2024-2025学年新教材高中化学第4章化学反应与电能第2节第2课时电解原理的应用教案新人教版选择性必修第一册

PAGE9-第2课时电解原理的应用发展目标体系构建1.通过对电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜、电冶金等原理的分析，相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和应用。一、电解饱和食盐水1．概念：习惯上把电解饱和食盐水的工业生产叫做氯碱工业。2．原理：(1)通电前，氯化钠溶液中含有的离子是Na＋、Cl－、H＋、OH－。通电时，移向阳极的离子是Cl－、OH－，移向阴极的离子是Na＋、H＋。(2)阳极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑；阴极反应式为2H＋＋2e－=H2↑；因H＋放电，促进了水的电离，使阴极区溶液显碱性。(3)电解的总反应式化学方程式为2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up10(电解))H2↑＋Cl2↑＋2NaOH；离子方程式为2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up10(电解))H2↑＋Cl2↑＋2OH－。3．氯碱工业生产流程：(1)阳离子交换膜电解槽(2)阳离子交换膜的作用：只允许Na＋等阳离子通过，不允许Cl－、OH－等阴离子及气体分子通过，可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合发生爆炸，也能避开氯气与阴极产生的氢氧化钠溶液反应而影响氢氧化钠溶液的产量和质量。微点拨：氯碱工业规律的记忆口诀：氢气烧碱出阴极，氯气阳极相隔离。①因为阳极产物Cl2和阴极产物H2会发生反应，Cl2和NaOH会发生反应，因此工业上常用特别的电解槽电解饱和食盐水，一般用阳离子交换膜将电解槽分隔成两部分，以避开电解产物之间发生反应。②阳极区Cl－放电生成Cl2，生成的Cl2少量溶于水会使阳极区呈酸性。二、电镀1．电镀的概念：利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的加工工艺。电镀的主要目的是使金属增加抗腐蚀实力，增加表面硬度和美观。2．某电镀铜试验装置(电镀池)如图所示。请回答下列问题：(1)铜片为镀层金属，与直流电源的正极相连，作阳极；铁件为待镀金属，与直流电源的负极相连，作阴极；硫酸铜溶液为电镀液，含有镀层金属离子。(2)阳极反应式为Cu－2e－=Cu2＋；阴极反应式为Cu2＋＋2e－=Cu。(3)可视察到的现象是铁件表面镀一层红色的铜，铜片不断溶解。(4)硫酸铜溶液浓度的变更是不变。3．电镀的特点是阳极参加电极反应，电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH等保持不变。微点拨：(1)电镀规律记忆口诀：镀层阳极待镀阴，镀层离子溶液跟。我与电解共原理，浓度不变要记真。(2)电镀特点：“1多、1少、1不变”。“1多”是指阴极上有镀层金属沉积，“1少”是指阳极上有镀层金属溶解，“1不变”是指电解质溶液的浓度不变。电镀铜试验装置中若两极上的材料互换，能在铁钥匙的表面镀上一层铜吗？为什么？[提示]不能。若两极材料互换，则Fe作阳极，其电极反应式为Fe－2e－=Fe2＋，故在Fe的表面不会镀上铜。三、电解精炼铜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。电解池的构成是用粗铜作阳极，用纯铜作阴极，用硫酸铜溶液作电解质溶液。2．阳极反应式为Cu－2e－=Cu2＋、Zn－2e－=Zn2＋、Fe－2e－=Fe2＋等；阴极反应式为Cu2＋＋2e－=Cu。3．电解精炼铜的原理：粗铜中比铜活泼的金属锌、铁等，失去电子形成阳离子而溶解(残留在溶液中)；比铜不活泼的金属银、金等，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。四、电冶金1．金属冶炼就是使矿石中的金属离子获得电子变成金属单质的过程，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(如钾、钠、镁、铝等)，但不能电解其盐溶液，应电解其熔融态。如：电解熔融的氯化钠可制取金属钠：阳极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑；阴极反应式为2Na＋＋2e－=2Na；总反应方程式为2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up10(电解))2Na＋Cl2↑。1．推断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。(1)在镀件上电镀铜时，也可以用惰性材料作阳极，用硫酸铜溶液作电解液。 (√)(2)电解饱和食盐水时，两个电极均不能用金属材料。 (×)(3)电镀铜和电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)均保持不变。 (×)(4)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3，也可以电解MgO和AlCl3。 (×)2．利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产中的应用。下列说法正确的是()A．氯碱工业中，X电极上的反应式是4OH－－4e－=2H2O＋O2↑B．电解精炼铜时，Z溶液中的Cu2＋浓度不变C．在铁片上镀铜时，Y是纯铜D．制取金属镁时，Z是熔融的氯化镁D[氯碱工业中阳极是Cl－放电生成Cl2；电解精炼铜时阳极上粗铜溶解，阴极上Cu2＋放电析出Cu，由于粗铜中含有锌、铁、镍等杂质，电解质溶液中Cu2＋浓度变小；铁片上镀铜时，阴极应当是铁片，阳极是纯铜。]探究电解原理的应用(素养养成——宏观辨识与微观探析)模拟电解原理在化工生产中的应用，试验装置如图所示，装置闭合电键K时，电流计G的指针将发生偏转。甲乙丙[问题1]哪个装置是原电池？哪个装置是电解池？[提示]甲、乙构成原电池，丙是电解池。[问题2]a、b、c、d电极名称分别是什么？[提示]a是负极，b是正极，c是阳极，d是阴极。[问题3]若模拟氯碱工业生产烧碱、氯气和氢气，如何选用电极材料和电解质溶液？[提示]c电极用Pt或石墨，d电极用铁丝(导体均可)，X溶液为饱和食盐水。[问题4]若模拟电镀生产，在铁件上镀一层金属银，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]c电极用Ag，d电极用Fe，X溶液为AgNO3溶液；阳极：Ag－e－=Ag＋，阴极：Ag＋＋e－=Ag。[问题5]若模拟电解精炼铜，如何选用电极材料和电解质溶液？[提示]c电极用粗铜，d电极用纯铜，X溶液为CuSO4溶液。1．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电解质溶液及其变更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2.原电池、电解池、电镀池的推断方法(1)若装置中无外加电源，则该装置可能为原电池，然后依据原电池的构成条件进行分析推断。(2)若有外接直流电源，两极插入电解质溶液中，则可能是电解池或电镀池；当阴极为金属，阳极亦为金属且与电解质溶液中的金属阳离子属同种元素时，则为电镀池。(3)若多个单池相互串联，又有外接直流电源时，则与直流电源相连接的为电解池或电镀池。若无外接直流电源时，较活泼的金属电极为原电池的负极(电子输出极)，有关装置为原电池，其余为电镀池或电解池。1．化学试验小组在学习化学电源和氯碱工业相关学问后，在试验室进行试验验证。他们设计组装了如图所示装置，已知a为石墨电极，b为铁电极，c为铝电极(已除去表面氧化膜)，d为多孔石墨电极，烧杯中是足量饱和食盐水(滴有酚酞)，连好导线后，电流表指针发生明显偏转。下列推断正确的是()A．b为负极，d为阳极B．一段时间后，a和d电极旁边溶液变红C．b电极的电极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑D．电解一段时间，当B中出现大量白色沉淀时，停止试验，再将A中溶液倒入B中混合，充分振荡，沉淀全部消逝D[右侧装置为原电池，左侧装置为电解池。在右侧装置中，通入O2的电极为原电池的正极，其电极反应式为O2＋4e－＋2H2O=4OH－，所以一段时间后d电极旁边溶液变红，Al为原电池的负极，Al失去电子生成Al3＋，Al3＋与溶液中的OH－反应生成白色Al(OH)3沉淀，电池总反应式为4Al＋3O2＋6H2O=4Al(OH)3，a与电池的正极相连，故a为电解池的阳极，b与电池的负极相连，故b为电解池的阴极，电解饱和NaCl溶液时，Cl－在a极放电生成Cl2，H＋在b极放电生成H2，故一段时间后b电极旁边溶液变红。依据得失电子守恒，A中产生的NaOH与B中Al3＋结合的OH－物质的量相等，所以电解一段时间后，将A、B混合并充分振荡，Al(OH)3能被NaOH全部溶解。]2．在铁制品上镀一层肯定厚度的锌层，以下方案设计正确的是()A．锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含有锌离子B．铂作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子C．铁作阳极，镀件作阴极，溶液中含有亚铁离子D．锌作阴极，镀件作阳极，溶液中含有亚铁离子A[电镀原理是镀层金属作阳极，镀件作阴极，含有镀层金属阳离子的电解质溶液作电镀液。]3．金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量铁、锌、铜、铂等杂质，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：Ni2＋＋2e－=NiB．电解过程中，阳极质量的削减与阴极质量的增加相等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有铜和铂，没有锌、铁、镍D[电解精炼镍时，粗镍作阳极，纯镍作阴极，电解质溶液中含有Ni2＋，则阳极发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－=Zn2＋，Fe－2e－=Fe2＋，Ni－2e－=Ni2＋，阴极电极反应式为Ni2＋＋2e－=Ni，因此，电解过程中阳极削减的质量不等于阴极增加的质量，电解后，溶液中存在的金属阳离子有Fe2＋、Ni2＋、Zn2＋，电解槽底部的阳极泥中只有铜和铂，没有锌、铁、镍。]电解原理及应用中常见的误区(1)当电解过程中被电解的是水和电解质时，电极反应式中出现的是H＋或OH－放电，但在书写总反应式时要将反应物中的H＋或OH－均换成水。(2)铁作电解池的阳极时，铁并不是失去3个电子生成Fe3＋，而是失去2个电子生成Fe2＋。(3)误认为在金属活动性依次表中排在氢前面的金属阳离子肯定不能放电，如：在镀件上镀锌，电解质溶液应是含Zn2＋的浓溶液，在阴极Zn2＋得电子生成Zn，而不是H＋放电。(4)误认为粗铜精炼时，阴极增重与阳极减重相等。(5)电解时的氧化产物或还原产物能与电解质溶液中的微粒发生反应时，应将该微粒写入电极反应式中。电解的有关计算(素养养成——证据推理与模型认知)在如图中，甲烧杯中盛有100mL0.50mol·L－1AgNO3溶液，乙烧杯中盛有100mL0.25mol·L－1CuCl2溶液，A、B、C、D均为质量相同的石墨电极，假如电解一段时间后，发觉A极比C极重1.9g。甲乙[问题1]发觉A极比C极重，说明A极和C极上分别析出什么物质？说明电源E为正极还是负极？[提示]A极比C极重，说明A极上有Ag析出，说明电源E是负极，则C极为阴极，C极上有铜析出。[问题2]A极比C极重1.9g，则A极上析出单质的质量为多少？C极上析出单质的质量为多少？[提示]设A极析出的Ag为xmol，则对应析出的铜为eq\f(x,2)mol(电子守恒)，即得108x－64×eq\f(x,2)＝1.9，x＝0.025，则析出Ag的质量为2.7g，析出铜的质量为0.8g。[问题3]写出B极的电极反应式；计算B极析出气体的体积是多少？(标准状况)[提示]B极的电极反应式：4OH－－4e－=O2↑＋2H2O；依据题意可知，该过程转移0.025mol电子，则B极生成O2的体积V＝22.4L/mol×eq\f(0.025,4)mol＝0.14L。1．计算的原则(1)阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数。(2)串联电路中通过各电解池的电子总数相等。(3)电源输出的电子总数和电解池中转移的电子总数相等。2．计算的方法3．计算的步骤(1)正确书写电极反应式(要留意阳极材料)。(2)当溶液中有多种离子共存时，要确定放电离子的先后依次。(3)最终依据得失电子守恒进行相关的计算。4．将1L含有0.4molCu(NO3)2和0.4molKCl的水溶液，用惰性电极电解一段时间后，在一电极上析出19.2gCu；此时，在另一电极上放出气体的体积在标准状况下为(不考虑产生的气体在水中的溶解)()A．3.36L B．5.6LC．6.72L D．13.44LB[阴极析出铜0.3mol，由Cu2＋＋2e－=Cu知Cu2＋得到0.6mol电子，依据2Cl－－2e－=Cl2↑，求出当溶液中Cl－全部参加电极反应时，放出Cl20.2mol，失去电子0.4mol。因此在阳极还有OH－放电，依据4OH－－4e－=2H2O＋O2↑和电子守恒，在阳极有0.05molO2放出，即阳极共放出0.25mol，标准状况下为5.6L的气体。]5．把两个惰性电极插入500mL的AgNO3溶液中，通电电解。当电解液的pH从6.0变为3.0时(设电解时阴极没有氢气析出，且电解液在电解前后体积变更可以忽视)，电极上析出银的质量大约是()A．27mg B．54mgC．108mg D．216mgB[本题考查的是有关电解反应的计算。首先应弄清晰两极的反应。阳极反应式为：4OH－－4e－=O2↑＋2H2O；阴极没有氢气析出，则阴极反应式为：Ag＋＋e－=Ag。OH－的消耗导致了H＋的增加，增加量为1×10－3mol·L－1×0.5L＝5×10－4mol，即转移电子数5×10－4mol，析出银的质量为5×10－4mol×108g·mol－1＝0.054g＝54mg。]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C[电解食盐水生成三种产物，在阴极区生成氢气和氢氧化钠，在阳极区生成氯气。]2．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－=CuD[A项，电镀时镀件作阴极；B项，电解精炼铜时电解液成分变更；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。]3．(双选)下列描述中，不符合生产实际的是()A．电解熔融的氧化铝制取金属铝，用铁作阳极B．电解法精炼粗铜，用纯铜作阴极C．电解饱和食盐水制烧碱，用涂镍碳钢网作阴极D．在镀件上电镀锌，用锌作阴极AD[电解池的阳极发生失电子的氧化反应、阴极发生得电子的还原反应。电解熔融的Al2O3制Al时，若用Fe作阳极，会发生反应Fe－2e－=Fe2＋，Fe2＋移动到阴极上发生反应Fe2＋＋2e－=Fe，使得到的Al不纯。在镀件上电镀锌，用锌作阳极，镀件作阴极。]4．按下图装置试验，若x轴表示流入阴极的电子的物质的量，则y轴可表示()①c(Ag＋)②c(AgNO3)③a棒的质量④b棒的质量⑤溶液的pHA．①③ B．③④C．①②④ D．①