新苏教版高中化学选择性必修1学案：1.2.5 电解原理的应用

新苏教版高中化学选择性必修1《化学反应原理》PAGEPAGE1第5课时电解原理的应用[核心素养发展目标]1.变化观念与平衡思想：通过对氯碱工业、电镀、铜的电解精炼等原理的分析，认识电能与化学能之间的能量转化。2.证据推理与模型认知：建立电解应用问题的分析思维模型和电解相关计算的思维模型，加深对电解原理的理解和应用。一、氯碱工业1．氯碱工业概念用电解饱和食盐水的方法来制取氢氧化钠、氢气和氯气，并以它们为原料生产一系列化工产品的工业，称为氯碱工业。2．氯碱工业原理(1)通电前，氯化钠溶液中含有四种自由移动的离子，它们是Na＋、Cl－、H＋、OH－。(2)通电时，移向阳极的离子是Cl－、OH－，Cl－在阳极放电，移向阴极的离子是Na＋、H＋，H＋在阴极放电，因H＋放电，使阴极区溶液呈碱性。①电解饱和食盐水的原理示意图②阳离子交换膜的作用：只允许Na＋等阳离子通过，不允许Cl－、OH－等阴离子及气体分子通过，可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合发生爆炸，也能避免氯气与阴极产生的氢氧化钠反应而影响氢氧化钠的产量和质量。(3)电极反应式和总反应方程式①阳极：2Cl－－2e－=Cl2↑；阴极：2H＋＋2e－=H2↑。②总反应的化学方程式为2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))H2↑＋Cl2↑＋2NaOH；总反应的离子方程式为2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))H2↑＋Cl2↑＋2OH－。(1)电解饱和食盐水时，阴极发生氧化反应：2Cl－－2e－=Cl2↑()(2)氯碱工业电解槽中滴入酚酞溶液，变红色的为阳极区()(3)电解饱和食盐水时，阳极和阴极都可以选择金属材料(如铁)()(4)电解饱和NaCl溶液可以制取金属钠()(5)利用电解饱和食盐水可制得“84”消毒液()答案(1)×(2)×(3)×(4)×(5)√按如图所示安装仪器，电极材料为石墨，电解质溶液为饱和食盐水(同时滴入几滴酚酞)。(1)实验所用的电极材料为石墨，能否更换为活泼金属材料？提示阴极可以更换为活泼金属材料，但不能更换为金属铝等可以与强碱发生反应的金属材料；阳极必须用惰性电极。(2)用惰性电极电解饱和食盐水的过程中，收集到的Cl2的体积一般小于H2的体积，请分析原因。提示Cl2在水中的溶解度比H2大，且Cl2会与电解产生的NaOH反应而被消耗。(3)接通电源后，哪个电极附近的颜色发生了变化？为什么？提示接通电源后，阴极区溶液变红色。原因：H2O电离出的H＋放电，使c(OH－)增大，即阴极区产生碱，使溶液变红色。(4)若用这种装置进行氯碱工业生产有什么缺点？如何改进？提示该装置的缺点是电解产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液和Cl2能反应生成NaClO，H2和Cl2混合遇火能发生爆炸。在工业生产中，为避免这几种产物混合，需要使反应在特殊的电解槽中进行。工业上在阴极区和阳极区之间设置一个阳离子交换膜，阻止OH－向阳极区移动，使氯气与氢氧化钠不能发生反应，从而制得烧碱、氯气和氢气。1．工业电解饱和食盐水制烧碱时需阻止OH－移向阳极，目前采用阳离子交换膜将两极溶液分开(如图)(F处加少量NaOH以增加溶液导电性)。(1)C、D分别是直流电源的两电极，C是电源__________________极，D是电源________极。(2)电解一段时间后，________由A口导出，___________由B口导出。阴极附近碱性增强的原因是__________________________(用电极反应式表示)。(3)若不采用阳离子交换膜，OH－向阳极移动，发生的反应可用离子方程式表示为____________________________________________________________。答案(1)负正(2)Cl2H22H＋＋2e－=H2↑(3)Cl2＋2OH－=Cl－＋ClO－＋H2O解析(1)阳离子向阴极移动，由Na＋移动方向知右侧电极为阴极，C、D分别是直流电源的两电极，故C是电源负极，D是电源正极。(2)电解一段时间后，左侧电极产生Cl2，右侧电极产生H2和NaOH，可知Cl2从A口导出，H2从B口导出；由于阴极附近发生的是电解水的反应，产生的H＋不断形成氢气析出，导致溶液中OH－浓度增大，碱性增强，用电极反应式表示为2H＋＋2e－=H2↑。(3)若不采用阳离子交换膜，OH－向阳极移动，与Cl2发生反应，离子方程式表示为Cl2＋2OH－=Cl－＋ClO－＋H2O。2.在新冠肺炎疫情期间，“84”消毒液是环境消毒液之一。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食盐水，通电时，为使Cl2被完全吸收制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如图所示的装置。c、d都为石墨电极。完成下列填空：(1)a为电源的________(填“正”“负”“阴”或“阳”，下同)极，c为电解池的________极。(2)d电极上发生的电极反应式：_______________________________________，电解产生消毒液的总化学方程式为________________________________________。答案(1)负阳(2)2H＋＋2e－=H2↑NaCl＋H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))NaClO＋H2↑解析电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，该学生的目的是使Cl2被完全吸收制得NaClO溶液，即要让Cl2与NaOH溶液充分混合反应。所以应在下端产生Cl2，上端产生NaOH，则a为负极，b为正极，c为阳极，d为阴极，Cl2和NaOH溶液发生反应：Cl2＋2NaOH=NaCl＋NaClO＋H2O，故电解产生消毒液的总化学方程式为NaCl＋H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))NaClO＋H2↑。在氯碱工业中，采用了离子交换膜，离子交换膜将电解槽隔成阴极室和阳极室，它只允许阳离子Na＋通过，而且阻止阴离子Cl－、OH－和气体通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH作用生成NaClO而影响烧碱的质量和产量。二、铜的电解精炼电镀1．铜的电解精炼(1)装置(2)粗铜成分①主要成分：Cu。②杂质金属：比铜活泼的有Zn等，不如铜活泼的有Ag、Au等。(3)电极反应2．电镀(1)概念：应用电解原理在某些金属或其他材料制品表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。电镀除了提升美观和增加表面硬度之外，更主要的目的是增强材料的抗腐蚀能力，防止金属氧化等。(2)基础实验：铁钉镀锌根据电解原理，设计在铁钉上镀锌的实验方案。电解原理阳极：Zn－2e－=Zn2＋，阴极：Zn2＋＋2e－=Zn电镀方案电极材料阳极：锌片，阴极：铁钉电镀液ZnCl2溶液镀件铁钉(3)某电镀银实验装置如图所示。请回答下列问题：①银为镀层金属，与直流电源的正极相连，作阳极；待镀金属制品与直流电源的负极相连，作阴极；含银离子的溶液为电镀液，含有镀层金属离子。②阳极反应式为Ag－e－=Ag＋；阴极反应式为Ag＋＋e－=Ag。③可观察到的现象是待镀金属制品表面镀上一层光亮的银，银不断溶解。④含银离子的溶液浓度的变化是不变。(4)电镀的特点是阳极参与电极反应，电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH等保持不变。(1)在Fe上镀Ag，应用Fe作阳极，Ag作阴极，用AgNO3溶液作电镀液()(2)电解精炼铜和电镀铜，电解质溶液中的c(Cu2＋)均保持不变()(3)在镀件上电镀铜时，镀件应连接电源的正极()(4)电解精炼铜时，阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料()(5)电解精炼铜和电镀铜过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加都相等()答案(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×1．在铁上镀锌时，溶液中的阳离子有两种，为什么在阴极是锌离子得电子而不是氢离子得电子被还原？提示因为锌离子浓度远大于氢离子浓度，所以是锌离子得电子。2．构成电镀池的条件是什么？提示①镀层金属与直流电源的正极相连，作阳极；②待镀金属制品与直流电源的负极相连，作阴极；③用含有镀层金属离子的电解质溶液作电镀液；④形成闭合回路。3．电镀的两个主要特点是什么？提示①阳极本身参与电极反应；②电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH等保持不变。4．电解精炼铜的过程中，溶液中Cu2＋的浓度如何变化？提示电解精炼铜的过程中，阳极上金属铜和比铜活泼的金属杂质(如锌等)转化为阳离子进入溶液，阴极上只发生反应：Cu2＋＋2e－=Cu，电解精炼过程中电解质溶液中Cu2＋的浓度减小。1．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解析在金属表面镀银，应把镀件挂在电镀池的阴极，镀层金属银作阳极，电镀液是含有银离子的溶液，AgCl溶解度太小，不适合作电镀液，硝酸银溶液满足条件，故B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。电解时，下列有关叙述正确的是(已知氧化性：Fe2＋＜Ni2＋＜Cu2＋)()A．阳极发生还原反应，电极反应式：Ni2＋＋2e－=NiB．电解过程中，阳极减少的质量与阴极增加的质量相等C．电解后，电解槽底部的阳极泥中主要有Cu和PtD．电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋答案C解析根据电解原理，阳极上发生失电子的氧化反应，故A错误；粗镍作阳极，根据金属活动性顺序，金属活动性强的先放电，因此阳极发生反应：Zn－2e－=Zn2＋、Fe－2e－=Fe2＋、Ni－2e－=Ni2＋，阴极发生反应：Ni2＋＋2e－=Ni，因此电解过程中阳极减少的质量与阴极增加的质量不相等，故B错误；根据相应离子的氧化性强弱顺序，推出Ni比Cu活泼，Ni放电，Cu不放电，阳极泥中主要有Cu和Pt，故C正确；精炼时，电解液中含有Ni2＋，因此电解后溶液中存在的金属阳离子除Fe2＋、Zn2＋外，还有Ni2＋，故D错误。3.如图所示，甲、乙为相互串联的两个电解池。(1)甲池若为电解精炼铜的装置，则A极为________极，电极材料是________，电极反应式为_______________________________________，电解质溶液可以是____________。(2)乙池中铁极的电极反应为__________________________。(3)若将乙池中的石墨电极改为银电极，则乙池为________装置，电解一段时间后，电解质溶液的浓度________。答案(1)阴纯铜Cu2＋＋2e－=CuCuSO4溶液(答案合理即可)(2)Ag＋＋e－=Ag(3)电镀不变解析(1)由题图可知，甲池中A极为阴极，B极为阳极，在电