第四章 第三节 第2课时 教案及习题（高中化学 选修4 步步高）.docx

1、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、电解原理的应用 1氯碱工业 (1)概念：用电解饱和氯化钠溶液的方法来制取氢氧化钠、氢气和氯气，并以它们为原料生产 一系列化工产品的工业，称为氯碱工业。 (2)原理： 通电前，氯化钠溶液中含有的离子是 Na 、Cl、H、OH。 通电时，移向阳极的离子是 Cl 、OH，移向阴极的离子是 Na、H。 阳极反应

2、式为 2Cl 2e=Cl 2； 阴极反应式为 2H 2e=H 2； 因 H 放电，促进了水的电离，使阴极区溶液显碱性。 电解的总反应式 化学方程式为 2NaCl2H2O= 电解 H2Cl22NaOH； 离子方程式为 2Cl 2H 2O= 电解 H2Cl22OH 。 (3)氯碱工业生产流程 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，也能避免氯气与阴极产生 的氢氧化钠反应而影响氢氧化钠的产量。 相关链接 (1)氯碱工业规律的记忆口诀： 氢气烧碱出阴极，氯气阳极相隔离。 因为阳极

3、产物 Cl2和阴极产物 H2会发生反应，Cl2和 NaOH 会发生反应，因此工业上常用 特殊的电解槽电解饱和食盐水，一般用阳离子交换膜将电解槽分隔成两部分，以避免电解产 物之间发生反应。 阳极区 Cl 放电生成 Cl 2，生成的 Cl2少量溶于水会使阳极区呈酸性。 (2)离子交换膜法制烧碱 离子交换膜法电解饱和食盐水制烧碱的主要原理是使用的阳离子交换膜有特殊的选择透过 性，只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过，即只允许 H 、Na通过，而 Cl、OH和 两极产物 H2和 Cl2无法通过， 因而起到了防止阳极产物 Cl2和阴极产物 H2相混合而导致爆炸 的危险，还起到了避免 Cl2和阴极另一产

4、物 NaOH 反应而影响烧碱纯度的作用，其装置如图 所示。 当接通电源后，在电场的作用下，带负电的 Cl 和 OH移向阳极，带正电的 Na和 H移向阴 极，在这种条件下，电极上发生的反应分别为 阳极：2Cl 2e=Cl 2 阴极：2H 2e=H 2 随着电解的不断进行，阴极区溶液的 OH 浓度越来越大，并生成 NaOH，电解饱和食盐水的 总反应为 2NaCl2H2O= 电解 2NaOHH2Cl2。 2电镀 (1)电镀的概念：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。电镀可以 使金属更加美观耐用，抗腐蚀性能增强。 (2)某电镀铜实验装置(电镀池)如图所示。 请回答下列问题： 铜片

5、为镀层金属，与直流电源的正极相连，作阳极； 铁件为待镀金属，与直流电源的负极相连，作阴极； 硫酸铜溶液为电镀液，含有镀层金属离子。 阳极反应式为 Cu2e =Cu2； 阴极反应式为 Cu2 2e=Cu。 可观察到的现象是铁件表面镀一层红色的铜，铜片不断溶解。 硫酸铜溶液浓度的变化是不变。 (3)电镀的特点是阳极参与电极反应，电镀过程中相关离子的浓度、溶液 pH 等保持不变。 相关链接 (1)电镀规律记忆口诀： 镀层阳极待镀阴，镀层离子溶液跟。 我与电解共原理，浓度不变要记真。 (2)电镀特点：“1 多、1 少、1 不变”。“1 多”是指阴极上有镀层金属沉积，“1 少”是指 阳极上有镀层金属溶解

6、，“1 不变”是指电解质溶液的浓度不变。 3电解精炼铜 (1)粗铜中往往含有铁、锌、银、金等多种杂质，常用电解的方法进行精炼。电解池的构成是 用粗铜作阳极，用纯铜作阴极，用硫酸铜溶液作电解质溶液。 (2)阳极反应式为 Cu2e =Cu2、Zn2e=Zn2、Fe2e=Fe2等；阴极反应式为 Cu2 2e =Cu。 (3)电解精炼铜的原理：粗铜中比铜活泼的金属锌、铁等，失去电子形成阳离子而溶解(残留在 溶液中)；比铜不活泼的金属银、金等，以金属单质的形式沉积在电解槽的底部(形成阳极泥)； 粗铜中的铜在纯铜上析出。 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

7、。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： 阳极反应式为 2Cl 2e=Cl 2； 阴极反应式为 2Na 2e=2Na； 总反应方程式为 2NaCl(熔融)= 电解 2NaCl2。 分析电解应用问题的思维模型 (1)看电池(所给装置是电解池还是电镀池)，分电极(由电源的正极和负极确定)； (2)析溶液(电解质溶液中含有的离子)，判流向(电子的流向、离子移动方向)； (3)定微粒(确定两极上发生反应的微粒)，写反应(电极反应式、总反应方程式)。 例 1 化学实验小组在学习化学电源和氯

8、碱工业相关知识后，在实验室进行实验验证。他们 设计组装了如图所示装置，已知 a 为石墨电极，b 为铁电极，c 为铝电极(已除去表面氧化膜)， d 为多孔石墨电极，烧杯中是足量饱和食盐水(滴有酚酞)，连好导线后，电流表指针发生明显 偏转。下列判断正确的是( ) Ab 为负极，d 为阳极 B一段时间后，a 和 d 电极附近溶液变红 Cb 电极的电极反应式为 2Cl 2e=Cl 2 D电解一段时间，当 B 中出现大量白色沉淀时，停止实验，再将 A 中溶液倒入 B 中混合， 充分振荡，沉淀全部消失 答案 D 解析 右侧装置为原电池，左侧装置为电解池。在右侧装置中，通入 O2的电极为原电池的正 极，其电

9、极反应式为 O24e 2H 2O=4OH ，所以一段时间后 d 电极附近溶液变红，Al 为原电池的负极，Al 失去电子生成 Al3 ，Al3与溶液中的 OH反应生成白色 Al(OH) 3沉淀， 电池总反应式为 4Al3O26H2O=4Al(OH)3，a 与电池的正极相连，故 a 为电解池的阳极， b 与电池的负极相连， 故 b 为电解池的阴极， 电解饱和 NaCl 溶液时， Cl 在 a 极放电生成 Cl 2， H 在 b 极放电生成 H 2，故一段时间后 b 电极附近溶液变红。根据得失电子守恒，A 中产生 的 NaOH 与 B 中 Al3 结合的 OH物质的量相等，所以电解一段时间后，将 A

10、、B 混合并充分 振荡，Al(OH)3能被 NaOH 全部溶解。 考点 电解原理的应用 题点 氯碱工业 例 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 答案 A 解析 电镀原理是镀层金属作阳极，镀件作阴极，含有镀层金属阳离子的电解质溶液作电镀 液。 考点 电解原理的应用 题点 电镀 例 3 金属镍有广泛的用途。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

11、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。 考点 电解原理的应用 题点 电解精炼铜 4在冶金工业中，钠、镁、铝等金属常用电解法得到，其原因是( ) A都属于轻金属 B都属于活泼金属 C成本低廉 D这些金属的化合物熔点较低 答案 B 解析 金属冶炼方法的选取主要依据是金属的活泼性强弱，不活泼的金属可以用热分解法制 备，如加热氧化汞；比较活泼的金属用热还原法制备，如用焦炭炼铁；活泼的金属离子很难 被其他还原剂还原，只能用电解法制备。由于钠、镁、铝是活泼金属，所以只能用电解法。 考点 电解原理的应用 题点 电冶金 5电解法处理酸性含铬废

12、水(主要含有 Cr2O2 7)时，以铁板作阴、阳极，处理过程中存在反应 Cr2O2 76Fe 214H=2Cr36Fe37H 2O，最后 Cr 3以 Cr(OH) 3形式除去。下列说法不 正确的是( ) A阳极反应为 Fe2e =Fe2 B电解过程中溶液 pH 不会变化 C过程中有 Fe(OH)3沉淀生成 D电路中每转移 12 mol 电子，最多有 1 mol Cr2O2 7被还原 答案 B 解析 电解时用铁作阳极，失去电子生成 Fe2 ，Fe2将废水中的 Cr 2O 2 7还原为 Cr 3，A 项正 确；阴极反应式为 2H 2e=H 2，溶液的 pH 变大，B 项错误；电解过程中 H 在阴极

13、放 电， Fe2 还原 Cr 2O 2 7时也消耗 H ， 使溶液的 pH 变大， Fe3转化为 Fe(OH) 3沉淀， C 项正确； 根据电极反应式：Fe2e =Fe2，可知每转移 12 mol e生成 6 mol Fe2，6 mol Fe2可还原 1 mol Cr2O2 7，D 项正确。 考点 电解原理的应用 题点 电解法在处理废水中的应用 6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

14、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。 考点 电解原理的应用 题点 电解原理应用的综合 7 氯碱工业的一种节能新工

15、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(电极未标出)。下列说法正确的是( ) A电解池的阴极反应式为 2H2O2e =H 22OH 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 =H 22OH ，阳极反应式为 2Cl2e =Cl2，A 项正确；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

16、 1 mol O2，C 项错误；题给燃料电池的负极反应式为 2H24e 4OH=4H 2O，正 极反应式为 O24e 2H 2O=4OH ，所以 a、b、c 的大小关系为 cab，D 项错误。 考点 电解原理的应用 题点 电解原理应用的综合 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 H2 B1.12 L O2 C2.24 L H2 D2.24 L O2 答案 D 解析 溶液中有 Cu2 、H及 SO2 4、OH 四种离子，得电子能力 Cu2H，失电子能力 OH SO2 4，阴极反应为 2Cu 24

17、e=2Cu，阳极反应为 4OH4e=2H 2OO2，总反应为 2CuSO42H2O= 电解 2Cu2H2SO4O2。n(Cu)12.8 g 64 g mol 10.2 mol，n(O 2) 0.1 mol，在标准状况下体积为 2.24 L，D 正确。 考点 电解的有关计算 题点 电解产物的相关计算 9用含少量银和锌的粗铜作阳极，纯铜片作阴极，CuSO4溶液作电解液，电解一段时间后， 阳极质量减少了 x g，则( ) A电解液质量增加 x g B阴极质量增加 x g C阴极质量增加 b g，bx D阴极质量增加 b g，bM(Cu)，且还有一部分 Ag 要落 入阳极泥，所以阳极溶解的金属的质量大

18、于阴极析出铜的质量，即 bx，所以 B、C 项错误， D 项正确；若阴极析出铜的质量为 b g，阳极落入阳极泥的 Ag 的质量为 m g，则电解质溶液 增加的质量为(xmb) g，A 项错误。 考点 电解的有关计算 题点 电解产物的相关计算 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 mol B0.5 mol C0.6 mol D0.8 mol 答案 D 解析 将 Cu(OH)2改写为 CuO H2O，根据 CuO H2O 知，阳极上 OH 放电生成 O 2，

19、阴极上 Cu2 和 H放电生成 Cu 和 H 2，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 mol40.8 mol，故 D 正确。 考点 电解的有关计算 题点 电解质溶液复原的相关计算 11用石墨作电极电解 1 000 mL 硝酸钾和硝酸铜的混合溶液，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 ( ) A4 B3 C2 D1 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

20、生 0.005 mol 氢气时，阳极产生氧气 0.002 5 mol；由 2Cu2 2H 2O= 电解 2Cu4H O2可知，产生n(H )(0.005 mol0.002 5 mol)40.01 mol，c(H)0.01 mol L1，pH2。 考点 电解的有关计算 题点 电解质混合溶液的相关计算 12(2018 山西大学附属中学高二诊断)500 mL KNO3和 Cu(NO3)2的混合溶液中 c(NO 3) 6 mol L 1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到 11.2 L 气体(标准 状况)，假定电解后溶液的体积仍为 500 mL，下列说法正确的是( ) A原混合溶液

21、中 c(K )为 2 mol L1 B上述电解过程中共转移 8 mol 电子 C电解得到的 Cu 的物质的量为 0.5 mol D电解后溶液中 c(H )为 4 mol L1 答案 C 解析 根据题意， 阳极反应式为 4OH 4e=2H 2OO2， 阴极反应式为 Cu 22e=Cu、 2H 2e=H 2；两极均生成 11.2 L 气体(标准状况)，说明氧气和氢气均是 0.5 mol，根据 阴、阳两极上转移电子数相同可得：2n(Cu)2n(H2)4n(O2)，则 n(Cu)1 2(0.5 mol4 0.5 mol2)0.5 mol，Cu2 浓度是0.5 mol 0.5 L 1 mol L 1；溶

22、液中 c(K)2c(Cu2)c(NO 3)，则 c(K )4 mol L1，故 A 错误；根据阳极反应，产生 11.2 L O 2(标准状况)时转移 2 mol 电子， 故 B 错误； 根据以上分析可知 C 正确； 根据电极反应式， 阳极消耗 2 mol OH ， 阴极消耗 1 mol H ，故电解后溶液中 c(H)21 mol 0.5 L 2 mol L 1，故 D 错误。 考点 电解的有关计算 题点 电解计算的相关综合 13工业品氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸根杂质，可用离子交换膜法电解提纯。电解槽 内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过)，其工作原理如图所示。 (1)该电解槽的阳极反应式是

23、_。 (2)通电开始后，阴极附近溶液 pH 会增大，请简述原因 _ _。 (3)除去杂质后得氢氧化钾溶液，液体从出口_(填写“A”或“B”)导出。 答案 (1)4OH 4e=O 22H2O (2)H2O 电离出的 H 放电，同时生成 OH，OH浓度增大 (3)B 解析 (1)阳极是左池，氢氧根放电。(2)H2O 电离出的 H 放电，同时生成 OH，OH浓度增 大。(3)K 经阳离子交换膜进入右池，右池中 H 2O 电离出的 H 放电，剩下 OH；除去杂质后 得氢氧化钾溶液从 B 口导出。 考点 电解原理的应用 题点 氯碱工业 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

24、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 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

25、阴极产物为_。 答案 (1)a NO 32H e=NO 2H2O (或 NO 34H 3e=NO2H 2O、2NOO2=2NO2) (2)LiOH 2Cl 2e=Cl 2 B (3)负 4Al2Cl 73e =Al7AlCl 4 H2 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

26、区产生 H2，电极反应式 为 2H 2e=H 2，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 LiCl 溶液， 电极反应式为 2Cl 2e=Cl 2， 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

27、，故阴极上的电极反应式为 2H2e=H 2。 考点 电解原理的应用 题点 电解原理应用的综合 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 mol L 1 0.1 mol L1 (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

28、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=Cl 2，n(Cl2) 0.224 L 22.4 L mol 10.01 mol， n(NaCl)n(Cl )2n(Cl 2)0.02 mol，c(NaCl)0.02 mol 0.2 L 0.1 mol L 1；阴极上依次发生反应 Cu2 2e=Cu、2H2e=H 2，阳极上依次发生反应 2Cl 2e=Cl 2、4OH 4e =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 L mol 12c(Cu2 )0.2 L2 0.224 L 22.4 L mol 12 0.448 L 22.4 L mol 14，解得 c(Cu2 )0.1 mol L1。 (3)由 4OH O 24H 可得：n(H)0.3360.224 L 22.4 L mol 140.02 mol，则溶液中的 c(H ) 0.02 mol 0.2 L 0.1 mol L 1，pH1。 考点 电解的有关计算 题点 电解计算的相关综合