搜索
第4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：产生黄绿色气体。(2)阴极：产生无色气体，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．化学方程式：2NaCl＋2H2O=====通电2NaOH＋Cl2↑＋H2↑。离子方程式：2Cl－＋2H2O=====通电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：2Cl－－2e－===Cl2↑；阴极：2Na＋＋2e－===2Na；电解反应：2NaCl(熔融)=====通电2Na＋Cl2↑。四、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。练一练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=====放电2O3B．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=====放电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。2．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．54mgC．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。3．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－1C．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电子而生成，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0.1mol100×10－3L＝1mol·L－1。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，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Cu－2e－===Cu2＋阴极Cu2＋＋2e－===CuCu2＋＋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某同学设计了一种电解法制取Fe(OH)2的实验装置(如右图)。通电后，B极上有大量气泡产生，溶液中产生大量的Fe(OH)2白色沉淀，且较长时间不变色。A极电极材料是__________(填化学式)，B电极上的电极反应式为______________________________________________。答案Fe2H＋＋2e－===H2↑解析电解法制备Fe(OH)2时，采用金属Fe作阳极，其电极反应为Fe－2e－===Fe2＋；阴极材料可以是铁也可以是其他材料，其电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，阴极生成碱与Fe2＋结合成Fe(OH)2沉淀。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，Cl－最多能失去电子0.05L×2mol·L－1×2＝0.2mol。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。关键提醒(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↑4mol1moln5.6×10－3L22.4L·mol－1n＝1.0×10－3mol，消耗1.0×10－3molOH－，生成1.0×10－3molH＋则c(H＋)＝1.0×10－3mol1L＝1.0×10－3mol·L－1pH＝－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．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=====通电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－，滴加酚酞后会变红，A错误；电解后生成NaOH，溶液呈碱性，D错误。3．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。4．三氧化二镍(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－。5．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2Cu