专题1 第2单元 第4课时 电解原理的应用(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年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 [学习目标]　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。 知识点一　氯碱工业 1．氯碱工业概念 用电解饱和食盐水的方法来制取氢氧化钠、氢气和氯气，并以它们为原料生产一系列化工产品的工业，称为氯碱工业。 2．氯碱工业原理 (1)通电前，氯化钠溶液中含有四种自由移动的离子，它们是Na＋、Cl－、H＋、OH－。 (2)通电时，移向阳极的离子是Cl－、OH－，Cl－在阳极放电，移向阴极的离子是Na＋、H＋，H＋在阴极放电，因H＋放电，促进了水的电离，使阴极区溶液显碱性。 ①电解饱和食盐水的原理示意图 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和质量。 (3)电极反应式和总反应方程式 ①阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑； 阴极：2H＋＋2e－===H2↑； ②总反应的化学方程式为2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2NaOH； 总反应的离子方程式为2Cl－＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2OH－。 按如图所示安装仪器，电极材料为石墨，电解质溶液为饱和食盐水(同时滴入几滴酚酞)。 (1)实验所用的电极材料为石墨，能否更换为活泼金属材料？ (2)用惰性电极电解饱和食盐水的过程中，收集到的Cl2的体积一般小于H2的体积，请分析原因。 (3)接通电源后，哪个电极附近的颜色发生了变化？为什么？ (4)若用这种装置进行氯碱工业生产有什么缺点？如何改进？ 提示　(1)阴极可以更换为活泼金属材料，但不能更换为金属铝等可以与强碱发生反应的金属电极；阳极必须用惰性电极。 (2)Cl2在水中的溶解度比H2大，且Cl2会与电解产生的NaOH反应而被消耗。 (3)接通电源后，阴极区溶液变红色，原因：H2O电离出的H＋放电，使c(OH－)增大，即阴极区产生碱，使溶液变红色。 (4)该装置的缺点是电解产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液和Cl2能反应生成NaClO，H2和Cl2混合遇火能发生爆炸。在工业生产中，为避免这几种产物混合，需要使反应在特殊的电解槽中进行。工业上在阴极区和阳极区之间设置一个离子交换膜，阻止OH－向阳极区移动，使氯气与氢氧化钠不能发生反应，从而制得烧碱、氯气和氢气。 1．电解饱和食盐水阴极区溶液呈碱性的原因 放电的H＋来自水，在阴极上得电子生成H2，破坏了水的电离平衡，促进了水的电离，溶液中c(OH－)>c(H＋)，使阴极区溶液呈碱性。 2．交换膜在电解中的应用 (1)离子交换膜的功能：使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。 (2)离子交换膜在电化学中的应用 ①防止副反应的发生，避免影响所制取产品的质量；防止引发不安全因素。如在电解饱和食盐水中，利用阳离子交换膜，防止阳极产生的Cl2进入阴极室与氢氧化钠反应，导致所制产品不纯；防止与阴极产生的H2混合发生爆炸。 ②用于物质的制备、分离、提纯等。 (3)离子交换膜的类型 根据透过的微粒，离子交换膜可以分为多种，在高考试题中主要出现阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜三种。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过；阴离子交换膜只允许阴离子通过，阻止阳离子和气体通过；质子交换膜只允许质子(H＋)通过。可见离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些离子来隔离某些物质。 3．氯碱工业的生产过程 1．如图为电解饱和食盐水的装置，下列有关说法不正确的是(　　) A．左侧电极上发生氧化反应 B．右侧生成的气体能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝 C．电解一段时间后，B口排出NaOH溶液 D．电解饱和食盐水的离子方程式：2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑ 答案　B 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。下图是离子交换膜法电解食盐水的示意图，图中的离子交换膜只允许阳离子通过。 回答下列问题： (1)写出电解饱和食盐水的离子方程式__________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)离子交换膜的作用为__________________________________________________、 ________________________________________________________________________。 (3)精制饱和食盐水从图中________位置补充，氢氧化钠溶液从图中________位置流出(选填“a”“b”“c”或“d”)。 (4)KClO3可以和草酸(H2C2O4)、硫酸反应生成高效的消毒杀菌剂ClO2，还生成CO2和KHSO4等物质。写出该反应的化学方程式__________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析　(1)电解饱和食盐水时，溶液中水电离的H＋在阴极得到电子形成H2，导致阴极附近水溶液呈碱性，溶液中的Cl－在阳极失去电子形成Cl2，反应的离子方程式是2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑。(2)图中为阳离子交换膜，可以允许阳离子通过，不能使阴离子通过，避免了阴极溶液中的OH－进入阳极室与氯气反应，阻止Cl－进入阴极室，使阴极区产生的NaOH纯度更高。也阻止阳极产生的氯气和阴极产生的氢气混合爆炸。(3)随着电解进行，NaCl不断消耗，所以应该及时补充。精制饱和食盐水从与阳极连接的a位置补充，由于阴极H＋不断放电，负极溶液呈碱性，氢氧化钠从图中d位置流出。(4)由题意可知KClO3有氧化性被还原为ClO2，草酸有还原性被氧化为CO2，根据电子和原子守恒可解。 答案　(1)2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑ (2)阻止OH－进入阳极室与氯气发生副反应　阻止阳极产生的氯气和阴极产生的氢气混合爆炸 (3)a　d　(4)2KClO3＋H2C2O4＋2H2SO4===2ClO2↑＋2CO2↑＋2KHSO4＋2H2O 知识点二　铜的电解精炼　电镀 1．铜的电解精炼 (1)装置 (2)粗铜成分 ①主要成分：Cu。 ②杂质金属：比铜活泼的有Zn等；比铜不活泼的有Ag、Au等。 (3)电极反应 2．电镀 (1)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。电镀除了提升美观和增加表面强度之外，更主要的目的是增强材料的抗腐蚀能力，防止金属氧化等。 (2)基础实验：铁钉镀锌 根据电解原理，设计在铁钉上镀锌的实验方案 电镀原理 阳极：Zn－2e－===Zn2＋ 阴极：Zn2＋＋2e－===Zn 电镀方案 电极 材料 阳极：锌片 阴极：铁钉 电镀液 ZnCl2溶液 镀件 铁钉 (3)某电镀银实验装置如图所示。 请回答下列问题： 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；含银离子的溶液为电镀液，含有镀层金属离子。 ②阳极反应式为Ag－e－===Ag＋； 阴极反应式为Ag＋＋e－===Ag。 ③可观察到的现象是待镀金属表面镀上一层光亮的银，银电极不断溶解。 ④含银离子的溶液浓度的变化是不变。 (4)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。 1．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　因为锌离子浓度远大于氢离子浓度，所以是锌离子得电子。 2．构成电镀池的条件是什么？ 提示　①镀层金属与直流电源的正极相连，作阳极； ②待镀金属制品与直流电源的负极相连，作阴极； ③用含有镀层金属离子的电解质溶液作电镀液； ④形成闭合回路。 3．电镀的两个主要特点是什么？ 提示　①阳极本身参与电极反应；②电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH等保持不变。 4．电解精炼铜的过程中，溶液中Cu2＋的浓度如何变化？ 提示　电解精炼过程中，阳极上金属铜和比铜活泼的金属杂质(如锌等)转化为阳离子进入溶液，阴极上只发生反应：Cu2＋＋2e－===Cu，电解精炼过程中电解质溶液中Cu2＋的浓度减小。 1．电镀池的构成条件及特点 (1)电镀池的构成条件：待镀金属制品作阴极，镀层金属作阳极，用含有镀层金属的离子的溶液作电镀液。 (2)特点：一多、一少、一不变。一多指阴极上有镀层金属沉积，一少指阳极上有镀层金属溶解，一不变指电镀液浓度不变。 2．电镀铜与精炼铜的比较 名称 电镀铜 精炼铜 能量转变 电能转化为化学能 阳极材料 纯铜 粗铜(含锌、银、金等杂质) 阴极材料 镀件 纯铜 阳极反应 Cu－2e－===Cu2＋ Zn－2e－===Zn2＋ Cu－2e－===Cu2＋等 阴极反应 Cu2＋＋2e－===Cu Cu2＋＋2e－===Cu 电解质 溶液及 其变化 硫酸铜溶液 保持不变 反应后硫酸铜溶液中混有Zn2＋等，Cu2＋浓度减小 1．利用电解法可将含有Fe、Zn、Ag、Pt等杂质的粗铜提纯，下列叙述正确的是(　　) A．电解时以纯铜作阳极 B．电解时阴极发生氧化反应 C．粗铜连接电源负极，其电极反应式是Cu－2e－===Cu2＋ D．电解后，电解槽底部会形成含少量Ag、Pt等金属的阳极泥 答案　D 2．如图所示，甲、乙为相互串联的两个电解池。 (1)甲池若为电解精炼铜的装置，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)乙池中铁电极的电极反应为______________________________________。 (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________。 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，乙池中铁极作阴极，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。 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 (1)电解精炼过程中的“两不等”：电解质溶液浓度在电解前后不相等；阴极增加的质量和阳极减少的质量不相等。 (2)电镀过程中“一不变”：指电镀液(电解质溶液)的浓度不变。　 1．(2023·东城区检测)下列关于铜电极的叙述不正确的是(　　) A．铜锌原电池中铜是正极 B．用电解法精炼铜时粗铜作阳极 C．在镀件上镀铜时可用铜作阳极 D．电解稀H2SO4制H2、O2时铜作阳极 答案　D 2．下列有关电解原理的应用的说法正确的是(　　) A．氯化铝是一种电解质，可用于电解法制铝 B．在铁制品上镀银时，银制品与电源正极相连 C．电解法精炼铜时，以粗铜作阴极，纯铜作阳极 D．电解硫酸钾溶液时，硫酸钾的浓度保持不变 解析　氯化铝是一种电解质，但熔融态的氯化铝不导电，不可用于电解法制铝，A错误；电镀时，镀层金属与电源正极相连，待镀件与电源负极相连，在铁制品上镀银时，银制品与电源正极相连，B正确；电解法精炼铜时，粗铜作阳极，纯铜作阴极，C错误；电解硫酸钾溶液时，阳极生成氧气，阴极生成氢气，相当于电解水，硫酸钾的浓度会增大，D错误。 答案　B 3．利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产上的应用。下列说法正确的是(　　) A．氯碱工业中，X电极上反应式是4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ B．电解精炼铜时，Z溶液中的Cu2＋浓度不变 C．在铁片上镀铜时，Y是纯铜 D．制取金属镁时，Z是熔融的氯化镁 解析　氯碱工业中阳极是Cl－放电生成Cl2，A错误；电解精炼铜时阳极粗铜溶解，主要有Cu－2e－===Cu2＋，可能还有Zn－2e－===Zn2＋、Fe－2e－===Fe2＋、Ni－2e－===Ni2＋，阴极Cu2＋放电析出Cu，根据电子守恒，溶液中Cu2＋浓度变小，B错误；铁片上镀铜时，阴极应该是铁片，阳极是纯铜，C错误；氯化镁为离子化合物，熔融状态能导电，D正确。 答案　D 4．(2023·潍坊检测)用石墨电极电解1 L含硝酸铜和氯化钠各0.1 mol的混合溶液，当阳极上生成2.24 L(标准状况)气体时，假设溶液的体积不变，下列说法正确的是(　　) A．电解过程中溶液中有蓝色沉淀生成 B．阴极也产生2.24 L(标准状况)气体 C．阴极增重6.4 g D．所得溶液的pH大于7 解析　含硝酸铜和氯化钠各0.1 mol的混合溶液中，各离子的物质的量分别为Cu2＋0.1 mol，Na＋0.1 mol、Cl－ 0.1 mol、NO 0.2 mol，阳极Cl－先放电：2Cl－－2e－===Cl2↑，由于Cl－仅0.1 mol，故电子转移了0.1 mol，标准状况下放出Cl2 0.05 mol，即1.12 L。根据题意知，阳极生成2.24 L(标准状况)气体，故OH－继续放电：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，放出O2的体积为2.24 L－1.12 L＝1.12 L，此时电子转移了0.2 mol，消耗OH－0.2 mol，即在电解过程中共转移0.3 mol电子。阴极上发生还原反应：Cu2＋＋2e－===Cu，A错误；因溶液中含Cu2＋0.1 mol，故阴极析出铜6.4 g，C正确；此时消耗了0.2 mol电子，还有0.1 mol电子由H＋消耗：2H＋＋2e－===H2↑，故标准状况下放出H2 0.05 mol，即1.12 L，需H＋0.1 mol，故消耗OH－的物质的量大于H＋的，所得溶液的pH小于7，B、D错误。 答案　C 5．下图中的A为直流电源，B为浸透饱和氯化钠溶液和酚酞试液的滤纸，C为电镀槽，接通电路后，发现B上的c点显红色。请填空： (1)电源A中a为________极。 (2)滤纸B上发生的总反应方程式为_____________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)欲在电镀槽中实现铁上镀锌，接通开关K，使c、d两点短路，则电极e上发生的反应为________________________________________________________________________，电极f上发生的反应为____________________________________________________________，电镀槽中盛放的电镀液可以是________或________(只要求填两种电解质溶液)。 解析　(1)根据c点显红色，则该极的反应为2H＋＋2e－===H2↑，即该极为阴极，与电源的负极相连，所以a是正极。(2)滤纸B上发生的总反应方程式为2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2NaOH。(3)c、d两点短路后，e为阳极，反应为Zn－2e－===Zn2＋，阴极上镀锌，则阴极反应为Zn2＋＋2e－===Zn，电解液用含镀层金属的离子的溶液，所以可用ZnSO4溶液或Zn(NO3)2溶液等。 答案　(1)正 (2)2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2NaOH (3)Zn－2e－===Zn2＋　Zn2＋＋2e－===Zn　ZnSO4溶液　Zn(NO3)2溶液 学科网（北京）股份有限公司 $$