第1章 第3节 第2课时 电解原理的应用 学案（含答案） 高中化学鲁科版选择性必修1

第2课时　电解原理的应用
[学习目标]　1.通过对氯碱工业、电镀、铜的电解精炼等原理的分析，认识电能与化学能之间的能量转化。2.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。
[重点难点]　氯碱工业、铜的电解精炼以及简单的电解计算。
　　　　　　　电解食盐水制备烧碱、氢气和氯气
导学
1．电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气
(1)实验装置
(2)实验现象
①阳极上有带刺激性气味的黄绿色气体产生，该气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色。
②阴极上有无色气体产生，阴极附近溶液变红色。
(3)原理分析
①通电前，氯化钠溶液中含有的离子：Na＋、Cl－、H＋、OH－。
②通电后，Na＋、H＋移向阴极，Cl－、OH－移向阳极。
阳极：离子放电顺序为Cl－>OH－，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑；
阴极：离子放电顺序为H＋>Na＋，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。
因H＋放电，故阴极区生成NaOH。
(4)电解的总反应式
化学方程式：2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2NaOH；
离子方程式：2Cl－＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2OH－。
2．氯碱工业
工业上，用隔膜阻止OH－移向阳极，则Na＋和OH－可以在阴极附近的溶液中富集，这样就可以从阴极溶液中得到NaOH。这就是电解食盐水制备烧碱的原理，也称作氯碱工业。
导练
1．判断正误
(1)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，用涂镍碳钢网作阳极(　　)
(3)用U形管做电解饱和食盐水的实验，通电前在U形管的两端滴加几滴石蕊溶液，通电后阳极处溶液变蓝(　　)
(4)电解饱和NaCl溶液可以制取金属钠(　　)
(5)电解食盐水过程中，可能会有NaClO生成(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√
2．氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制取氯气、氢气、烧碱和氯的含氧酸盐等系列化工产品，如图是离子交换膜法电解饱和食盐水的示意图，图中阳离子交换膜只允许Na＋等通过，不允许OH－、Cl－等阴离子及气体分子通过。
完成下列问题：
(1)阳极(金属钛网)电极反应式：__________________________________________________；
阴极(碳钢网)电极反应式：______________________________________________________；
电解饱和食盐水总离子方程式：_________________________________________________。
(2)阳离子交换膜的作用：______________________________________________________。
从图中b位置补充的为含有少量NaOH的水，NaOH的作用为_______________________。
(3)精制饱和食盐水从图中__________(填“a”“b”“c”或“d”，下同)位置补充，NaOH溶液从图中______位置流出。图中e位置排出的气体为__________(填名称)。
答案　(1)2Cl－－2e－===Cl2↑　2H＋＋2e－===H2↑　2Cl－＋2H2OCl2↑＋2OH－＋H2↑
(2)将电解槽隔成阳极室和阴极室，允许阳离子Na＋通过，阻止阴离子OH－等阴离子和气体通过，使生成的NaOH更纯，并防止H2、Cl2混合发生爆炸　增强导电性，提高电解效率
(3)a　c　氯气
3．在新冠肺炎疫情期间，“84”消毒液是常用的环境消毒液之一。某课外小组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，装置如图所示。c、d都为碳电极。完成下列填空：
(1)a为电源的________(填“正”“负”“阴”或“阳”，下同)极，c为电解池的________极。
(2)d电极上发生的电极反应为：____________________________，电解产生消毒液的总化学方程式为____________________________________________________________________。
答案　(1)负　阳　(2)2H＋＋2e－===H2↑
NaCl＋H2ONaClO＋H2↑
解析　电解饱和氯化钠溶液的化学方程式为2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，该实验的目的是使Cl2被完全吸收制得NaClO溶液，即要让Cl2与NaOH充分混合反应，所以应在下端产生Cl2，上端产生NaOH，则a为负极，b为正极，c为阳极，d为阴极，Cl2和NaOH溶液发生反应：Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O，故电解产生消毒液的总化学方程式为NaCl＋H2ONaClO＋H2↑。
氯碱工业中离子交换膜的作用
在氯碱工业中，采用了阳离子交换膜，阳离子交换膜将电解槽隔成阴极室和阳极室，它只允许阳离子(Na＋、H＋)通过，而阻止阴离子(Cl－、OH－)和气体分子通过。这样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。
　　　　　　　　铜的电解精炼、电镀
导学
1．铜的电解精炼
(1)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；不如铜活泼的有Ag、Pt、Au等。
(2)装置
(3)电解精炼的电极反应
(4)电解精炼的结果
粗铜中比铜活泼的金属Zn、Fe、Ni等失去电子形成的阳离子进入溶液；不如铜活泼的金属Ag、Au、Pt等以金属单质的形式沉积在电解池的底部，与其他不溶性杂质混在一起形成阳极泥；阴极上得到纯铜。
2．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：提高金属的抗腐蚀能力、耐磨性能或改善金属制品的外观。
(3)实例(铁钉镀铜)
①阴极
铁钉(镀件)；
电极反应：Cu2＋＋2e－===Cu。
②阳极
铜片(镀层金属)；
电极反应：Cu－2e－===Cu2＋。
③电解质溶液：硫酸铜溶液(含有镀层金属离子的盐溶液)。
④现象与结论
铜片逐渐溶解，铁钉表面有红色物质析出。
(4)电镀池的设计
一般都是用含有镀层金属离子的盐溶液作电镀液；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。
导练
1．判断正误
(1)在Fe上镀Ag，应用Fe作阳极，Ag作阴极，用AgNO3溶液作电镀液(　　)
(2)电解精炼铜和电镀铜，电解质溶液中的c(Cu2＋)均保持不变(　　)
(3)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3，也可以电解MgO和AlCl3(　　)
(4)电解精炼时，阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料(　　)
(5)电解精炼铜和电镀铜过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加都相等(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3) × (4)√　(5)×
2．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＋A．阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni2＋＋2e－===Ni
B．电解过程中，阳极减少的质量与阴极增加的质量不相等
C．电解后，溶液中存在的金属离子只有Fe2＋和Zn2＋
D．电解后，电解槽底部的阳极泥中有Cu和Pt，没有Zn、Fe、Ni
答案　BD
解析　电解精炼镍时，粗镍作阳极，纯镍作阴极，电解质溶液中含有Ni2＋，阳极发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋、Fe－2e－===Fe2＋、Ni－2e－===Ni2＋，阴极电极反应式为Ni2＋＋2e－===Ni，因此，电解过程中阳极减少的质量不等于阴极增加的质量；电解后，溶液中存在的金属离子有Fe2＋、Ni2＋、Zn2＋，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt，没有Zn、Fe、Ni。
　　　　　　　　电解的相关计算
导学
1．计算的原则
(1)阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数。
(2)串联电路中通过各电解池的电子总数相等。
(3)电源输出的电子总数和电解池中转移的电子总数相等。
2．计算的方法
(1)得失电子守恒法计算：用于串联电路、通过阴阳两极的电量相同等类型的计算，其依据是电路上转移的电子总数相等。
(2)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)关系式计算：根据得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁，建立计算所需的关系式。如电路中通过4 mol e－可构建如下关系式：
导思
1．用惰性电极电解硫酸铜溶液，当阴极的质量增加1.6 g时，阳极产生气体的质量是多少？
提示　阴极析出铜，其物质的量为0.025 mol，转移电子的物质的量为0.05 mol。阳极生成氧气，根据得失电子守恒，生成氧气的质量为 mol×32 g·mol－1＝0.4 g。
2．把分别盛有熔融的KCl、MgCl2、Al2O3的三个电解槽串联，在一定条件下通电一段时间后，析出钾、镁、铝的物质的量之比为多少？
提示　在氯化钾、氯化镁、氧化铝中K、Mg、Al分别为＋1价、＋2价、＋3价，在串联电路中，相同时间内通过的电量相同，当都通过6 mol电子时，析出K、Mg、Al的物质的量分别为6 mol、3 mol、2 mol，则n(K)∶n(Mg)∶n(Al)＝6∶3∶2。
3．将两个铂电极插入500 mL CuSO4溶液中进行电解，通电一段时间后，某一电极增重6.4 g(设电解时该电极无氢气析出，且不考虑水解和溶液体积变化)。
(1)此时溶液中氢离子浓度约为________。
(2)阳极产生的气体在标准状况下的体积为______。
答案　(1)0.4 mol·L－1　(2)1.12 L
解析　阴极析出n(Cu)＝＝0.1 mol，
2Cu2＋＋2H2O2Cu＋　4H＋＋　O2↑
2 　　4 　　1
　　　　　　　0.1 mol 0.2 mol 0.05 mol
c(H＋)＝＝0.4 mol·L－1，
V(O2)＝0.05 mol×22.4 L·mol－1＝1.12 L。
1．(2022·甘肃二中高二月考)下列描述中，不符合生产实际的是(　　)
A．电解熔融的氧化铝制取金属铝
B．在镀件上电镀锌，用锌作阳极
C．电解法精炼粗铜，用纯铜作阳极
D．电解饱和食盐水制烧碱，阳极室产生氯气
答案　C
解析　电解精炼铜时，应用粗铜作阳极。
2．关于电镀铜和电解精炼铜，下列说法正确的是(　　)
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
答案　D
解析　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，杂质若有比铜活泼的金属如锌，则还会发生反应：Zn－2e－===Zn2＋。
3．将0.2 mol AgNO3、0.4 mol Cu(NO3)2和0.6 mol KCl溶于水配制成100 mL溶液，用惰性电极电解一段时间后，在一极上析出0.3 mol Cu，此时在另一极上生成的气体体积(标准状况下)为(　　)
A．4.48 L B．5.6 L
C．6.7 L D．7.8 L
答案　B
解析　由于Ag＋＋Cl－===AgCl↓，故溶液中含有0.4 mol Cu2＋、1.0 mol NO、0.6 mol K＋、0.4 mol Cl－，当一极上析出0.3 mol Cu时，电路中转移0.6 mol电子，根据得失电子守恒可知，此时溶液中0.4 mol Cl－全都转化为0.2 mol Cl2，并有0.2 mol OH－失去电子生成0.05 mol氧气，则共生成气体0.25 mol，在标准状况下的体积为5.6 L。
4．如图所示，甲、乙为相互串联的两个电解池。
(1)甲池若为用电解原理精炼铜的装置，则A极为________极，电极材料是____________，电极反应式为________________，电解质溶液可以是__________________。
(2)乙池中铁极的电极反应为_____________________________________________________。
(3)若将乙池中的石墨电极改为银电极，则乙池为________装置，电解一段时间后，电解质溶液的浓度______________。
答案　(1)阴　纯铜　Cu2＋＋2e－===Cu　CuSO4溶液(答案合理即可)　(2)Ag＋＋e－===Ag
(3)电镀　不变
解析　(1)由题图可知，甲池中A极为阴极，B极为阳极，在电解精炼铜时，粗铜作阳极，纯铜作阴极，故A为纯铜，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。电解质溶液应为含有Cu2＋的盐溶液，如CuSO4溶液等。(2)由题图可知，乙池中铁作阴极，石墨作阳极，故铁极的电极反应式为Ag＋＋e－===Ag。(3)若将乙池中的石墨电极改为银电极，则乙池为电镀池，电镀过程中电解质溶液的浓度不变。