人教版高中化学选修4教学讲义，复习补习资料（含知识讲解，巩固练习）：24【基础】电解原理的应用

电解原理的应用

【学习目标】
1、了解电解在电镀、氯碱工业、电冶金方面的应用；
2、通过探究活动，加强观察、分析、推理及归纳总结的能力。
【要点梳理】

要点一、电解原理的应用
氯碱
工业
概念
电解饱和食盐水的方法制取NaOH、Cl2和H2，以它们为原料生产系列化工产品
电极反应
阳极：2Cl－－2e－＝Cl2↑ 阴极：2H++2e－＝H2↑
总反应：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑
方法
离子交换式
食盐水的精制
粗盐水精制食盐水
电镀
概念
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过程
电极材料
阳极：镀层金属 阴极：镀件
电镀液
含镀层金属离子的电解质溶液
电解
精炼铜
电极材料
阳极：粗铜 阴极：纯铜
电解质溶液
CuSO4溶液
电极反应
阳极：Cu－2e－＝Cu2+
阴极：Cu2++2e－＝Cu
电冶
金属
概念
使用电解的方法使金属离子从其化合物中还原出来 Mn++ne－＝M
电冶钠
电解
反应
阳极：2Cl－－2e－＝Cl2↑
阴极：2Na++2e－＝2Na
电冶铝
电解
反应
阳极：6O2－－12e－＝3O2↑
阴极：4Al3++12e－＝4Al
要点诠释：（1）电解精炼铜，粗铜中含有的Zn、Fe、Ni等失去电子，变成金属阳离子进入溶液，Zn－2e－＝Zn2+、Fe－2e－＝Fe2+、Ni－2e－＝Ni2+，其他的杂质以阳极泥的形式沉积。
（2）电镀时，阳极（镀层金属）失去电子的数目跟阴极镀层金属离子得到电子的数目相等，因此电镀液的浓度保持不变。
（3）电解或电镀时，电极质量减少的电极必为金属电极（阳极），电极质量增加的电极必为阴极且溶液中的金属阳离子得电子变成金属吸附在阴极上。
（4）由于Al2O3熔点很高，电冶时加入冰晶石（Na3AlF6）以降低其熔点。
（5）离子交换膜法制烧碱
①离子交换膜电解槽的组成
由阳极（金属钛网）、阴极（碳钢网）、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。下图表示一个单元槽的示意图。

②阳离子交换膜的作用
将电解槽隔成阴极室和阳极室，它只允许阳离子（Na+）通过，而阻止阴离子（Cl－、OH－）和气体通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。
要点二、原电池和电解池的区别和联系

电子、溶液中离子流向：
【典型例题】
类型一、电解原理的应用
例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
【思路点拨】本题考查电解精练，注意电解时装置的电极与外接电源相连接情况。电化学必然涉及到氧化还原，所以对氧化还原反应中的基本概念要熟练掌握。
【答案】D
【解析】阳极应发生氧化反应。电解后溶液中的阳离子主要为Ni2+。根据金属原子的还原性顺序和金属阳离子的氧化性顺序知，阳极反应为：Zn－2e－＝Zn2+，Fe－2e－＝Fe2+，Ni－2e－＝Ni2+，Cu、Pt在该条件下不失电子，形成阳极泥。阴极反应为：Ni2++2e－＝Ni，Zn2+、Fe2+在该条件下不得电子。比较两电极反应，因Zn、Fe、Ni相对原子质量不等，当两电极通过电量相等时，阳极减少质量与阴极增加质量不等。
【总结升华】单质的还原性（或氧化性）与对应阳离子（或阴离子）的氧化性（或还原性）相反，如本题氧化性Fe2+＜Ni2+＜Cu2+，则还原性Fe＞Ni＞Cu。
举一反三：
【变式1】下列关于铜电极的叙述正确的是（ ）。
A．铜锌原电池中铜是正极
B．用电解法精炼粗铜时，粗铜作阴极
C．在镀件上电镀铜时可用金属铜作阳极
D．电解稀硫酸制H2和O2时铜作阳极
【答案】A、C
类型二、电化学内容的综合应用
例2（2019 河北衡水联考）常温下用惰性电极电解200mL一定浓度的NaCl与CuSO4混合溶液，理论上两极所得气体的体积随时间变化的关系如图中Ⅰ、Ⅱ所示（以下气体体积已换算成标准状况下的体积），根据图中信息回答下列问题。
（1）原混合溶液中NaCl和CuSO4的物质的量浓度为_____________。（2）t2时所得溶液的pH为__________。（3）电解至t3时，消耗水的质量为________。
【思路点拨】首先要理清放电顺序，然后根据电子守恒解决数量关系问题。
【答案】（1）0.1 mol/L、0.1 mol/L （2）1 （3）0.72 g
【解析】
【总结升华】分析电解问题的基本思路模式：
①通电前：电解质溶液中含有哪些阴、阳离子(包括水电离出的H+和OH-)。
②通电时，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，结合放电顺序分析谁优先放电。
③写电极反应式，并结合题目要求分析电解结果，如两极现象、水的电离平衡移动、离子浓度的变化、pH的变化等。
举一反三：
【变式1】（2019 北京高考）用石墨电极完成下列电解实验。
实验一
实验二
装置
现象
a、d处试纸变蓝；b处变红，局部褪色；c处无明显变化
两个石墨电极附近有气泡产生；n处有气泡产生；……
下列对实验现象的解释或推测不合理的是（ ）。
A．a、d处：2H2O+2e-=H2↑+2OH-
B．b处：2Cl--2e-=Cl2↑
C．c处发生了反应：Fe-2e-=Fe2+
D．根据实验一的原理，实验二中m处能析出铜
【答案】B
【解析】A项，d处试纸变蓝，为阴极，生成OH―，电极方程式为2H2O+2e―==H2↑+2OH―，故A正确；B项，b处变红，局部褪色，说明是溶液中氢氧根和氯离子同时放电，故B错误；C项，c处为阳极，发生了反应：Fe―2e―==Fe2+，故C正确；D项，实验一中ac形成电解池，db形成电解池，所以实验二中也相当于形成三个电解池（一个球两面为不同的两极），m为电解池的阴极，另一球朝m的一面为阳极（n的背面），故相当于电镀，即m上有铜析出，故D正确。故选B。
例3 如图所示，若电解5 min时铜电极质量增加2.16 g，试回答：　 　　　　　　　　　　　　　　　（1）电源电极Y名称为_____________。　　（2）pH变化：A_____________，B_______________，C_______________。 【思路点拨】本题中各装置串联，即电解时会通过相同的电量，转移的电子数相同。分析各装置，再结合题意，银电极所连接的Y极应该是电源的正极，相同银电极上发生氧化反应。所以Y电极应该是电源的正极。
【答案】（1）正极　　（2）pH变大； pH变小； pH不变
【解析】（1）电源正负极的判断　　根据电解过程中Cu电极上增重，判断出是Ag+放电：Ag++e－=Ag，Cu电极为阴极，Ag电极为阳极，与Ag电极相连的应是电源的正极　　（2）三个电解池中的pH变化　　A中：阴极：2H++2e－=H2↑　阳极：2Cl－－2e－=Cl2?　　　　　pH变大　　B中：阴极；Cu2++2e－=Cu　 阳极：4OH－－4e－=O2↑+2H2O　　　pH变小　　2H++2e－=H2↑　　C中：阴极：Ag++e－=Ag　　 阳极: Ag –e－= Ag+(注意Ag比OH－先放电)　 pH不变 【总结升华】解答原电池与电解池时，注意电极名称的区分：正极、负极、阴极、阳极。分析题目时使用准确的化学用语。此外，对电解池中离子（电极）放电顺序有清晰认识。
举一反三：
【变式1】某同学组装了如图所示的电化学装置，电极Ⅰ为Al，其它均为Cu，则（　　）
A．电流方向：电极Ⅳ→A→电极Ⅰ
B．电极Ⅰ发生还原反应
C．电极Ⅱ逐渐溶解
D．电极Ⅲ的电极反应：Cu2++2e﹣═Cu
【答案】A
【解析】电极Ⅰ为Al，其它均为Cu，Al易失电子作负极，所以Ⅰ是负极、Ⅳ是正极，Ⅲ是负极、Ⅱ是正极。
A．电流从正极沿导线流向负极，即电极Ⅳ→A→电极Ⅰ，故A正确；
B．电极Ⅰ上电极反应式为Al﹣3e﹣=Al 3+，发生氧化反应，故B错误；
C．电极Ⅱ是正极，正极上发生反应为Cu 2++2e﹣=Cu，所以电极II质量逐渐增大，故C错误；
D．电极Ⅲ为负极，电极反应式为Cu﹣2e﹣═Cu 2+，故D错误；
故选A。
【巩固练习】
一、选择题
1．氯碱工业中，能穿过阳离子交换膜的是（ ）。
A．Cl－ B．Na+ C．OH－ D．Cl2
2．（2019 四川万源市模拟）中学阶段介绍的电解原理的应用主要有三种：一是氯碱工业、二是电解精炼铜、三是电解冶金。下列关于这三个工业生产的描述中正确的是（ ）。
A．电解精炼铜时，负极反应式：Cu2++2e-=Cu
B．氯碱工业和电解精炼铜中，阳极都是氯离子放电放出氯气
C．在氯碱工业中，电解池中的阴极产生的是H2，NaOH在阳极附近产生
D．电解精炼铜时，应用粗铜作阳极、精铜作阴极，可溶性铜盐作电解质溶液
3．化学与生产、生活息息相关，下列叙述错误的是（　　）。
A．铁表面镀锌可增强其抗腐蚀性
B．用聚乙烯塑料代替聚乳酸塑料可减少白色污染
C．大量燃烧化石燃料是造成雾霾天气的一种重要因素
D．含重金属离子的电镀废液不能随意排放
4．下列叙述中正确的是( )
A．用铂电极电解NaOH溶液，一段时间后，溶液中溶质的质量分数不变
B．用电解法精炼粗铜时，粗铜作阴极
C．用惰性电极电解100mL饱和食盐水，生成112mL氢气(标况)时，氢氧根离子浓度约为0.05mol/L(假定溶液体积仍为100mL)
D．铜锌原电池工作时，正极从外电路得到电子
5．下列关于离子交换膜电解槽的叙述错误的是（?????）。
A．精制饱和食盐水进入阳极室
B．纯水（加少量NaOH）进入阴极室
C．阴极产物为氢氧化钠和氢气
D．电解槽的阳极用金属铁网制成
6．在铁制品上镀一定厚度的锌层，以下方案设计正确的是（　　）。
A．锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含有锌离子
B．铁作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子
C．铁作阳极，镀件作阴极，溶液中含有亚铁离子
D．锌作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子
7．下列过程需要通电后才可进行的是（　　）。①电离；②电解；③电镀；④电泳；⑤电化学腐蚀
A．①②③ B．②③④
C．②④⑤　 D．①②③④⑤
8．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．Pt和Ag2CO3溶液D．Pt和Ag2SO4溶液
9．（2019 安吉县期中）下列有关氯碱工业的描述，正确的是（　　）。
A．氯碱工业是指电解熔融氯化钠制取氯气的方法
B．氯碱工业只能得到氯气和氢氧化钠两种有价值的产品
C．实验室模拟氯碱工业制取氯气后所得溶液呈碱性
D．实验室模拟氯碱工业所得氯气不能直接排放，应用澄清石灰水吸收
10．下列叙述正确的是（ ）。
A．在原电池的负极和电解池的阴极上发生的都是氧化反应
B．实验室用惰性电极电解Na2SO4溶液，阴、阳两极收集到的气体体积之比为1∶2
C．电解稀硫酸溶液，可能发生反应：Cu+H2SO4CuSO4+H2↑
D．在铜的电解精炼过程中，电解质CuSO4溶液中Cu2+浓度始终保持不变
二、非选择题
1．如图所示，当线路接通时，发现M（用石蕊试液浸润过的滤纸）a端显蓝色，b端显红色，且知甲中电极材料是锌、银，乙中电极材料是铂、铜，且乙中两电极不发生变化。填写下列空白：
（1）甲、乙分别是什么装置________、________。
（2）写出A、B、C、D的电极名称以及电极材料和电极反应式________。
2．硫化氢的转化是资源利用和环境保护的重要研究课题，由硫化氢获得硫单质有多种方法。
（1）将烧碱吸收H2S后的溶液加入到如图1所示的电解池的阳极区进行电解，电解过程中阳极区发生如下反应：
S2－－2e－═S，(n－1)S+S2－═Sn2－。
①写出电解时阴极的电极反应式：　 　。
②电解后阳极区的溶液用稀硫酸酸化得到硫单质，其离子方程式可写成　 　。
（2）将H2S和空气的混合气体通入FeCl3、FeCl2、CuCl2的混合溶液中反应回收S，其物质转化如图2所示．
①在图示的转化中，化合价不变的元素是　 　。
②反应中当有1mol H2S转化为硫单质时，保持溶液中Fe3+的物质的量不变，需消耗O2的物质的量为　 　。
③在温度一定和不补加溶液的条件下，缓慢通入混合气体，并充分搅拌．欲使生成的硫单质中不含CuS，可采取的措施有　 　。
（3）H2S在高温下分解生成硫蒸气和H2，若反应在不同温度下达到平衡时，混合气体中各组分的体积分数如图3所示，H2S在高温下分解反应的化学方程式为　 　。
【答案与解析】
一、选择题
1．B
【解析】阳离子交换膜只允许阳离子（Na+）通过，而阻止阴离子（Cl－、OH－）和气体（H2、Cl2）通过。
2．D
【解析】A项电解精炼铜时，在阴极上是铜离子得电子的还原反应，不存在负极，故A错误；B项氯碱工业中，阳极是氯离子失电子的氧化反应，电解精炼铜中，阳极是金属失电子的氧化反应，两极上的反应不同，故B错误；C项在电解饱和NaCl溶液中，电解池中的阴极上氢离子得电子产生H2，所以水电离出的氢氧根离子在阴极附近产生，导致NaOH在阴极附近产生，故C错误；D项在电解精炼铜时，应用粗铜作阳极、精铜作阴极，可溶性铜盐作电解质溶液，故D正确。故选D。
3．B
【解析】A．锌比铁活泼，并且在空气中容易形成致密的氧化膜，防止生锈，故A正确；
B．聚乙烯塑料难降解，可造成白色污染，聚乳酸塑料易降解不会造成白色污染，故B错误；
C．大量燃烧化石燃料可产生有害气体和烟尘，是造成雾霾天气的一种重要因素，故C正确；
D．重金属离子有毒，含重金属离子的电镀废液不能随意排放，故D正确；
故选B。
4．D
【解析】A电解NaOH溶液实际是电解H2O，一段时间后，溶液中溶质的质量分数增大。?B、用电解法精练粗铜时，用粗铜极作阳极，与直流电源的正极相连，用纯铜片作阴极，与电源的负极相连，用CuSO4溶液作电解液。?C、?得：x＝0.01mol因此OH－浓度为?
5．D
【解析】用离子交换膜电解槽电解饱和食盐水时，C1－在阳极放电，H2O电离出的H+在阴极放电，因此食盐水和纯水分别进入阳极室和阴极室，A,B对；在阴极H+放电，生成H2的同时，产生大量OH－,故H2和NaOH为阴极产物，C项对；电解槽的阳极材料用金属钛网制成（一种惰性材料），不能用非惰性材料铁网，D错。
6．A
【解析】在铁制品上镀锌，即要求锌作阳极，镀件铁为阴极，电解质溶液中含锌离子，阳极Zn放电生成Zn2+进入溶液补充由于在阴极放电而消耗的Zn2+，Zn2+在阴极铁（镀件）上析出。
7．B
【解析】①电离是指电解质在水溶液中或在高温熔融时离子键被破坏而离解成阴阳离子的过程；②电解是指使电流通过电解质溶液而在阴阳两极引起氧化还原反应的过程，必须通电才能进行；③电镀是电解的一种，需要通电；④电泳是指带电微粒（主要指胶体颗粒）在直流电源的外加电场作用下发生定向移动，需要通电才能进行；
⑤电化学腐蚀是指金属因形成原电池被氧化而腐蚀，该过程是自发的不需通电，反而会形成电流。
8．B
【解析】在金属表面镀银，应把镀件挂在电镀池的阴极，镀层金属银作阳极，电镀液是含有银离子的可溶性的盐溶液硝酸银即可。
9．C
【解析】A项氯碱工业是指电解氯化钠溶液制取烧碱的方法，电解熔融氯化钠是制取钠的方法，故A错误；B项氯碱工业能得到氯气、氢气、氢氧化钠三种有价值的产品，故B错误；C项氯碱工业制取氯气后所得溶液是氢氧化钠，溶液呈碱性，故C正确；D项氯气有毒，实验室模拟氯碱工业所得氯气不能直接排放，尾气处理用氢氧化钠溶液吸收，故D错误。故选C。
10．C
【解析】选项A，电解池的阴极发生的是还原反应。选项B，用惰性电极电解Na2SO4溶液，其实质是电解水，阴极产生H2，阳极产生O2，其体积之比为2∶1；选项C，用Cu作电极电解稀硫酸可发生反应：Cu+H2SO4CuSO4+H2↑。选项D，因粗铜中的杂质也可能失去电子，所以粗铜减少的铜的质量与阴极析出铜的质量不等，溶液中的Cu2+浓度会减小。
二、非选择题
1．（1）原电池 电解池 （2）A极（负极Zn）：Zn－2e－＝Zn2+；B极（正极Ag）：Cu2++2e－＝Cu；C极（阳极Pt）：4OH－－4e－＝2H2O+O2↑，D极（阴极Cu）：2H++2e－＝H2↑
【解析】由于a端显蓝色，可推知a端附近呈碱性 显然滤纸上水电离的H+在a端获得电子发生反应，使该端OH－浓度较大。由于锌活动性强于银，甲池为原电池。乙池中Cu、Pt不参与反应，故C极为Pt，D极为Cu，显然乙池为电解池。电子从A→a→b→D→C→B→A。滤纸上水电离的OH－在b端反应，b端H+浓度增大，使b端出现红色。
2．（1）①2H2O+2e－=H2↑+2OH－；
②Sn2－+2H+=(n－1)S↓+H2S↑；
（2）①Cu、H、Cl；
②0.5mol；
③提高混合气体中空气的比例；
（3）2H2S2H2+S2。
【解析】（1）①阳极上硫离子放电，电极反应式为S2－－2e－═S，阴极上氢离子放电生成氢气，电极反应式为 2H2O+2e－=H2↑+2OH－；
②电解后阳极区离子为Sn2－，酸性条件下，Sn2－和氢离子反应生成S单质，S元素失电子发生氧化反应生成S单质，同时S元素得电子生成H2S，反应方程式为Sn2－+2H+=(n－1)S↓+H2S↑；
（2）①根据图中各元素化合价知，Cu元素化合价都是+2价、H元素化合价都是+1价、Cl元素化合价都是－1价，所以化合价不变的是Cu、H、Cl元素；
②H2S不稳定，易被氧气氧化生成S单质，反应方程式为2H2S+O2=2S+2H2O，该反应中S元素化合价由－2价变为0价、O元素化合价由0价变为－2价，根据氧化还原反应中得失电子相等得，消耗O2的物质的量==0.5mol；
③欲使生成的硫单质中不含CuS，则硫离子不能剩余，即硫离子完全被氧化为S单质，所以氧气必须过量，采取的措施为提高混合气体中空气的比例；
（3）根据题意知，该反应是可逆反应，反应物是硫化氢，根据图象知，生成物中含有S元素的物质是氢气的一半，则生成物是S2和H2，所以该反应方程式为2H2S2H2+S2。