故电解后铜片B的质量减少,减少的质量“跑”到A上。
(3)每生成1molCu,需要转移2mole-,现生成0.25gCu,需转移2×
=0.0078mole-。
由物理学知识知,体系中通过的电子的物质的量为n(e-)=
=
=0.0078mol。
NA=0.21A×60×
=6.0×1023mol-1
答案:
(1)负阴
(2)减少
(3)NA=
=6.0×1023mol-1
知识导学
本节内容主要包括两大部分:
一是电解原理,二是电解原理的应用。
原电池和电解池都是电化学的重要基础理论。
不同的是,原电池原理研究的是如何利用自发进行的氧化还原反应将化学能转化为电能;而电解原理研究的是如何借助电能使不能自发进行的氧化还原反应能够发生,从而使电能转换成化学能。
电离与电解的比较
电离
电解
条件
电解质溶于水或熔化状态下
电解质电离后,再通直流电
过程
电解质电离成为自由移动的离子
阴阳离子定向移动,在两极上放电
特点
只产生自由移动的离子
发生氧化还原反应,形成新物质
联系
电解必须建立在电离的基础上
对电解池的阴阳两极的记忆,可用音同字不同加强记忆,如可用“氧化反应——阳极”这一对应关系帮助记忆。
也可以用外接电源的正负来判断电解池两个电极是阳极还是阴极,如“正极——阳极”,“负极——阴极”。
主要掌握以惰性电极电解水溶液,分析电解反应的一般步骤为:
①分析电解质溶液的组成,找全离子并分为阴、阳两组;②分别对阴阳离子排出放电顺序,写出两极上的电极反应式;③合并两个电极反应式得出电解反应的总化学方程式或离子方程式。
电解质溶液中的离子在通电后的移动方向的判断很容易出错,可以记忆为“所有的阴离子都向阳极移动,排着队等候失电子,若是活性电极,则电极本身失电子,惰性电极则阴离子失电子”。
而离子移动的实质是受到电场的作用——同性相斥,异性相吸。
即阴离子向阳极移动,阳离子向阴极移动。
对于电镀,可与电解氯化铜溶液实验进行比较:
电镀铜
电解氯化铜溶液
能量转变
将电能转变为化学能
将电能转变为化学能
阳极材料
镀层金属——铜
石墨
阴极材料
待镀件(如无锈铁钉)
石墨
电
镀
时
阳极反应
铜溶解
溶液中Cl-在阳极氧化为Cl2
阴极反应
溶液中Cu2+在阴极析出
溶液中Cu2+在阴极析出
电解质溶液及其变化
CuSO4溶液,电镀过程中溶液浓度不变
CuCl2溶液,电解过程中溶液浓度逐渐减小
疑难导析
首先要分清各种电极是由什么材料制成;惰性电极是否是用石墨、金、铂等还原性很弱的材料制成;活性电极是否是用铁、锌、铜、银等还原性较强的材料制成;它们作电解池的阳极时,是否先于其他物质发生氧化反应。
还要清楚,以惰性电极电解电解质水溶液,分析电解反应的一般方法步骤为:
①全面分析电解质水溶液的组成,找全离子并分为阴、阳两组;②分别对阴、阳离子排出放电顺序,写出两极上的电离反应式;③合并两个电极反应式得出电解反应的总化学方程式或离子方程式。
问题导思
要清楚通电前,Cu2+和Cl-在水里是否自由地移动着;通电后,这些自由移动着的离子,在电场的作用下,是否改做定向移动;再根据异性相吸的原理分析,带负电的氯离子向哪个电极移动,带正电的铜离子向哪个电极移动;在哪个电极,氯离子失去电子而被氧化成氯原子,并两两结合成氯分子;在哪个电极,铜离子获得电子而还原成铜原子,是否覆盖在电极上;他们的反应应该分别如何表示,发生的是氧化反应,还是还原反应,电解CuCl2溶液的化学反应方程式如何表示。
典题导考
绿色通道:
电化学装置主要包括原电池、电解池两种。
习惯上,对原电池用正极和负极命名,对电解池用阴极和阳极命名。
在原电池中,相对活泼的电极失去电子作负极;相对不活泼的电极上,某些离子得电子,该电极作正极。
对于电解池,与电源正极相连的电极作阳极,发生氧化反应;与电源负极相连的电极作阴极,发生还原反应。
这是电化学最基本、最核心的知识。
【典题变式1】(经典回放)通以相等的电量,分别电解等浓度的硝酸银和硝酸亚汞(亚汞的化合价为+1价)溶液,若被还原的硝酸银和硝酸亚汞的物质的量之比n(硝酸银)∶n(硝酸亚汞)=2∶1,则下列表述正确的是()
A.在两个阴极上得到的银和汞的物质的量之比n(银)∶n(汞)=2∶1
B.在两个阳极上得到的产物的物质的量不相等
C.硝酸亚汞的分子式为HgNO3
D.硝酸亚汞的分子式为Hg2(NO3)2
答案:
D
绿色通道:
以惰性电极电解电解质水溶液,分析电解反应的一般方法步骤为:
(1)分析电解质水溶液的组成,找全离子并分为阴、阳两极;
(2)分别对阴、阳离子排出放电顺序,写出两极上的电极反应式;
(3)合并两个电极反应式,得出电解反应的总化学方程式或离子方程式。
学会分析电解的过程及书写反应式是学好电化学的基石。
【典题变式2】1.下列关于电解KNO3溶液的叙述正确的是()
A.随着电解的进行,溶液的pH减小
B.OH-向阳极移动,阳极附近溶液呈碱性
C.
向阳极移动,K+向阴极移动,分别在对应的电极上析出
D.阴极上H+得电子被还原成H2,使得阴极附近的溶液呈碱性
答案:
D
2.用惰性电极电解熔融的NaCl,下列说法不正确的是()
A.在阴极可得到钠B.在阴极区c(OH-)增大
C.在阳极上有Cl2生成D.总反应式可表示为2NaCl
Na+Cl2
答案:
B
绿色通道:
根据原溶液的酸碱性和电极产物即可对电解后溶液的pH的变化作出正确的判断,其方法如下:
①若电极产物只有H2而无O2,则pH变大;②若电极产物只有O2而无H2,则pH变小;③若电极产物既有O2又有H2,原溶液呈酸性则pH变小,原溶液呈碱性则pH变大,原溶液呈中性,则pH不变。
【典题变式3】在以下电解槽中,随着电解的进行,溶液的pH会减小的是()
A.铜为阳极,铜为阴极,电解液为CuSO4溶液
B.石墨为阳极,铁为阴极,电解液为CuSO4溶液
C.铁为阳极,铜为阴极,电解液为AgNO3溶液
D.石墨为阳极,铁为阴极,电解液为NaCl溶液
答案:
B
绿色通道:
此类题渗透物理、化学知识,主要考查运用公式Q=It及电解原理、物质的量、摩尔质量、阿伏加德罗常数等知识的能力。
阿伏加德罗常数是物理学和化学上的基本常数之一,要明确1mole-的电荷量为1mol×6.02×1023mol-1×1.60×10-19C=9.632×104C。
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,某元素的化合价以及溶液的pH、物质的量浓度等。
解答此类题的方法有两种:
一是根据电解方程式或电极反应式,列比例式求解;二是利用各电极、线路中转移的电子数目守恒,列等式求解。
以电子守恒较为简便,应注意运用。
【典题变式4】1.将分别盛有熔融的氯化钾、氯化镁、氧化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∶1C.6∶3∶1D.6∶3∶2
答案:
D
2.在外界提供相同电量的条件下,Cu2+或Ag+分别按Cu2++2e-
Cu或Ag++e-
Ag在电极上放电,若析出铜的质量为1.92g,则析出Ag的质量为()
A.1.62gB.6.48gC.3.24gD.12.96g
答案:
B
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