高考化学一轮复习第1部分第6章第2节电能转化为化学能——电解教学案鲁科版.docx

第2节电能转化为化学能电解考纲定位核心素养1.了解电解池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应式和总反应方程式。2理解电解原理的应用并能进行相关计算。1.变化观念认识物质的变化是有条件的(如电解反应需通电)，关注化学变化中的能量转化，电解反应体现了电能转化为化学能。2模型认知认识电解池的构成、工作原理及电极反应的书写模板。3社会责任深刻理解电化学与科技、生产、生活、环境之间的关系，理解电化学(电解)对社会发展的重大贡献。考点一| 电解原理及其规律1电解让直流电通过电解质溶液或熔融的电解质，在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。提醒：电解与电离的区别(1)电解需通电才能进行而电离不需通电就能进行；(2)电解是化学过程；而电离是在水中或熔融状态断键离解为离子，属于物理过程。2电解池及其工作原理(1)概念：电解池是将电能转化为化学能的装置。(2)构成条件有与外接直流电源相连的两个电极。电解质溶液(或熔融电解质)。形成闭合回路。(3)电解池工作原理(以电解CuCl2溶液为例)(4)电解池中电子和离子的移动电子：从电源负极流出后，流向电解池阴极；从电解池的阳极流向电源的正极。电子不能通过电解质溶液。离子：阳离子移向电解池的阴极，阴离子移向电解池的阳极。电流：从电源的正极流出，流入阳极，再通过电解质溶液流入阴极，最后流向负极。(5)两极放电(氧化或还原)顺序阴极：阳离子放电顺序：AgFe3Cu2H(酸)Fe2Zn2H(水)Al3Mg2NaCa2K。阳极：金属(Au、Pt除外)电极S2IBrClOH含氧酸根离子。提醒：(1)阳极材料若为金属电极(Au、Pt除外)，电极金属失电子发生氧化反应，而介质中的阴离子不反应；(2)阴极材料若为金属电极，只是增强导电性但不参与反应。深度归纳阴、阳极的判断方法(1)根据外接电源：正极连阳极，负极连阴极。(2)根据电流方向：从阴极流出，从阳极流入。(3)根据电子流向：从阳极流出，从阴极流入。(4)根据离子流向：阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。(5)根据电极产物：a.阳极：电极溶解、逸出O2(或极区变酸性)或Cl2；b.阴极：析出金属、逸出H2(或极区变碱性)。(6)根据反应类型：阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。3以惰性电极电解水溶液的有关规律(1)电解水型含氧酸、强碱、活泼金属含氧酸盐阴极反应式为4H4e=2H2，阳极反应式为4OH4e=2H2OO2，总方程式为2H2O2H2O2。电解质浓度变大，pH可能变大、变小或不变，可加H2O复原。(2)电解电解质类型无氧酸(如HCl)，不活泼金属无氧酸盐(CuCl2)电解质浓度变小，加电解质本身复原。(3)放H2生碱型活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)阴极反应式为2H2e=H2，阳极反应式为2Cl2e=Cl2，总方程式为2Cl2H2OCl2H22OH。溶液pH变大，加HCl(卤化氢)复原。(4)放O2生酸型不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)阴极反应式为2Cu24e=2Cu，阳极反应式为4OH4e=O22H2O，总方程式为2Cu22H2O2CuO24H。溶液pH变小，加CuO(金属氧化物)或CuCO3复原。深度归纳电极反应式和电解方程式的书写要点(1)做到“三看”，正确书写电极反应式一看电极材料，若是金属(Au、Pt除外)作阳极，金属一定被电解(注：Fe生成Fe2)。二看电解质，电解质是否参与电极反应。三看电解质状态，是熔融状态，还是水溶液。(2)规避“两个”失分点书写电解池中电极反应式时，一般以实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，弱电解质要写成分子式，且注明“电解”条件。电解水溶液时，应注意放电顺序中H、OH之后的离子一般不参与放电。1正误判断(正确的打“”，错误的打“”)(1)利用电解法可以实现2Ag2H=2AgH2。()(2)电解时电子流向为负极阴极阳极正极。()(3)用惰性电极电解足量CuSO4溶液一段时间后，加入Cu(OH)2或CuO均可使电解质溶液恢复到电解前的状况。()(4)惰性电极电解Na2SO4溶液和Na2CO3溶液的过程中pH均不变。()答案：(1)(2)(3)(4)2按要求书写方程式。(1)用惰性电极电解MgCl2溶液阳极反应式：_；阴极反应式：_；总反应式：_。(2)用惰性电极电解2 molL1 NaCl和1 molL1 CuSO4的混合溶液，电解过程明显分两个阶段。第一阶段：阴极反应式_，阳极反应式_。第二阶段：阴极反应式_，阳极反应式_。答案：(1)2Cl2e=Cl22H2e=H2Mg22Cl2H2OMg(OH)2Cl2H2(2)Cu22e=Cu2Cl2e=Cl24H4e=2H24OH4e=2H2OO2考法1电解原理及其规律1图中X为电源，Y为浸透饱和食盐水和酚酞试液的滤纸，滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液，通电后Y中央的紫红色斑向d端扩散。下列判断正确的是()A滤纸上c点附近会变红色BCu电极质量减小，Pt电极质量增大CZ中溶液的pH先减小，后增大D溶液中的SO向Cu电极定向移动A紫红色斑即MnO向d端扩散，根据阴离子向阳极移动的原理，可知d端为阳极，即b为正极，a为负极，c为阴极，NaCl溶液中H放电，产生OH，c点附近会变红色，A正确；电解硫酸铜溶液时，Pt为阳极，溶液中的OH放电：4OH4e=O22H2O，Cu为阴极，溶液中的Cu2得电子，生成铜，总反应式为2CuSO42H2O2CuO22H2SO4，Pt电极附近生成H，则SO向Pt电极移动，B、D不正确；随着电解的进行，Z中溶液变为硫酸溶液，继续电解则为电解水，硫酸浓度增大，pH减小，C不正确。2(2019甘肃名校联考)电Fenton法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术，其反应原理如图所示(酸性介质)。其中电解产生的H2O2与Fe2发生Fenton反应：Fe2H2O2=Fe3OHOH，生成的羟基自由基(OH)能氧化降解有机污染物。下列说法不正确的是()A电源的B极是正极B电解时阴极周围溶液的pH增大C阴极上发生的电极反应为O22e2H=H2O2D若产生4 mol羟基自由基(OH)，则消耗22.4 L O2DO2在电解池的左侧得电子生成H2O2，所以A极为负极，B极为正极，A项正确；阴极上O22e2H=H2O2，电解质溶液的pH增大，B、C项正确；D项，没有指明温度和压强，不能确定氧气的体积，D项错误。3(2018宜昌期末)用图甲装置电解一定量的CuSO4溶液，M、N为惰性电极。电解过程实验数据如图乙所示。横轴表示电解过程中转移电子的物质的量，纵轴表示电解过程产生气体的总体积。下列说法不正确的是() 图甲图乙AA点所得溶液只需加入一定量的CuO固体就可恢复到起始状态B电解过程中N电极表面先有红色物质生成，后有气泡产生CP点前后，M极反应式均为4OH4e=O22H2OD若M电极材料换成Cu，则电解过程中CuSO4溶液的浓度不变AA点所得溶液是电解CuSO4和H2O两过程所得溶液，根据“少什么补什么”原则，应加CuO和H2O，A错误。考法2电化学基本计算电子守恒法4500 mL NaNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO)0.3 molL1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到气体1.12 L(标准状况下)，假定电解后溶液体积仍为500 mL，下列说法正确的是 ()A原混合溶液中c(Na)0.2 molL1B电解后溶液中c(H)0.2 molL1C上述电解过程中共转移0.4 mol电子D电解后溶液复原时需加入4 g CuOB两极均收集1.12 L气体(标准状况下)转移电子为0.2 moln(Cu2)0.05 mol，n(H)0.1 moln(Na)0.05 mol。复原时需加CuO：0.0580 g4 g和H2O：0.0518 g0.9 g或加Cu(OH)2 4.9 g。5(2019大连模拟)用惰性电极电解一定浓度的CuSO4溶液，通电一段时间后，向所得的溶液中加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3后恰好恢复到电解前的浓度和pH(不考虑二氧化碳的溶解)。则电解过程中转移电子的物质的量为 ()A0.4 molB0.5 molC0.6 mol D0.8 molCCu2(OH)2CO3可改写为2CuOH2OCO2，因反应后生成的CO2离开溶液，所以加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3相当于加入0.2 mol CuO、0.1 mol H2O，根据2CuO24e2 mol4 mol02 mol0.4 mol2H2O O24e2 mol4 mol01 mol0.2 mol转移电子的物质的量0.4 mol0.2 mol0.6 mol。 6(2019唐山模拟)某科研小组将含硫化氢的工业废气进行了资源化利用，将获得的电能用于制取“84”消毒液。已知：2H2S(g)O2(g)=S2(s)2H2O(l)H632 kJmol1。下图为该小组设计的原理图。下列说法正确的是()A电极a为燃料电池正极B电极b上发生的电极反应为O24e2H2O=4OHC电路中每流过4 mol电子，电池内部释放热能小于632 kJDa极每增重32 g，导气管e将收集到气体11.2 L(标准状况)C电极a上H2S转化为S2，发生氧化反应，为燃料电池的负极，A项错误；电极b上O2转化为H2O，电极反应为O24e4H=2H2O，B项错误；电路中每流过4 mol电子，消耗1 mol O2，但该装置将化学能转化为电能，电池内部基本上不放出热量，故释放热能小于632 kJ，C项正确；a极为负极，电极反应为2H2S4e=4HS2，电极c为阴极，电极反应为2H2e=H2，根据各电极上转移电子数目相等，可得关系式：S22H2，故导气管e收集到的H2在标准状况下的体积为222.4 Lmol122.4 L，D项错误。思维建模电化学中两种基本计算模型 注：在电化学计算中，还常利用QIt和Qn(e)NA1.601019 C来计算电路中通过的电量。考点二| 电解原理的实际应用1电解饱和食盐水氯碱工业(1)电极反应阳极：2Cl2e=Cl2(反应类型：氧化反应)。阴极：2H2e=H2(反应类型：还原反应)。检验阳极产物的方法是：用湿润的KI淀粉试纸靠近阳极附近，若试纸变蓝，证明生成了Cl2。电解时向食盐水中加酚酞，阴极附近溶液变红，说明该电极附近产生的物质为NaOH。(2)电解方程式化学方程式：2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2。离子方程式：2Cl2H2O2OHH2Cl2。(3)阳离子交换膜法电解饱和食盐水示意图阳离子交换膜的作用阻止OH进入阳极室与Cl2发生副反应：2NaOHCl2=NaClNaClOH2O，阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。a、b、c、d加入或取出的物质分别是饱和食盐水、稀NaOH溶液、稀的食盐水、浓NaOH溶液；X、Y分别是Cl2、H2。2电镀铜与电解精炼铜(1)电镀铜(2)电解精炼铜提醒：(1)电解精炼铜时，粗铜中的Ag、Au等不反应，沉积在电解池底部形成阳极泥；(2)电镀铜时，电解质溶液中c(Cu2)不变；电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2)减小。3电冶金冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属，必须用电解法。(1)电解熔融氯化钠得到钠2NaCl(熔融)2NaCl2(2)电解熔融Al2O3制Al2Al2O3(熔融)4Al3O2电极反应：阳极：6O212e=3O2；阴极：4Al312e=4Al。冰晶石的作用是作Al2O3的助熔剂。提醒：(1)电解熔融MgCl2冶炼镁，而不电解熔融MgO冶炼镁，因MgO的熔点很高；(2)电解熔融Al2O3冶炼铝，而不能电解AlCl3冶炼铝，因AlCl3是共价化合物，其熔融态不导电。正误判断(正确的打“”，错误的打“”)(1)电解饱和食盐水时，两个电极均不能用金属材料。()(2)电镀铜和电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2)均保持不变。()(3)用Zn作阳极，Fe作阴极，ZnCl2作电解质溶液，由于放电顺序HZn2，不可能在铁上镀锌。()(4)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3，也可以电解MgO和AlCl3。()(5)粗铜电解精炼时，若电路中通过2 mol e，阳极减少64 g。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)考法1电解原理的常规应用1(2018合肥一模)利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。可电解LiCl溶液制备LiOH，装置如图所示。下列说法正确的是()A惰性电极B连接电源正极BA极区电解液为LiCl溶液C阳极反应式为2H2O2e=H22OHD每生成1 mol H2，有1 mol Li通过阳离子交换膜BB极区产生H2，同时生成LiOH，故B极区电解液为LiOH溶液，惰性电极B上水电离出的H发生还原反应生成H2，惰性电极B为阴极，与电源负极相连，A项错误；惰性电极A为阳极，阳极上Cl发生氧化反应，A极区电解液为LiCl溶液，B项正确；阳极上Cl发生氧化反应：2Cl2e=Cl2，C项错误；每生成1 mol H2，转移2 mol电子，则有2 mol Li通过阳离子交换膜，D项错误。2离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系。由有机阳离子、Al2Cl和AlCl组成的离子液体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。钢制品应接电源的_极，已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，阴极电极反应式为_。若改用AlCl3水溶液作电解液，则阴极反应式为_。解析：在钢制品上电镀铝，故钢制品应作阴极，与电源的负极相连；因为电镀过程中“不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应”，Al元素在熔融盐中以Al2Cl和AlCl形式存在，则电镀过程中负极上得到电子的反应是4Al2Cl3e=Al7AlCl；在水溶液中，得电子能力：HAl3，故阴极上发生的反应是2H2e=H2。答案：负4Al2Cl3e=Al7AlCl2H2e=H2考法2电解原理在物质制备、环境治理方面的应用3(2019蓉城模拟)重铬酸钾是化学实验室中的一种重要分析试剂。工业上以铬酸钾(K2CrO4)(黄色)为原料，采用电化学法制备重铬酸钾(K2Cr2O7)(橙色)。制备装置如图所示。下列说法错误的是()A阳极室中溶液的颜色逐渐由黄色变为橙色，其原理为2CrO2H=Cr2OH2OB电解过程中阳极附近溶液的pH变小，其原理为2H2O4e=O24HCK2CrO4在阳极区被氧化成K2Cr2O7D阴极每生成1 mol气体，有2 mol带正电荷的阳离子从阳极室移向阴极室C结合题给装置可判断惰性电极为阳极，不锈钢电极为阴极；阳极室中K2CrO4转化为K2Cr2O7，溶液由黄色逐渐变为橙色，A项正确；阳极室发生氧化反应，OH失电子放电，电极反应式为2H2O4e=4HO2，阳极附近溶液pH逐渐减小，B项正确；阳极室中H浓度增大，促使发生反应：2CrO2HCr2OH2O，反应前后Cr元素化合价没有发生变化，C项错误；阴极的电极反应式为2H2O2e=H22OH，每生成1 mol H2转移2 mol电子，为保持溶液呈电中性，有2 mol K从阳极室向阴极室移动，D项正确。4(2019惠州模拟)化学在环境保护中起着十分重要的作用，电化学降解NO的原理如图所示。下列说法不正确的是()AA为电源的正极B溶液中H从阳极向阴极迁移CAgPt电极的电极反应式为2NO12H10e=N26H2OD电解过程中，每转移2 mol电子，则左侧电极就产生32 g O2D根据题给电解装置图可知，AgPt电极上NO转化为N2，发生还原反应：2NO10e12H=N26H2O，则AgPt电极作阴极，B为电源的负极，故A为电源的正极，A、C项正确；在电解池中阳离子向阴极移动，所以溶液中H从阳极向阴极迁移，B项正确；左侧电极为阳极，电极反应式为2H2O4e=O24H，则每转移2 mol电子，左侧电极产生16 g O2，D项错误。5(2019滁州模拟)常温下，NCl3是一种黄色黏稠状液体，是制备新型水消毒剂ClO2的原料，可以采用如图所示装置制备NCl3。下列说法正确的是()A每生成1 mol NCl3，理论上有4 mol H经质子交换膜从右侧向左侧迁移B可用湿润的淀粉KI试纸检验气体MC石墨极的电极反应式为NH3Cl6e=NCl34HD电解过程中，质子交换膜右侧溶液的pH会减小CA项，每生成1 mol NCl3，转移6 mol e，理论上有6 mol H经质子交换膜从右侧向左侧迁移，A错误；B项，M为H2，不能用湿润的淀粉KI试纸检验，B错误；D项，右侧pH会增大，D错误。专项突破(13)隔膜在电化学装置中的应用1隔膜的分类隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类：(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。(2)阴离子交换膜，简称阴膜，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隔膜的作用(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)能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。注意：反应物相同，不同的交换膜，迁移的离子种类不同。同种交换膜，转移相同的电子数，如果离子所带电荷数不同，迁移离子数不同。离子迁移依据电荷平衡，而离子数目变化量可能不相等。典例导航(2016全国卷，T11)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na和SO可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述正确的是()A通电后中间隔室的SO向正极迁移，正极区溶液pH增大B该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品C负极反应为2H2O4e=O24H，负极区溶液pH降低D当电路中通过1 mol电子的电量时，会有0.5 mol的O2生成思路点拨直流电场作用图中的“”极和“”极就是阴极和阳极SO移向“”极，Na移向“”极ab为阳离子交换膜，cd为阴离子交换膜“”极反应为2H2e=H2，pH增大；“”极反应为4OH4e=O22H2O，pH减小。答案：B(1)ab为_(填“阴”或“阳”，后同)离子交换膜，cd为_离子交换膜。(2)正极区的电极反应式为_，正极区的pH变_(填“大”或“小”)，从平衡角度解释原因_。(3)当正极产生0.5 mol气体，通过cd膜的离子数目为_。答案：(1)阳阴(2)4OH4e=O22H2O小正极区溶液中存在H2OHOH，OH放电，OH减小，上述平衡右移，使HOH，且H逐渐增大，pH减小(3)6.021023(或NA)1(2019保定模拟)用Na2SO3溶液吸收硫酸工业尾气中的二氧化硫，将所得的混合液进行电解循环再生，这种新工艺叫再生循环脱硫法。其中阴、阳离子交换膜组合循环再生机理如图所示，下列有关说法中不正确的是()AX为直流电源的负极，Y为直流电源的正极B阳极反应为4OH4e=2H2OO2C图中的baD该过程中的产品主要为H2SO4和H2B根据Na和SO的移向可知Pt()为阴极，反应为2H2e=H2，Pt()为阳极，反应为SO2eH2O=SO2H。2(2014全国卷，改编)次磷酸(H3PO2)可用电渗析法制备。 “四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：(1)左电极为_极，电极反应式为_。(2)阳极室中的_通过阳膜进入产品室；原料室中_通过阴膜进入阳极室；原料室中_通过阴膜进入产品室。(3)产品室中发生的离子反应方程式为_。(4)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有_杂质。该杂质产生的原因是_。答案：(1)阳4OH4e=2H2OO2(或2H2O4e=4HO2)(2)HNaH2PO(3)HH2PO=H3PO2(4)POH2PO(或H3PO2)被氧化3某原电池装置如下图所示，电池总反应为2AgCl2=2AgCl。(1)当电路中转移a mol e时，交换膜左侧溶液中约减少_mol离子。交换膜右侧溶液中c(HCl)_(填“”“”“(2)1Cl右左课堂反馈真题体验1(2018全国卷，T13)最近我国科学家设计了一种CO2H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：EDTAFe2e=EDTAFe32EDTAFe3H2S=2HS2EDTAFe2该装置工作时，下列叙述错误的是()A阴极的电极反应：CO22H2e=COH2OB协同转化总反应：CO2H2S=COH2OSC石墨烯上的电势比ZnO石墨烯上的低D若采用Fe3/Fe2取代EDTAFe3/EDTAFe2，溶液需为酸性C根据装置图中物质的转化关系分析电极反应类型，如EDTAFe2生成EDTAFe3，发生了氧化反应，EDTAFe3将H2S氧化成S，本身被还原成EDTAFe2，EDTAFe3和EDTAFe2可循环使用，故石墨烯电极为阳极，阳极与光伏电池的正