鲁科版选修4 化学反应原理第2节 电能转化为化学能—电解第2课时教案

第2课时　电解原理的应用

目标与素养：1.运用电解原理分析电解食盐水、铜的电解精炼，以及电镀的内容。(科学探究与创新意识)2.了解电解原理的应用方法，并进一步体会电解对人类社会的重要贡献。(社会责任)

1．电解食盐水制备烧碱、氢气和氯气

(1)装置

(2)现象

①阳极上：产生黄绿色气体。

②阴极上：产生无色气体，溶液变红色。

(3)原理分析及电极反应

电解时，Cl－、OH－移向阳极，Na＋、H＋移向阴极。

①阳极离子放电顺序：Cl－＞OH－。

电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，氧化反应。

②阴极离子放电顺序：H＋＞Na＋。

电极反应：2H＋＋2e－===H2↑，还原反应。

(4)电池反应化学方程式

2NaCl＋2H2O2NaOH＋Cl2↑＋H2↑。

离子方程式：2Cl－＋2H2O2OH－＋Cl2↑＋H2↑。

　接通电源后，哪个电极附近的颜色发生了变化？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，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。

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．某小组设计电解饱和食盐水的装置如右图，通电后两极均有气泡产生，下列叙述正确的是(　　)

A．铜电极附近观察到黄绿色气体

B．石墨电极附近溶液先变红

C．溶液中的Na＋向石墨电极移动

D．铜电极上发生还原反应

[答案]　D

3．粗铜的电解精炼如右图所示。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，它们在电解槽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

1.工业电解饱和食盐水制取烧碱

工业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

【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．电解一段时间后加适量盐酸可以使电解液恢复到电解前的浓度

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。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，因此补充适量的氯化氢气体可以使电解液恢复到电解前的浓度，D项错误。]

(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．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。]

2．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。]

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。

微观探析：(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，要注意电极放电顺序，确定不同阶段的电极反应。

【例2】　用铂电极电解50 mL CuCl2与CuSO4的混合溶液(浓度均为2 mol·L－1)，当阴极析出9.6 g固体时，阳极产生标准状况下氧气________L。

[解析]　阴极电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu,9.6 g Cu的物质的量为0.15 mol，得电子0.3 mol；阳极电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，生成Cl2为0.05 L× 2 mol·L－1＝0.1 mol，Cl－最多能失去电子0.05 L×2 mol·L－1×2＝0.2 mol。根据电子守恒知必有氧气生成，所以4n(O2)＋2n(Cl2)＝0.3 mol，n(O2)＝0.025 mol，则产生氧气标准状况下的体积为0.025 mol×22.4 L·mol－1＝0.56 L。

[答案]　0.56

1．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。]

2．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．在铁制品上镀上一定厚度的银层，以下设计方案正确的是(　　)

A．银作阳极，铁制品作阴极，溶液含有银离子

B．铂作阴极，铁制品作阳极，溶液含有银离子

C．银作阳极，铁制品作阴极，溶液含有亚铁离子

D．银作阴极，铁制品作阳极，溶液含有银离子

A　[应选镀层金属银作阳极，待镀金属作阴极，含镀层金属Ag＋的溶液作电镀液，即A项正确。]

2．以CuSO4溶液为电解质溶液进行粗铜(含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质)的电解精炼，下列说法正确的是(　　)

A．电能全部转化为化学能

B．粗铜接电源正极，发生还原反应

C．溶液中Cu2＋向阳极移动

D．利用阳极泥可回收Ag、Pt、Au等金属

D　[粗铜的电解精炼时，电能不可能全部转化为化学能，A错误；粗铜作阳极与电源正极相连，发生氧化反应，B错误；溶液中的Cu2＋向阴极移动，C错误；不活泼金属Ag、Pt、Au等金属在阳极沉积，可以回收，D正确。]

3．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，设计了如图的装置，则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NaCl

B．a为负极，b为正极；NaClO和NaCl

C．a为阳极，b为阴极；HClO和NaCl

D．a为阴极，b为阳极；HClO和NaCl

B　[有关反应有2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O，因阳极生成Cl2，阴极生成NaOH，为使二者充分作用，Cl2应在下端产生，从而推知电源b为正极，a为负极，消毒液的主要成分是NaCl、NaClO。]

4．用惰性电极电解M(NO3)x的水溶液，当阴极质量增加a g时，在阳极上同时产生b L氧气(标准状况)，则M的相对原子质量是(　　)

A.　　　 B.

C.   D.

C　[生成b L O2(标准状况)转移的电子为 mol，根据电子守恒知，析出的M的物质的量为 mol＝ mol，阴极增加的质量即为析出的M的质量，则M的摩尔质量为a÷＝(g·mol－1)，即M的相对原子质量为。]

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