《43 电解池第二课时》 导学案21.docx

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《43电解池第二课时》导学案21

第2课时　电解原理的应用

[学习目标定位]　1.熟知电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜、电冶金的原理，会写其电极反应式及化学方程式。

2.学会电解的有关计算。

1．用惰性电极电解氯化钾溶液，阴极反应式是2H＋＋2e－===H2↑，阳极反应式是2Cl－－2e－===Cl2↑，电解的化学方程式是2KCl＋2H2O

2KOH＋H2↑＋Cl2↑。

电解后溶液的pH变化是增大；欲使电解后的溶液复原，需加入的物质是HCl气体。

2．在硫酸铜溶液中，插入两个电极进行电解。

（1）若两极均为Pt电极，则阳极反应式是4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，阴极反应式是2Cu2＋＋4e－===2Cu，电解的化学方程式是2CuSO4＋2H2O

2Cu＋O2↑＋2H2SO4。

（2）若两极均为铜片，则阳极反应式是Cu－2e－===Cu2＋，阴极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu，电解过程中溶液的浓度变化是不变。

（3）若阳极为锌片，阴极为铜片，则阳极反应式是Zn－2e－===Zn2＋，电解过程中两极的变化是阳极锌片不断溶解，阴极铜片质量不断增加。

探究点一　电解原理的应用

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＋2H2O

H2↑＋Cl2↑＋2NaOH；

离子方程式：

2Cl－＋2H2O

H2↑＋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）根据右图，

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上一层红色的铜，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池的底部，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↑。

[归纳总结]

（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。

（2）电镀特点是阳极本身参与电极反应，电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH等保持不变。

（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）。

[活学活用]

1．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，将全部电解液转移到烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性

答案　B

解析　电解食盐水时发生的反应：

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑

阴极：

2H＋＋2e－===H2↑

总反应：

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

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：

Cl2＋2I－===I2＋2Cl－，溶液呈棕黄色，B正确；阴极附近产生大量的OH－，滴加酚酞后变红色，A错误；电解后生成NaOH，溶液呈碱性，D错误。

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

答案　A

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。

探究点二　电解的有关计算

1．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________。

答案　

（1）0.032g　

（2）3

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。

2．用惰性电极电解0.1LM（NO3）x的水溶液，当阴极上增重ag时，在阳极上同时产生bL（标准状况）O2，从而可知M的相对原子质量是________，溶液的pH是___________

（均用含有a、b、x的代数式表示）。

答案　

　－lg

解析　由于阴、阳两极转移电子的数目相同，则有

·x＝

×4，或由关系式xO2～4M得

∶

＝x∶4，均可解出M＝

g·mol－1。

又由O2～4H＋可知：

c（H＋）＝4×

mol÷0.1L＝

bmol·L－1，则pH＝－lg

。

[归纳总结]

有关电解的计算通常是求电解后某产物的质量、气体的体积、某元素的化合价、元素的相对原子质量、溶液的pH及物质的量浓度等。

不论哪种计算，均可概括为下列三种方法：

（1）得失电子守恒法计算：

用于串联电路、通过阴阳两极的电量相同等类型的计算，其依据是电路上转移的电子数相等。

（2）总反应式计算：

先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列比例式计算。

（3）关系式计算：

借得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁，建立计算所需的关系式。

[活学活用]

3．把两支惰性电极插入500mLAgNO3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化可以忽略），电极上应析出银的质量是（　　）

A．27mgB．54mg

C．108mgD．216mg

答案　B

解析　由得失电子守恒知，e－～OH－～H＋～Ag，所以n（Ag）＝n（H＋）。

AgNO3溶液电解后产生酸，产生的H＋的物质的量可由pH差来计算：

pH从6.0变为3.0，即c（H＋）≈10－3mol·L－1，所以n（Ag）＝n（H＋）＝10－3mol·L－1×0.5L＝5×10－4mol，m（Ag）＝n（Ag）×M＝5×10－4mol×108g·mol－1＝0.054g＝54mg。

4．在100mLH2SO4和CuSO4的混合液中，用石墨作电极进行电解，两极上均收集到2.24L气体（标准状况下），则原混合液中，Cu2＋的物质的量浓度为（　　）

A．1mol·L－1B．2mol·L－1

C．3mol·L－1D．4mol·L－1

答案　A

解析　分析电解H2SO4、CuSO4的混合液时阴、阳两极的电极反应可知，两极产生的气体为H2、O2各0.1mol，O2是由OH－失去0.4mol电子而得到，H2是由H＋得到0.2mol电子而生成。

由得失电子守恒知，还有0.2mol电子是Cu2＋得到的，故Cu2＋的物质的量是0.1mol，则Cu2＋的物质的量浓度为

＝1mol·L－1。

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

答案　A

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。

2.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（　　）

A．a为正极，b为负极；NaClO和NaCl

B．a为负极，b为正极；NaClO和NaCl

C．a为阳极，b为阴极；HClO和NaCl

D．a为阴极，b为阳极；HClO和NaCl

答案　B

解析　有关反应有2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O，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。

3．利用电解法可将含有Fe、Zn、Ag、Au等杂质的粗铜提纯，下列叙述正确的是（　　）

A．电解时以纯铜作阳极

B．电解时阳极发生还原反应

C．纯铜连接电源负极，其电极反应式是Cu－2e－===Cu2＋

D．电解后，电解槽底部会形成含少量Ag、Au等金属的阳极泥

答案　D

解析　电解法精炼金属铜时，粗铜作阳极，失去电子逐渐溶解，Cu2＋得到电子后析出，附着在阴极上，故纯铜作阴极；在电解池中，阴极接电源的负极，发生还原反应，阳极接电源的正极，发生氧化反应，A、B、C错误；越活泼的金属越易失去电子，故比铜活泼的Fe、Zn先失去电子，变成Fe2＋、Zn2＋进入溶液，然后是铜失去电子，变成Cu2＋进入溶液，因Ag、Au等金属不如铜活泼，故在铜溶解后便沉淀在电解槽底部成为阳极泥，D正确。

4．将含0.4molCuSO4和0.4molNaCl的水溶液1L，用惰性电极电解一段时间后，在一个电极上得到0.3mol铜，求在另一个电极上析出的气体在标准状况下的体积是（　　）

A．5.6LB．6.72LC．13.44LD．11.2L

答案　A

解析　阴极：

0.3molCu2＋得到0.6mol电子

阳极：

失去的电子数也应为0.6mol

2Cl－　　－　　2e－　　===　Cl2↑

0.4mol0.4mol0.2mol

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

0.2mol0.05mol

得到Cl2和O2共0.25mol，标况下的体积为5.6L。

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。

一段时间后，a、b、c、d四个电极上所析出的物质的物质的量之比是（　　）

A．2∶2∶4∶1

B．1∶1∶2∶1

C．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～

O2，所以a、b、c、d四个电极上所析出物质的物质的量之比为1∶1∶2∶

＝2∶2∶4∶1。

6．右图是电解氯化钠溶液（含酚酞）的装置。

有毒气体收集的装置省略

没有画出，两电极均是惰性电极。

（1）a电极的名称____________。

（2）电解过程中观察到的现象__________________________________。

（3）确定N出口的气体最简单的方法是_________________________。

（4）电解的总反应离子方程式为____________________________________。

（5）若将b电极换成铁作电极，写出在电解过程中U形管底部出现的现象________________________________________________________________________。

答案　

（1）阴极　

（2）两极均有气泡产生；a极区溶液变成红色；b极液面上气体为黄绿色；b极区溶液变为浅黄绿色

（3）用湿润的淀粉KI试纸检验，变蓝则是Cl2

（4）2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－

（5）底部有白色沉淀产生，很快变为灰绿色，最终变为红褐色

解析　根据电子的流向，可以判断a极的名称，a极连接的是直流电源电子流出的一极，为负极，因此，a极是电解池的阴极；那么b极为阳极，产物为Cl2，检验Cl2的方法是用湿润的淀粉KI试纸；当将b极改为铁电极时，铁失去电子变成阳离子进入溶液，与阴极放出H2后剩余的OH－结合，首先生成Fe（OH）2沉淀，然后转化为Fe（OH）3沉淀。

[基础过关]

一、电解原理的应用

1．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

答案　B

解析　金属冶炼方法的选取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。

2．火法炼铜得到的粗铜中含多种杂质（如锌、金和银等），其性能远不能达到电气工业的要求，工业上常使用电解精炼法将粗铜提纯。

在电解精炼时（　　）

A．粗铜接电源负极

B．纯铜作阳极

C．杂质都将以单质形式沉积到池底

D．纯铜片增重2.56g，电路中通过电子为0.08mol

答案　D

解析　电解精炼铜时，用粗铜作阳极，用纯铜作阴极，所以A、B不正确；锌比铜活泼，失电子变成锌离子进入溶液中，金、银不活泼，以单质形式沉积到池底，C不正确；n（e－）＝

×2＝0.08mol，D正确。

3．欲在金属表面镀银，应把镀件挂在电镀池的阴极。

下列各组中，选用的阳极金属和电镀液均正确的是（　　）

A．Ag和AgCl溶液B．Ag和AgNO3溶液

C．Pt和Ag2CO3溶液D．Pt和Ag2SO4溶液

答案　B

解析　电镀槽中，要求镀件作阴极，可用镀层金属作阳极，利用其阳极溶解提供镀层金属，也可用惰性电极材料作阳极，镀层金属则由电镀液提供；电镀液通常采用含有镀层金属离子的盐溶液，由于A、C、D中AgCl、Ag2CO3和Ag2SO4均为沉淀，只有B项符合要求。

4．某溶液中含有溶质NaCl和H2SO4，它们的物质的量之比为3∶1。

用石墨作电极电解溶液时，根据电极产物，可明显分为三个阶段。

下列叙述不正确的是（　　）

A．阴极只析出H2

B．阳极先析出Cl2，后析出O2

C．电解最后阶段为电解水

D．溶液pH不断增大，最后为7

答案　D

解析　电解质溶液中，n（Na＋）∶n（Cl－）∶n（SO

）＝3∶3∶1，开始电解产生H2和Cl2，之后相当于电解NaCl，生成OH－，最后相当于电解水，因而pH>7，阴极只生成H2。

三个阶段分别为电解HCl、NaCl、H2O。

5．观察下列几个装置示意图，有关叙述正确的是（　　）

A．装置①工业上可用于生产金属钠，电解过程中石墨电极产生金属，此法也可用于生产活泼金属镁、铝等

B．装置②中随着电解的进行左边电极会产生红色的铜，并且电流表示数不断变小

C．装置③中的离子交换膜只允许阳离子、阴离子和小分子水通过

D．装置④的待镀铁制品应与电源正极相连

答案　B

二、电解的有关计算

6．用惰性电极电解饱和食盐水，当电源提供给0.2mol电子时停止通电。

若此时溶液体积为2L，则所得电解液的pH是（　　）

A．1B．8C．13D．14

答案　C

解析　电解食盐水时供给0.2mol电子，则消耗的H＋为0.2mol，同时产生OH－0.2mol，溶液体积为2L，pH＝13。

7．以惰性电极电解CuSO4溶液，若阳极上产生气体的物质的量为0.0100mol，则阴极上析出Cu的质量为（　　）

A．0.64gB．1.28gC．2.56gD．5.12g

答案　B

解析　2CuSO4＋2H2O

2Cu　＋　　O2↑＋2H2SO4

0.0200mol0.0100mol

m（Cu）＝0.0200mol×64g·mol－1＝1.28g。

8．在水中加等物质的量的Ag＋、Ba2＋、Na＋、SO

、NO

、Cl－，将该溶液放在用惰性电极作电极的电解槽中，通电片刻，则氧化产物与还原产物的质量比为（　　）

A．35.5∶108B．16∶207

C．8∶1D．108∶35.5

答案　C

解析　溶液中的六种离子，有四种发生反应生成沉淀，Ag＋＋Cl－===AgCl↓、Ba2＋＋SO

===BaSO4↓，最后溶液就成了NaNO3溶液；而电解NaNO3溶液，实质就是电解水，电解方程式为2H2O

2H2↑＋O2↑。

氧化产物和还原产物的质量之比为m（O2）∶m（H2）＝（1mol×32g·mol－1）∶（2mol×2g·mol－1）＝8∶1，即C项正确。

9．常温下用石墨作电极，电解100mL0.1mol·L－1的Cu（NO3）2和0.1mol·L－1的AgNO3组成的混合溶液，当某一电极上生成的气体在标准状况下体积为1.12L时，假设溶液体积不变，下列说法正确的是（　　）

A．阴极增重1.4gB．所得溶液pH<1

C．阴极增重0.64gD．所得溶液pH>1

答案　B

解析　阴极可以放电的离子依次为0.01molAg＋、0.01molCu2＋，阳极可以放电的阴离子只有OH－。

当阳极生成1.12LO2时，电路中通过电子：

n（e－）＝0.05mol×4＝0.2mol，此时Ag＋、Cu2＋已全部析出，质量：

0.01mol×108g·mol－1＋0.01mol×64g·mol－1＝1.72g。

因为当Ag＋、Cu2＋全部析出以后，相当于电解水，H＋不再增加，所以生成的H＋所带电荷与0.01molAg＋、0.01molCu2＋所带电荷相等。

则溶液中生成的H＋浓度为c（H＋）＝0.3mol·L－1，pH<1。

当阴极生成1.12LH2时，表明Ag＋、Cu2＋已经放电完全。

阴极增重、溶液pH与以上相等。

[能力提升]

10．电解原理在化学工业中有着广泛的应用。

现将你设计的原电池通过

导线与右图中的电解池相连，其中a为电解液，X和Y均为惰性电极，则：

（1）若a为CuSO4溶液，则电解时的化学反应方程式为________________。

（2）若电解含有0.04molCuSO4和0.04molNaCl的混合溶液400mL，当阳极产生672mL（标准状况下）气体时，溶液的pH＝______（假设电解后溶液体积不变）。

答案　

（1）2CuSO4＋2H2O

2Cu＋O2↑＋2H2SO4　

（2）1

解析　

（1）用惰性电极电解CuSO4溶液时，阳极OH－放电，阴极Cu2＋放电，故电解时既电解溶质又电解溶剂，由此可得电解反应式。

（2）电解混合溶液时，阳极上Cl－先放电，2Cl－－2e－===Cl2↑，0.04molCl－只能生成0.02molCl2，即448mL，转移0.04mol电子，现共生成672mL气体，说明还有224mL气体来自于水的电解，根据反应4OH－－4e－===2H2O＋O2↑可知又转移0.04mol电子，故电解过程中阴极共转移0.08mol电子。

阴极上Cu2＋先放电，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，现有0.04molCu2＋，恰好完全电解，由此可得整个电解过程中消耗了0.04molOH－，根据水的电离可知溶液中H＋的物质的量为0.04mol，则c（H＋）＝0.1mol·L－1，pH＝1。

11．如图所示，甲、乙为相互串联的两电解池。

（1）甲池若为用电解原理精炼铜的装置，则A电极名称为________极，电极材料是________，电极反应式为________________，电解质溶液可以是________。

（2）乙池中Fe极电极反应式为________，若在乙池中滴入少量酚酞试液，开始电解一段时间，Fe极附近呈______色。

答案　

（1）阴　纯铜　Cu2＋＋2e－===Cu　含Cu2＋的溶液（如CuSO4溶液）　

（2）2H＋＋2e－===H2↑　红

解析　

（1）根据电解池的电极与外接电源的关系，A为阴极，B为阳极，Fe为阴极，C为阳极。

因为甲为电解精炼铜的装置，所以A电极材料是纯铜，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，电解质溶液用含Cu2＋的溶液（如CuSO4溶液）。

（2）乙池中Fe电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，在乙池中滴入少量酚酞试液，开始电解一段时间，由于水提供的H＋在阴极（Fe）放电，OH－越来越多，铁极附近呈红色。

12．铝和氢氧化钾都是重要的工业产品。

请回答：

（1）工业冶炼铝的化学方程式是___________________________________________________。

（2）铝与氢氧化钾溶液反应的离子方程式是_________________________________________。

（3）工业级氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸根杂质，可用离子交换膜法电解提纯。

电解槽内装有阳离子交换膜（只允许阳离子通过），其工作原理如图所示。

①该电解槽的阳极反应式是___________________________________________________。

②通电开始后，阴极附近溶液pH会增大，请简述原因___________________________________

________________________________________________________________________。

③除去杂质后的氢氧化钾溶液从液体出口________（填写“A”或“B”）导出。

答案　

（1）2Al2O3