1、第第2 2课时电解原理的应用课时电解原理的应用第第1 1章章2021内容索引课前篇课前篇 素养初探素养初探课堂篇课堂篇 素养提升素养提升素养目标理解并掌握电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜、电冶金的原理,能利用电解知识解决生活和生产中的实际问题,体验科学态度与社会责任的学科核心素养。课前篇课前篇 素养初探素养初探知识铺垫电解熔融氯化钠制得钠,电解饱和氯化钠溶液能否制得钠?提示否。由于饱和氯化钠溶液中含有Cl-、OH-、H+及Na+,且H+的放电能力比Na+强,则阴极H+放电生成H2,所以得不到金属钠。必备知识1.电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气(1)装置:(2)现象:阳极:有刺激性气味的黄绿色
2、气体产生。阴极:有无色无味的气体产生,阴极附近溶液变红。(3)原理分析及电极反应:电解时,OH-、Cl-移向阳极,H+、Na+移向阴极。阳极电极反应:2Cl-2e-=Cl2,氧化反应。阴极电极反应:2H+2e-=H2,还原反应。(4)电解总反应:2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2+H2。离子方程式:2Cl-+2H2O 2OH-+Cl2+H2。2.铜的电解精炼(1)装置:(2)精炼铜时的电极反应:阳极:Cu-2e-=Cu2+,Zn-2e-=Zn2+,Fe-2e-=Fe2+,Ni-2e-=Ni2+。阴极:Cu2+2e-=Cu。3.电镀(1)定义:应用电解原理在金属表面镀上一薄层金属或合金的方
3、法。(2)电镀池的设计:一般都是用含有镀层金属离子的电解质溶液作为电镀液;把镀层金属浸入电镀液中与直流电源的正极相连,作为阳极;镀件与直流电源的负极相连,作为阴极。如铁钉镀铜。电镀铜实验装置 阳极:Cu-2e-=Cu2+。阴极:Cu2+2e-=Cu。(3)电镀的主要目的:提高金属的抗腐蚀能力、耐磨性能或改善金属制品外观。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)电解熔融的氯化镁可制取金属镁。阳极反应:2Cl-2e-=Cl2;阴极反应:Mg2+2e-=Mg;总反应:MgCl2(熔融)Mg+Cl2。【微思考】能否电解无水氯化铝制
4、备金属铝?提示否。因为氯化铝是共价化合物,熔融时不导电,不能电离产生Al3+和Cl-。正误判断判断下列说法是否正确,正确的打“”,错误的打“”。(1)氯碱工业是非常重要的化工生产工业,在电解饱和食盐水时,在阴极上得到的产物为H2和NaOH。()(2)电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网作为阳极。()(3)电解法精炼粗铜,用纯铜作为阳极。()(4)在镀件上电镀锌,用锌作为阳极。()(5)电解法精炼粗铜时,电解质溶液中各离子浓度一定不变。()(6)在镀件上电镀铜,电镀过程中阳极减少的质量等于阴极增加的质量。()(7)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。()答案(1)(2)(3)(4)(5)
5、(6)(7)课堂篇课堂篇 素养提升素养提升探究一探究一电解原理的应用电解原理的应用问题探究1.氯碱工业的原理是什么?提示2NaCl+2H2O 2NaOH+H2+Cl2。2.实际生产过程中为什么要用阳离子交换膜?提示常用阳离子交换膜将两溶液分开,使阳离子能透过阳离子交换膜,而阴离子不能通过,避免生成的氯气和氢氧化钠发生反应。深化拓展1.电解饱和食盐水制取烧碱(1)电极反应:阳极:2Cl-2e-=Cl2(氧化反应),阴极:2H+2e-=H2(还原反应)。(2)电解总反应:总反应化学方程式:2NaCl+2H2O 2NaOH+H2+Cl2。总反应离子方程式:2Cl-+2H2O 2OH-+H2+Cl2。
6、(3)氯碱工业制烧碱、氢气和氯气:【微点拨1】工业上电解饱和食盐水制备烧碱时必须阻止OH-移向阳极,以使NaOH在阴极溶液中富集,常用阳离子交换膜将两溶液分开,使阳离子能透过阳离子交换膜,而阴离子不能通过。2.铜的电解精炼与电镀铜的对比 项目电解精炼铜电镀铜电极材料阴极精铜镀件阳极粗铜纯铜电极反应阳极Cu-2e-=Cu2+等Cu-2e-=Cu2+阴极Cu2+2e-=CuCu2+2e-=Cu电解质溶液浓度的变化Cu2+减少,有比铜活泼的金属的阳离子进入溶液电解质溶液成分及浓度均不变【微点拨2】电解精炼铜时,阳极减少的质量与阴极增加的质量不相等,电解质溶液的浓度减小;粗铜中不活泼的杂质(金属活动性
7、顺序中位于铜之后的银、金等),在阳极难以失去电子,当阳极上的铜失去电子变成离子之后,这些不活泼的杂质以金属单质的形式沉积于电解槽的底部,成为阳极泥。3.电冶金利用电解熔融盐(或氧化物)的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。项目电解总反应阳极、阴极反应冶炼钠2NaCl(熔融)2Na+Cl22Cl-2e-=Cl2、2Na+2e-=2Na冶炼镁MgCl2(熔融)Mg+Cl22Cl-2e-=Cl2、Mg2+2e-=Mg冶炼铝2Al2O3(熔融)4Al+3O26O2-12e-=3O2、4Al3+12e-=4Al素能应用典例1在突如其来的新冠肺炎疫情期间,84消毒液成了家庭消毒的必备物品。某同学想
8、制作一种家用环保型消毒液发生器,用石墨作为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(垂直使用)。以下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NaClB.a为负极,b为正极;NaClO和NaClC.a为阳极,b为阴极;HClO和NaClD.a为阴极,b为阳极;HClO和NaCl答案B 解析电解饱和食盐水的总反应为2NaCl+2H2O 2NaOH+H2+Cl2,NaOH在阴极区生成,Cl2在阳极区生成。按照该同学制作的竖直的家用环保型消毒装置,若将阳极置于上方,则氯气一生成即逸出,不能完全与Na
9、OH作用。因此,应将阳极置于下方,阴极置于上方,下方阳极生成的氯气通过溶液时即可充分地被阴极生成的NaOH吸收,吸收过程发生反应的化学方程式为Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O。还应注意的是图中电极a、b是电源的电极而非电解池的电极。与电解装置上方阴极相连的a为电源的负极,则b为正极。规律方法 做到“三看”,正确书写电极反应(1)一看电极材料,若是金属(Au、Pt等除外)作为阳极,则阳极金属失电子(注:Fe作为阳极时失电子生成Fe2+而不是生成Fe3+)。(2)二看离子导体是否参与电极反应。(3)三看离子导体状态,若是熔融状态,则为金属的电冶炼。变式训练1如图为阳离子交换膜法电解
10、饱和食盐水的原理示意图(所用电极均为惰性电极)。下列说法不正确的是()A.从E口逸出的气体是H2B.从B口加入含少量NaOH的水溶液以增强导电性C.标准状况下每生成22.4 L Cl2,便产生2 mol NaOHD.若B口不加入物质,则电解一段时间后加适量盐酸可以使电解质溶液恢复到电解前的浓度答案D 解析由钠离子的移动方向可以确定左边电极为阳极,右边电极为阴极。阴极发生还原反应,氢气从E口逸出,B口应补充水并加入少量NaOH增强溶液的导电性,D口得到氢氧化钠浓溶液,A、B项正确。电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2O 2NaOH+H2+Cl2,当有1 mol氯气生成时,有2 mol氢
11、氧化钠生成,C项正确。电解过程中减少的是氢气和氯气且二者物质的量之比为1 1,若B口不加入物质,则电解一段时间后补充适量的氯化氢气体可以使电解质溶液恢复到电解前的浓度,D项错误。探究二探究二有关电解计算的三种常用方法有关电解计算的三种常用方法问题探究在粗铜的精炼中,阴极和阳极通过的电子数相等吗?阴极和阳极两个电极上的质量变化一样吗?提示两个电极上通过的电子数一样;两个电极的质量变化不相等。深化拓展深化拓展有关电解计算的方法(1)根据电子守恒法计算:用于串联电路中各电极产物的计算,其依据是电路上转移的电子数相等。(2)根据电解总反应计算。先写电极反应,再写出电解总反应,最后根据电解总反应计算。(
12、3)根据关系式计算。根据电子得失相等找到已知量与未知量之间的关系,从而推出计算所需的关系式。【微点拨】(1)电解过程中产生的H+或OH-,其物质的量等于转移电子的物质的量。(2)进行电解计算时,要注意电极上离子的放电顺序,从而确定不同阶段的电极反应。素能应用典例2以石墨电极电解200 mL CuSO4溶液,电解过程中转移电子的物质的量n(e-)与产生气体总体积V(标准状况下)的关系如图所示。下列说法中正确的是()A.电解前CuSO4溶液的物质的量浓度为2 molL-1B.忽略溶液体积变化,Cu2+恰好完全放电时所得溶液中c(H+)=2 molL-1C.当n(e-)=0.6 mol时,V(H2)
13、V(O2)=3 2D.当n(e-)=0.8 mol时,向电解后的溶液中加入16 g CuO,则溶液可恢复到电解前的浓度答案B 解析电解CuSO4溶液时,阳极反应为2H2O-4e-=O2+4H+,阴极反应为Cu2+2e-=Cu,若阴极上没有氢离子放电,则图中气体体积与转移电子物质的量的关系曲线应是直线,而题图中是折线,说明阴极上还发生反应:2H+2e-=H2。当转移0.4 mol电子时,Cu2+恰好完全析出,规律方法 电解过程中的一般计算方法 如以通过4 mol e-为桥梁可构建如下关系式:(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)变式训练2-1将两个铂电极插入500 mL CuSO4溶液中进行电
14、解,通电一段时间后,某一电极增重0.064 g(设电解时该电极无氢气析出,且不考虑溶液体积的变化),此时溶液中氢离子的浓度约为()A.410-3 molL-1B.210-3 molL-1C.110-3 molL-1D.110-7 molL-1答案A 解析阴极反应为Cu2+2e-=Cu,增重0.064 g应是生成Cu的质量,设生成H+的物质的量为x,根据总反应离子方程式:2Cu2+2H2O 2Cu+O2+4H+264 g4 mol 0.064 gx解得x=0.002 mol变式训练2-2如图所示,图乙是图甲的电解池进行电解时某个量(纵坐标y)随时间变化的函数图像(各电解池都用石墨作为电极,不考虑
15、电解过程中溶液浓度变化对电极反应的影响),这个量y表示的是()A.各电解池析出气体的体积 B.各电解池阳极质量的增加量C.各电解池阴极质量的增加量D.各电极上放电的离子总数答案C解析电解氯化钠溶液时,阴、阳极都产生气体物质;电解硝酸银溶液时,阴极上产生单质银;电解硫酸铜溶液时阴极上产生单质铜。所以随着电解的进行阴极质量的增加量有如图乙所示的变化。素养脉络素养脉络随堂检测随堂检测1.关于电解氯化钠水溶液(铁作为阴极、石墨作为阳极),下列叙述正确的是()A.若在阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液,溶液呈无色B.若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液,溶液呈棕黄色C.电解时在阳极得到氯气,在阴极得到金属钠D.电
16、解一段时间后,将全部电解液转移到烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性答案B 解析电解食盐水时阳极反应为2Cl-2e-=Cl2,阴极反应为2H+2e-=H2,电解总反应为2NaCl+2H2O 2NaOH+H2+Cl2。对照分析选项,C错误;阳极附近的溶液中会溶有少量的Cl2,滴加KI溶液后发生反应:Cl2+2I-=I2+2Cl-,溶液呈棕黄色,B正确;阴极附近产生大量的OH-,滴加酚酞后溶液变红色,A错误;电解后生成了NaOH,溶液呈碱性,D错误。2.如图所示的A、B两个电解池中的电极均为铂电极,在A池中加入0.05 molL-1的CuCl2溶液,B池中加入0.1 molL-1的AgNO3溶液,进行电解
17、。一段时间后a、b、c、d四个电极上所产生的物质的物质的量之比是()A.2 2 4 1B.1 1 2 1C.2 1 1 1D.2 1 2 1答案A 解析由电解规律可知,a、c为阴极,b、d为阳极。a极上析出Cu,b极上逸出Cl2,c极上析出Ag,d极上逸出O2。由转移电子守恒可得出:2e-CuCl22Ag O2,所以a、b、c、d四个电极上所产生的物质的物质的量之比为1 1 2 =2 2 4 1。3.用惰性电极电解一定浓度的硫酸铜溶液,通电一段时间后,向所得的溶液中加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3后恰好恢复到电解前的状态(不考虑二氧化碳的溶解),则电解过程中共转移电子的物质的量为()
18、A.0.4 molB.0.5 molC.0.6 molD.0.8 mol答案C 解析电解硫酸铜溶液时,第一阶段:2CuSO4+2H2O 2Cu+O2+2H2SO4,第二阶段:2H2O 2H2+O2,如果只按第一阶段的电解反应,只需要加入CuO或CuCO3就可以使溶液恢复到电解前的状态,但是现在加入的是Cu2(OH)2CO3,相当于多加了0.1 mol H2O,0.1 mol的水应该是第二阶段的反应消耗的,该阶段转移了0.2 mol电子,第一阶段转移了0.4 mol电子,所以总共转移0.6 mol电子。4.用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,电解质溶液一般为H2SO4-H2C2
19、O4混合溶液。下列叙述错误的是()A.待加工铝质工件为阳极B.可选用不锈钢网作为阴极C.阴极的电极反应为Al3+3e-=AlD.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动答案C解析利用电解氧化法在铝制品表面形成致密的Al2O3薄膜,即待加工铝质工件作为阳极,A项正确;阴极与电源负极相连,对阴极电极材料没有特殊要求,可选用不锈钢网等,B项正确;电解质溶液呈酸性,阴极上应是H+放电,C项错误;在电解过程中,电解池中的阴离子向阳极移动,D项正确。5.将两个惰性电极插入CuSO4溶液中,通电进行电解。(1)当有1.010-3 mol的OH-放电时,溶液显浅蓝色,则在阴极上析出铜的质量是。(2)若溶液的体积为1 L,忽略溶液体积变化,在标准状况下放出5.6 mL O2时,溶液的c(H+)为。答案(1)0.032 g(2)110-3 molL-1 解析(1)用惰性电极电解CuSO4溶液时,阴极电极反应为:2Cu2+4e-=2Cu,阳极电极反应为:4OH-4e-=O2+2H2O。当有1.010-3 mol的OH-放电时,生成标准状况下的O2为5.6 mL,此时转移电子为1.010-3 mol,则在阴极上析出Cu为0.032 g。(2)阳极:4OH-4e-=2H2O+O24 mol 1 moln=1.010-3 mol,即消耗1.010-3 mol OH-,应生成1.010-3 mol H+,
