专题1 第2单元 第4课时 电解原理的应用（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修1（苏教版2019）

第4课时　电解原理的应用 课程标准 核心素养目标 1.认识电能转化为化学能的实际意义及其重要应用。 2．了解电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜、电冶金的原理。 3．能根据电解池的工作原理设计简单的电解池。 1.证据推理与模型认知：能认识和建构电解池应用装置和工作原理的认知模型，并能说明模型使用的条件及适用范围。 2．科学态度与社会责任：能列举事实说明化学对人类文明的伟大贡献，主动关心与环境保护、资源开发有关的社会热点问题，形成与环境和谐共处，合理利用自然资源的观念。 [对应学生用书P30] 1．电解饱和食盐水 (1)现象 阳极上有黄绿色气体产生；阴极上有无色气体产生。 (2)原理分析及电极反应 电解时，Cl－、OH－移向阳极，H＋、Na＋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)。 ③电池反应 化学方程式：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，离子方程式：2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑。 2．铜的电解精炼 (1)粗铜中往往含有铁、锌、银、金等多种杂质，常用电解的方法进行精炼。电解池的构成是用粗铜作阳极，用纯铜作阴极，用硫酸铜溶液作电解质溶液。 (2)阳极反应式为Cu－2e－===Cu2＋、Zn－2e－===Zn2＋、Fe－2e－===Fe2＋等；阴极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。 (3)电解精炼铜的原理：粗铜中比铜活泼的金属锌、铁等，失去电子形成阳离子而溶解(残留在溶液中)；比铜不活泼的金属银、金等，以金属单质的形式沉积在电解槽的底部(形成阳极泥)；溶液中的铜离子在纯铜上析出。 3．电镀 (1)电镀的概念：应用电解原理在某些金属或其他材料制品表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。电镀可以使金属更加美观耐用，抗腐蚀性能增强。 (2)某电镀银实验装置(电镀池)如图所示。 ①银为镀层金属，与直流电源的正极相连，作阳极；待镀金属与直流电源的负极相连，作阴极；含银离子溶液为电镀液，含有镀层金属离子。 ②阳极反应式为Ag－e－===Ag＋(氧化反应)； 阴极反应式为Ag＋＋e－===Ag(还原反应)。 ③可观察到的现象是待镀金属表面镀上一层光亮的银，银不断溶解。 ④含银离子溶液浓度的变化是不变。 (3)电镀的特点是阳极参与电极反应，电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH等保持不变。 [对应学生用书P31] 探究 电解原理的应用 电解在生产、生活中的应用越来越广泛。实验室中模拟电解原理在化工生产中的应用，实验装置如下图所示，装置闭合开关K 时，电流计的指针将发生偏转。用该套装置模拟电解原理的应用。 [问题设计] (1)哪个装置是原电池？哪个装置是电解池？ 提示：甲、乙构成原电池，丙是电解池。 (2)a、b、c、d电极名称分别是什么？ 提示：甲、乙构成原电池，其中a 是负极，b 是正极；丙是电解池，c是阳极，d是阴极。 (3)若模拟氯碱工业生产烧碱、氯气和氢气，如何选用电极材料和电解质溶液？ 提示：c电极材料必须为惰性电极，d 电极材料为惰性电极或Fe电极等(导体均可)，X 溶液为饱和食盐水。 (4)若模拟电镀生产，在铁件上镀一层金属银，如何选择电极材料及电解质溶液？在铁上镀锌时，溶液中的阳离子有两种，为什么在阴极是锌离子得电子而不是氢离子得电子被还原？ 提示：c电极材料为Ag，d 电极材料为铁件，X 溶液为AgNO3 溶液。 因为锌离子浓度远大于氢离子浓度，所以是锌离子得电子。 (5)若模拟电解精炼铜，如何选用电极材料和电解质溶液？粗铜中含有锌、铁、镍、银、金等金属杂质，在精炼铜的过程中，杂质金属为什么不在阴极析出？精炼铜的过程中溶液中Cu2＋的浓度是否有变化？ 提示：c电极材料为粗铜，d 电极材料为纯铜，X 溶液为CuSO4 溶液。 因氧化性Cu2＋大于Fe2＋、Zn2＋、Ni2＋，故在阴极上Cu2＋得到电子析出单质铜，阳极上比铜活泼的金属锌、铁、镍被氧化，比铜活动性弱的金属Ag、Au形成阳极泥。电解精炼铜时，阳极产生锌离子、亚铁离子、镍离子、铜离子，但阴极只消耗铜离子，所以电解质溶液中Cu2＋浓度会减小。 1．电镀与铜的电解精炼的比较 项目 电镀 铜的电解精炼 定义 应用电解原理在某些金属或其他材料制品表面镀上一薄层其他金属或合金的过程 利用电解原理提纯铜 装置举例 形成条件 ①镀层金属作阳极接直流电源正极，镀件作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直流电源 ④形成闭合回路 ①粗铜作阳极，纯铜作阴极 ②含Cu2＋的盐溶液作电解质溶液 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.氯碱工业——离子交换膜的作用 离子交换膜法电解饱和食盐水制烧碱的主要原理：使用的阳离子交换膜有特殊的选择透过性，只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过，即只允许H＋、Na＋ 通过，而Cl－、OH－ 和两极产物H2 和Cl2 无法通过，因而起到了防止阳极产物Cl2 和阴极产物H2 相混合而导致爆炸的作用，还起到了避免Cl2 和阴极另一产物NaOH 反应而影响烧碱纯度的作用。 【例】 (2023·福建莆田高二质检)二氧化氯是一种安全稳定、高效低毒的消毒剂，工业上有多种制备方法。回答问题： 方法一： 亚氯酸钠与氯气反应2NaClO2＋Cl2===2NaCl＋2ClO2，氯气由氯碱工业制得，如图1所示。 (1)P是 (填“阳”或“阴”)离子交换膜。 (2)写出图1总反应的化学方程式： 。 方法二： 惰性电极电解氯化铵和盐酸，原理如图2所示。 (3)图2中“气体X”是 (填化学式)。 (4)c的电极反应式为 。 答案：(1)阳　(2)2NaCl＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2NaOH　(3)H2 (4)NH＋3Cl－－6e－===NCl3＋4H＋ 解析：(1)左侧加入精制饱和食盐水，则左侧为阳极，右侧为阴极，水电离出的氢离子得电子生成氢气和氢氧根离子，左侧的钠离子经过阳离子交换膜迁移到右侧，生成浓烧碱溶液，则P是阳离子交换膜。 (2)图1为电解饱和食盐水生成氢氧化钠、氢气和氯气，其总反应的化学方程式为2NaCl＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2NaOH。 (3)惰性电极电解氯化铵和盐酸，c电极铵根离子失去电子生成NCl3，则c为阳极，d为阴极，水中的氢离子得电子生成氢气，则气体X是氢气。 (4)c电极是阳极，铵根离子失去电子生成NCl3，其电极反应式为NH＋3Cl－－6e－===NCl3＋4H＋。 (2023·江苏连云港高二质检)四室式电渗析法制备盐酸和NaOH的装置如图所示。a、b、c为阴、阳离子交换膜。已知：阴离子交换膜只允许阴离子透过，阳离子交换膜只允许阳离子透过。下列叙述正确的是(　　) A．b、c分别为阳离子交换膜、阴离子交换膜 B．通电后 Ⅲ 室中的Cl－透过c迁移至阳极区 C. Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 、Ⅳ室中的溶液的pH均升高 D．电解反应为4NaCl＋6H2O4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑ D　解析：由图中信息可知，左边电极与电源负极相连为阴极，右边电极为阳极，所以通电后，阴离子向右定向移动，阳离子向左定向移动，阳极上H2O放电生成O2和H＋，阴极上H2O放电生成H2和OH－；H＋透过c膜，Cl－透过b膜，二者在b、c之间的 Ⅲ 室形成盐酸，盐酸浓度变大，所以b、c分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜；Na＋透过a膜，NaOH的浓度变大，所以a是阳离子交换膜，A、B错误；电解一段时间后， Ⅰ 中溶液的c(OH－)增大，pH升高， Ⅱ 中为NaCl溶液，pH不变， Ⅲ 中有HCl生成，故c(H＋)增大，pH减小，Ⅳ中H＋移向 Ⅲ ，H2O放电生成O2，使水的量减小，c(H＋)增大，pH减小，C错误。 含离子交换膜的电化学装置题的解题步骤 [对应学生用书P33] 1．利用如图所示装置可以在铜牌表面电镀一层银。下列说法正确的是(　　) A．通电后，Ag＋向阳极移动 B．银片与电源负极相连 C．该电解池阴极发生的电极反应可表示为Ag＋＋e－===Ag D.当电镀一段时间后，将电源反接，铜牌可恢复如初 C　解析：铜牌上镀银，银片为阳极，Ag＋向阴极移动，阴极反应为Ag＋＋e－===Ag。由于实验中镀层不可能非常均匀致密，所以将电源反接，阳极上Cu、Ag均会溶解，铜牌不可能恢复如初。 2．如图所示的X、Y两个电解池中的电极均为铂，在X池中加入0.05 mol·L－1的CuCl2溶液，Y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　解析：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四个电极上所析出的物质的物质的量之比为2∶2∶4∶1。 3．将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 B　解析：根据电解原理知，阴极的电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，由题意知，在阴极上析出0.3 mol Cu，则转移0.6 mol电子；阳极的电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，Cl－完全放电时，转移的电子数为0.4 mol，生成0.2 mol Cl2，故根据得失电子守恒分析，阳极上Cl－放电完全后，OH－放电，即4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，转移电子的物质的量为0.2 mol时，生成0.05 mol O2，故阳极放出气体的体积为(0.2 mol＋0.05 mol)×22.4 L·mol－1＝5.6 L。 4．金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是(氧化性：Fe2＋<Ni2＋<Cu2＋)(　　) A.阳极发生还原反应，其电极反应式为Ni2＋＋2e－===Ni B．电解过程中，阳极质量减少的量与阴极质量增加的量相等 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不可能有Fe和Zn D　解析：电解池阳极发生氧化反应：Ni－2e－===Ni2＋(主要)。因为粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt杂质，电解过程中，阳极会溶解Fe、Zn、Ni，而阴极只析出Ni，故阳极质量减少的量与阴极质量增加的量不相等。电解后，溶液中存在的金属阳离子除Fe2＋和Zn2＋外，还有Ni2＋，电解槽底部的阳极泥中不可能存在Fe、Zn，因为Fe、Zn比Ni活泼。 5．如图所示的电化学装置中，a、b是石墨电极，通电一段时间后，电极b附近显红色，下列说法正确的是(　　) A．该装置能将化学能转化为电能 B．Pt电极是阴极，发生还原反应 C．当b电极产生22.4 L气体时，铜电极上一定析出10 g固体 D．电极b上的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ D　解析：该装置为电解池，电极b附近显红色，说明b极产生OH－，为水得电子生成氢气，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，则b为阴极，a为阳极，Y为电源负极，X为正极，Pt极为阳极，是H2O失电子生成O2，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，Cu为阴极，为铜离子得电子，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。Pt电极是阳极，发生氧化反应，B错误；b电极产生22.4 L气体未指明气体状态，无法计算物质的量，C错误；b极为水得电子生成氢气，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$