2022届高中化学新教材同步选择性必修第一册 第4章 第二节 第2课时 电解原理的应用.docx

1、2022 高中化学新教材同步讲义资料 第第 2 课时课时 电解原理的应用电解原理的应用 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、电解饱和食盐水 烧碱、氯气都是重要的化工原料，习惯上把电解饱和食盐水的工业生产叫做氯碱工业。 1电解饱和食盐水的原理 通电前：溶液中的离子是 Na 、Cl、H、OH。 通电后：移向阳极的离子是 Cl 、OH，Cl比 OH容易失去电子，被氧化成氯气。 阳极：2Cl 2e

2、=Cl2(氧化反应)。 移向阴极的离子是 Na 、H，H比 Na容易得到电子，被还原成氢气。其中 H是由水电离产生的。 阴极：2H2O2e =H22OH(还原反应)。 总反应： 化学方程式为 2NaCl2H2O= 电解 H2Cl22NaOH； 离子方程式为 2Cl 2H2O= 电解 H2Cl22OH 。 2氯碱工业生产流程 2022 高中化学新教材同步讲义资料 工业生产中，电解饱和食盐水的反应在离子交换膜电解槽中进行。 阳离子交换膜电解槽 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

3、与阴极产生的氢氧化钠反应而影响 氢氧化钠的产量。 3氯碱工业产品及其应用 (1)氯碱工业产品主要有 NaOH、Cl2、H2、盐酸、含氯漂白剂。 (2)电解饱和食盐水为原理的氯碱工业产品在有机合成、造纸、玻璃、肥皂、纺织、印染、农药、金属 冶炼等领域中广泛应用。 (1)电解饱和食盐水时，阴极发生氧化反应：2Cl 2e=Cl2( ) (2)氯碱工业电解槽中滴入酚酞溶液，变红色的区域为阳极区() (3)电解饱和食盐水时，阳极和阴极都可以选择金属材料(如铁)() (4)电解饱和 NaCl 溶液可以制取金属钠() (5)利用电解饱和食盐水可制得“84” 消毒液() 答案(1)(2)(3)(4)(5) 1

4、氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制取氯气、氢气、烧碱和氯的含氧酸盐等系列化工产品， 如图是离子交换膜法电解饱和食盐水的示意图，图中阳离子交换膜只允许 Na 等通过，不允许 OH、Cl 等阴离子及气体分子通过。 试完成下列问题： (1)阳极(金属钛网)电极反应式：_； 阴极(碳钢网)电极反应式：_； 电解饱和食盐水总离子方程式：_。 (2)阳离子交换膜的作用为：_， 从图中 b 位置补充的为含有少量 NaOH 的水，NaOH 的作用为_。 2022 高中化学新教材同步讲义资料 (3)精制饱和食盐水从图中_位置(填“a”“b”“c”或“d”，下同)补充，NaOH 溶液从图中 _位置流出，图中 e

5、 位置排出的气体为_。 答案(1)2Cl 2e=Cl2 2H2O2e =H22OH 2Cl 2H2O= 电解 Cl22OH H2 (2)将电解槽隔成阳极室和阴极室， 允许阳离子 Na 通过， 阻止阴离子 OH、 Cl和气体通过， 使生成的 NaOH 更纯，并防止 H2、Cl2混合发生爆炸增强导电性，提高电解效率(3)ac氯气 2在新冠肺炎疫情期间，“84”消毒液是环境消毒液之一。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， 设计了如图所示的装置。c、d 都为碳电极。 完成下列填空： (1)a 为电源的_极，

6、c 为电解池的_极(填“正”“负”或“阴”“阳”)。 (2)d 电极上发生的电极反应式：_，电解产生消毒液的总化学方程式为 _。 答案(1)负阳(2)2H2O2e =H22OH NaClH2O= 电解 NaClOH2 解析电解饱和氯化钠溶液的方程式为 2NaCl2H2O= 电解 2NaOHH2Cl2，该学生目的是使 Cl2被完全吸收制得 NaClO 溶液，即要让 Cl2与 NaOH 充分混合反应。所以应在下端产生 Cl2，上端产生 NaOH，则 a 为负极，b 为正极，c 为阳极，d 为阴极，Cl2和 NaOH 溶液反应：Cl22NaOH=NaClNaClO H2O，故电解产生消毒液的总化学方

7、程式为：NaClH2O= 电解 NaClOH2。 二、电镀电冶金 1电镀与电解精炼 电镀是一种利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加工工艺。电镀的主要目的是 使金属增强抗腐蚀能力，增加表面硬度和美观。 装置 电镀 精炼 阳极 材料 镀层金属 Cu粗铜(含锌、银、金等杂质) 2022 高中化学新教材同步讲义资料 阴极 材料 镀件金属 Fe纯铜 阳极 反应 Cu2e =Cu2 Zn2e =Zn2、Cu2e=Cu2等 阴极 反应 Cu2 2e=Cu Cu2 2e=Cu 溶液 变化 硫酸铜溶液浓度保持 不变 Cu2 浓度减小，金、银等金属沉积形成阳 极泥 2.电冶金 (1)金属冶炼的本

8、质：使矿石中的金属离子获得电子变成金属单质的过程。如 Mn ne=M。 (2)电解法用于冶炼较活泼的金属(如钾、钠、镁、铝等)，但不能电解其盐溶液，应电解其熔融态。 如：电解熔融的氯化钠可制取金属钠的反应式： 阳极：2Cl 2e=Cl2； 阴极：2Na 2e=2Na； 总反应：2NaCl(熔融)= 电解 2NaCl2。 (1)氯碱工业中用的是阴离子交换膜将两电解室隔开() (2)在 Fe 上电镀 Zn，应用 Zn 作阳极，用 ZnSO4溶液作电镀液() (3)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() (4)工业冶炼金属铝时，电解熔融态 AlCl3() 1金

9、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，下 列叙述正确的是(已知：氧化性：Fe2 Ni2FeCuAgPt，因此 Ag、Pt 不会放电，以单质形式在阳极附近沉积下来，故 D 正确。 421 世纪是钛的世纪，在 8001 000 时电解 TiO2可制得钛，装置如图所示，下列叙述正确的是 () Aa 为电源的正极 B石墨电极上发生还原反应 C阴极发生的反应为 TiO24e =Ti2O2 2022 高中化学新教材同步讲义资料 D每生成 0.1 mol Ti，转移 0.2 mol 电子 答案C 解析由 O2 的移动方向可知，b 为电源正极，A 错误；石墨电极作阳极

10、，发生氧化反应，B 错误； 每生成 0.1 mol Ti，转移电子 0.4 mol，D 错误。 5中学阶段介绍的应用电解法制备物质主要有三种：一是铝的工业制备，二是氯碱工业，三是金属 钠的制备。下列关于这三种工业生产的描述中正确的是() A电解法制金属钠时，阳极反应式：Na e=Na B电解法生产铝时，需对铝土矿进行提纯，在提纯过程中应用了氧化铝或氢氧化铝的两性 C在氯碱工业中，电解池中的阴极产生的是 H2，NaOH 在阳极附近产生 D氯碱工业和金属钠的冶炼都用到了 NaCl，在电解时它们的阴极都是 Cl 失电子 答案B 解析A 项，阴极反应式为 Na e=Na，错误；B 项，氧化铝和氢氧化铝

11、具有两性，在分离提纯时 可用 NaOH 溶液将其溶解，过滤除去难溶物，再将 AlO 2转化成 Al(OH)3，Al(OH)3热分解即得 Al2O3，正 确；C 项，阴极产物为 H2和 NaOH，阳极产物为 Cl2，错误；D 项，阳极都是 Cl 失电子，错误。 6四甲基氢氧化铵(CH3)4NOH常用作电子工业清洗剂，以四甲基氯化铵(CH3)4NCl为原料，采用电 渗析法合成(CH3)4NOH，其工作原理如图所示(a、b 为石墨电极，c、d、e 为离子交换膜)，下列说法不正确 的是() AN 为正极 B标准状况下制备 0.75NA(CH3)4NOH，a、b 两极共产生 16.8 L 气体 Cc、e

12、 均为阳离子交换膜 Db 极电极反应式：4OH 4e=O22H2O 答案B 解析电解后左侧(CH3)4NOH 溶液由稀变浓，说明 a 极发生还原反应，2H2O2e =H22OH， 据此判断 a 为阴极，b 为阳极，所以 N 为正极，故 A 正确；b 极为 OH 放电生成 O2：4OH4e=O2 2H2O，标准状况下制备 0.75NA(CH3)4NOH，需要阴极提供 0.75 mol OH ，转移电子 0.75 mol，a、b 两极共产生(0.75 4 mol0.75 2 mol)22.4 Lmol 112.6 L 气体，故 B 错 误，D 正确；(CH3)4NOH 溶液由稀变浓，说明(CH3)

13、4N 穿过 c 膜，c 膜是阳离子交换膜，NaCl 溶液由稀变 浓，说明 Na 穿过 e 膜，e 膜是阳离子交换膜，故 C 正确。 7 氯碱工业的一种节能新工艺是将电解池与燃料电池相结合， 相关物料的传输与转化关系如图所示(电 2022 高中化学新教材同步讲义资料 极未标出)。下列说法正确的是() A电解池的阴极反应式为 2H2O2e =H22OH B通入空气的电极为负极 C电解池中产生 2 mol Cl2时，理论上燃料电池中消耗 0.5 mol O2 Da、b、c 的大小关系为 abc 答案A 解析题给电解池的阴极反应式为 2H2O2e =H22OH，阳极反应式为 2Cl2e=Cl2，A 项

14、正确；题给燃料电池为氢氧燃料电池，通入空气的电极为正极，B 项错误；由整个电路中得失电子守恒 可知，电解池中产生 2 mol Cl2，理论上转移 4 mol e ，则燃料电池中消耗 1 mol O2，C 项错误；题给燃料 电池的负极反应式为 2H24e 4OH=4H2O，正极反应式为 O24e2H2O=4OH，所以 a、b、c 的大小关系为 cab，D 项错误。 题组二电解的有关计算 8在标准状况下，用铂电极电解硫酸铜溶液，当阴极产生 12.8 g 铜时，阳极放出的气体是() A1.12 L H2B1.12 L O2 C2.24 L H2D2.24 L O2 答案D 解析溶液中有 Cu2 、H

15、及 SO2 4、OH 四种离子，得电子能力 Cu2H，失电子能力 OHSO2 4，阴极 反应为 2Cu2 4e=2Cu，阳极反应为 4OH4e=2H2OO2，总反应为 2CuSO42H2O= 电解 2Cu 2H2SO4O2。n(Cu)12.8 g64 gmol 10.2 mol，n(O2)0.1 mol，在标准状况下体积为 2.24 L，D 正 确。 9有三个烧杯，分别盛有氯化铜、氯化钾和硝酸银三种溶液，均以 Pt 作电极，将它们串联在一起电 解一定时间，测得电极增重总和 2.8 g，这时产生的有色气体与无色气体的物质的量之比为() A41B11 C43D34 答案C 解析串联电路中，相同时间

16、内各电极得电子或失电子的物质的量相同，各电极上放出气体的物质的 量之比为定值。不必注意电极增重是多少，只要判断出生成何种气体及生成该气体一定物质的量所得失电 子的物质的量，就可以通过得失电子守恒，判断气体体积之比，第一个烧杯中放出 Cl2，第二个烧杯中放 出 Cl2和 H2， 第三个烧杯中放出 O2。 在有 1 mol 电子转移时， 生成的气体的物质的量分别是 0.5 mol、 0.5 mol、 0.5 mol和0.25 mol。 所以共放出有色气体(Cl2)0.5 mol0.5 mol1 mol， 无色气体(O2和H2)0.5 mol0.25 mol 2022 高中化学新教材同步讲义资料 0

17、.75 mol。 10用石墨电极电解 CuSO4溶液一段时间后，向所得溶液中加入 0.2 mol Cu(OH)2后，恰好使溶液恢 复到电解前的浓度。则电解过程中转移电子的物质的量为() A0.4 molB0.5 mol C0.6 molD0.8 mol 答案D 解析将 Cu(OH)2改写为 CuOH2O，根据 CuOH2O 知，阳极上 OH 放电生成 O2，阴极上 Cu2和 H 放电生成 Cu 和 H2，根据氧原子守恒得 n(O2)nCu(OH)20.2 mol，则转移电子的物质的量为 0.2 mol4 0.8 mol，故 D 正确。 11用石墨作电极电解 1 000 mL 硝酸钾和硝酸铜的混

18、合溶液，当通电一段时间后，两极都收集到 112 mL 气体(标准状况)，假定电解后溶液体积仍为 1 000 mL，则电解后溶液的 pH 为() A4B3C2D1 答案C 解析阳极产生氧气 0.005 mol，阴极产生氢气 0.005 mol。由 2H2O= 电解 2H2O2可知，阴极产生 0.005 mol 氢气时，阳极产生氧气 0.002 5 mol；由 2Cu2 2H2O= 电解 2Cu4H O2可知，产生 n(H) (0.005 mol0.002 5 mol)40.01 mol，c(H )0.01 molL1，pH2。 12(2019衡水高二检测)把物质的量均为 0.1 mol 的 Cu

19、Cl2和 H2SO4溶于水制成 100 mL 的混合溶液， 用石墨作电极电解混合溶液，并收集两电极所产生的气体，通电一段时间后在两极收集到的气体在相同条 件下体积相同，则下列叙述正确的是() A电路中共转移 0.6NA个电子 B阳极得到的气体中 O2的物质的量为 0.2 mol C阴极质量增加 3.2 g D电解后剩余溶液中硫酸的浓度为 1 molL 1 答案A 13(2019沈阳高二检测)某同学设计了一个燃料电池(如图所示)，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

20、为_ _。 2022 高中化学新教材同步讲义资料 (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_ _。 答案(1)负极H22e 2OH=2H2O (2)阳极铁极(3)减小Cu2 2e=Cu 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 H22e 2OH =2H2O。 (2)由于铁电极与电源的负极连接，所以铁电极为阴极，石墨电极为阳极；反应一段时间后

21、，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， 因此铁极区的溶液变红。 (3)因为粗铜中的锌等活动性比 Cu 强的杂质金属优先失去电子，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。 14电解的应用比较广泛。根据下列电解的应用，回答问题： (1)如图为电解精炼银的示意图，_(填“a”或“b”)极为含有杂质的粗银，若 b 极有少量红棕 色气体生成，则生成该气体的电极反应式为_。 (2)利用如图装置电解制备 LiOH，两电极区电解液分别为 LiOH 和

22、LiCl 溶液。B 极区电解液为 _(填化学式)溶液， 阳极电极反应式为_， 电解过程中 Li 向_(填“A” 或“B”)电极迁移。 (3)离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系。由有机阳离子、Al2Cl 7和 AlCl 4组成的离子液体作电解 液时，可在钢制品上电镀铝。钢制品应接电源的_极，已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离 子不参与电极反应，阴极电极反应式为_。若改用氯化铝水溶液作电解液，则阴 极产物为_。 答案(1)aNO 32H e=NO2H2O (或 NO 34H 3e=NO2H2O、2NOO2=2NO2) 2022 高中化学新教材同步讲义资料 (2)LiOH2Cl 2e=Cl2

23、B (3)负4Al2Cl 73e =Al7AlCl 4H2 解析(1)电解精炼银与电解精炼铜原理相似。电解精炼银装置中，含有杂质的粗银作阳极，电解池的 阳极与电源的正极相连，则该装置中 a 极为含有杂质的粗银。该电解池的 b 极为阴极，阴极上有红棕色气 体生成，可知 NO 3被还原为 NO2，电极反应式为 NO 32H e=NO2H2O。 (2)根据电解装置图，两电极区电解液分别为 LiOH 和 LiCl 溶液，B 极区产生 H2，电极反应式为 2H 2e =H2，剩余 OH与 Li结合生成 LiOH，所以 B 极区电解液为 LiOH 溶液，B 电极为阴极，则 A 电极为阳极，阳极区电解液为

24、LiCl 溶液，电极反应式为 2Cl 2e=Cl2，电解过程中 Li向 B 电极迁 移。 (3)在钢制品上电镀铝，故钢制品作阴极，与电源负极相连。由于电镀过程中“不产生其他阳离子且有 机阳离子不参与电极反应”，Al 元素在熔融盐中以 Al2Cl 7和 AlCl 4形式存在，则电镀过程中阴极电极反 应式为 4Al2Cl 73e =Al7AlCl 4。若电解液改为氯化铝水溶液，水溶液中得电子能力 Al3 H，故阴极 上的电极反应式为 2H 2e=H2。 15常温下用惰性电极电解 200 mL 氯化钠、硫酸铜的混合溶液，所得气体的体积随时间变化如下图 所示，根据图中信息回答下列问题。(气体体积已换算

25、成标准状况下的体积，且忽略气体在水中的溶解和溶 液体积的变化) (1)曲线_(填“”或“”)表示阳极产生气体的变化。 (2)氯化钠的物质的量浓度为_，硫酸铜的物质的量浓度为_。 (3)t2时所得溶液的 pH 为_。 答案(1)(2)0.1 molL 1 0.1 molL 1 (3)1 解析(1)阴极上 Cu2 首先放电，故开始时，阴极上无气体生成，故表示阳极产生气体的变化。 (2)0t1时间内阳极发生的反应为 2Cl 2e=Cl2，n(Cl2) 0.224 L 22.4 Lmol 10.01 mol，n(NaCl)n(Cl )2n(Cl2)0.02 mol，c(NaCl)0.02 mol 0.

26、2 L 0.1 molL 1；阴极上依次发生反应 Cu22e=Cu、2H2e =H2， 阳极上依次发生反应 2Cl2e=Cl2、 4OH4e=O22H2O， 由图可知 V(H2)0.672 L， V(Cl2) 0.224 L ， V(O2) 0.448 L ， 由 得 失 电 子 守 恒 可 知 0.672 L 22.4 Lmol 12 c(Cu 2)0.2 L2 0.224 L 22.4 Lmol 12 0.448 L 22.4 Lmol 14，解得 c(Cu 2) 0.1 molL 1。 2022 高中化学新教材同步讲义资料 (3)由 4OH O24H可得： n(H)0.3360.224 L 22.4 Lmol 1 40.02 mol， 则溶液中的 c(H )0.02 mol 0.2 L 0.1 molL 1，pH1。