1.2.5 电解原理的应用学案2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

新苏教版高中化学选择性必修1《化学反应原理》PAGEPAGE1第五课时电解原理的应用【课程标准要求】1.理解氯碱工业、电镀、铜的电解精炼等原理，认识电能与化学能之间的能量转化。2.建立电解应用问题的分析思维模型和电解相关计算的思维模型，加深对电解原理的理解。一、电解饱和食盐水1.氯碱工业习惯上把电解饱和食盐水的工业生产叫做氯碱工业。2.电解原理(1)通电前，氯化钠溶液中含有的离子：Na＋、Cl－、H＋、OH－。通电时Na＋、H＋移向阴极，H＋放电，Cl－、OH－移向阳极，Cl－放电。电极反应式为阳极：2Cl－－2e－=Cl2↑(氧化反应)；阴极：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－(还原反应)；(2)电解反应化学方程式：2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))H2↑＋Cl2↑＋2NaOH；离子方程式：2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))H2↑＋Cl2↑＋2OH－。【微自测】1.判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)电解饱和食盐水时，阴极发生氧化反应：2Cl－－2e－=Cl2↑()(2)氯碱工业电解槽中滴入酚酞溶液，变红色的为阳极区()(3)电解饱和食盐水时，阳极和阴极都可以选择金属材料(如铁)()(4)电解饱和NaCl溶液可以制取金属钠()答案(1)×(2)×(3)×(4)×二、电解在电镀、精炼铜及冶金工业中的应用1.铜的电解精炼(1)粗铜中往往含有铁、锌、银、金等多种杂质，常用电解的方法进行精炼。其电解池的构成是用粗铜作阳极，用纯铜作阴极，用CuSO4溶液作电解质溶液。(2)电极反应式：阳极为Cu－2e－=Cu2＋、Zn－2e－=Zn2＋、Fe－2e－=Fe2＋等，阴极为Cu2＋＋2e－=Cu。(3)电解精炼铜的原理是粗铜中比铜活泼的金属Zn、Fe等失去电子，产生的阳离子残留在溶液中，比铜活泼性差的金属Ag、Au等以金属单质的形式沉积在电解槽的底部，形成阳极泥，粗铜中的铜在纯铜上析出。2.电镀铜(1)装置如图。(2)电极反应式阳极：Cu－2e－=Cu2＋；阴极：Cu2＋＋2e－=Cu。(3)可观察到的现象是铁件表面镀一层红色的铜，铜片不断溶解。(4)硫酸铜溶液的浓度不变。3.电冶金(1)金属冶炼的本质：使矿石中的金属离子获得电子，从它们的化合物中还原出来。如Mn＋＋ne－=M。(2)电解法用于冶炼较活泼的金属如K、Na、Mg、Al等，但不能电解其盐溶液，应电解其盐或氧化物的熔融态。如电解熔融的氯化钠可制取金属钠：阳极反应式：2Cl－－2e－=Cl2↑；阴极反应式：2Na＋＋2e－=2Na；电解反应：2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up7(通电))2Na＋Cl2↑。【微自测】2.判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)电解精炼铜和电镀铜，电解质溶液中的c(Cu2＋)均保持不变()(2)电解精炼时，阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料()(3)在Fe上镀Ag，应用Fe作阳极，Ag作阴极，用AgNO3溶液作电镀液()(4)在镀件上电镀铜时，镀件应连接电源的正极()(5)电解精炼铜和电镀铜过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加都相等()答案(1)×(2)√(3)×(4)×(5)×一、电解原理的一般应用模拟电解原理在化工生产中的应用，实验装置如下图所示。(1)若X为滴加几滴酚酞的NaCl溶液，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。原因是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。(2)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混合遇明火能发生爆炸。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。(3)若模拟电镀生产，在铁件上镀上一层金属银，如何选用电极材料和电解质溶液？电极反应式如何书写？提示a电极Ag，b电极为铁件，X溶液为AgNO3溶液；阳极反应式：Ag－e－=Ag＋，阴极反应式：Ag＋＋e－=Ag。(4)若模拟电解精炼铜，如何选用电极材料和电解质溶液？提示a电极为粗铜，b电极用纯铜，X溶液为CuSO4溶液。1.氯碱工业(1)装置图(2)电解饱和食盐水时的两注意①电解饱和食盐水的过程中，在阴极上发生反应2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，阴极区溶液中c(OH－)>c(H＋)，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反应生成NaCl和NaClO而影响烧碱的质量。2.电镀铜与精炼铜的比较电镀铜精炼铜能量转变电能转化为化学能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－=CuCu2＋＋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)电镀的特点是“一多、一少、一不变”：一多是指阴极上有镀层金属沉积，一少是指阳极上有镀层金属溶解，一不变是指电解质溶液的浓度不变。(2)精炼铜时，由于在阳极上溶解的金属有Fe、Zn、Ni、Cu等，而在阴极上只有Cu析出，根据得失电子守恒可知，阳极Cu失去电子的数目小于阴极Cu2＋得到电子的数目，阳极产生的铜离子数目小于阴极得电子变成单质铜的铜离子数目，所以电解液中Cu2＋的浓度减小。1.如图是工业电解饱和食盐水的装置示意图，下列有关说法中不正确的是()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C.装置中发生反应的离子方程式为2Cl－＋2H＋eq\o(=,\s\up7(通电))Cl2↑＋H2↑D.该装置将电能转化为化学能答案C解析由图看出①处为电解池阳极产生氯气，②处为电解池阴极产生氢气，A项正确；该离子交换膜只能让阳离子通过，不能让阴离子通过，能防止氯气与碱反应，且在阴极区得到浓度较高的烧碱溶液，B项正确；电解饱和食盐水有烧碱生成且H2O应写化学式，C项错误；电解装置是将电能转化为化学能的装置，D项正确。2.金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是(氧化性：Fe2＋<Ni2＋<Cu2＋)()A.阳极发生还原反应，其电极反应为Ni2＋＋2e－=NiB.电解过程中，阳极质量减少的量与阴极质量增加的量相等C.电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋D.电解后，电解槽底部的阳极泥中不可能有Fe和Zn答案D解析电解池阳极发生氧化反应Ni－2e－=Ni2＋(主要)。因为粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt杂质，电解过程中，阳极会溶解Fe、Zn、Ni，而阴极只析出Ni，故阳极质量减少的量与阴极质量增加的量不相等。电解后，溶液中存在的金属阳离子除Fe2＋和Zn2＋外，还可能含有Ni2＋，电解槽底部的阳极泥中不可能存在Fe、Zn，因为Fe、Zn比Ni活泼。3.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可表示为Ag＋＋e－=AgD.当电镀一段时间后，将电源反接，铜牌可恢复如初答案C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，阳极上Cu、Ag均会溶解，且Cu活泼性大于Ag，会比Ag先失去电子，铜牌不可能恢复如初。二、电化学中的有关计算1.计算类型原电池和电解池的计算包括串联电池多电极产物的定量计算、溶液pH的计算、根据得失电子总数求产物的量、根据产物的量求得失电子总数等计算。2.计算的方法3.计算的步骤(1)正确书写电极反应式(要注意阳极材料)。(2)当溶液中有多种离子共存时，要确定放电离子的先后顺序。(3)最后根据得失电子守恒进行相关的计算。4.下列说法正确的是()A.氯碱工业中，每产生1mol气体时，转移电子数为2NAB.电解精炼铜时，若阴极析出3.2g铜，则阳极失电子数大于0.1NAC.电镀Zn时，若阳极溶解65gZn，则转移电子数为0.2NAD.电冶工艺中，电解熔融的NaCl，阳极每产生0.1mol气体时，阴极得到电子数为0.2NA答案D解析氯碱工业中，产生两种气体，为氢气和氯气，每产生1mol气体时，转移电子数为NA，A项错误；电解精炼铜，当阴极析出3.2gCu时，阳极失电子数等于0.1NA，B项错误；电镀Zn时，若阳极溶解65gZn，则转移电子数为2NA，C项错误；电解熔融的NaCl，每产生0.1mol氯气时，阳极上失去电子数为0.2NA，根据阴阳极得失电子数相等可知，阴极得到电子数也为0.2NA，D项正确。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0.05mol·L－1的CuCl2溶液，B池中加入0.1mol·L－1的AgNO3溶液，进行电解。起始阶段a、b、c、d四个电极上所析出物质的物质的量之比是()A.2∶2∶4∶1 B.1∶1∶2∶1C.2∶1∶1∶1 D.2∶1∶2∶1答案A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：2e－～Cu～Cl2～2Ag～eq\f(1,2)O2，所以在反应起始阶段a、b、c、d四个电极上所析出物质的物质的量之比为2∶2∶4∶1。6.用惰性电极电解CuCl2和CuSO4的混合溶液(物质的量浓度均为0.1mol·L－1)500mL，当阴极析出4.8g固体时，在阳极可得到标准状况下的气体体积为()A.1.68L B.1.4LC.3.36L D.2.24L答案B解析CuCl2和CuSO4的混合溶液，物质的量浓度均为0.1mol·L－1，体积为500mL，即溶液中的n(Cu2＋)＝0.1mol，完全反应时质量为6.4g>4.8g，则阴极电极反应式为Cu2＋＋2e－=Cu，生成4.8gCu时，转移0.15mol电子，阳极：2Cl－－2e－=Cl2↑，可生成n(Cl2)＝0.05mol，即失去0.1mol电子，则0.05mol电子发生2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，生成0.0125mol氧气，即0.28L，生成气体合计1.4L。微专题4离子交换膜在电化学中的应用【核心归纳】1.离子交换膜的分类与作用2.三类交换膜应用实例种类装置图说明阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)锌铜原电池①负极反应式：Zn－2e－=Zn2＋②正极反应式：Cu2＋＋2e－=Cu③Zn2＋通过阳离子交换膜进入正极区④阳离子→透过阳离子交换膜→原电池正极阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过)以Pt为电极电解淀粉－KI溶液，中间用阴离子交换膜隔开①阴极反应式：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－②阳极反应式：2I－－2e－=I2③阴极产生的OH－移向阳极与阳极产物反应。3I2＋6OH－=IOeq\o\al(－,3)＋5I－＋3H2O④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极质子交换膜(只允许H＋和水分子通过)在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH)，可获得清洁能源H2①阴极反应式：2H＋＋2e－=H2↑②阳极反应式：CH3COOH－8e－＋2H2O=2CO2↑＋8H＋③阳极产生的H＋通过质子交换膜移向阴极④H＋→透过质子交换膜→电解池的阴极3.常见带离子交换膜的三类装置多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为两室、三室、多室等，以达到物质制备、浓缩、净化、提纯的目的。(1)两室电解池如氯碱工业中阳离子交换膜把电解池分成两室。(2)三室电解池利用三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如图所示。阴极的NO被还原为NHeq\o\al(＋,4)：NO＋5e－＋6H＋=NHeq\o\al(＋,4)＋H2O，NHeq\o\al(＋,4)通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的NO被氧化为NOeq\o\al(－,3)：NO－3e－＋2H2O=NOeq\o\al(－,3)＋4H＋，NOeq\o\al(－,3)通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得电解总反应：8NO＋7H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))3NH4NO3＋2HNO3，为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3。(3)多室电解池利用四室电渗析法制备H3PO2(次磷酸)，其工作原理如图所示。电解稀硫酸的阳极反应：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，产生的H＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2POeq\o\al(－,2)穿过阴离子交换膜进入产品室，与H＋结合生成弱电解质H3PO2；电解NaOH稀溶液的阴极反应：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，原料室中的Na＋通过阳离子交换膜时进入阴极室。【典例】四室式电渗析法制备盐酸和NaOH的装置如图所示。a、b、c为阴、阳离子交换膜。已知：阴离子交换膜只允许阴离子透过，阳离子交换膜只允许阳离子透过。下列叙述正确的是()A.b、c分别依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜B.通电后Ⅲ室中的Cl－透过c迁移至阳极区C.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四室中的溶液的pH均升高D.电池总反应为4NaCl＋6H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑答案D解析由图中信息可知，左边电极与负极相连为阴极，右边电极为阳极，所以通电后，阴离子向右定向移动，阳离子向左定向移动，阳极上H2O放电生成O2和H＋，阴极上H2O放电生成H2和OH－；H＋透过c，Cl－透过b，二者在b、c之间的Ⅲ室形成盐酸，盐酸浓度变大，所以b、c分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜；Na＋透过a，NaOH的浓度变大，所以a也是阳离子交换膜，故A、B两项均错误；电解一段时间后，Ⅰ中的溶液的c(OH－)升高，pH升高，Ⅱ中为NaCl溶液，pH不变，Ⅲ中有HCl生成，故c(H＋)增大，pH减小，Ⅳ中H＋移向Ⅲ，H2O放电生成O2，使水的量减小，c(H＋)增大，pH减小，C不正确。【规律方法】离子交换膜类型的判断方法根据电解质溶液呈电中性的原则，判断膜的类型，判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余，因该电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向，进而确定离子交换膜的类型，如电解饱和食盐水时，阴极反应式为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，则阴极区生成H2和OH－，阳极区域的Na＋穿过离子交换膜进入阴极室，与OH－结合生成NaOH，故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。【迁移应用】1.用电解法可提纯含有某种钾的含氧酸盐杂质(如硫酸钾、碳酸钾等)的粗KOH溶液，其工作原理如图所示。下列说法正确的是()A.电极N为阳极，电极M上H＋发生还原反应B.电极M的电极反应式为4OH－－4e－=2H2O＋O2↑C.d处流进粗KOH溶液，e处流出纯KOH溶液D.b处每产生11.2L气体，必有1molK＋穿过阳离子交换膜答案B解析根据图示，K＋移向电极N，所以N是阴极，M极是阳极，OH－发生氧化反应生成氧气，电极反应式为4OH－－4e－=2H2O＋O2↑，故A错误，B正确；c处流进粗KOH溶液，f处流出纯KOH溶液，故C错误；N极是阴极，H＋发生还原反应生成氢气，非标准状况下11.2L氢气的物质的量不一定是0.5mol，故D错误。2.在电镀车间的含铬酸性废水中，铬的存在形式有Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)两种，其中Cr(Ⅵ)的毒性最大。电解法处理含铬废水的装置示意图如图，铬最终以Cr(OH)3沉淀除去。下列说法正确的是()A.Fe为阳极，反应为Fe－2e－=Fe2＋B.阴极反应为Cr2Oeq\o\al(2－,7)＋7H2O＋6e－=2Cr(OH)3↓＋8OH－C.阳极每转移3mol电子，可处理Cr(Ⅵ)物质的量为1molD.离子交换膜为质子交换膜，只允许H＋穿过答案A解析对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)处理是通过转化为Cr(OH)3处理，由题图可知，同时还生成Fe(OH)3，据此推测铁棒是阳极，电极反应式为Fe－2e－=Fe2＋，Fe2＋再与Cr2Oeq\o\al(2－,7)发生氧化还原反应生成Fe3＋和Cr3＋，A正确；石墨棒是阴极，电极反应为2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，电解质溶液中发生反应：Cr3＋＋3OH－=Cr(OH)3↓，Fe3＋＋3OH－=Fe(OH)3↓，B错误；阳极转移3mol电子，生成1.5molFe2＋，Cr(Ⅵ)被还原为Cr(Ⅲ)，据得失电子守恒可知，可处理Cr(Ⅵ)的物质的量为0.5mol，C错误；石墨电极上反应生成OH－，左侧废水中Cr3＋、Fe3＋透过离子交换膜移向右侧，反应生成Cr(OH)3和Fe(OH)3，故离子交换膜为阳离子交换膜，D错误。1.关于镀铜和电解精炼铜，下列说法中正确的是()A.都用粗铜作阳极、纯铜作阴极B.电解液的成分都保持不变C.阳极反应都只有Cu－2e－=Cu2＋D.阴极反应都只有Cu2＋＋2e－=Cu答案D解析A项，电镀时纯铜作阳极，镀件作阴极；B项，电解精炼铜时电解液成分改变；C项，电解精炼铜时，杂质若有比铜活泼的金属(如锌)，则阳极还会发生Zn－2e－=Zn2＋的反应。2.在铁制品上镀一定厚度的锌层，下列方案设计中正确的是()A.Zn作阳极，Fe作阴极，溶液中含有Zn2＋B.Pt作阴极，Fe作阳极，溶液中含有Zn2＋C.Fe作阳极，Fe作阴极，溶液中含有Fe2＋D.Zn作阴极，Fe作阳极，溶液中含有Zn2＋答案A3.某同学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。以下对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是()A.a为正极，b为负极；NaClO和NaClB.a为负极，b为正极；NaClO和NaC