内容正文:
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专题1 化学反应与
能量变化
第二单元 化学能与电能的转化
第4课时 电解原理的应用
能力作业
02
目录
CONTENTS
基础作业
01
基础作业
(建议用时:10分钟)
考点一 氯碱工业
1.用石墨电极电解饱和食盐水,下列分析错误的是( )
A.得电子能力:H+>Na+,故阴极得到H2
B.电解过程中Na+的物质的量不变
C.失电子能力:Cl->OH-,故阳极得到Cl2
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到烧杯中,充分搅拌后,溶液呈中性
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2.如图是模拟工业电解饱和食盐水的装置图,下列叙述
不正确的是( )
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基础作业
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3.我国科研团队将电解食盐水的阳极反应与电催化还原CO2的阴极反应相耦合,制备CO与次氯酸盐,阴极区与阳极区用质子交换膜隔开。
装置如图所示,下列说法正确的是( )
A.b极为电源的负极
B.工作时,阴极附近溶液pH减小
C.工作时,每转移1 mol电子,阴极室和阳极室质量变化相差10 g
D.电池工作时,阳极发生的电极反应式为Cl-+H2O-2e-===ClO-+2H+
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考点二 电镀与电解精炼
4.下列关于电解精炼铜与电镀的说法正确的是( )
A.电解精炼铜时,将电能转化为化学能,电路中每通过2 mol e-,阳极就会溶解64 g铜
B.电解精炼铜时,阳极为粗铜,阴极为精铜,电解过程中电解质溶液不需要更换
C.在铁制器皿上镀铝,熔融氧化铝作电解质,铁制器皿作阴极,铝棒作阳极
D.电镀过程中电镀液需要不断更换
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基础作业
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解析:电解精炼铜时,阳极为粗铜,比铜活泼的金属也会参与反应,电路中每通过2 mol e-,阳极溶解的铜的质量小于64 g,A错误;电解精炼铜时,比铜活泼的金属在阳极也会失去电子,而阴极上铜离子得到电子转化为铜单质,溶液中的铜离子浓度减小,因此在电解精炼过程中,需要更换电解质溶液,B错误;电镀过程的实质是在电能的作用下,将阳极上的金属转移到阴极上,因此电镀液不需要更换,D错误。
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基础作业
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5.利用如图所示装置可以在铜牌表面电镀一层银。下列有关说法中正确的是( )
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
解析:铜牌上镀银,银片为阳极,Ag+向阴极移动,阴极的电极反应为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。
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考点三 电冶金
6.海水提镁的最后一步是将氯化镁电解获取金属镁,下列有关该电解过程的叙述正确的是( )
A.两个电极必须都用惰性电极
B.阳极可以用金属电极,阴极必须是惰性电极
C.电解熔融状态的氯化镁
D.电解氯化镁的水溶液
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(建议用时:40分钟)
一、选择题(每小题只有1个选项符合题意)
1.如图是工业电解饱和食盐水的装置示意图,
下列有关说法不正确的是( )
A.装置中出口①处的物质是氯气,出口②处的
物质是氢气
B.该离子交换膜只能让阳离子通过,不能让阴离子通过
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2.(广东高考)以熔融盐为电解液,以含Cu、Mg和Si等的铝合金废料为阳极进行电解,实现Al的再生。该过程中( )
A.阴极发生的反应为Mg-2e-===Mg2+
B.阴极上Al被氧化
C.在电解槽底部产生含Cu的阳极泥
D.阳极和阴极的质量变化相等
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解析:根据电解原理可知,电解池中阳极发生失电子的氧化反应,阴极发生得电子的还原反应,该题中以熔融盐为电解液,含Cu、Mg和Si等的铝合金废料为阳极进行电解,Mg和Al发生失电子的氧化反应,分别生成Mg2+和Al3+,Cu和Si不参与反应,阴极上Al3+得电子生成Al单质,从而实现Al的再生。由上述分析可知,A、B错误;阳极除了铝参与电子转移,镁也参与了电子转移,且还会形成阳极泥,而阴极只有铝离子得电子生成铝单质,阳极与阴极的质量变化不相等,D错误。
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3.某生产工艺中用惰性电极电解Na2CO3溶液获
得NaHCO3和NaOH,其原理如图所示。下列有关说法
正确的是( )
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[归纳总结]
(1)常见的离子交换膜
①阳离子交换膜,只允许阳离子通过,不允许阴离子通过。
②阴离子交换膜,只允许阴离子通过,不允许阳离子通过。
③质子交换膜,只允许H+通过,不允许其他阳离子和阴离子通过。
(2)离子交换膜的作用
①能将两极区隔离,阻止两极区产生的物质接触,防止发生化学反应。
②能选择性通过离子,起到平衡电荷的作用。
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5.ClO2是国家卫健委专家推荐的高效、
安全的消毒用品。某电解法制备ClO2的装置
如图所示,下列有关说法不正确的是( )
A.a电极为电源的正极
B.生成NCl3和H2的物质的量之比为1∶3
C.转移2 mol电子后,阴极区加入2 mol HCl可复原
D.二氧化氯发生器中生成的X溶液的主要溶质为NaCl
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[易错警示]
(1)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,即溶液中的金属阳离子得电子变成金属吸附在阴极上。
(2)电解精炼铜,粗铜中含有的Zn、Fe、Ni等活泼金属失去电子,变成金属阳离子进入溶液,活泼性小于铜的杂质以阳极泥的形式沉积。电解过程中电解质溶液中的Cu2+浓度会逐渐减小。
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8.为了从海水中提取锂,某团队设计了图示的电解池。保持电源正负极不变,每运行一段时间后,将电极1与4取下互换,
电极2与3取下互换,实现锂的富集。下列
说法正确的是( )
A.电路中电子的流向随着电极互换而
改变
B.电极2上发生的反应为Ag-e-===Ag+
C.理论上,电极1与电极4的质量之和保持不变
D.理论上,电路通过1 mol电子时,有0.5 mol Li+富集在右侧电解液中
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解析:从海水中提取锂,电极1的电极反应
式为FePO4+e-+Li+===LiFePO4,则电极1为
阴极,电极2为阳极,电极3为阴极,电极4为阳
极,在电极4上发生氧化反应:LiFePO4-e-===
Li++FePO4。保持电源正负极不变,则电子流
向不变,A错误;由上述分析可知,电极2为阳极,海水中有Cl-,则电极2的电极反应式为Ag-e-+Cl-===AgCl,B错误;由上述分析可知,通过相同电量,电极1上附着的Li+的量和电极4上失去的Li+的量相等,所以理论上,电极1与电极4的质量之和保持不变,C正确;根据得失电子守恒,电路中各处的电量相等,所以理论上,电路通过1 mol电子时,有1 mol Li+富集在右侧电解液中,D错误。
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[方法技巧] 多池“串联”类电池
(1)判断电池类型
①有外接电源时,各电池均为电解池。
②无外接电源时,燃料电池、铅蓄电池等作电源,则其他装置为电解池。
③无外接电源时,有活泼性不同的两电极的一般为原电池,活泼性相同或均为惰性电极的一般为电解池。
④根据电极反应现象判断。
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(2)常用解题步骤
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9.双极膜(BP)在电渗析中应用广泛,它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层,工作时水层中的H2O解
离成H+和OH-,并分别通过离子交换膜向两侧迁
移。利用双极膜电渗析法电解海水可获得淡水、烧
碱和盐酸,其工作原理如图所示。下列说法不正确
的是( )
A.a、b分别为直流电源的负极、正极
B.一段时间后,阴极室内溶液的pH无明显变化(忽略溶液温度变化)
C.一段时间后,收集到气体X与气体Y的体积之比为2∶1
D.碱室中OH-透过交换膜M,酸室中H+透过交换膜N,二者在盐室中相遇并反应生成H2O
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解析:H+(阳离子)移向阴极,则石墨A电极
为阴极,a为直流电源的负极;OH-(阴离子)移向
阳极,则石墨B电极为阳极,b为直流电源的正极,
A正确;阳极(石墨B):4OH--4e-===O2↑+
2H2O,阴极(石墨A):2H++2e-===H2↑,阴极
室消耗的H+由双极膜水层中的H2O解离的H+来
补充,则阴极室内溶液的pH无明显变化,B正确;气体X与气体Y分别为H2、O2,由得失电子守恒可知,一段时间后,收集到H2与O2的物质的量之比为2∶1,体积之比也为2∶1,C正确;盐室中海水变为淡水,即Na+移向阴极(石墨A),则交换膜M为阳离子交换膜;Cl-移向阳极(石墨B),则交换膜N为阴离子交换膜,D错误。
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10.最近有研究人员利用隔膜电解法处理高浓度的乙醛废水使其转化为乙醇和乙酸。实验室以一定浓度的乙醛Na2SO4溶液为电解质
溶液,模拟乙醛废水的处理过程,其装置如图所示。下列
说法不正确的是( )
A.直流电源a极连接的电极发生氧化反应
B.若以氢氧燃料电池为直流电源,燃料电池的a极应
通入H2
C.反应进行一段时间,右侧电极附近酸性减弱
D.电解过程中阳极区生成乙酸,阴极区生成乙醇
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解析:阳离子向右侧移动,则右侧电极为阴极,则b极为负极,a极为正极,与a极相连的电极为阳极,发生氧化反应,A正确;a极为正极,故燃料电池的a极应通入空气,B错误;右侧为阴极区,其电极反应式为CH3CHO+2H++2e-===CH3CH2OH,反应消耗H+,故电极附近酸性减弱,C正确;阳极区发生氧化反应,乙醛被氧化为乙酸,阴极区发生还原反应,乙醛被还原为乙醇,D正确。
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11.在N羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)介质中,
可实现醇向醛的转化,原理如图。下列说法错误的
是( )
解析:未指明标准状况,不能用Vm=22.4 L/mol进行计算,D错误。
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12.我国学者利用双膜三室电解法合成了ClCH2CH2Cl,该方法的优点是能耗低、原料利用率高,同时能得到高利用价值
的副产品,其工作原理如图所示。下列说法
错误的是( )
A.b为电源负极,气体X为H2
B.膜Ⅰ、膜Ⅱ依次适合选用阴离子
交换膜、阳离子交换膜
C.电解过程中需及时补充NaCl
D.制得1 mol ClCH2CH2Cl的同时NaOH溶液质量增加46 g
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解析:由图可知,左边电极氯化亚铜转
化为氯化铜,失电子发生氧化反应,作阳极,
电极反应式为CuCl-e-+Cl-===CuCl2;右
边电极作阴极,电极反应式为2H2O+2e-===
H2↑+2OH-。左边作阳极,右边作阴极,则a
为电源正极,b为电源负极,A正确;饱和食盐水中的Na+通过膜Ⅱ移入阴极区,同时制得副产品NaOH,饱和食盐水中的Cl-通过膜Ⅰ移入阳极区,补充消耗的
Cl-,则膜Ⅰ、膜Ⅱ依次适合选用阴离子交换膜、阳离子交换膜,B正确;
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(1)B极是电源的_____极,C极的电极反应式为_______________________ ,一段时间后,丁中X极附近的颜色逐渐______(填“变深”或“变浅”)。
二、非选择题
13.装置如图所示,C、D、E、F、X、Y都是惰性电极,甲、乙中溶液的体积和浓度都相同(假设通电前后溶液体积不变),A、B为外接直流电源的两极。将直流电源接通后,F极附近呈红色。请回答:
负
2H2O-4e-===O2↑+4H+
变浅
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(2)若甲、乙装置中的C、D、E、F电极上均只有一种单质生成,对应单质的物质的量之比为_____________。
(3)现用丙装置给铜件镀银,则H应该是____(填“铜”或“银”),电镀液是______溶液。常温下,当乙中溶液的c(OH-)=0.1 mol·L-1时(此时乙中溶液体积为500 mL),丙中镀件上析出银的质量为_____g,甲中溶液的酸性________(填“变大”“变小”或“不变”)。
1∶2∶2∶2
铜
AgNO3
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(4)若丙装置是在铁件表面镀铜,已知电镀前两电极质量相同,电镀完成后将它们取出,洗净、烘干、称量,发现二者质量相差5.12 g,则电镀时电路中通过的电子为_______mol。
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解析:C、D、E、F、X、Y都是惰性电极,
将直流电源接通后,F极附近呈红色,则F电极
附近有碱生成,则F电极上水电离出的氢离子得
到电子发生还原反应生成氢气,F为串联电解池
的阴极,所以C、E、G、X是阳极,D、F、H、
Y是阴极,连接阳极的电极A是电源的正极、连接阴极的电极B是电源的负极。
(1)电极B是电源的负极;C极为串联电解池的阳极,水电离出的氢氧根离子在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气,电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+;氢氧化铁胶粒带正电荷,通电一段时间后,氢氧化铁胶粒向阴极Y移动,则电极X附近的颜色逐渐变浅。
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(2)C、D、E、F电极发生的电极反应分别
为2H2O-4e-===O2↑+4H+、Cu2++2e-===
Cu、2Cl--2e-===Cl2↑、2H2O+2e-===H2↑+
2OH-,当电路中转移1 mol电子时,各电极生
成单质的物质的量分别为0.25 mol、0.5 mol、
0.5 mol、0.5 mol,则对应单质的物质的量之比为1∶2∶2∶2。
(3)电镀装置中,镀层金属作阳极,镀件作阴极,所以H应该是镀件铜,电解质溶液中含银离子,应为AgNO3溶液,当乙中溶液的c(OH-)=0.1 mol·L-1时,
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R
A.a为电源的负极
B.Fe电极的电极反应是4OH--4e-===2H2O+O2↑
C.通电一段时间后,铁电极附近溶液先变红
D.电解饱和食盐水的化学方程式是2NaCl+2H2Oeq \o(=====,\s\up17(通电))2NaOH+H2↑+Cl2↑
解析:模拟工业电解饱和食盐水,活泼金属不能作阳极,因此铁作阴极、石墨作阳极,a为电源的负极、b为电源的正极,A正确;铁电极上发生的电极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,溶液的碱性增强,铁电极周围溶液先变红,B错误,C正确;书写电解总反应式时,条件一定要注明,电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2Oeq \o(=====,\s\up17(通电))2NaOH+H2↑+Cl2↑,D正确。
7.1807年,化学家戴维通过电解熔融氢氧化钠制取金属钠:4NaOH(熔融)eq \o(=====,\s\up17(通电))4Na+O2↑+2H2O;后来盖·吕萨克通过铁与熔融氢氧化钠作用也制得金属钠:3Fe+4NaOHeq \o(=====,\s\up17(1100 ℃))Fe3O4+2H2↑+4Na↑。下列有关说法正确的是( )
A.电解熔融氢氧化钠制取金属钠,阳极发生的电极反应为2OH--2e-===H2↑+O2↑
B.盖·吕萨克制钠的原理是利用铁的还原性比钠强
C.若戴维法与盖·吕萨克法制得等量的钠,则两反应中转移的电子总数不同
D.目前工业上常用电解熔融氯化钠法制取金属钠,电解槽中石墨为阴极,铁为阳极
C.装置中发生反应的离子方程式为2Cl-+2H+eq \o(=====,\s\up17(通电))Cl2↑+H2↑
D.该装置将电能转化为化学能
A.a极接外电源的负极
B.B出口为H2,C出口为NaHCO3溶液
C.阳极反应为4COeq \o\al(2-,3)+2H2O-4e-===4HCOeq \o\al(-,3)+O2↑
D.应选用阳离子交换膜,电解时Na+从右侧往左侧移动
解析:根据题图所示,a极逸出O2,是溶液中水电离出的OH-失去电子发生氧化反应,故a极为阳极,应接外电源的正极,A错误;阴极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,B出口为H2,C出口为浓NaOH溶液,B错误;A出口为NaHCO3溶液,阳极反应为4COeq \o\al(2-,3)+2H2O-4e-===4HCOeq \o\al(-,3)+O2↑,C正确;阳极区的Na+需要向阴极区迁移,应选用阳离子交换膜,电解时Na+从左侧往右侧移动,D错误。
4.酸性废水中的NHeq \o\al(+,4)可在一定条件下利用硝酸盐菌转化为NOeq \o\al(-,3),再用如图所示的电化学装置除去NOeq \o\al(-,3),下列有关说法正确的是( )
A.a端是直流电源的负极
B.该装置将化学能转化为电能
C.图中离子交换膜应为阴离子交换膜
D.阴极的电极反应式为2NOeq \o\al(-,3)+12H++10e-===N2↑+6H2O
解析:由图可知电解池的右侧NOeq \o\al(-,3)转化为N2,N由+5价降为0价,说明右侧电极为电解池的阴极,因此b端为电源的负极,a端为电源的正极,A错误;该装置是电解池,将电能转化为化学能,B错误;左侧电极为阳极,发生的电极反应为2H2O-4e-===4H++O2↑,为保持电荷平衡,产生的H+通过离子交换膜进入右侧,所以离子交换膜应为阳离子交换膜,C错误。
解析:由图可知,氢离子在阴极得到电子发生还原反应生成氢气,电极反应式为2H++2e-===H2↑,则b电极为电源的负极,a电极为电源的正极,氯离子通过阴离子交换膜进入阳极区,铵根离子在阳极失去电子发生氧化反应并与Cl-结合生成三氯化氮和氢离子,电极反应式为NHeq \o\al(+,4)+3Cl--6e-===NCl3+4H+,三氯化氮在发生器中与亚氯酸钠溶液反应的化学方程式为NCl3+6NaClO2+3H2O===6ClO2↑+NH3↑+3NaCl+3NaOH。由分析可知,A正确;由得失电子守恒可知,反应生成三氯化氮和氢气的物质的量之比为1∶3,B正确;由分析可知,阴极电极反应式为2H++2e-===H2↑,氯离子通过阴离子交换膜进入阳极区,则转移2 mol电子后,阴极区加入2 mol氯化氢可复原,C正确;结合发生器中反应的方程式可知,生成的X溶液的主要溶质为氯化钠和氢氧化钠,D错误。
6.电解精炼法提纯镓是以含Zn、Fe、Cu杂质的粗镓为阳极,纯镓为阴极,NaOH水溶液为电解质溶液。通电时,粗镓溶解并以GaOeq \o\al(-,2)形式进入电解质溶液,在阴极放电析出高纯镓(金属活动性顺序为Zn>Ga>Fe)。下列有关电解精炼的说法中,不正确的是( )
A.阳极主要电极反应式为Ga+4OH--3e-===GaOeq \o\al(-,2)+2H2O
B.电解过程中,阳极质量的减少与阴极质量的增加相等
C.在阴极除了析出高纯度的镓之外,还可能有H2产生
D.电解后,电解槽底部的阳极泥中有Cu和Fe
解析:由金属活动性顺序可知,阳极上Zn、Ga失电子,发生氧化反应,主要电极反应式为Ga+4OH--3e-===GaOeq \o\al(-,2)+2H2O,A正确;由金属活动性顺序可知,阳极上Zn、Ga失电子发生氧化反应,阴极上GaOeq \o\al(-,2)得电子发生还原反应生成Ga,由得失电子守恒可知阳极质量的减少与阴极质量的增加不可能相等,B错误;在阴极除了析出镓之外,水电离出的H+也可能在阴极上得电子发生还原反应生成氢气,C正确;由金属活动性顺序可知,Fe、Cu不参与电极反应,沉入电解槽底部形成阳极泥,D正确。
7.环氧乙烷(C2H4O)常用于医用消毒,一种制备方法为使用惰性电极电解KCl溶液,用Cl-交换膜将电解液分为阴极区和阳极区,其中一区持续通入乙烯;电解结束,移出交换膜,两区混合反应:HOCH2CH2Cl+OH-===Cl-+H2O+C2H4O。下列说法错误的是( )
A.乙烯应通入阴极区
B.移出交换膜前存在反应:Cl2+H2OHCl+HClO
C.使用Cl- 交换膜阻止OH-通过,可使Cl2生成区的pH逐渐减小
D.制备过程的总反应为H2C===CH2+H2O===H2+C2H4O
解析:环氧乙烷的制备原理:Cl-在阳极被氧化生成Cl2,Cl2与水发生反应:Cl2+H2OHCl+HClO,HClO与乙烯发生加成反应生成HOCH2CH2Cl;阴极区水电离出的氢离子放电生成氢气,同时产生氢氧根离子,电解结束,移出交换膜,两区混合反应:HOCH2CH2Cl+OH-===Cl-+H2O+C2H4O。阳极区产生HClO,所以乙烯通入阳极区,A错误;根据分析可知,B正确;根据分析可知阳极区会产生HCl,使用Cl- 交换膜阻止OH-通过,HCl的浓度不断增大,pH逐渐减小,C正确;根据分析可知该反应过程中KCl并没有被消耗,实际上是水、乙烯反应,总反应为H2C===CH2+H2O===H2+C2H4O,D正确。
A.理论上NHPI的总量在反应前后不变
B.海绵Ni电极作阳极
C.总反应为eq \o(――→,\s\up17(通电))+H2↑
D.每消耗1 mol苯甲醇,产生22.4 L氢气
根据上述分析可知,钠离子向右侧迁移,氯离子向左侧迁移,NaCl浓度变小,需及时补充,C正确;总反应为CH2===CH2+2H2O+2NaCleq \o(=====,\s\up17(通电))H2↑+2NaOH+ClCH2CH2Cl,根据CH2===CH2+2CuCl2===ClCH2CH2Cl+2CuCl,结合电极反应式可知,制得1 mol ClCH2CH2Cl转移2 mol电子,同时有2 mol Na+迁移并放出1 mol H2,故氢氧化钠溶液增重(2×23-1×2) g=44 g,D错误。
由电极反应2H2O+2e-===H2↑+2OH-可知,转移电子的物质的量为0.1 mol·L-1×0.5 L=0.05 mol,当转移0.05 mol电子时,丙中镀件上析出银的质量=108 g·mol-1×0.05 mol=5.4 g;甲中电解硫酸铜溶液生成铜、硫酸和氧气,溶液中氢离子浓度增大,酸性变大。
(4)电镀前两电极质量相同,电镀完成后二者质量相差5.12 g,说明阳极溶解的铜的物质的量为eq \f(\f(5.12 g,2),64 g·mol-1)=0.04 mol,则电路中通过的电子为0.04 mol×2=0.08 mol。
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