内容正文:
电解原理的应用
第二课时
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目
录
01
02
实验探究——电解食盐水制备烧碱、
氢气和氯气
新知探究——铜的电解精炼、电镀
03
课时跟踪检测
01
实验探究——电解食盐水制备烧碱、
氢气和氯气
1.实验装置
2.实验现象
(1)阳极上生成有________气味的_____色气体,该气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变______。
(2)阴极上有______气体产生,阴极附近溶液变_____。
刺激性
黄绿
蓝色
无色
红色
3.原理分析
通电前 氯化钠溶液中含有的离子:Na+、Cl-、H+、OH-
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-,电极反应为2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:离子放电顺序为H+>Na+,电极反应为2H++2e-===H2↑
因______放电,故阴极区生成__________
H+
NaOH
[题点多维训练]
1.如图所示,能验证氯化钠溶液(含酚酞)电解产物的装置是( )
√
解析:电解饱和食盐水时,阳极反应为2Cl--2e-===Cl2↑,阳极产物为Cl2;阴极反应为2H++2e-===H2↑,阴极放出H2;Cl2可用碘化钾淀粉溶液检验。因H2密度小,在阴极生成,结合e-转移方向知D正确。
2.下图是工业电解饱和食盐水的装置示意图,下列说法中不正确的是( )
√
解析:出口①处是电解池的阳极区,溶液中的氯离子失电子生成氯气,A项正确;
出口②处是电解池的阴极区,溶液中的氢离子得到电子发生还原反应生成氢气,离子交换膜是阳离子交换膜,只允许阳离子通过,B项正确;
该装置是电解装置,是把电能转化为化学能,D项正确。
3.“84”消毒液是环境消毒液之一。某学生想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,设计了如图所示的装置。c、d都为石墨电极。
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电极的电极反应式:______________________,电解产生消毒液的总化学方程式为____________________________________。
02
新知探究——铜的电解精炼、电镀
1.铜的电解精炼
(1)粗铜成分
①主要成分:_____。
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。
Cu
(2)装置
(3)电解精炼的电极反应
阳极 主要反应:Cu(粗铜)-2e-===Cu2+
其他反应:Zn-2e-===Zn2+
Fe-2e-===Fe2+、Ni-2e-===Ni2+
Ag、Pt、Au等金属沉积在电解池底部形成阳极泥
阴极 Cu2++2e-===Cu(精铜)
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)
装置
阴极 _______(镀件);电极反应:Cu2++2e-===Cu
阳极 铜片(镀层金属);电极反应:Cu-2e-===Cu2+
电解质溶液 硫酸铜溶液(含有镀层金属离子的盐溶液)
现象与结论 铜片逐渐溶解,铁钉表面有红色物质析出
铁钉
(4)电镀池的设计
通常采用含有镀层金属离子的盐溶液做电镀液;把_________浸入电镀液中与直流电源的正极相连,做阳极;______与直流电源的负极相连,做阴极。
镀层金属
镀件
3.金属冶炼
应用化学
铝虽然储藏量比铁多,但是,人们炼铝比炼铁晚得多。这是因为铝的化学性质比铁活泼,不易还原,因此从矿石中冶炼铝也就比较困难。这样,铝一向被称为“年轻的金属”。Al(OH)3经过一系列反应可获得粗铝,利用熔融状态下物质密度不同,通过三层液电解精炼法可由粗铝获得高纯铝(装置如图所示)。
1.该装置工作时,电极A是电解池的阴极还是阳极?
提示:粗铝做阳极,失电子发生氧化反应,高纯铝做阴极,铝离子得到电子发生还原反应,A为电解池阴极,B为电解池阳极。
2.熔融粗铝时加入铜的作用是什么?
提示:利用熔融状态下物质密度不同,通过三层液电解精炼法可由粗铝获得高纯铝,熔融粗铝时加入铜的作用是增大阳极熔融物的密度。
[题点多维训练]
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.电解时以精铜作阳极
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
√
解析:电解精炼铜时,粗铜做阳极,精铜做阴极,故A错误;
阳极与电池的正极相连发生氧化反应,阴极与电池的负极相连发生还原反应,故B错误;
粗铜连接电源的正极,发生氧化反应,故C错误;
金属的活动性顺序为Zn>Fe>Cu>Ag>Pt,因此Ag、Pt不会放电,以单质形式沉积下来,D正确。
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+<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,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量一定相等
C.电解后,电解槽底部的阳极泥中含有Cu和Pt
D.电解后,溶液中存在的金属阳离子只有Fe2+和Zn2+
√
解析:电解法制备高纯度的镍,粗镍作为阳极,金属按还原性顺序Zn>Fe>Ni>Cu>Pt发生氧化反应,电极反应依次为Zn-2e-===Zn2+、Fe-2e-===Fe2+、Ni-2e-===Ni2+,A错误;
电解过程中,阳极Zn、Fe、Ni溶解,Cu、Pt沉积到电解槽底部,阴极只析出Ni,结合两极转移的电子数相等,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量不相等,B错误;
Cu和Pt还原性比Ni弱,不能失去电子,以沉淀的形式沉积在电解槽底部,形成阳极泥,C正确;
电解后,溶液中存在的金属阳离子除了Fe2+、Zn2+外,还有Ni2+,D错误。
3.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.Fe和AgNO3溶液 D.Pt和Ag2SO4溶液
解析:电镀槽中,要求镀件做阴极,可用镀层金属做阳极,电镀液通常采用含有镀层金属离子的可溶性盐溶液,A、D项中AgCl和Ag2SO4均为沉淀,只有B项符合要求。
√
4.在铜片上镀银时,下列叙述中错误的是( )
①将铜片接在电源的正极 ②将银片接在电源的正极 ③在铜片上发生的反应是Ag++e-===Ag ④在银片上发生的反应是4OH--4e-===O2↑+2H2O ⑤可用CuSO4溶液做电解质溶液
⑥可用AgNO3溶液做电解质溶液
A.①③⑥ B.②③⑥
C.①④⑤ D.②③④⑥
√
解析:在铜片上镀银时,银做阳极:Ag-e-===Ag+;铜做阴极:Ag++e-===Ag;AgNO3溶液做电解质溶液。即②③⑥正确,①④⑤错误。
5.火法炼铜得到的粗铜中含多种杂质(如锌、金、银等),其性能远不能达到电器工业的要求,工业上常使用电解精炼法将粗铜提纯。利用电解法可将含有Fe、Zn、Ag、Au等杂质的粗铜提纯,回答下列问题:
(1)电解时粗铜做________极,连接电源的________极,电极反应为_________________________________________________________ ___________________________________________________________;纯铜做________极,电极反应为________________。
(2)电解质溶液应选择________(填字母)。
A.FeCl2溶液 B.CuSO4溶液 C.ZnSO4溶液
(3)电解后,电解槽底部会形成含少量____________等金属的阳极泥。
(4)若纯铜片增重6.4 g,则电路中通过的电子为________mol。
解析:(1)电解法精炼金属铜时,粗铜做阳极,失去电子逐渐溶解,溶液中的Cu2+得到电子后在阴极放电而析出,附着在阴极上,故粗铜做阳极,纯铜做阴极。
(3)在电解时,比铜活泼的Fe、Zn先失去电子,变成Fe2+、Zn2+进入溶液,然后是铜失去电子,变成Cu2+进入溶液;Ag、Au等金属不如铜活泼,沉积在电解槽底部形成阳极泥。
(4)Cu2+在阴极上得到电子形成Cu单质附着在阴极上,若纯铜片增重6.4 g,Cu的物质的量是0.1 mol,由于Cu是+2价金属,因此电路中通过的电子为0.2 mol。
答案:(1)阳 正 Cu-2e-===Cu2+,Fe-2e-===Fe2+,Zn-2e-===Zn2+ 阴 Cu2++2e-===Cu (2)B (3)Ag、Au (4)0.2
03
课时跟踪检测
1.下列图示中关于铜电极的连接错误的是( )
解析:镀件上镀铜时,铜做阳极,与电源正极相连,镀件做阴极,与电源负极相连。
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2.欲在铁制品上镀一层一定厚度的铜,以下方案设计正确的是( )
A.铜作阳极,镀件作阴极,溶液中含有铜离子
B.铂作阴极,镀件作阳极,溶液中含有铜离子
C.铁作阳极,镀件作阴极,溶液中含有亚铁离子
D.铜作阴极,镀件作阳极,溶液中含有亚铁离子
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解析:电镀原理是镀层金属做阳极发生氧化反应,镀件做阴极镀层金属阳离子在镀件上发生还原反应,含有镀层金属阳离子的电解质溶液做电镀液,综上分析A符合题意。
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3.氯碱工业中电解饱和食盐水的原理如图所示(两电极均为石墨电极)。下列说法正确的是( )
A.M为电子流出的一极
B.通电使氯化钠发生电离
C.电解一段时间后,阴极区pH减小
D.电解时用盐酸调节阳极区的pH在2~3之间,有利于气体逸出
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解析:由题图可知,N为负极,电子从负极流出,故A错误;
氯化钠在水溶液中发生电离,不需要通电,故B错误;
电解时,氢离子在阴极上得电子生成氢气,溶液中氢氧根离子的浓度增大,则pH增大,故C错误;
电解时,氯离子在阳极上失电子生成氯气,用盐酸控制阳极区溶液的pH在2~3之间的作用是减少Cl2在水中的溶解,有利于Cl2的逸出,故D正确。
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4.利用如图所示装置可以在铜牌表面电镀一层银。下列有关说法正确的是( )
A.通电后,Ag+向阳极移动
B.银片与电源负极相连
C.该电解池的阴极反应为Ag++e-===Ag
D.当电镀一段时间后,将电源反接,铜牌可恢复如初
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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,Cu比Ag活泼,首先失电子生成Cu2+进入溶液,溶解,铜牌不可能恢复如初。
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5.观察下列几个装置示意图,有关叙述正确的是( )
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A.装置①工业上可用于生产金属钠,电解过程中石墨电极产生金属,此法也可用于生产活泼金属镁、铝等
B.装置②中随着电解的进行左边电极会产生红色的铜
C.装置③中从a口导出的是H2
D.装置④的待镀铁制品应与电源正极相连
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解析:装置①是电解池装置,石墨是阳极,铁是阴极,电解熔融氯化钠时,钠在铁极析出,故A项错误;
装置②是电解池装置,左侧是阴极,得电子发生还原反应,Cu2++2e-===Cu,故B项正确;
装置③是电解饱和食盐水的装置,左侧为阳极,失电子发生氧化反应,2Cl--2e-===Cl2↑,则从a口导出的是Cl2,故C项错误;
装置④是电镀装置,镀层金属做阳极,待镀制品做阴极,与电源的负极相连,故D项错误。
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6.某同学运用电解原理实现在铁棒上镀铜,设计如图装置。下列判断不正确的是( )
A.a极是铁
B.液体c可用硫酸铜溶液
C.该实验过程中c(Cu2+)基本保持不变
D.b极上发生的反应为Cu2++2e-===Cu
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解析:a极为铁,在a极上Cu2+发生还原反应生成铜,达到镀铜的目的,故A正确;
电解质溶液应含铜离子,可为硫酸铜溶液等,故B正确;
电镀时,阳极溶解铜,阴极析出铜,c(Cu2+)基本保持不变,故C正确;
b极上发生氧化反应,应为Cu-2e-===Cu2+,故D错误。
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7.如图为EFC剑桥法用固体二氧化钛(TiO2)生产海绵钛的装置示意图,其原理是在较低的阴极电位下,TiO2(阴极)中的氧解离进入熔融盐,阴极最后只剩下纯钛。下列说法中正确的是( )
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A.阳极的电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑
B.阴极的电极反应式为TiO2+4e-===Ti+2O2-
C.通电后,O2-、Cl-均向阴极移动
D.石墨电极的质量不发生变化
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解析:电解池中的阴离子O2-、Cl-向阳极移动,由图示可知阳极生成O2、CO、CO2,所以阳极电极反应为2O2--4e-===O2↑,O2与石墨反应生成CO、CO2,石墨电极质量减小,A、C、D项错误,B项正确。
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8.如图,X和Y均为石墨电极。
(1)若电解液为滴有酚酞的饱和食盐水,电解反应的
离子方程式为____________________________;
电解过程中________(填“阴”或“阳”)极附近会出现红色。
(2)若电解液为500 mL含A溶质的某蓝色溶液,电解一段时间,观察到X电极表面有红色的固态物质生成,Y电极有无色气体生成。溶液中原有溶质完全电解后,停止电解,取出X电极,洗涤、干燥、称量,电极质量增加1.6 g。
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①电解后溶液的氢离子浓度为______________;要使电解后溶液恢复到电解前的状态,需加入一定量的____________(填加入物质的化学式)。(假设电解前后溶液的体积不变)
②Y电极产生气体在标准状况下的体积为________L。
③请你推测原溶液中所含的酸根离子可能是________________;并设计实验验证你的推测,写出实验的操作步骤、现象和结论:____________________________________________________________________________________________________________________________。
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高阶思维训练
9.(2024·重庆八中高二月考)科学家采用碳基电极材料设计了一种制取氯气的新工艺方案,装置如图所示。下列说法正确的是( )
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解析:由题图可知,HCl在阳极失电子,发生氧化反应,生成Cl2和H+,Fe3+在阴极得电子,被还原成Fe2+,Fe2+、H+和O2反应生成Fe3+和H2O,Fe2+、Fe3+在阴极循环。阳极为HCl失电子,需用惰性材料做电极,铜为活性电极,A错误;
阴极发生得电子的还原反应,B错误;
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10.二氧化氯(ClO2,黄绿色易溶于水的气体)是一种安全稳定、高效低毒的消毒剂。工业上通过惰性电极电解氯化铵溶液和盐酸的方法制备ClO2的原理如图所示。下列说法正确的是( )
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11.(2024·马鞍山高二期中)铬是常见的过渡金属之一,研究铬的性质具有重要意义。
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(1)在如图装置中,观察到装置甲铜电极上产生大量的无色气体;而装置乙中铜电极上无气体产生,铬电极上产生大量红棕色气体。由此可得到的结论是______________________________ __________________________________________________________。
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(2)工业上使用下图装置,采用石墨作电极电解Na2CrO4溶液,使Na2CrO4转化为Na2Cr2O7,其转化原理为_____________________ __________________________________________________________。
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4.电解的总反应
化学方程式:2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH;
离子方程式:2Cl-+2H2OH2↑+Cl2↑+2OH-。
A.装置出口①处的物质是氯气
B.出口②处的物质是氢气,该离子交换膜只能让阳离子通过
C.装置中发生反应的离子方程式为2Cl-+2H+Cl2↑+H2↑
D.该装置是将电能转化为化学能
电解饱和食盐水生成氢氧化钠和氢气、氯气,离子方程式为2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH-,C项错误;
解析:电解饱和氯化钠溶液的化学方程式为2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,该学生的目的是使Cl2被完全吸收制得NaClO溶液,即要让Cl2与NaOH溶液充分混合反应。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↑。
答案:(1)负 阳
(2)2H++2e-===H2↑ NaCl+H2ONaClO+H2↑
冶炼钠
总反应:2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑
冶炼镁
总反应:MgCl2(熔融) Mg+Cl2↑
冶炼铝
总反应:2Al2O3(熔融) 4Al+3O2↑
解析:(1)电解饱和食盐水的离子方程式:2Cl-+2H2O2OH-+Cl2↑+H2↑,在阴极区生成NaOH,使酚酞溶液变红。
(2)蓝色溶液中可能含有Cu2+,并且在电解过程中析出红色固体,进一步验证析出的是铜;Y电极上析出无色气体,应该是O2,电解离子方程式:2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+。
①根据电解离子方程式得:n(H+)=2n(Cu)=2×=0.05 mol,故溶液中c(H+)==0.1 mol·L-1,溶液的pH=1。要使溶液恢复到以前,可以加入CuO或CuCO3。
②根据电解方程式得:n(O2)=×n(Cu)=0.012 5 mol,在标准状况下的体积V(O2)=22.4 L·mol-1×0.012 5 mol=0.28 L。
③溶液中存在的必须是含氧酸根离子,可以是SO或NO;然后利用实验进行检验。
答案:(1)2Cl-+2H2O2OH-+Cl2↑+H2↑ 阴
(2)①0.1 mol·L-1 CuO(或CuCO3) ②0.28
③硫酸根离子 取少量待测液于试管中,滴加盐酸无明显现象,继续加入氯化钡溶液,若有白色沉淀产生,则证明是硫酸根离子(或:硝酸根离子 取少量待测液于试管中,加热浓缩后加入铜粉和浓硫酸,若有红棕色气体产生,则证明是硝酸根离子)
A.电解池可用铁做阴极,铜做阳极
B.阴极反应为2HCl-2e-===Cl2+2H+
C.电路中转移1 mol电子,消耗氧气5.6 L
D.该工艺的总反应为4HCl+O22Cl2+2H2O
由于题目未说明氧气所处状况,故无法计算气体体积,C错误;由图示可知,该过程实际为O2氧化HCl生成Cl2和H2O,总反应为O2+4HCl2Cl2+2H2O,D正确。
A.a与电源的负极连接,在b极区流出的Y溶液是浓盐酸
B.当有0.3 mol阴离子通过离子交换膜时,二氧化氯发生器中产生1.12 L NH3
C.电解池a极上发生的电极反应为NH-6e-+3Cl-===NCl3+4H+
D.二氧化氯发生器内发生的氧化还原反应中,氧化剂与还原剂的物质的量之比为6∶1
解析:在b极区H+得电子生成H2,电极反应为2H++2e-===H2↑,在b极区流出的Y溶液是稀盐酸,则b极为电解池的阴极,b极与电源的负极相连接,则a极与电源的正极相连接,故A错误;
没有指明条件为标准状况,不能计算产生NH3的体积,故B错误;
a极为电解池的阳极,NH在阳极失电子生成NCl3,电极反应为NH-6e-+3Cl-===NCl3+4H+,故C正确;
在二氧化氯发生器内,发生反应:3H2O+NCl3+6NaClO2===6ClO2↑+NH3↑+3NaCl+3NaOH,其中NCl3为氧化剂,NaClO2为还原剂,氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶6,故D错误。
(3)CrO3和K2Cr2O7均易溶于水,它们是工业废水造成铬污染的主要原因。要将Cr(Ⅵ)转化为Cr(Ⅲ)常见的处理方法是电解法。将含Cr2O的废水通入电解槽内,用铁做阳极,在酸性环境中,加入适量的NaCl进行电解,使阳极生成的Fe2+和Cr2O发生反应,其离子方程式为_________________________。阴极上Cr2O、H+、Fe3+都可能放电。若Cr2O放电,则阴极的电极反应为_______________________________;
若H+放电,则阴极区形成Fe(OH)3和Cr(OH)3沉淀,已知常温下,Cr3+Cr(OH)3CrO,则常温下阴极区溶液pH的范围为____________。
解析:(1)由装置甲知铬的金属活动性比铜强;由装置乙知常温下铬在浓硝酸中钝化。
(3)酸性环境中阳极生成的Fe2+和Cr2O发生反应,其离子方程式为Cr2O+6Fe2++14H+===2Cr3++6Fe3++7H2O。阴极上若Cr2O放电,则阴极的电极反应为Cr2O+6e-+14H+===2Cr3++7H2O;阴极上若H+放电,则阴极区形成Fe(OH)3和Cr(OH)3沉淀,根据题意,若生成Cr(OH)3,10-6 mol·L-1<c(OH-)<10-4 mol·L-1,则阴极区溶液pH的范围为8<pH<10。
答案:(1)由装置甲知铬的金属活动性比铜强;由装置乙知常温下铬在浓硝酸中钝化 (2)阳极反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+,使c(H+)增大,从而导致反应2CrO+2H+===Cr2O+H2O发生 (3)Cr2O+6Fe2++14H+===2Cr3++6Fe3++7H2O Cr2O+6e-+14H+===2Cr3++7H2O 8<pH<10
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