第2节 第2课时 电解原理的应用（课件）-【勤径学升·同步练测】2024-2025学年高中化学选择性必修1（人教版2019）

单击此处添加文本具体内容 第四章　 化学反应与电能 第二节　电解池 第2课时　电解原理的应用 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 2Cl－－2e－===Cl2↑ 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 电解 金属 抗腐蚀 第四章　化学反应与电能 Fe Cu2＋＋2e－===Cu 第四章　化学反应与电能 Cu Cu－2e－===Cu2＋ CuSO4 粗铜 纯铜 CuSO4 Ag、Au 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 2Cl－－2e－===Cl2↑ 2Na＋＋2e－===2Na 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 第四章　化学反应与电能 学习目标 核心素养 1．化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。 2．能够运用电解原理和判断电极产物的一般思路，分析氯碱工业、电镀、铜的精炼、金属电冶炼等过程中的能量与物质的转化。 1．科学探究与创新意识：能从环境问题出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究。 2．科学态度与社会责任：用电解原理实现用通常方法难以制备的物质的制备。电解、电镀、精炼铜行业是一个耗能高、有污染的行业，运用知识进行改善。 一、电解饱和食盐水 (离子交换膜法电解饱和食盐水原理示意图) 1．电极反应式 阳极：__________________________________ 阴极：__________________________________________ 2．总反应离子方程式 __________________________________________________ 2Cl－＋2H2O eq \o(=====,\s\up15(电解)) Cl2↑＋H2↑＋2OH－ 3．氯碱工业产品及其应用 (1)产品NaOH，可用于有机合成、造纸、玻璃、肥皂等工业。 (2)产品Cl2，可用于NaOH生产含氯漂白剂，Cl2还可用于有机合成中，氯化物合成及生产农药等。 (3)产品H2，可用于有机合成、金属冶炼等。 二、电镀 1．定义 利用____原理在某些金属表面镀上一薄层其他____或合金的加工工艺。 2．目的 使金属增强______能力，增加表面硬度和美观。 (1)阴极：①材料：____； ②电极反应式：___________________________。 3．实例(在铁件上镀铜) (2)阳极：①材料：____； ②电极反应式：_________________________。 (3)电解质溶液：___________溶液。 三、电解精炼(如电解精炼铜，杂质为铁、锌、金、银等) 1．____作阳极，主要的电极反应为Cu－2e－===Cu2＋；____作阴极，电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu；电解质溶液为___________溶液。 2．活泼性较强的铁、锌等以离子形式进入溶液，活泼性较差的__________形成阳极泥。 3．实例 四、电冶金 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：Mn＋＋ne－===M 电冶金 电解法可将通常极难被还原的活泼金属从它们的化合物中还原出来，是冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属的一种重要方法 实例 电解熔融的氯化钠 阳极反应：_____________________________________ 阴极反应：______________________________ 总反应：_________________________________________ 2NaCl(熔融) eq \o(=====,\s\up15(电解)) 2Na＋Cl2↑ 1．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，用铁作阳极 B．电解法精炼粗铜，用纯铜作阴极 C．电解饱和食盐水制烧碱，用涂镍碳钢网作阴极 D．在镀件上电镀锌，用锌作阳极 解析　活泼电极(除C、Pt外的电极称活泼电极)在阳极失电子被氧化，A中铁放电，不是电解Al2O3，D中锌放电产生Zn2＋，补充Zn2＋。B、C中阴极不参加反应。 答案　A 2．下列图示中关于铜电极的连接错误的是 (　　) 答案　C 要点一　电解原理的应用 实验目的：模拟电解原理的应用。 实验装置：如右图所示。 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＋2H2O eq \o(=====,\s\up15(电解)) 2NaOH＋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？电极反应式分别是什么？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．氯碱工业 (1)装置图及原理解释 当接通电源后，在电场的作用下，带负电的Cl－和OH－移向阳极，带正电的Na＋和H＋移向阴极，在这种条件下，电极上发生的反应分别为 阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑ 阴极：2H＋＋2e－===H2↑ 随着电解的不断进行，阴极区溶液的OH－浓度越来越大，并生成NaOH，电解饱和食盐水的总反应为2NaCl＋2H2O eq \o(=====,\s\up15(电解)) 2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。 (2)电解饱和食盐水时的两注意 ①电解饱和食盐水的过程中，H＋在阴极上得电子而生成H2，因水电离产生的H＋与OH－数目相等，消耗了H＋后，使阴极区溶液中c(OH－)>c(H＋)，所以阴极区溶液呈碱性。 ②在氯碱工业中，采用了离子交换膜，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＋)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作用生成NaCl和NaClO而影响烧碱的质量。 2．电镀池与电解精炼池的区别与联系 电镀池 电解精炼池 定义 应用电解原理在某些金属表面镀上一层其他金属或合金的装置 利用电解原理提纯金属的装置 装置 举例 电镀池 电解精炼池 形成 条件 ①镀层金属作阳极接直流电源正极，镀件接直流电源负极，作阴极 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不纯金属作阳极，纯金属作阴极 ②含该金属离子的可溶盐溶液作电解质溶液 ③直流电源 ④形成闭合回路 电镀池 电解精炼池 电极 反应 (以铁上镀锌为例) 阳极：Zn－2e－===Zn2＋ 阴极：Zn2＋＋2e－===Zn (以精炼铜为例) 阳极：Cu(粗铜)－2e－===Cu2＋(主要) 阴极：Cu2＋＋2e－===Cu(精铜) 联系 电镀池和电解精炼池是特定条件下的电解池 [特别警示]　 电镀的特点是“一多、一少、一不变”：“一多”是指阴极上有镀层金属沉积，“一少”是指阳极上有镀层金属溶解，“一不变”是指电解质溶液的浓度不变。 3．电冶金 (1)电解法用于冶炼较活泼的金属(如钠、钙、镁、铝等)。 (2)电解法冶炼金属，不能电解其盐溶液，因为金属离子的放电能力小于氢离子的放电能力，而应电解其熔融态化合物。 (3)电解法冶炼金属镁时，选择氯化镁，而不是氧化镁，是因为氧化镁的熔点高，耗能大。 (4)电解法冶炼金属铝时，选择氧化铝，而不是氯化铝，是因为氯化铝为共价化合物，熔融时不导电。 (5)电解法冶炼金属铝时，由于氧化铝熔点高，为了减少能耗，常加入冰晶石(Na3AlF6)，降低氧化铝的熔化温度。 [例1]　(四川遂宁中学高二期中)下列关于图示四个装置的叙述不正确的是(　　) A．装置甲是可以在铁钉上镀铜的装置 B．若装置乙为电解精炼铜装置，则X电极为纯铜 C．装置丙的a端产生的气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝 D．装置丁接通电源后可以观察到白色沉淀迅速变成灰绿色，最终变红褐色 解析　装置甲是可以在铁钉上镀铜的电镀池，与直流电源正极相连的铜为阳极，镀件铁为阴极，A正确；装置乙为电解精炼铜的精炼池，与直流电源负极相连的X电极为阴极，则X为纯铜，B正确；与直流电源正极相连的a电极为阳极，氯离子在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气，氯气能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，C正确；与直流电源负极相连的铁为阴极，铁不参与电极反应，所以电解时不能产生氢氧化亚铁，D错误。 答案　D 1．(广东广州阶段练习)以熔融盐为电解质，以含少量Cu、Mg和Si等的铝合金废料为阳极进行电解，实现Al的再生。下列说法中错误的是(　　) A．阴极发生的反应为Al3＋＋3e－===Al B．阳极上Al、Mg被还原 C．电解结束时，阳极和阴极的质量变化不相等 D．在电解槽底部产生含Cu的阳极泥 解析　阴极上生成Al，即Al3＋得电子生成Al，A正确；阳极发生氧化反应，失去电子，B错误；阳极Mg、Al失电子，而阴极只有Al3＋得电子，故两极质量变化不相等，C正确；Cu的活泼性比Al弱，未放电，在电解槽底部沉积，成为阳极泥，D正确。 答案　B 要点二　电解的有关计算 1．三个计算原则 (1)阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数。 (2)串联电池中各电极上转移的电子数目相等。 (3)电源输出的电子总数和电解池中各电极上转移的电子数目相等。 2．六种常见计算类型 (1)两极产物的定量计算。 (2)溶液pH的计算[pH＝－lg c(H＋)]。 (3)相对原子质量的计算和阿伏加德罗常数的值的测定。 (4)根据转移电子的量求产物的量或根据产物的量求转移电子的量。 (5)计算析出的气体体积或物质的量。 (6)电极质量的变化。 3．三种常见计算方法 如以通过4 mol e－为桥梁可构建如下关系式： (式中M为金属，n为其离子的化合价数值) [特别警示]　 电解相关计算的两个要点 (1)熟练掌握电极反应式的书写，判断各电极生成的产物。 (2)每个电极上转移的电子数都是相等的。 [例2]　(江苏常熟高二月考)250 mL K2SO4和CuSO4的混合溶液中c(SO eq \o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4)) )＝0.5 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250 mL，下列说法不正确的是(　　) A．电解得到Cu的质量为3.2 g B．上述电解过程中共转移电子0.2 mol C．电解后的溶液中c(H＋)＝0.2 mol·L－1 D．原混合溶液中c(K＋)＝0.6 mol·L－1 解析　根据溶液中离子放电能力的强弱，该混合溶液中的电解反应分两个阶段：第一阶段，阴极析出铜，阳极生成O2；第二阶段，阴极生成H2，阳极生成O2。已知通电一段时间后，两极均收集到1.12 L气体(标准状况)，即第二阶段中在阴极生成0.05 mol H2，转移电子0.1 mol，同时，在阳极生成0.025 mol O2；则可知第一阶段在阳极生成的O2也是0.025 mol，转移电子0.1 mol，同时，在阴极析出0.05 mol Cu，溶液中生成0.1 mol H＋。根据上述分析，第一阶段，溶液中的Cu2＋在阴极全部放电，析出0.05 mol Cu，其质量为3.2 g，A正确；两个阶段均转移电子0.1 mol，所以整个电解过程中共转移电子0.2 mol，B正确；溶液中的 H＋是在第一阶段生成的，当阳极生成0.025 mol O2时，溶液中生成0.1 mol H＋，所以c(H＋)＝0.4 mol·L－1，C错误；n(Cu2＋)＝0.05 mol，n(SO eq \o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4)) )＝0.5 mol·L－1×0.25 L＝0.125 mol，由电荷守恒可得n(K＋)＝0.15 mol，c(K＋)＝0.6 mol·L－1，D正确。 答案　C 2．用石墨电极电解100 mL H2SO4和CuSO4的混合溶液，通电一段时间后，两极均收集到2.24 L气体(标准状况下)，原混合溶液中Cu2＋的物质的量浓度为 (　　) A．1 mol·L－1 B．2 mol·L－1 C．3 mol·L－1 D．4 mol·L－1 解析　根据题设条件，两极上电极反应式为阴极：首先Cu2＋＋2e－===Cu，然后2H＋＋2e－===H2↑；阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑。既然阴极上收集到H2，说明Cu2＋已完全放电，根据电子守恒，阴极上Cu2＋、H＋得电子总数应等于OH－失电子总数。析出0.1 mol H2获得0.2 mol电子，析出0.1 mol O2失去0.4 mol电子，所以有0.1 mol Cu2＋放电，获得0.2 mol电子，c(Cu2＋)＝0.1 mol/0.1 L＝ 1 mol·L－1。 答案　A 1．(福建漳州高二期中)下列有关电化学过程的说法正确的是(　　) A．用惰性电极电解饱和食盐水，阴极逸出的气体可使湿润的淀粉-KI试纸变蓝 B．在镀件上电镀铜时，镀件应连接电源的负极 C．用惰性电极电解MgCl2溶液的离子反应为2Cl－＋2H2O eq \o(=====,\s\up15(通电)) Cl2↑＋ H2↑＋2OH－ D．电解精炼铜时，若电路中通过2 mol e－，阳极质量减少64 g 解析　用惰性电极电解饱和食盐水，在阴极发生的反应是2H2O＋2e－=== H2↑＋2OH－，逸出的气体不能使湿润的淀粉-KI试纸变蓝，故A错误；电镀铜时，Cu作阳极，铜离子在镀件上得到电子生成Cu，镀件连接电源的负极，故B正确；用惰性电极电解MgCl2溶液，离子方程式为Mg2＋＋2Cl－＋2H2O eq \o(=====,\s\up15(电解)) Mg(OH)2↓＋Cl2↑＋H2↑，故C错误；粗铜中含有杂质铁、锌等，所以阳极质量减少64 g时，电路中转移的电子的物质的量不一定为2 mol，故D错误。 答案　B 2．以硫酸铜溶液作电解液，对含有杂质Fe、Zn、Ag的粗铜进行电解精炼。下列叙述正确的是 (　　) ①粗铜与直流电源负极相连 ②阴极发生的电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu ③电路中每通过3.01×1023个电子，得到的纯铜质量为16 g ④杂质Ag以Ag2SO4的形式沉入电解槽形成阳极泥 A．①②③ B．②④ C．②③④ D．②③ 解析　粗铜作阳极，与电源正极相连；阴极反应为Cu2＋得电子生成单质Cu，即Cu2＋＋2e－===Cu；反应中转移3.01×1023个电子，即转移电子的物质的量为0.5 mol时，生成纯铜16 g；杂质Ag以单质的形式沉入电解槽形成阳极泥。 答案　D 3．1 L含有0.4 mol Cu(NO3)2和0.4 mol KCl的水溶液，用惰性电极电解一段时间后，在一电极上析出19.2 g Cu；此时，在另一电极上放出气体的体积在标准状况下为(不考虑产生的气体在水中的溶解)(　　) A．3.36 L B．5.6 L C．6.72 L D．13.44 L 解析　阴极析出铜0.3 mol，由Cu2＋＋2e－===Cu知Cu2＋得到0.6 mol电子，根据2Cl－－2e－===Cl2↑，求出当溶液中Cl－全部参与电极反应时，放出Cl2 0.2 mol，失去电子0.4 mol。因此在阳极还有OH－放电，根据4OH－－4e－=== 2H2O＋O2↑和电子守恒，在阳极有0.05 mol O2放出，即阳极共放出0.25 mol，标准状况下为5.6 L的气体。 答案　B 4．(福建永安九中高二期中)某化学兴趣小组用如图所示装置进行电化学原理的实验探究，试回答下列问题： (1)通O2的Pt电极为电池______(填电极名称)极，其电极方程式为_________。 (2)若B池为电镀池，目的是在某镀件上镀一层银，则X电极材料为________，电解质溶液为________。 (3)若B池为精炼铜，且粗铜中含有Zn、Fe、Ag、Au等杂质，则该电池阳极泥的主要成分是________。 (4)若B池的电解质溶液为NaCl溶液，X、Y皆为惰性电极，当电池工作一段时间断开电源K，要使该溶液恢复到原状态，需加入________(填物质)。 (5)若X、Y均是铜，电解质溶液为NaOH溶液，电池工作一段时间，X极附近生成砖红色沉淀，查阅资料得知是Cu2O，试写出该电极发生的电极反应式____。 解析　(1)A是氢氧燃料电池，通O2的Pt电极得电子发生还原反应，通O2的Pt电极为电池正极，其电极方程式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－；(2)B是电解池，X与电源正极相连，X是阳极、Y是阴极，若B池为电镀池，镀层金属作阳极，镀件作阴极，镀层金属的盐溶液为电解质溶液，在某镀件上镀一层银，则X电极材料为Ag，电解质溶液为AgNO3溶液；(3)若B池为电解精炼铜，且粗铜中含有Zn、Fe、Ag、Au等杂质，锌和铁的活泼性大于铜，锌和铁会在电极上放电生成阳离子进入溶液，所以阳极泥的主要成分是Ag、Au；(4)若B池的电解质溶 液为NaCl溶液，X、Y皆为惰性电极，电解氯化钠溶液生成氢氧化钠、氢气、氯气，要使该溶液恢复到原状态，需加入HCl；(5)若X、Y均是铜，电解质溶液为NaOH溶液，电池工作一段时间，X极附近生成砖红色沉淀，查阅资料得知是Cu2O，说明X是阳极，金属铜失电子发生氧化反应生成Cu2O，发生的电极反应式为2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O。 答案　(1)正　O2＋4e－＋2H2O===4OH－ (2)Ag　AgNO3溶液 (3)Ag、Au (4)HCl (5)2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O $$