课时精讲25 电解原理的应用（精讲）-2022-2023学年高二化学精讲精练（人教选择性必修1）

第四章化学反应与电能第二节电解池课时精讲25电解原理的应用【目标导航】1．通过对氯碱工业、铜的电解精炼、电镀、电冶金等原理的分析，了解电解的应用，学会电极反应式的书写。2．通过探究电镀、电解精炼铜的实验，培养观察、分析、推理及归纳总结能力，建立有电极参与反应的电解原理的模型，形成科学的态度，感受电解的价值。3．通过练习学会电解的有关计算，建立相关计算的思维模型，加深对电解原理的理解和应用，提升模型认知的核心素养。【知识导图】一、电解饱和食盐水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：①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－===Cl2↑(氧化反应)②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：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－(还原反应)③总反应：化学方程式为：2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2NaOH；离子方程式为：2Cl－＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2OH－。2．氯碱工业生产流程烧碱、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。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。①阳离子交换膜电解槽②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。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。二、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)阴极材料镀件金属Fe纯铜阳极反应Cu－2e－===Cu2＋Zn－2e－===Zn2＋、Cu－2e－===Cu2＋等 阴极反应Cu2＋＋2e－===CuCu2＋＋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三、电冶金1．金属冶炼的本质：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)2Na＋Cl2↑。【小试牛刀】判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)电镀池和精炼池在本质上都是电解池(　　)(2)电子从电源的负极沿导线流入电解槽的阴极(　　)(3)工业上采用电解NaCl溶液来制取苛性钠(　　)(4)在镀件上镀铜时可用金属铜作阳极(　　)(5)用Zn作阳极，Fe作阴极，ZnCl2作电解质溶液，由于放电顺序H＋>Zn2＋，不可能在铁上镀锌(　　)(6)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3，也可以电解MgO和AlCl3(　　)(7)电解精炼时，阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料(　　)(8)粗铜电解精炼时，若电路中通过2mole-，阴极上增加的质量为64g(　　)【答案】(1)√　(2)√　(3)√　(4)√　(5)×　(6)√(7)√(8)√考点一电解在氯碱工业中的应用【例1】 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(电极未标出)下列说法正确的是(　　)A．电解池的阴极反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH-B．通入空气的电极为负极C．电解池中产生2molCl2时，理论上燃料电池中消耗0.5molO2D．a、b、c的大小关系为a>b=c【答案】A【解析】题给电解池的阴极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-，阳极反应式为2Cl--2e-=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2molCl2，理论上转移4mole-，则燃料电池中消耗1molO2，C项错误；题给燃料电池的负极反应式为2H2-4e-+4OH-=4H2O，正极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-，所以a、b、c的大小关系为c>a>b，D项错误。【解题技法】1．电解饱和食盐水电解饱和食盐水原理示意图符号表征阳极反应2Cl－－2e－=Cl2↑阴极反应2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－离子反应方程式2Cl－＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2OH－总反应方程式2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋NaOH2．电解饱和食盐水原理装置中交换膜为阳离子交换膜。3．氯碱工业在生产过程中必须把阳极室和阴极室用离子交换膜隔开：①从安全的角度：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；②从产品纯度的角度：避免氯气与阴极产生的氢氧化钠反应而影响氢氧化钠的纯度。【对点训练1】.氯碱工业用离子交换膜法电解饱和食盐水，装置示意图如图。下列说法错误的是() A．a为阳极，发生氧化反应生成氯气B．b极的电极反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH-C．电解时，Na+穿过离子交换膜进入阴极室D．饱和食盐水从c处进入，淡盐水从e处流出【答案】D【解析】A项，a和电源的正极相连，为阳极，溶液中的Cl-在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气，故A正确；B项，b为阴极，溶液中水电离出来的H+得到电子生成氢气，电极反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，故B正确；C项，离子交换膜为阳离子交换膜，电解时，阳离子移向阴极，所以Na+穿过离子交换膜进入阴极室，故C正确；D项，由于溶液中的Cl-在阳极放电，所以饱和食盐水从c处进入阳极室，Cl-放电生成氯气逸出，Na+穿过离子交换膜进入阴极室，所以淡盐水从d处流出，故D错误；故选D。考点二电解在电镀、精炼铜中的应用【例2】(2022•北京卷)利用下图装置进行铁上电镀铜的实验探究。装置示意图序号电解质溶液实验现象①0.1mol·L-1CuSO4+少量H2SO4阴极表面有无色气体，一段时间后阴极表面有红色固体，气体减少。经检验电解液中有Fe2+②0.1mol·L-1CuSO4+过量氨水阴极表面未观察到气体，一段时间后阴极表面有致密红色固体。经检验电解液中无Fe元素下列说法不正确的是()A．①中气体减少，推测是由于溶液中c(H＋)减少，且Cu覆盖铁电极，阻碍与铁接触B．①中检测到Fe2+，推测可能发生反应：Fe+2H+=Fe2++H2↑、Fe+Cu2+=Fe2++CuC．随阴极析出，推测②中溶液c(Cu2＋)减少，Cu2＋+4NH3[Cu(NH3)4]2＋平衡逆移 D．②中Cu2＋生成[Cu(NH3)4]2＋，使得c(Cu2＋)比①中溶液的小，缓慢析出，镀层更致密【答案】C【解析】由实验现象可知，实验①时，铁做电镀池的阴极，铁会先与溶液中的氢离子、铜离子反应生成亚铁离子、氢气和铜，一段时间后，铜离子在阴极失去电子发生还原反应生成铜；实验②中铜离子与过量氨水反应生成四氨合铜离子，四氨合铜离子在阴极得到电子缓慢发生还原反应生成铜，在铁表面得到比实验①更致密的镀层。A项，实验①时，铁会先与溶液中的氢离子、铜离子反应，当溶液中氢离子浓度减小，反应和放电生成的铜覆盖铁电极，阻碍氢离子与铁接触，导致产生的气体减少，故A正确；B项，实验①时，铁做电镀池的阴极，铁会先与溶液中的氢离子、铜离子反应生成亚铁离子、氢气和铜，可能发生的反应为Fe+2H+=Fe2++H2↑、Fe+Cu2+=Fe2++Cu，故B正确；C项，四氨合铜离子在阴极得到电子缓慢发生还原反应生成铜，随阴极析出铜，四氨合铜离子浓度减小，Cu2＋+4NH3[Cu(NH3)4]2＋平衡向正反应方向移动，故C错误；D项，实验②中铜离子与过量氨水反应生成四氨合铜离子，四氨合铜离子在阴极得到电子缓慢发生还原反应生成铜，在铁表面得到比实验①更致密的镀层，故D正确；故选C。【解题技法】1．电镀与铜的电解精炼的比较电镀铜的电解精炼定义应用电解原理在某些金属或非金属材料表面镀上一层其他金属或合金利用电解原理提纯铜装置举例形成条件①镀层金属做阳极接直流电源正极，镀件做阴极接直流电源负极②电镀液必须是含有镀层金属离子的盐溶液③形成闭合回路①粗铜做阳极，纯铜做阴极②含Cu2＋的盐溶液做电解质溶液③直流电源④形成闭合回路电极反应(以铁上镀锌为例)阳极：Zn－2e－==Zn2＋阴极：Zn2＋＋2e－==Zn阳极：Cu(粗铜)－2e－===Cu2＋(主要)阴极：Cu2＋＋2e－===Cu(纯铜)电解(镀)液浓度不变减小 联系电镀池和电解精炼池是特定条件下的电解池2．电镀特点：“一多、一少、一不变”。“一多”指阴极上镀层金属沉积，“一少”指阳极上镀层金属溶解，“一不变”指电镀液(电解质溶液)的浓度不变。3．电解精炼铜过程中的“两不等”：电解质溶液浓度在电解前后不相等；阴极固体增加的质量与阳极固体减少的质量不相等。【对点训练2】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xg，则下列说法错误的是(　　)A．两极得失电子相等B．阳极溶解的金属的物质的量之和等于析出的铜的物质的量C．阴极质量增加bg，b<xD．阳极质量减少的xg为锌和铜的质量【答案】D【解析】由于粗铜中含有Zn和Ag，在电解过程中阳极先是锌失去电子，然后是铜失去电子，Ag落入阳极泥；而阴极一直是铜析出。在电解过程中，两极得失电子相等，所以溶解的锌和铜的物质的量之和等于析出的铜的物质的量，A、B正确，但由于M(Zn)>M(Cu)，且还有一部分Ag要落入阳极泥，所以阳极减少的金属的质量大于阴极析出铜的质量，即b<x，C项正确，D项错误。考点三有关电解的计算【例3】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2.8g，这时产生的有色气体与无色气体的物质的量之比为(　　)　　　　　　　　　　　　　　　A．4∶1B．1∶1C．4∶3D．3∶4[来源:Z,xx,k.Com]【答案】C【解析】串联电路中，相同时间内各电极得或失的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1mol电子转移时，生成的气体的物质的量分别是0.5mol、0.5mol、0.5mol和0.25mol。所以共放出有色气体(Cl2)0.5mol＋0.5mol＝1mol，无色气体(O2和H2)0.5mol＋0.25mol＝0.75mol。【解题技法】1．电解的有关计算常用方法(1)根据电子守恒法计算：用于串联电路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电荷量等类型的计算，其依据是电路上转移的电子数相等。 (2)根据总反应式计算：先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列比例式计算。(3)根据关系式计算：根据得失电子守恒关系找到已知量与未知量之间的桥梁，得出计算所需的关系式。2．电解过程中计算步骤(1)根据与电源的连接情况或实验现象，准确判断电极上发生氧化还原反应的类型和电极名称。(2)准确写出电极反应式。(3)根据题目所给条件和所要求解的问题，使用上述合适的方法建立等量关系求解。【对点训练3】下图中电极a、b分别为Ag电极和Pt电极，电极c、d都是石墨电极。通电一段时间后，在c、d两极上共收集到336mL(标准状态)气体。回答：(1)直流电源中，M为__________极。(2)Pt电极上生成的物质是______，其质量为______g。(3)电源输出的电子，其物质的量与电极b、c、d分别生成的物质的物质的量之比为2∶____∶____∶____。(4)AgNO3溶液的浓度________(填“增大”、“减小”或“不变”，下同)，硫酸的浓度______________________________________________________。(5)若硫酸的质量分数由5.00%变为5.02%，则原有5.00%的硫酸________g。【答案】(1)正　(2)Ag　2.16　(3)2　　1(4)不变　增大　(5)45.18【解析】(1)电解5.00%的稀硫酸，实际上是电解其中的水。因此在该电解池中发生反应：2H2O2H2↑＋O2↑，V(H2)∶V(O2)＝2∶1。据此可确定d极为阴极，则电源的N极为负极，M极为正极。(2)在336mL气体中，V(H2)＝×336mL＝224mL，为0.01mol；V(O2)＝×336mL＝112mL，为0.005mol。说明电路上有0.02mol电子，因此在b极(Pt、阴极)产生Ag：0.02mol×108g·mol－1＝2.16g，即0.02mol的Ag。(3)n(e－)∶n(Ag)∶n(O2)∶n(H2)＝0.02∶0.02∶0.005∶0.01＝2∶2∶∶1。(4)由Ag(阳)电极、Pt(阴)电极和AgNO3溶液组成的电镀池，在通电一定时间后，在Pt电极上放电所消耗溶液中Ag＋的物质的量等于Ag电极被氧化给溶液补充的Ag＋的物质的量，因此AgNO3溶液的浓度不变。电解5.00%的硫酸溶液，由于其中的水发生电解，因此硫酸浓度增大。(5)设原5.00%的硫酸质量为x，电解时消耗水0.01mol×18g·mol－1＝0.18g，则：5.00%x＝5.02%(x－0.18)g，解得x＝45.18g。