高中化学鲁科版选修4 化学反应原理第1章 化学反应与能量转化第3节 化学能转化为电能—电池第2课时学案

第2课时　电解原理的应用

1．电解食盐水制备烧碱、氢气和氯气

　向上述实验中滴入酚酞溶液，接通电源后，哪个电极附近溶液的颜色发生了变化？为什么？

提示：接通电源后，阴极区溶液变红色。原因：H2O电离出的H＋放电，水的电离平衡右移，使c(OH－)增大，即阴极区产生碱，使酚酞变红色。

2．铜的电解精炼

(1)装置

(2)粗铜成分

①主要成分：Cu。

②杂质金属：比铜活泼的有Zn、Fe、Ni等。

比铜不活泼的有Ag、Pt、Au等。

(3)电极反应

微点拨：(1)粗铜中含Zn、Fe、Ag等杂质，同时间段内两电极改变的质量不相等，但两电极通过的电量相等。

(2)电解过程中，阴离子浓度不变，Cu2＋浓度减小，Fe2＋、Zn2＋、Ni2＋浓度增大。

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法。

(2)目的：增强金属的抗腐蚀能力、耐磨性能或改善金属制品的外观。

(3)根据电解原理，设计在铁钉上镀铜的实验方案

微点拨：电镀的特点：“一多、一少、一不变”。

(1)一多：是指阴极上有镀层金属沉积；

(2)一少：是指阳极上有镀层金属溶解；

(3)一不变：是指电镀后，电解质溶液中的离子浓度保持不变。

4．钒液流电池

以全钒液流电池为例，酸性溶液中钒通常以V2＋、V3＋、VO2＋、VO等形式存在。充电时，VO2＋在阳极被氧化为VO，V3＋在阴极被还原为V2＋。以液流电池为代表的电化学储能技术可为可再生能源发电提供有力的支持，缓冲昼夜、季节的用电变化对电网的影响。

1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)氯碱工业中，阳极区产生H2和NaOH。(　　)

(2)精炼铜装置中，粗铜作阴极，精铜作阳极。(　　)

(3)精炼铜过程中，电解质溶液中c(Cu2＋)不变。(　　)

(4)电镀装置中，镀件作阴极，待镀金属作阳极。(　　)

(5)电镀过程中，电解质溶液的浓度减小。(　　)

提示：(1)×　氯碱工业中，阴极区产生H2和NaOH，阳极区产生Cl2。

(2)×　精炼铜装置中，粗铜作阳极，精铜作阴极。

(3)×　精炼铜过程中，电解质溶液中c(Cu2＋)减小。

(4)√

(5)×　电镀过程中，电解质溶液的浓度不变。

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．Fe和AgNO3溶液

D．Pt和Ag2SO4溶液

[答案]　B

3．粗铜的电解精炼如图所示。在粗铜的电解过程中，粗铜板应是图中电极________(填图中的字母)；在电极d上发生的电极反应式为_________________；

若粗铜中还含有Au、Ag、Fe，它们在电解池中的存在形式和位置为_________

___________________________________________________________________。

[答案]　c　Cu2＋＋2e－===Cu　Au、Ag以单质的形式沉积在c(阳极)下方，Fe以Fe2＋的形式进入电解液

电解原理的应用

(素养养成——证据推理与模型认知)

实验目的：模拟电解原理的应用。实验装置：如图所示：

1．若用如图所示装置，模拟氯碱工业，则电解质溶液c、电极a、电极b的电极材料分别是什么？电极反应式和总反应式分别是什么？用这种装置进行氯碱工业生产有什么缺点？如何改进？

提示：若用如图所示装置，模拟氯碱工业，则电解质溶液c是NaCl溶液、电极a、电极b的电极材料分别为Pt电极或石墨。电解时，阳极发生氧化反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极发生还原反应：2H＋＋2e－===H2↑，电解的总反应式为2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。该装置的缺点是生成的NaOH和Cl2以及Cl2与H2容易混合反应。改进的方法是在两极之间加一个离子交换膜。

2．若用如图所示装置，模拟铁制品上镀铜，则电解质溶液c、电极a、电极b的电极材料分别是什么？电镀过程中电解质溶液的浓度如何变化？

提示：若用如图所示装置，模拟铁制品上镀铜，则电极a是Cu，电极b是铁制品，电解质溶液c是CuSO4溶液。电镀过程中电解质溶液的浓度不变。

3．若用如图所示装置，模拟电解精炼粗铜(含Zn、Fe、Ag等杂质)，则电解质溶液c、电极a、电极b的电极材料分别是什么？电极反应式分别是什么？电镀过程中电解质溶液中Cu2＋的浓度如何变化？

提示：若用如图所示装置，模拟电解精炼粗铜(含Zn、Fe、Ag等杂质)，则电解质溶液c为CuSO4溶液、电极a为粗铜、电极b的电极材料是纯铜。电解精炼过程中，阳极上发生的反应依次为Zn－2e－===Zn2＋、Fe－2e－===Fe2＋、Cu－2e－===Cu2＋，阴极上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu，电镀过程中电解质溶液中

Cu2＋的浓度先减小后保持不变。

1．工业电解食盐水制备烧碱

工业电解食盐水制备烧碱时必须阻止OH－移向阳极，以使氢氧化钠在阴极溶液中富集，常用阳离子交换膜将两极溶液分开，使阳离子能通过阳离子交换膜，而阴离子不能通过。

如：氯碱工业中电解饱和食盐水的原理如图所示，可知溶液A的溶质是NaOH。

2．铜的电解精炼与电镀铜对比

3．常见活泼金属的电冶法

【例1】　如图为阳离子交换膜法电解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H2

B．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 NaOH

D．通电一段时间后加适量盐酸可以使电解液恢复到通电前的浓度

D　[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，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＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，当有1 mol氯气生成时，有2 mol氢氧化钠生成，C项正确。通电过程中减少的是氢气和氯气且二者物质的量之比为1∶1，因此补充适量的氯化氢气体可以使电解液恢复到通电前的浓度，D项错误。]

[借题发挥]

(1)如图所示，A、B、C、D、E、F表示的物质分别是什么？

(2)阳离子交换膜的作用是什么？

[答案]　(1)精制饱和食盐水、NaOH的水溶液、淡盐水、NaOH的浓溶液、H2、Cl2。

(2)既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH作用生成NaClO而影响烧碱的质量。

1．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，下列叙述正确的是(已知：氧化性Fe2＋<Ni2＋<Cu2＋)(　　)

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

D　[用电解法制备高纯度的镍时，用纯镍作阴极，粗镍作阳极，含Ni2＋的溶液作电解质溶液。其中阳极反应式：Zn－2e－===Zn2＋、Fe－2e－===Fe2＋、Ni－

2e－===Ni2＋；阴极反应式：Ni2＋＋2e－===Ni。因此电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加并不相等。电解质溶液中存在的阳离子有Zn2＋、Fe2＋、Ni2＋。阳极泥中只有Cu和Pt。]

2．如图中能验证饱和食盐水(含酚酞)的电解产物的装置是(下列各图中的电极均为惰性电极)(　　)

D　[电解饱和食盐水时，阳极产物是Cl2，阴极产物是H2、NaOH，根据图中的电子流向先确定装置中电源的正、负极，从而确定电解池的阴、阳极，然后判断电极产物以及检验方法，D选项符合题意。]

3．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

D　[A项电镀时镀件作阴极；B项电解精炼铜时电解液成分改变；C项电解精炼铜时，若有比铜活泼的金属杂质(如锌)，则阳极还会发生Zn－2e－===Zn2＋的反应。]

有关电解计算的方法

(素养养成——变化观念与平衡思想)

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．根据总反应方程式计算

先写电极反应式，再写总反应方程式，最后根据总反应方程式计算。

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桥梁，得出计算所需的关系式。

【例2】　500 mL NaNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO)＝0.3 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1.12 L气体(标准状况)，假定电解后溶液体积仍为500 mL，下列说法正确的是(　　)

A．原混合溶液中c(Na＋)＝0.2 mol·L－1

B．电解后溶液中c(H＋)＝0.2 mol·L－1

C．上述电解过程中共转移0.4 mol电子

D．电解后得到的Cu的物质的量为0.1 mol

B　[阳极是阴离子放电(放电能力：OH－>NO)，根据题给信息，阳极一定是OH－放电，生成0.05 mol氧气，转移0.2 mol电子；阴极离子放电能力：Cu2＋>

H＋>Na＋，所以Cu2＋先放电，然后是H＋放电，阴极生成0.05 mol氢气时，转移0.1 mol电子，根据得失电子守恒知，Cu2＋转移0.1 mol电子，n(Cu2＋)＝0.05 mol。所以原溶液中n[Cu(NO3)2]＝0.05 mol，n(NO)＝0.3 mol·L－1× 0.5 L＝0.15 mol，n(NaNO3)＝0.05 mol。原混合溶液中c(Na＋)＝0.1 mol·L－1，A项错误；结合以上分析及电解总方程式Cu2＋＋2H2OCu＋H2↑＋O2↑＋2H＋可知，生成0.05 mol Cu、0.05 mol O2、0.05 mol H2和0.1 mol H＋，电解后溶液中c(H＋)＝＝0.2 mol·L－1，B项正确、D项错误；上述电解过程中共转移0.2 mol电子，C项错误。]

[借题发挥]

(1)上题电解后溶液中的溶质为________________。

(2)若为上述过程提供电能的是氢氧燃料电池，则消耗标准状况下的氢气的体积为________。

[解析]　(1)开始阶段电解Cu(NO3)2溶液，生成HNO3，后来电解水，溶质NaNO3不变。

(2)上述过程转移0.2 mol e－，在燃料电池中也转移0.2 mol e－，则消耗0.1 mol H2，标准状况下的体积为2.24 L。

[答案]　(1)HNO3、NaNO3　(2)2.24 L

(1)电解混合溶液时要注意电解的阶段性，电极反应式和总电池反应式，电解产物与转移电子数之间的关系式是电化学计算的主要依据。

(2)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，所以同一时间内通过的电子的物质的量相等。

1．用惰性电极电解M(NO3)x的水溶液，当阴极上增重a g时，在阳极上同时产生b L氧气(标准状况)，从而可知M的相对原子质量为(　　)

A． B．

C． D．

C　[根据得失电子守恒列出物质间的对应关系，设M的相对原子质量为Mr。

Mx＋　～　xe－　～　O2

Mr g              22.4× L

a g               b L

解得Mr＝＝。]

2．如图所示的A、B两个电解池中的电极均为铂，在A池中加入0.05 mol·L－1的CuCl2溶液，B池中加入0.1 mol·L－1的AgNO3溶液，进行电解。a、b、c、d四个电极上所析出的物质的物质的量之比是(　　)

A．2∶2∶4∶1　　 B．1∶1∶2∶1

C．2∶1∶1∶1 D．2∶1∶2∶1

A　[由电解规律可知：a、c为阴极，b、d为阳极。a极上析出Cu，b极上析出Cl2，c极上析出Ag，d极上析出O2。由电子守恒可得出：2e－～Cu～Cl2～2Ag～O2，所以a、b、c、d四个电极上所析出物质的物质的量之比为1∶1∶2∶＝2∶2∶4∶1。]

3．将两支惰性电极插入CuSO4溶液中，通电电解。

(1)当有1.0×10－3 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，溶液中c(H＋)是__________________________________________________。

[解析]　(1)用惰性电极电解CuSO4溶液时，阴极电极反应式为2Cu2＋＋4e－===2Cu，阳极电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O。当有1.0×10－3 mol的OH－放电时，此时转移电子为1.0×10－3 mol，则在阴极上析出Cu的质量为0.032 g。

(2)阳极：

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

4 mol　　　　　　　1 mol

n　　　　　　　 

n＝1.0×10－3 mol，即消耗1.0×10－3 mol OH－，生成

1．0×10－3 mol H＋，

则c(H＋)＝＝1.0×10－3 mol·L－1。

[答案]　(1)0.032 g　(2)1×10－3 mol·L－1

1．下列图示中关于铜电极的连接，错误的是(　　)

A．铜锌原电池          B．电解精炼铜

C．镀件上镀铜 　D．电解氯化铜溶液

C　[A.原电池中易失电子的金属作负极，Cu、Zn、稀硫酸原电池中，锌易失电子作负极、Cu作正极，故A正确；B.电解精炼粗铜时，粗铜作阳极、精铜作阴极，硫酸铜溶液作电解质溶液，其连接正确，故B正确；C.电镀时，镀层作阳极、镀件作阴极，硫酸铜溶液作电解质溶液，其连接错误，故C错误；D.电解氯化铜溶液时，可以用石墨作阳极、铜作阴极，石墨连接电池正极、铜连接电池负极，故D正确。]

2．(双选)化学在生产和日常生活中有着重要的应用。下列说法正确的是

(　　)

A．铁表面镀锌，铁作阳极

B．工业上电解饱和食盐水的阳极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑

C．电解法精炼粗铜，用精铜作阴极

D．电解MgCl2饱和溶液，可制得金属镁

BC　[选项A，铁作阳极，铁要溶解，铁应该作阴极。选项B，Cl－在阳极失电子能力大于OH－，电解饱和食盐水时，Cl－在阳极失去电子变为Cl2。选项C，电解法精炼粗铜，用精铜作阴极，粗铜作阳极。选项D，电解MgCl2饱和溶液，发生的化学反应为MgCl2＋2H2OMg(OH)2＋Cl2↑＋H2↑，不会产生金属镁，电解熔融的MgCl2能制取单质镁，发生的反应为MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑。]

3．(素养题)如图所示，某同学设计了一个“黑笔写红字”的趣味实验。滤纸先用氯化钠、无色酚酞的混合液浸湿，然后平铺在一块铂片上，接通电源后，用铅笔在滤纸上写字，会出现红色字迹。据此，下列叙述正确的是(　　)

A．铅笔端作阳极，发生还原反应

B．铂片端作阴极，发生氧化反应

C．铅笔端有少量的氯气产生

D．a端是负极，b端是正极

D　[根据电解原理可知电极反应为

阴极：2H＋＋2e－===H2↑(还原反应)

阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应)

若要能够出现“黑笔写红宇”的现象，必须是铅笔作阴极，这样铅笔附近产生的OH－会使酚酞溶液变红。  因此与铅笔相连的a端是直流电源的负极。]

4．串联电路中四个电解池分别装有0.5 mol·L－1的下列溶液，用惰性电极电解，连接直流电源一段时间后，溶液pH最小的是(　　)

A．KNO3溶液 B．NaCl溶液

C．AgNO3溶液 D．CuCl2溶液

C　[电解KNO3溶液一段时间后，溶液仍呈中性；电解NaCl溶液一段时间后，由于产生了NaOH，溶液呈碱性；电解AgNO3溶液一段时间后，由于产生了HNO3，溶液呈酸性；电解CuCl2溶液，H＋或OH－都没有放电，若CuCl2完全电解后，如果不考虑Cl2溶于水生成HCl和HClO，溶液呈中性，pH增大(实际上由于部分Cl2生成HCl、HClO，溶液呈酸性)。]

5．如图所示，甲、乙为相互串联的两电解池。

(1)甲池若为用电解原理精炼铜的装置，则A电极名称为________极，电极材料是________，电极反应式为___________________________________________

___________________________________________________________________，

电解质溶液可以是________________。

(2)乙池中Fe极电极反应式为______________________________________，

若在乙池中滴入少量酚酞试液，开始通电一段时间，Fe极附近呈________色。

[解析]　根据电解池的电极与外接电源的关系，A为阴极，B为阳极，Fe为阴极，C为阳极。又因为甲为精炼铜的装置，所以A电极材料是精铜，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，电解质溶液用含Cu2＋的溶液(如CuSO4溶液)。乙池中Fe极电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，在乙池中滴入少量酚酞试液，开始通电一段时间，由于水提供的H＋在阴极(Fe)放电，OH－越来越多，铁极附近呈红色。

[答案]　(1)阴　精铜　Cu2＋＋2e－===Cu　含Cu2＋的溶液(如CuSO4溶液)　(2)2H＋＋2e－===H2↑　红