4.2.2电解池原理应用（导学案）高二化学（人教版2019选择性必修1）

第四章《化学反应与电能》导学案第二节电解池第二课时电解池原理的应用【学习目标】1.能说出电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜以及电冶金等电解原理的应用；2.知道电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用；3.会书写有关电解原理的应用的电极反应式及化学方程式；【学习重难点】1.掌握电解饱和食盐水的原理。(重点)2.了解电镀、金属精炼、电冶金等方面的应用。(重点)【旧知回顾】电解池原理1.电解：使电流通过电解质溶液或熔融电解质，而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。电解过程可以看作外接电源提供的电能，借助电解池将还原剂的电子转移给了氧化剂。2.电解池（电解槽）：把电能转变为化学能的装置。3.阴阳极的判断：4.阴阳极离子放电规律（惰性电极）阳极：失电子，发生氧化反应—比较——还原性(失电子能力）强弱阴离子的放电顺序是：S2>SO32>I>Br>Cl>OH>NO3>SO42(等含氧酸根离子）>F阴极：得电子，发生还原反应—比较——氧化性(得电子能力）强弱阳离子在阴极上放电顺序是：Ag+>Fe3+>Cu2+>H+（酸）>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+（水）>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+【课中探究】情境导入：电解饱和食盐水在工业生产中的应用我们熟悉的氯气、烧碱（氢氧化钠）以及氯化氢的化工产品，广泛应用于各个领域，成为国民经济各个部门不可或缺的重要材料。这些原料在工业上可以通过电解饱和食盐水制得。1.NaOH是玻璃、肥皂、纺织工业上的重要原料。纺织肥皂玻璃纺织肥皂玻璃2.Cl2是合成橡胶、盐酸、漂白产品上的重要原料。一、氯碱工业活动一、电解饱和食盐水实验（无离子交换膜）任务1：引导学生思考电解饱和食盐水原理。【讨论1】用电解饱和食盐水的方法来制取氢氧化钠、氢气和氯气，用学习过的电解池知识构建模型。【答题要点】1.分析溶液中存在的离子，且明确离子移动的方向；①溶液中存在的离子：Na+、H+、Cl－、OH－②阴离子（Cl－、OH－）→阳极；阳离子Na+、H+→阴极2.比较阴阳极的离子放电顺序①阳极：Cl－＞OH阴极：H+＞Na+任务2：引导学生书写电解饱和食盐水的电极反应式，并观察实验现象；电解【答题要点】阳极2Cl－－2e－=Cl2↑阴极2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－电解总电极反应式：2NaCl＋2H2O==Cl2↑＋H2↑＋2NaOH【讨论1】若在两电极附近滴加酚酞试液，会有什么现象?【答题要点】阴极试液变红！阳极无明显变化！【讨论2】能否用该电解池制备Cl2、H2和NaOH？【答题要点】1.电解产生的Cl2接触NaOH溶液(会反应)，使产品不纯；同时生成物H2和Cl2混合，容易引起爆炸。2.Cl2接触NaOH溶液反应：Cl2+2OH===ClO+Cl+H2O3.解决这类问题，需要阻止Cl2与2OH相互接触。活动二、离子交换膜的学习任务1：分组讨论离子交换膜的功能及特点【答题要点】1.离子交换膜是一类高分子膜，它能选择性地使物质通过。阳离子能通过阳离子交换膜，而阴离子则不能通过。2.离子交换膜结构示意图：①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。②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。任务2：总结离子交换膜的作用【答题要点】(1)隔离某些物质，防止发生化学反应；(2)能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用；(3)用于物质的制备（电解后溶液阴极区或阳极区得到所制备的物质）；(4)用于物质的分离、提纯。任务3：老师总结常见的离子交换膜【答题要点】(1)阳离子交换膜，只允许阳离子通过，不允许阴离子通过。(2)阴离子交换膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。(4)双极膜(由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜)，双极膜中间层的H＋在直流电场作用下移向阴极，OH－移向阳极。【总结】教师总结氯碱工业产品及其应用【对应练习1】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溶液，溶液呈无色D．电解一段时间后，将全部电解质转移到烧杯中充分搅拌后溶液呈中性【答案】B【解析】电解NaCl水溶液时，阳极反应为2Cl－－2e－=Cl2↑，在阳极附近的溶液中滴入KI溶液，发生反应：Cl2＋2KI=2KCl＋I2，阳极附近的溶液呈棕色；阴极反应为2H＋＋2e－=H2↑，由于该极H＋放电而促进了水的电离，使阴极附近的溶液中c(OH－)增大，滴入酚酞溶液，阴极附近的溶液呈红色；电解NaCl水溶液的总反应为2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up9(通电))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，最后溶液呈碱性，故正确答案为B。【对应练习2】如图所示，用石墨电极电解饱和食盐水，下列说法不正确的是（）A.a极是阳极B.通电使NaCl发生电离C.Na＋、H＋向b极移动D.a极产生黄绿色气体【答案】B【解析】电解饱和食盐水的装置中，与电源正极相连的是阳极，与电源负极相连的是阴极，则a极是阳极，A正确；NaCl是强电解质，溶于水即可完全电离，B错误；电解过程中，阳离子向阴极移动，故Na＋、H＋向b极移动，C正确；电解过程中，阳极发生失去电子的氧化反应，a极的电极反应式为2Cl－－2e－Cl2↑，生成的氯气为黄绿色气体，D【对应练习3】高氯酸在化工生产中有广泛应用，工业上以NaClO4为原料制备高氯酸的原理如图所示。下列说法正确的是（）A.上述装置中，f极为光伏电池的正极B.阴极反应式为2H2O－4e－4H＋＋O2C.d处得到较浓的NaOH溶液，c处得到HClO4D.若转移2mol电子，理论上生成100.5gHClO4【答案】C【解析】电解时，Na＋移向阴极区，则f为电源负极，A项错误；电解时，阳极反应式为2H2O－4e－4H＋＋O2↑，Na＋移向阴极区，阳极区溶液逐渐由NaClO4转化为HClO4；阴极反应式为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，阴极区产生NaOH，B项错误，C项正确；根据得失电子守恒，若转移2mol电子，理论上生成201gHClO4，二、电镀池【导入】生活中有好多金属需要有镀层的，工业上是防腐作用，但是也有些不法分子是以假充真，比如生活中一些商家会用铜镀金来欺骗。活动一、学习电镀原理，设计电镀池任务1：在铁制品上镀上铜，该如何设计实验？【问题】什么是电镀？电镀要实现的目的什么？【答题要点】定义：利用电解原理在某些金属的表面镀上一薄层其它金属或合金的加工工艺；目的：使金属增强抗腐蚀的能力，增加美观和表面硬度。任务2：设计实验—铁制品上镀上铜【答题要点】要点1：电镀材料的选择：阴极——镀件；阳极——镀层金属；电镀液——含有镀层金属离子的溶液；要点2：装置的设计要点3：电极反应式的书写阴极：Cu2++2e=Cu；阳极：Cu2e=Cu2+【老师总结】1.镀层金属通常是一些在空气中或溶液里不易起变化的金属(Cu、Ni、Zn、Ag)和合金。2.电镀的特点：①阳极本身参加电极反应②电解质溶液的浓度保持不变3.技巧总结电镀过程中的“一多，一少，一不变”：“一多”指阴极上有镀层金属沉积；“一少”指阳极上有镀层金属溶解；“一不变”指电镀液(电解质溶液)的浓度不变。任务3：【自主学习】设计实验方案—汤匙上如何镀银【学习反馈】阴极——镀件（汤匙）阳极——镀层金属（银）电镀液——含有镀层金属离子的溶液（含Ag+）电极反应式：阳极：Ag－e－=Ag+阴极：Ag++e－=Ag【对应训练4】若在铁片上镀锌，以下叙述错误的是A．把铁片与电源的正极相连B．电解质必须用含有锌离子的可溶性盐C．锌极发生氧化反应D．铁极的电极反应式为Zn2++2e=Zn【答案】A【详解】A．根据上述分析，Zn作阳极，与电源正极相连，Fe作阴极，与电源负极相连，A错误；B．电解质必须用含有锌离子的可溶性盐，保证Zn2+在阴极得到电子生成Zn，B正确；C．Zn作阳极，失去电子发生氧化反应，C正确；D．Fe作阴极，Zn2+得到电子发生还原反应，电极反应式为：Zn2++2e=Zn，D正确；【对应训练5】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】A.用铁作阳极，阳极上铁放电，失电子被氧化，生成亚铁离子，移动向阴极，开始时阴极还能析出少量铝，一段时间后阴极生成铁，应用惰性电极，不符合生产实际，A项错误；B.电解法精炼粗铜，粗铜作阳极，纯铜作阴极，符合生产实际，B项正确；C.碳钢网有一定的强度，也可得到更大的表面积，从而提高电解效率，涂镍是为了防止碳钢网被腐蚀，因为在不通电时，碳钢合金在电解质溶液中易形成原电池，会加速腐蚀，且用涂镍碳钢网作阴极，阴极材料不反应，阳极生成氯气，阴极生成氢气和氢氧化钠，符合生产实际，C项正确；D.电镀时，镀层金属作阳极，用锌作阳极，电解液为含有锌离子的电解质溶液，符合生产实际，D项正确；三、精炼铜活动一、粗铜中含杂质(Zn、Fe、Ni、Ag、Au等)，设计实验进行粗铜提纯任务1：粗铜提纯装置结构设计【答题要点】电极的选择：阳极—粗铜；阴极—纯铜；电解质溶液—含有Cu2+的溶液，如CuSO4溶液；任务2：阳极中杂质金属活泼性如何？将如何反应？【答题要点】1.比铜活泼的金属：Zn–2e=Zn2+Fe–2e=Fe2+Ni–2e=Ni2+2.不及铜活泼的贵重金属（银、金等）沉入槽底形成阳极泥。3.铜：Cu–2e=Cu2+【问题】电解一段时间后，溶液浓度如何变化？【学生】电解质溶液中CuSO4的浓度变小【对应训练6】利用电解原理，在铁皮表面镀一层锌的有关叙述正确的是（）A.用可溶性铁盐作电解质B.锌元素既被氧化又被还原C.铁为负极，锌为正极D.铁为阳极，锌为阴极【答案】B【解析】利用电解原理，在铁皮表面镀一层锌，应该使铁皮与电源的负极连接作阴极，Zn片与电源的正极连接，发生氧化反应失去电子变为Zn2＋进入电解质，电解质是含有Zn2＋的溶液，而电解质中的Zn2＋得到电子变为Zn在铁皮上被还原。【对应训练47】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，其电极反应式是Cu－2e－Cu2D.电解后，电解槽底部会形成含少量Ag、Pt等金属的阳极泥【答案】D【解析】电解精炼铜时，粗铜应作阳极，纯铜作阴极，故A错误；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错误；粗铜连接电源的正极，发生氧化反应，故C错误；金属活动性顺序为Zn＞Fe＞Cu＞Ag＞Pt，因此Ag、Pt不会放电，以单质形式在阳极附近沉积下来，故D正确。四、金属的冶炼活动一、思考生活、工业中的金属是如何提炼【讲解】原理：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。Mn++ne＝M【问题1】回忆金属活动顺序，思考活泼金属如何提炼？【答题要点】1.K、Ca、Na、Mg、Al等金属的还原性很强,因此不能用一般的方法和还原剂使其从化合物中还原出来,只能用电解其化合物熔融状态方法来冶炼.如工业冶炼NaCl→NaMgCl2→MgAl2O3→Al；【总结】图示法总结金属冶炼方法规律：【正误判断】(1)电解熔融的氧化铝制取金属铝,用铁作阳极。(×)(2)铁器上镀铜所用电解质溶液为FeSO4溶液。(×)(3)电镀铜和电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)均保持不变。(×)(4)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3，也可以电解MgO和AlCl3。(×)课后作业练习【例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的氧化反应、阴极发生得电子的还原反应。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。【例2】中学阶段介绍的应用电解法制备物质主要有三种：一是铝的工业制备，二是氯碱工业，三是金属钠的制备。下列关于这三种工业生产的描述中正确的是()A．电解法制金属钠时，阳极反应式：Na＋＋e－=NaB．电解法生产铝时，需对铝土矿进行提纯，在提纯过程中应用了氧化铝或氢氧化铝的两性C．在氯碱工业中，电解池中的阴极产生的是H2，NaOH在阳极附近产生D．氯碱工业和金属钠的冶炼都用到了NaCl，在电解时它们的阴极都是Cl－失电子【答案】B【解析】A项，阴极反应式为Na＋＋e－=Na，错误；B项，氧化铝和氢氧化铝具有两性，在分离提纯时可用NaOH溶液将其溶解，过滤除去难溶物，再将AlOeq\o\al(\s\up12(－),\s\do4(2))转化成Al(OH)3，Al(OH)3热分解即得Al2O3，正确；C项，阴极产物为H2和NaOH，阳极产物为Cl2，错误；D项，阳极都是Cl－失电子，错误。【例3】利用电解原理，在铁皮表面镀一层锌的有关叙述正确的是（）A.用可溶性铁盐作电解质B.锌元素既被氧化又被还原C.铁为负极，锌为正极D.铁为阳极，锌为阴极【答案】B【解析】利用电解原理，在铁皮表面镀一层锌，应该使铁皮与电源的负极连接作阴极，Zn片与电源的正极连接，发生氧化反应失去电子变为Zn2＋进入电解质，电解质是含有Zn2＋的溶液，而电解质中的Zn2＋得到电子变为Zn在铁皮上被还原。【例4】下列化工生产原理错误的是（）①可以用电解熔融氯化钠的方法来制取金属钠②将钠加入氯化镁饱和溶液中制取镁③用电解法冶炼铝时，原料可选用氯化铝④湿法炼铜是用锌和硫酸铜溶液反应置换出铜A.②③B.①③C.①②③D.②③④【答案】D【解析】①钠是活泼金属，可以用电解熔融氯化钠的方法来制取金属钠，正确；②将钠加入氯化镁溶液中，钠先和水反应生成NaOH，氯化镁会和NaOH发生复分解反应，所以得不到镁单质，应采用电解熔融氯化镁的方法冶炼镁，错误；③氯化铝是共价化合物，熔融状态下氯化铝不导电，故不能用电解氯化铝的方法得到铝，错误；④湿法炼铜是用铁和硫酸铜溶液反应置换出铜，错误。【例5】在如图所示的装置中，通电5min后，铜电极的质量增加2.16g。试回答下列问题：（1）电源中X极为直流电源的极。

（2）溶液pH的变化情况：A，B，C。（填“增大”“减小”或“不变”）

（3）通电5min后，B装置中共收集224mL（标准状况下）气体，溶液体积为200mL，则通电前该装置溶液中CuSO4的物质的量浓度为（设电解前后溶液体积无变化）。

【答案】（1）负（2）增大减小不变（3）0.025mol·L－1【解析】（1）三个装置是串联的电解池。质量增加的铜电极是阴极，电解AgNO3溶液时，Ag＋在阴极发生还原反应生成Ag，则银