版化学新设计同步苏教版选修四讲义专题一 化学反应与能量变化 第二单元 第4课时 Word版含答案.docx

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第4课时　电解原理的应用

学习目标

核心素养建构

1.理解并掌握电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜、电冶金的原理，会书写电极反应式及化学方程式。

2.学会电解的有关计算。

[知识梳理]

1.电解饱和食盐水

（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：

2H＋＋2e－===H2↑（还原反应）；

因H＋放电，导致水的电离平衡H2OH＋＋OH－向右移动，致使生成NaOH。

（2）电解的总反应式

化学方程式：

2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2NaOH；

离子方程式：

2Cl－＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2OH－；

工业上习惯把电解饱和食盐水叫做氯碱工业。

2.电镀

（1）根据下图，回答下列问题：

①电极反应式

阳极：

Cu－2e－===Cu2＋；

阴极：

Cu2＋＋2e－===Cu。

②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。

③硫酸铜溶液浓度的变化是不变。

（2）电镀的概念是应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方法。

（3）电镀池的构成：

一般都是用含有镀层金属离子的电解质溶液作电镀液；把镀层金属浸入电镀液中与直流电源的正极相连，作为阳极；待镀金属制品与直流电源的负极相连，作阴极。

3.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。

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，不比铜活泼的金属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。

4.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；

总反应：

2NaCl（熔融）2Na＋Cl2↑。

【自主思考】

1.用惰性电极电解饱和食盐水一段时间，电解后的混合液能使红色布条褪色的原因是什么？

提示　电解饱和食盐水，阴极区生成NaOH，阳极区生成Cl2，二者发生反应：

Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O，NaClO具有漂白性。

2.电解精炼铜时，粗铜中的杂质哪里去了？

提示　粗铜中比铜活泼的杂质先失电子成阳离子进入溶液，在精铜表面上这些离子得电子能力比Cu2＋弱，所以留在溶液中；比铜不活泼的金属杂质不失电子，随着电解的进行它们会沉积在阳极下，称为“阳极泥”。

[效果自测]

1.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，用锌作阳极

解析　电解池的阳极发生失电子氧化反应、阴极发生得电子还原反应。

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。

答案　A

2.在铁制品上镀一层一定厚度的锌层，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

解析　本题考查的是电镀的原理。

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。

答案　A

3.在冶金工业中，常用电解法得到钠、镁、铝等金属，其原因是（　　）

A.都是轻金属B.都是活泼金属

C.成本低廉D.化合物熔点较低

解析　金属冶炼方法选取的主要依据是金属的活动性强弱，不活泼的金属可以用热分解法制备，如加热氧化汞；比较活泼的金属用热还原法制备，如用焦炭炼铁；活泼的金属离子很难被其他还原剂还原，只能用电解方法制备。

由于钠、镁、铝是活泼金属，所以只能用电解法。

答案　B

探究一、电解原理的应用

【探究讨论】

1.试根据氯碱工业的生产过程回答下列问题。

（1）电解氯化钠溶液时，如何用简便的方法检验产物？

提示　阳极产物Cl2可以用湿润的淀粉－KI试纸检验，阴极产物H2可以通过点燃检验，NaOH可以用酚酞溶液检验。

（2）在氯碱工业中，用的是阳离子交换膜，其作用是什么？

若没有膜会如何？

提示　阳离子交换膜只允许阳离子（Na＋）通过，而阻止阴离子（Cl－、OH－）和分子（Cl2）通过，这样既能阻止H2和Cl2混合爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成的NaClO影响烧碱质量。

2.电解精炼铜时，阳极泥是怎样形成的？

提示　粗铜中往往含有锌、铁、镍、银、金等多种金属杂质，当含杂质的铜在阳极不断溶解时，金属活动性位于铜之前的金属杂质，如Zn、Fe、Ni等也会同时失去电子，但是它们的阳离子比铜离子难以还原，所以它们并不能在阴极析出，而只能以离子的形式留在电解液里。

金属活动性位于铜之后的银、金等杂质，因为失去电子的能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子而溶解，所以当阳极的铜等失去电子变成阳离子溶解之后，银、金以金属单质的形式沉积在电解槽底部，形成阳极泥。

【点拨提升】

1.电解原理的应用

（1）氯碱工业：

用电解饱和食盐水的方法来制取NaOH、Cl2、H2，并以它们为原料生产一系列化工产品。

工业电解饱和食盐水制备烧碱时必须阻止OH－移向阳极，以使NaOH在阴极溶液中富集，常用阳离子交换膜将两溶液分开，使阳离子能透过阳离子交换膜，而阴离子不能通过。

如：

氯碱工业中电解饱和食盐水的原理如图所示，溶液A的溶质是NaOH。

（2）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。

（3）电解精炼中，比需要精炼的金属活泼的杂质溶解，而不比需要精炼的金属活泼的杂质会沉积（如精炼镍时Cu也会沉积）。

2.铜的电解精炼与电镀铜对比

电解精炼铜

电镀铜

电极材料

阴极

纯铜

镀件

阳极

粗铜

纯铜

电极反

应式

阳极

Cu－2e－===Cu2＋等

Cu－2e－===Cu2＋

阴极

Cu2＋＋2e－===Cu

Cu2＋＋2e－===Cu

电解质溶液

浓度的变化

Cu2＋减少，粗铜中比铜活泼的金属阳离子进入

电解质溶液成分及浓度均不变

【典题例证1】　关于用石墨作电极电解饱和NaCl溶液，下列叙述正确的是（　　）

A.电解时在阳极得到氯气，在阴极得到金属钠

B.若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液，溶液呈黄色

C.若在阴极附近的溶液中滴入酚酞试液，溶液呈无色

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

解析　用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，发生的反应是2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，故电解一段时间后电解液呈碱性。

电解时，阳极发生氧化反应：

2Cl－－2e－===Cl2↑，在阳极附近的溶液中滴入KI溶液时，发生反应2I－＋Cl2===2Cl－＋I2，故溶液呈黄色；阴极发生还原反应：

2H＋＋2e－===H2↑，因而阴极附近的溶液呈碱性，滴入酚酞试液变红。

答案　B

【学以致用1】　利用电解法可将含有Fe、Zn、Ag、Pt等杂质的粗铜提纯，下列叙述正确的是（　　）

A.电解时以精铜作阳极

B.电解时阴极发生氧化反应

C.粗铜连接电源负极，其电极反应是Cu－2e－===Cu2＋

D.电解后，电解槽底部会形成含少量Ag、Pt等金属的阳极泥

解析　电解精炼铜时，粗铜应作阳极，精铜作阴极，故A错；阳极与电源的正极相连发生氧化反应，阴极与电源的负极相连发生还原反应，故B错；粗铜连接电源的正极，发生氧化反应，故C错；金属的活动性顺序为Zn＞Fe＞Cu＞Ag＞Pt，因此Ag、Pt不会放电，以单质形式沉积下来，故D对。

答案　D

探究二、有关电解计算的常用方法

【探究讨论】

用石墨电极电解100mLH2SO4和CuSO4的混合溶液，通电一段时间后，两极均收集到2.24L气体（标准状况下），原混合溶液中Cu2＋的物质的量浓度为多少？

提示　根据题设条件，两极上电极反应式为：

阴极：

首先Cu2＋＋2e－===Cu，然后2H＋＋2e－===H2↑；阳极4OH－－4e－===2H2O＋O2↑。

既然阴极上收集到H2，说明Cu2＋已完全放电，根据电子守恒，阴极上Cu2＋、H＋得电子总数应等于OH－失电子总数。

析出0.1molH2获得0.2mol电子，析出0.1molO2失去0.4mol电子，所以有0.1molCu2＋放电，获得0.2mol电子，c（Cu2＋）＝0.1mol/0.1L＝1mol·

L－1。

【点拨提升】

1.电解计算的三种常用方法

（1）根据电子守恒法计算：

用于串联电路中各电极产物的计算，其依据是电路上转移的电子数相等。

（2）根据总反应方程式计算：

先写电极反应式，再写总反应方程式，最后根据总反应方程式计算。

（3）根据关系式计算：

根据电子得失相等找到已知量与未知量之间的桥梁，得出计算所需的关系式。

2.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。

3.进行电解计算时，要注意电极放电顺序，确定不同阶段的电极反应。

【典题例证2】　将两支惰性电极插入CuSO4溶液中，通电电解。

（1）当有1.0×10－3mol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1L，忽略溶液体积变化，在标准状况下放出5.6mLO2时，溶液的pH是　　　　。

解析　

（1）用惰性电极电解CuSO4溶液时，电极反应式为阴极：

2Cu2＋＋4e－===2Cu，阳极：

4OH－－4e－===O2↑＋2H2O。

当有1.0×10－3mol的OH－放电时，生成标准状况下的O2为5.6mL，此时转移电子为1.0×10－3mol，则在阴极上析出Cu：

0.032g。

（2）阳极：

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

4mol　　　　　　1mol

n　　　　　　　

n＝1.0×10－3mol，消耗1.0×10－3molOH－，生成1.0×10－3molH＋

则c（H＋）＝＝1.0×10－3mol·L－1

pH＝－lgc（H＋）＝－lg（1.0×10－3）＝3。

答案　

（1）0.032g　

（2）3

【学以致用2】　将两个惰性电极插入到500mLAgNO3溶液中，通电电解，当电解质溶液的pH从6.0变为3.0时（设电解时阴极没有H2逸出，且电解质溶液在电解前后体积变化可以忽略），则电极上析出银的质量是（　　）

A.27mgB.54mg

C.108mgD.216mg

解析　题中pH＝6可理解成由于Ag＋的水解而使溶液显弱酸性，当pH变为3.0时，n（H＋）＝1×10－3mol·L－1×0.5L＝5×10－4mol，根据关系式：

Ag＋～H＋～

e－得，n（Ag）＝n（H＋）＝5×10－4