高中化学 第1章 化学反应与能量转化 第2节 电能转化为化学能——电解学案 鲁科版选修4.doc

第2节电能转化为化学能电解第1课时电解的原理1理解电解原理及电解池的组成。(重点)2了解电解规律及其应用。(难点)电 解 的 原 理教材整理1电解熔融氯化钠的实验1实验装置2实验现象通电后，在石墨片周围有气泡产生，在铁片上生成银白色金属。3实验分析(1)熔融氯化钠中存在的微粒na、cl。(2)通电后离子的运动方向：阳离子na(填离子符号)移向铁电极，阴离子cl(填离子符号)移向石墨电极。(3)电极上发生的变化：铁电极：2na2e=2na，石墨电极：2cl2e=cl2。4实验结论熔融的氯化钠在电流作用下发生了化学变化分解生成了na和cl2。教材整理2电解原理1基本概念(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。(2)电解池定义：将电能转化为化学能的装置。构成条件：直流电源、固体电极材料以及电解质溶液或熔融电解质并构成闭合回路。(3)电极阳极发生氧化反应的电极(与电源正极相连)阴极发生还原反应的电极(与电源负极相连)(4)电极反应在电极上进行的半反应，可以用电极反应式表示。2电解池的工作原理用下列装置对x溶液进行电解问题思考：(1)若x为cuso4，两电极上出现什么现象？解释原因。【提示】通电后在石墨电极上产生气泡。原因：4oh4e=o22h2o；铁电极上析出紫红色固体，原因：cu22e=cu。(2)若x为mg(no3)2，两电极上出现什么现象？解释原因。【提示】通电后在石墨电极上产生气泡，原因：4oh4e=o22h2o或2h2o4e=o24h；铁电极上产生气泡，附近区域变浑浊，原因：2h2o2e=h22oh、mg22oh=mg(oh)21电解反应两极产物的判断(1)阳极产物的判断活性金属电极金属电极失电子，被溶解，生成对应金属阳离子。惰性电极(pt、au、c)阴离子失电子，生成对应非金属单质。阴离子放电顺序：s2ibrcloh含氧酸根f。(2)阴极产物的判断与电极材料无关，直接根据阳离子放电顺序进行判断，阳离子放电顺序：aghg2fe3cu2h(h浓度较大时)pb2sn2fe2zn2h(h浓度较小时)al3mg2naca2k。2电极反应式的书写(1)判断阴、阳极，并分析电极材料的性质，尤其是阳极材料。(2)分析电解质溶液中的离子类别，明确离子的来源及放电顺序。(3)写出阴、阳极的电极反应式，电极反应式的书写可概括为：列物质、标得失；选离子、配电荷；配个数、巧用水。题组1电解原理1有关电解原理的说法正确的是 () 电解是把电能转变成化学能电解是把化学能转变成电能电解质溶液导电是化学变化，金属导电是物理变化不能自发进行的氧化还原反应，通过电解的原理可以实现任何溶液被电解时，必然导致氧化还原反应的发生a bc d【解析】电解是在电流的作用下强制进行的氧化还原反应，电解质溶液导电的过程就是电解质溶液被电解的过程。【答案】d2下列关于电解池中形成的闭合回路的叙述中，正确的是()a电解池中的闭合回路仅是由电子的定向移动形成的b金属导线中，电子从电源的负极流向电解池的阳极，从电解池的阴极流向电源的正极c在电解质溶液中，阴离子向阴极移动，阳离子向阳极移动d相同时间内，阳离子在阴极上得到的电子数与阴离子在阳极上失去的电子数相同 【解析】在电解池中，导线和电极上是由电子的定向移动，而溶液中则靠离子的定向移动，才使整个电解池形成一个闭合回路；导线中电子的方向与电流方向相反，故电子从电解池的阳极流向电源的正极，从电源的负极流向电解池的阴极；电解质溶液中，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动；不论如何，两极上转移的电子数总是相等的【答案】d题组2电解产物的判断3用惰性电极电解稀硫酸、cu(no3)2、nacl的混合液，最初一段时间阴极和阳极上分别析出的物质分别是()ah2和cl2 bcu和cl2ch2和o2 dcu和o2【解析】溶液中的离子有h、cu2、na及so、no、cl、oh七种离子，得电子能力：cu2hna，失电子能力：cloh含氧酸根，所以电解初期阴极：cu22e=cu，阳极：2cl2e=cl2，故选b。【答案】b4下图是电解cucl2溶液的装置，其中c、d为石墨电极。则以下有关此电解池的判断正确的是()aa为负极，b为正极ba为阳极，b为阴极c电解过程中，d电极质量增加d电解过程中，氯离子浓度保持不变【解析】依据电流的方向可知，a为正极，b为负极，c为阳极，d为阴极。d极上的电极反应：cu22e=cu，c极上的电极反应：2cl2e=cl2，溶液中的cl浓度减小。【答案】c5某同学按如图所示的装置进行电解实验。下列说法正确的是()a电解过程中，铜电极上有h2产生b电解初期，主反应：cuh2so4cuso4h2c电解一定时间后，石墨电极上不可能有铜析出d整个电解过程中，h的浓度不断增大【解析】由题目所给图示可知，活泼金属铜作阳极发生反应：cu2e=cu2，同时溶液中的h在阴极石墨上发生反应：2h2e=h2，总反应方程式为cuh2so4cuso4h2，所以a不正确，b正确，d不正确。随着电解过程不断进行，溶液中的cu2浓度不断增大，一定时间后即当cu2移动到阴极附近时，由于cu2的氧化性大于h，故此时阴极发生反应：cu22e=cu，所以c错误。【答案】b用 惰 性 电 极 电 解 电 解 质 溶 液 的 类 型根据电解原理填空类型电解质特点实例电解方程式电解对象电解质溶液浓度的变化溶液ph变化电解质溶液复原的方法电解水型含氧酸h2so42h2o2h2o2水增大减小加水可溶性强碱naoh增大活泼金属含氧酸盐kno3不变电解电解质型无氧酸hcl2hclh2cl2电解质减小增大通入hcl气体不活泼金属无氧酸盐cucl2cucl2cucl2加入cucl2放h2生碱型活泼金属无氧酸盐nacl2nacl2h2o2naohh2cl2电解质和水生成新电解质增大通入hcl气体放o2生酸型不活泼金属含氧酸盐cuso42cuso42h2o2cu2h2so4o2电解质和水生成新电解质减小加cuo或cuco3采用惰性电极从no、so、cl、cu2、ba2、h中选出适当的离子组成电解质，并对其溶液进行电解。问题思考：(1)若两极分别放出h2和o2，则符合条件的电解质有哪些？【提示】hno3、h2so4、ba(no3)2。(2)若阴极析出金属、阳极放出o2，则符合条件的电解质有哪些？【提示】cu(no3)2、cuso4。(3)若两极分别放出气体，且体积比为11，则符合此条件的电解质有哪些？【提示】bacl2、hcl。惰性电极电解电解质溶液的电解反应规律1电解质溶液被电解时的不同类型(1)电解质本身被电解的，如cucl2溶液。(2)实质是电解水的，如na2so4、naoh、h2so4等。(3)电解质和水同时被电解的，如cuso4、agno3、nacl等。2电解质溶液ph的变化(1)h放电、oh不放电的，电解后溶液ph变大。(2)h不放电、oh放电的，电解后溶液ph变小。(3)h、oh都放电的，相当于电解水，电解质溶液浓度增大(饱和溶液例外)，酸性溶液ph减小，碱性溶液ph增大，中性溶液ph不变。3电解后要恢复原电解质溶液的浓度，需要加入适量的某物质，该物质一般是阴极与阳极产物的化合物。题组1电解规律1用惰性电极实现电解，下列说法正确的是()a电解稀硫酸溶液，实质上是电解水，故溶液ph不变b电解稀氢氧化钠溶液，要消耗oh，故溶液ph减小c电解硫酸钠溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为12d电解氯化铜溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为11【解析】电解稀硫酸，实质上是电解水，硫酸的物质的量不变，但溶液体积减小，浓度增大，故溶液ph减小，a不正确；电解稀naoh溶液，阳极消耗oh，阴极消耗h，实质也是电解水，naoh溶液浓度增大，故溶液的ph增大，b不正确；电解na2so4溶液时，在阳极发生反应：4oh4e=2h2oo2，在阴极发生反应：4h4e=2h2，由于两电极通过电量相等，故析出h2与o2的物质的量之比为21，c不正确；电解cucl2溶液时，阴极反应为cu22e=cu，阳极反应为2cl2e=cl2，两极通过电量相等，cu和cl2的物质的量之比为11，d正确。【答案】d2用惰性电极电解agno3溶液，下列说法不正确的是()a电解过程中阴极质量不断增加b电解过程中溶液的ph不断降低c此时向溶液中加入适量的ag2o固体可使溶液恢复到电解前的状况d电解后两极产生的气体体积比为21【解析】用惰性电极电解agno3溶液，总的电极反应式为4agno32h2o4ago24hno3。可知：阴极上析出ag，阳极上放出o2，故a正确、d错误；由于生成hno3溶液，ph应不断降低，b正确；要使溶液恢复到电解前的状况要看加入的物质在溶液中的反应：2ag2o4hno3=4agno32h2o，得到的物质恰好是反应掉的物质，可以使溶液恢复到电解前的状况，c正确。【答案】d3将一直流电源的正、负极(电极材料为pt)分别压在一张用食盐水、碘化钾、淀粉溶液和石蕊试液浸透的滤纸上，经过一段时间后，两极附近滤纸的颜色分别是 () abcd阳极蓝白红蓝阴极白蓝蓝蓝【解析】阳极上i放电生成i2，使淀粉变蓝，阴极上h放电后，使溶液中的c(h)c(oh)，呈碱性，使石蕊显蓝色，故d项正确。【答案】d4用石墨作电极电解：稀硫酸、k2so4溶液、cucl2溶液、cuso4溶液、koh溶液。(1)阴极、阳极都有气体产生，且体积比(相同条件下)为21的是_(填序号，下同)，其阳极的电极反应式都是_，阴极的电极反应式都是_，总的电极反应式都是_。(2)阴极、阳极都有气体产生，其中溶液ph变小的是_，ph变大的是_。(3)一个电极析出金属，一个电极析出气体，且溶液ph明显减小的是_，其总的电极反应式是_。【解析】阴极析出的气体只能是h2，与h2体积比为12的气体应是o2，h2so4、k2so4、koh溶液都是电解水析出h2和o2；只析出h2的ph变大，只析出o2的ph变小。【答案】(1)4oh4e=2h2oo24h4e=2h2(或2h2e=h2)2h2o2h2o2(2)(3)2cuso42h2o2cuo22h2so4题组2电解的计算5如图所示的a、b两个电解池中的电极均为铂，在a池中加入0.05 moll1的cucl2溶液，b池中加入0.1 moll1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 ()a2241b1121c2111 d2121【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：2ecucl22ago2，所以a、b、c、d四个电极上所析出物质的物质的量之比为1122241。【答案】a6在100 ml h2so4和cuso4的混合液中，用石墨作电极进行电解，两极上均收集到2.24 l气体(标准状况下)，则原混合液中，cu2的物质的量浓度为 ()a1 moll1 b2 moll1c3 moll1 d4 moll1【解析】分析电解h2so4、cuso4的混合液时阴、阳两极的电极反应可知，两极产生的气体分别为h2、o2各0.1 mol，o2是由oh失去0.4 mol电子而得到，h2是由h得到0.2 mol电子而生成。由电子得失守恒知，还有0.2 mol电子是cu2得到的，故cu2的物质的量是0.1 mol，则cu2的物质的量浓度为1 moll1。【答案】a7将两支惰性电极插入cuso4溶液中，通电电解。(1)当有1.0103mol的oh放电时，溶液显浅蓝色，则在阴极上析出铜的质量是_。(2)若溶液的体积为1 l，忽略溶液体积的变化，在标准状况下放出5.6 ml o2时，溶液中h的浓度为_mol/l。【解析】(1)用惰性电极电解cuso4溶液时，电极反应为阴极：2cu24e=2cu，阳极：4oh4e=o22h2o。当有1.0103 mol的oh放电时，生成标准状况下的o2为5.6 ml，此时转移电子为1.0103 mol，则在阴极上析出cu：32103 g。(2)阳极：4oh4e=2h2oo24 mol 1moln n1.0103 mol，消耗1.0103 mol oh，生成1.0103 mol h，则c(h)1.0103 moll1。【答案】(1)0.032 g(2)1103【规律总结】电解的计算方法(1)根据电极反应式计算，一要注意电极放电顺序，确定不同阶段的电极反应，二要注意两极转移电子数目守恒。(2)根据总反应方程式所确定的物质的量之比计算。(3)电解过程中产生的h或oh，其物质的量等于转移电子的物质的量。第2课时电解原理的应用1运用电解原理分析电解食盐水、铜的电解精炼，以及电镀的内容。(重点)2了解电解原理的应用方法，并进一步体会电解对人类社会的重要贡献。电 解 食 盐 水 制 备 烧 碱、 氢 气 和 氯 气1装置2现象(1)阳极上：产生黄绿色气体。(2)阴极上：产生无色气体，溶液变红色。3原理分析及电极反应电解时，cl、oh移向阳极，na、h移向阴极。(1)阳极离子放电顺序：cloh。电极反应：2cl2e=cl2，氧化反应。(2)阴极离子放电顺序：hna。电极反应：2h2e=h2，还原反应。4电池反应化学方程式：2nacl2h2o2naohcl2h2。离子方程式：2cl2h2o2ohcl2h2。按下图所示安装仪器，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)。问题思考：(1)实验所用的电极材料为石墨，能否更换为活泼金属材料？【提示】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)用惰性电极电解饱和食盐水的过程中，收集到的cl2的体积一般少于h2的体积，请分析原因。【提示】cl2在水中的溶解度比h2大，且cl2会与电解产生的naoh反应而消耗。(3)接通电源后，哪个电极附近的颜色发生了变化？为什么？【提示】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，使酚酞变红色。1电解饱和食盐水的过程中，h在阴极上得电子而生成h2，因水电离产生的h与oh数目相等，消耗了h后，使阴极区溶液中c(oh)c(h)，所以阴极区溶液呈碱性。2在氯碱工业中，采用了离子交换膜，离子交换膜将电解槽隔成阴极室和阳极室，它只允许阳离子(na)通过，而阻止阴离子(cl、oh)和气体通过。这样既能防止阴极产生的h2和阳极产生的cl2相混合而引起爆炸，又能避免cl2和naoh作用生成naclo而影响烧碱的质量。1工业上电解食盐水的阴极区产物是()a氯气b氢气和氯气c氢气和氢氧化钠 d氯气和氢氧化钠【解析】用惰性电极电解食盐水时，阴极反应式：2h2e=h2，产生oh，阴极区域oh与na结合成naoh。【答案】c2关于电解氯化钠水溶液(铁作阴极、石墨作阳极)，下列叙述正确的是 ()a若在阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液，溶液呈无色b若在阳极附近的溶液中滴入ki溶液，溶液呈棕黄色c电解时在阳极得到氯气，在阴极得到金属钠d电解一段时间后，将全部电解质溶液转移到烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性【解析】电解食盐水时发生的反应： 阳极：2cl2e=cl2阴极：2h2e=h2总反应：2nacl2h2o2naohh2cl2对照分析选项，c错误；阳极附近的溶液中会溶有少量的cl2，滴加ki溶液后发生反应：cl22i=i22cl，溶液呈棕黄色，b正确；阴极附近产生大量的oh，滴加酚酞后溶液变红色，a错误；电解后生成naoh，溶液呈碱性，d错误。【答案】b3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，设计了如图的装置，则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是() aa为正极，b为负极；naclo和naclba为负极，b为正极；naclo和naclca为阳极，b为阴极；hclo和naclda为阴极，b为阳极；hclo和nacl【解析】有关反应有2nacl2h2o2naohh2cl2，cl22naoh=naclnacloh2o，因阳极生成cl2，阴极生成naoh，为使二者充分作用，cl2应在下端产生，从而推知电源b为正极，a为负极，消毒液的主要成分是nacl、naclo。【答案】b4工业电解饱和食盐水制烧碱时需阻止oh移向阳极，目前采用阳离子交换膜将两极溶液分开(如图)(f处加naoh以增强溶液导电性)(1)c、d分别是直流电源的两电极，c是电源_极，d是电源_极。(2)电解一段时间后，_气体由a口导出，_气体由b口导出。阴极附近碱性增强的原因(用电离方程式及电极反应式表示)_ _。(3)若不采用阳离子交换膜，oh向阳极移动，发生的反应可用离子方程式表示为_。【解析】由na移动方向知右侧电极为阴极，c为负极，d为正极。左侧电极产生cl2，右侧电极电解水电离出的h产生h2和naoh。若不采用阳离子交换膜，oh移向阳极与cl2发生反应。【答案】(1)负正(2)cl2h2h2ohoh、2h2e=h2(3)cl22oh=clcloh2o铜 的 电 解 精 炼 和 电 镀教材整理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、fe、ni等。不比铜活泼的有ag、au、pt等。3电极反应教材整理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：增强金属的抗腐蚀能力、耐磨性或改善金属制品的外观。3根据电解原理，设计在铁钉上镀铜的实验方案电镀原理阳极：cu2e=cu2阴极：cu22e=cu电镀方案电极材料阳极：铜片阴极：铁钉电镀液cuso4溶液镀件铁钉电镀与电解精炼铜的区别与联系电镀铜实验装置铜的精炼实验装置问题思考：(1)以上两装置的电极反应有何异同？【提示】阴极均发生反应：cu22e=cu；阳极反应不同。电镀池阳极：cu2e=cu2，精炼池阳极：cu2e=cu2、zn2e=zn2、fe2e=fe2、ni2e=ni2。(2)电解精炼铜时，cuso4溶液的浓度如何变化？【提示】由于阳极上溶解的金属为fe、zn、cu等，而在阴极上只有cu析出，根据电子守恒，溶解的cu的量小于析出的cu的量，所以溶液中cuso4的浓度逐渐减小。(3)若给铁制品上镀上一层锌，你选择哪些溶液作电解液？锌及铁制品各与直流电源的什么电极相连接？【提示】zncl2溶液或znso4溶液或zn(no3)2溶液。锌与直流电源正极相连，铁制品与直流电源的负极相连。电镀池与精炼池的区别与联系电镀池精炼池定义应用电解原理在某些金属表面镀上一层其他金属或合金的装置利用电解原理提纯金属的装置装置举例形成条件镀层金属作阳极接直流电源正极，镀件接直流电源负极，作阴极电镀液必须是含有镀层金属离子的盐溶液形成闭合回路不纯金属作阳极，纯金属作阴极含该金属离子的可溶盐溶液作电解质溶液直流电源形成闭合回路电极反应(以铁上镀锌为例)阳极：zn2e=zn2阴极：zn22e=zn(以精炼铜为例)阳极：cu(粗铜)2e=cu2(主要)阴极：cu22e=cu(精铜)联系电镀池和精炼池是特定条件下的电解池题组1铜的电解精炼1许多金属都可以通过电解的方法达到精炼的目的。下列有关该方法的叙述中，正确的是 ()a含杂质的粗金属作阳极，与直流电源的正极相连b阴极只要是一种导体即可，与精炼过程无关c电解质溶液中除了含有精炼的金属的阳离子之外，绝对不能含有其他金属阳离子d在精炼过程中，电解质溶液的成分不发生任何变化【解析】阳极失电子，含杂质的粗金属作阳极，纯金属作阴极，若阴极用其他导体就会使需要精炼的金属覆盖在该导体上；粗金属中可能含有一些比较活泼的金属，失电子之后也会进入溶液，电解质溶液的成分可能会增加。【答案】a2以硫酸铜溶液作电解液，对含有杂质fe、zn、ag的粗铜进行电解精炼。下列叙述中正确的是 ()粗铜与直流电源负极相连阴极发生的反应为cu22e=cu电路中每通过3.011023个电子，得到的精铜质量为16 g杂质ag以ag2so4的形式沉入电解槽形成“阳极泥”abcd【解析】电解精炼铜时，粗铜作阳极，纯铜在阴极析出，单质银不放电，形成阳极泥，没有ag2so4。综合上述分析a项正确。【答案】a3金属镍有广泛的用途，粗镍中含有少量的fe、zn、cu、pt杂质，用电