高中化学 第四章 第三节 第2课时电解池 电解原理的应用 解析版.docx

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高中化学第四章第三节第2课时电解池电解原理的应用解析版

第2课时　电解原理的应用

[目标导航]　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。

一、电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气

1．现象（装置如图）

（1）阳极上：

产生黄绿色气体。

（2）阴极上：

产生无色气体，阴极附近溶液变红。

2．原理分析及电极反应

电解时U形管中，Cl－、OH－移向阳极，H＋、Na＋移向阴极。

（1）阳极离子放电顺序：

Cl－>OH－_____，电极反应：

2Cl－－2e－===Cl2↑（氧化反应）

（2）阴极离子放电顺序：

H＋>Na＋，

电极反应：

2H＋＋2e－===H2↑（还原反应）。

3．总反应化学方程式：

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋Cl2↑＋H2↑。

离子方程式：

2Cl－＋2H2O

H2↑＋Cl2↑＋2OH－。

思考　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？

答案　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。

二、铜的电解精炼（粗铜含Zn、Fe、Ni、Au、Pt、Ag等）

1．装置与原理

阳极材料用粗铜，阴极材料用纯铜，电解质溶液用硫酸酸化的硫酸铜溶液。

2．电解特点

电解结束后，阳极泥中含有Au、Pt、Ag等，电解质溶液中的金属阳离子有Zn2＋、Fe2＋、Ni2＋、Cu2＋，阴极得到精铜。

三、电镀

（1）根据图示，书写电极反应式：

阳极：

Cu－2e－===Cu2＋；

阴极：

Cu2＋＋2e－===Cu。

（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。

（4）电镀的目的主要是增强材料抗腐蚀能力，也有许多电镀是为了美观或增加表面硬度。

四、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↑。

练一练

1．判断正误（正确打“√”，错误打“×”）

（1）氯碱工业是非常重要的化工生产，在电解饱和食盐水时，在阴极上得到的产物为H2和NaOH（√）

（2）电解饱和食盐水制烧碱，用涂镍碳钢网作阳极（×）

（3）电解法精炼粗铜，用纯铜作阳极（×）

（4）在镀件上电镀锌，用锌作阳极（√）

（5）电解法精炼粗铜时，电解质溶液中各离子浓度一定不变（×）

（6）在镀件上电镀铜，电镀过程中阳极减少的质量等于阴极增加的质量（√）

2．关于电解NaCl水溶液，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，溶液呈棕色

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

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↑；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－，溶液呈棕色；阴极放出H2，得不到金属钠；阴极附近产生大量的OH－，滴加酚酞后变红色，电解后生成NaOH，溶液呈碱性，A、C、D均不正确。

3．粗铜的电解精炼如右图所示。

在粗铜的电解过程中，粗铜板应是图中电极________（填图中的字母）；在电极d上发生的电极反应式为____________________________；若粗铜中还含有Au、Ag、Fe，它们在电解槽中的存在形式和位置为____________________。

答案　c　Cu2＋＋2e－===Cu　Au、Ag以单质的形式沉积在c（阳极）下方，Fe以Fe2＋的形式进入电解液

解析　电解精炼时，粗铜作阳极，纯铜作阴极，CuSO4溶液作电解液，比铜活泼的金属失电子生成离子进入溶液，不如铜活泼的金属形成阳极泥沉积下来。

4．请说明粗铜中的杂质是如何除去的？

答案　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；比铜不活泼的金属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）。

一、电解原理的应用

1．工业电解饱和食盐水制取烧碱

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，已知溶液A的溶质是NaOH。

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

Cu2＋＋2e－===Cu

阴极

Cu－2e－===Cu2＋

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

例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．电解时以纯铜作阳极

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，纯铜作阴极，故A错；阳极与电池的正极相连发生氧化反应，阴极与电池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，以单质形式在阳极底部沉积下来，故D对。

答案　D

反思感悟

　金属电解精炼时，溶液中增加较活泼的金属阳离子，被提纯金属阳离子的浓度减少。

变式训练1　臭氧是常见的强氧化剂，广泛用于水处理系统。

制取臭氧的方法很多，其中高压放电法和电解纯水法原理如下图所示，下列有关说法不正确的是（　　）

A．高压放电法，反应的原理为3O2

2O3

B．高压放电出来的空气中，除含臭氧外还含有氮的氧化物

C．电解时，电极b周围发生的电极反应有3H2O－6e－===O3↑＋6H＋和2H2O－4e－===O2↑＋4H＋

D．电解时，H＋由电极a经聚合固体电解质膜流向电极b

答案　D

解析　高压放电法与闪电条件下氧气部分转化为臭氧类似，其反应的原理为3O2

2O3，因空气中还含有氮气，放电条件下，氮气也能与氧气反应，故有氮氧化物生成，A、B两项均正确；观察上图电解法制臭氧，可发现有氢气放出，必由水还原生成，发生还原反应，故a为阴极，同理，由水生成氧气和臭氧，发生氧化反应，C项正确；因b为阳极，电解质中的阳离子移向阴极，故D项错误。

二、有关电解计算的三种常用方法

例2

　用铂电极电解50mLCuCl2与CuSO4的混合溶液（浓度均为2mol·L－1），当阴极析出9.6g固体时，阳极产生标准状况下氧气________L。

解析　阴极电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu,9.6gCu的物质的量为0.15mol，得电子0.3mol，阳极电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，生成Cl2为0.05L×2mol·L－1＝0.1mol。

根据电子守恒知必有氧气生成，所以4n（O2）＋2n（Cl2）＝0.3mol，n（O2）＝0.025mol，则产生的氧气标准状况下的体积为0.025mol×22.4L·mol－1＝0.56L。

答案　0.56

归纳总结

1．有关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．电解计算的注意事项

（1）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。

（2）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。

变式训练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________。

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。

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．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。

3．三氧化二镍（Ni2O3）可用于制造高能电池，其电解法制备过程如下：

用NaOH调NiCl2溶液pH至7.5，加入适量硫酸钠后进行电解。

电解过程中产生的Cl2在弱碱性条件下生成ClO－，把二价镍氧化为三价镍。

以下说法不正确的是（　　）

A．可用铁作阳极材料

B．电解过程中阴极附近溶液的pH升高

C．阳极反应方程式为2Cl－－2e－===Cl2↑

D．1mol二价镍全部转化为三价镍时，外电路中通过了1mol电子

答案　A

解析　由题意知电极反应，阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极：

2H＋＋2e－===H2↑，阴极溶液呈碱性，pH升高，故A错误，B正确；由Ni2＋→Ni3＋，失去1mole－，外电路中转移1mole－，即Cl－失去1mole－，H＋得到1mole－。

4．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，则阴极上析出铜的质量为（　　）

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。

[基础过关]

一、电解饱和食盐水

1.

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。

2．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。

二、电镀

3．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

4．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。

三、电解冶炼金属

5．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。

6．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。

四、电解的有关计算

7．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。

8．在水中加等物质的量的Ag＋、Ba2＋、Na＋、SO

、NO

、Cl－，将所得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．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。

10．常温下用石墨作电极，电解100mL0.1mol·L－1的Cu（NO3）2溶液和0.1mol·L－1的AgNO3溶液组成的混合溶液，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]

11．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电极的名称是____________。

（2）电解过程中观察到的现象是_______________________________

________________________________________________________________________。

（3）鉴定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，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。

12．电解原理在化学工业中有着广泛的应用。

某电解池装置如右图所示，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。

13．下图中电极a、b分别为Ag电极和Pt电极，电极c、d都是石墨电极。

通电一段时间后，在c、d两极上共收集到336mL（标准状态）气体。

回答：

（1）直流电源中，M为__________极。

（2）Pt电极上生成的物质是______，其质量为______g。

（3）电源输出电子的物质的量与电极b、c、d分别生成的物质的物质的量之比为2∶______∶______∶________________________________________________________________________。

（4）AgNO3溶液的浓度________（填“增大”、“减小”或“不变”，下同），AgNO3溶液的pH________________________________________________________________________，硫酸的浓度

________，硫酸的pH________。

（5）若硫酸的质量分数由5.00%变为5.02%，则原有5.00%的硫酸________g。

答案　

（1）正　

（2）Ag　2.16　（3）2　

　1

（4）不变　不变　增大　减小　（5）45.18

解析　

（1）电解5.00%的稀硫酸