高中化学选修四 电解原理的应用.docx

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高中化学选修四电解原理的应用

第4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。

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H2O电离产生的H＋放电，导致溶液中的OH－浓度增大，生成NaOH。

（2）电解的反应方程式

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）根据图示，回答下列问题：

①电极反应式

阴极：

Ag＋＋e－===Ag；

阳极：

Ag－e－===Ag＋。

②可观察到的现象是待镀金属表面镀上一层光亮的银，阳极上的银不断溶解。

③含银离子的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或非金属材料表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。

（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，不如铜活泼的金属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，粗铜中的铜失去电子成为Cu2＋，Cu2＋在阴极得电子，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等，但不能电解其盐溶液，而是电解其熔融态。

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；

电解反应式：

2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑。

归纳总结

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。

（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，而不如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）。

1．下列关于电解氯化钠水溶液（铁作阴极、石墨作阳极）的叙述正确的是（　　）

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。

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。

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

1．计算类型

电解的相关计算包括两极产物的定量计算（如质量、气体的体积、某元素的化合价、溶液的pH及物质的量浓度等）。

2．方法技巧

（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。

4．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。

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∶1B．1∶1∶2∶1

C．2∶1∶1∶1D．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四个电极上析出物质的物质的量之比为1∶1∶2∶

＝2∶2∶4∶1。

5．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），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，两极产生的气体分别为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。

由电子得失守恒知，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．如图为电解饱和食盐水的简单装置，下列有关说法正确的是（　　）

A．电解一段时间后，向蛋壳内的溶液中滴加几滴酚酞，呈红色

B．蛋壳表面缠绕的铁丝上发生氧化反应

C．铁丝表面生成的气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝

D．蛋壳可阻止生成的氯气与氢气、氢氧化钠溶液接触

答案　D

解析　碳棒在蛋壳内，溶液中的Cl－在该极失电子被还原，溶液的碱性不增强，故A项错误；蛋壳表面缠绕的铁丝作阴极，H＋在该极发生还原反应得到氢气，B项错误；铁丝表面生成的气体是氢气，不能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，C项错误；蛋壳在该实验中的作用是阻止气体通过，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＋

A．阳极发生还原反应，其电极反应式：

Ni2＋＋2e－===Ni

B．电解过程中，阳极质量的减少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Cu和Pt，没有Zn、Fe、Ni

答案　D

解析　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，电解过程中阳极减少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Cu和Pt，没有Zn、Fe、Ni。

3.

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，为使二者充分反应，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NaClO和NaCl。

4．下列说法正确的是（　　）

A．工业用电解熔融AlCl3的方法制金属铝

B．铅蓄电池工作时，正极反应为Pb