新教材适用2024-2025学年高中化学第4章化学反应与电能第2节电解池第2课时电解原理的应用学案新人教版选择性必修1

第2课时电解原理的应用学习目标1．了解电解原理在工业生产中的应用。2．相识电解在实现物质转化和储存能量中的详细应用。核心素养1．通过对氯碱工业、电镀、电解精炼铜、电冶金等原理的分析，培育变更观念与平衡思想。2．建立电解应用问题的分析思维模型，培育证据推理与模型认知的实力。电镀的妙用电镀在工业上的应用已经遍及国民经济各个生产领域中，如机械制造、无线电通讯、交通运输及轻工业系统，这些工业系统中运用金属镀层的目的是多种多样的。其中应用最多的是为了防止金属制品及其组合件的腐蚀。例如，一辆解放牌载重汽车上，零部件的受镀面积可达10m2左右，其主要目的是防止金属锈蚀。一些产品运用金属镀层则具有防护和装饰的双重目的，像自行车、钟表等。在一些特殊状况下，电镀金属层则是为了给予制品肯定的物理、机械性能，如增加金属表面反光实力、提高表面导电实力、增加抗磨损实力、提高金属的稳定性等。让我们走进教材，一起学习电解原理的应用。

新知预习一、氯碱工业1．概念：用电解_饱和氯化钠溶液__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．原理：(1)阳极反应：2Cl－－2e－=Cl2↑(_氧化__反应)(2)阴极反应：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－(_还原__反应)(3)总反应：①化学方程式：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。②离子方程式：2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑。二、电镀1．概念：应用_电解__原理在某些金属表面镀上一薄层其他_金属__或合金的加工工艺。2．目的：使金属增加_抗腐蚀__实力，增加美观度和表面硬度。3．实例(在铁件上镀铜)。材料电极反应式阴极_Fe__Cu2＋＋2e－=Cu阳极_Cu__Cu－2e－=Cu2＋电解质溶液_CuSO4__溶液三、电解精炼铜1．概念：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。电解池的构成是用_粗铜__作阳极，用_纯铜__作阴极，用_硫酸铜溶液__作电解质溶液。2．原理：粗铜中比铜活泼的金属_锌、铁__等，失去电子形成阳离子而溶解(残留在溶液中)；比铜不活泼的金属_银、金__等，以金属单质的形式沉积在电解槽的底部(形成阳极泥)；粗铜中的铜在纯铜上析出。四、电冶金1．金属冶炼的本质：使矿石中的_金属离子__获得电子变成金属单质的过程。如Mn＋＋ne－=M。2．电冶金：电解是最强有力的氧化还原手段，适用于一些_活泼金属__单质的制取，如冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属。总方程式阳极、阴极反应式冶炼钠2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑2Cl－－2e－=Cl2↑，2Na＋＋2e－=2Na冶炼镁MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑2Cl－－2e－=Cl2↑，Mg2＋＋2e－=Mg冶炼铝2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up17(电解),\s\do15(冰晶石))4Al＋3O2↑6O2－－12e－=3O2↑，4Al3＋＋12e－=4Al预习自测1．关于用惰性电极电解NaCl水溶液，下列叙述正确的是(B)A．若在阴极旁边的溶液中滴入石蕊试液，溶液呈无色B．若在阳极旁边的溶液中滴入KI溶液，溶液呈棕色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解析：电解食盐水时发生的反应：阳极：2Cl－－2e－=Cl2，阴极：2H2O＋2e－=H2＋2OH－(或2H＋＋2e－=H2)，总反应：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。阴极显碱性，滴入石蕊溶液变蓝，A错误；阳极旁边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，B正确；阴极上是H2O电离产生的H＋放电产生H2，不是Na＋放电生成钠，C错误；电解后生成NaOH溶液呈碱性，D错误。2．关于镀铜和电解精炼铜，下列说法中正确的是(D)A．都用粗铜作阳极、纯铜作阴极B．电解液的成分都保持不变C．阳极反应都只有Cu－2e－=Cu2＋D．阴极反应都只有Cu2＋＋2e－=Cu解析：A项，电镀时镀件作阴极；B项，电解精炼铜时电解液成分变更；电解精炼铜时，杂质若有比铜活泼的金属(如锌)，则阳极还会发生Zn－2e－=Zn2＋的反应。3．中学阶段介绍的应用电解法制备的金属主要有钠、镁、铝。下列关于这三种金属工业制备方法的说法正确的是(D)A．电解法制金属钠的阳极反应式：Na＋＋e－=NaB．工业上电解氯化铝生产铝，阴极反应式：Al3＋＋3e－=AlC．工业上电解氯化镁溶液生产镁，阳极反应式：2Cl－－2e－=Cl2↑D．金属钠的冶炼和氯碱工业都用到了NaCl，在电解时它们的阳极都是Cl－失电子解析：电解法制金属钠时，阳极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑，阴极反应式为Na＋＋e－=Na，A项错误；工业上电解熔融Al2O3生产铝，B项错误；工业上电解熔融氯化镁生产镁，C项错误。学问点1电解原理的应用问题探究：1．氯碱工业中阴极产物是什么？2．粗铜中含有锌、铁、镍、银金属杂质，在精炼铜的过程中，杂质金属为什么不在阴极析出？精炼铜的过程中溶液中Cu2＋的浓度是否有变更？3．工业上冶炼镁为什么用MgCl2而不运用MgO?探究提示：1．H2、NaOH。阴极消耗H＋，产生H2，同时生成NaOH。2．因氧化性Cu2＋大于Fe2＋、Zn2＋、Ni2＋，故在阴极上Cu2＋得到电子析出单质铜，电解精炼铜时，溶液中Cu2＋的浓度减小。3．MgO的熔点高，MgCl2的熔点低，若用MgO则消耗更多的能量。学问归纳总结：1．氯碱工业：(1)装置图及原理说明。当接通电源后，在电场的作用下，带负电荷的Cl－和OH－移向阳极，带正电荷的Na＋和H＋移向阴极，在这种条件下，电极上发生的反应分别为阳极：2Cl－－2e－=Cl2↑阴极：2H＋＋2e－=H2↑随着电解的不断进行，阴极区溶液的OH－浓度越来越大，并生成NaOH，电解饱和食盐水的总反应为2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。(2)电解饱和食盐水时的两留意。①电解饱和食盐水的过程中，H＋在阴极上得电子而生成H2，因水电离产生的H＋与OH－数目相等，消耗了H＋后，使阴极区溶液中c(OH－)>c(H＋)，所以阴极区溶液呈碱性。②在氯碱工业中，采纳了阳离子交换膜，阳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，而阻挡阴离子(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，又能避开Cl2和NaOH作用生成NaCl和NaClO而影响烧碱的质量。2．电镀池与电解精炼池的区分与联系：电镀池电解精炼池定义应用电解原理在某些金属表面镀上一层其他金属或合金的装置利用电解原理提纯金属的装置装置举例形成条件①镀层金属作阳极接直流电源正极，镀件接直流电源负极，作阴极②电镀液必需是含有镀层金属离子的盐溶液③形成闭合回路①不纯金属作阳极，纯金属作阴极②含该金属离子的可溶盐溶液作电解质溶液③直流电源④形成闭合回路电极反应(以铁上镀锌为例)阳极：Zn－2e－=Zn2＋阴极：Zn2＋＋2e－=Zn(以精炼铜为例)阳极：Cu(粗铜)－2e－=Cu2＋(主要)阴极：Cu2＋＋2e－=Cu(精铜)联系电镀池和电解精炼池是特定条件下的电解池提示：电镀的特点是“一多、一少、一不变”：一多是指阴极上有镀层金属沉积，一少是指阳极上有镀层金属溶解，一不变是指电解质溶液的浓度不变。3．电冶金：(1)电解法用于冶炼较活泼的金属(如钠、钙、镁、铝等)。(2)电解法冶炼较活泼金属，不能电解其盐溶液，因为金属离子的放电实力小于氢离子的放电实力，而应电解其熔融态化合物。(3)电解法冶炼金属镁时，选择氯化镁，而不是氧化镁，是因为氧化镁的熔点高，耗能大。(4)电解法冶炼金属铝时，选择氧化铝，而不是氯化铝，是因为氯化铝为共价化合物，熔融时不导电。(5)电解法冶炼金属铝时，由于氧化铝熔点高，为了削减能耗，常加入冰晶石(Na3AlF6)，降低氧化铝的熔化温度。典例1试验室模拟工业制备高纯铁。用惰性电极电解FeSO4溶液制备高纯铁的原理如图所示。下列说法正确的是(D)A．阳极主要发生反应：Fe2＋＋2e－=FeB．向阴极旁边滴加KSCN溶液，溶液变红C．电解一段时间后，阴极旁边pH减小D．电解法制备高纯铁总反应：3Fe2＋Fe＋2Fe3＋解析：阳极上Fe2＋放电生成Fe3＋，电极反应式为2Fe2＋－2e－=2Fe3＋，故A错误；阴极是Fe2＋得电子生成Fe，没有Fe3＋生成，向阴极旁边滴加KSCN溶液，溶液不会变红，故B错误；阴极上发生Fe2＋＋2e－=Fe，Fe2＋浓度减小，水解生成的氢离子浓度减小，则pH增大，故C错误；阴极上发生Fe2＋＋2e－=Fe，阳极上发生2Fe2＋－2e－=2Fe3＋，电解总反应为3Fe2＋Fe＋2Fe3＋，故D正确。变式训练❶科研工作者利用如图所示装置除去废水中的尿素[CO(NH2)2]。下列说法错误的是(B)A．b为直流电源的负极B．工作时，废水中NaCl的浓度保持不变C．工作时，H＋由M极区通过质子交换膜移向N极区D．若导线中通过6mol电子，理论上生成1molN2解析：由图知，N极区生成H2，N极作阴极，故b为直流电源的负极，A项正确；工作时，阳极区的反应为6Cl－－6e－=3Cl2↑、3Cl2＋CO(NH2)2＋H2O=6Cl－＋6H＋＋CO2＋N2，因消耗水而使废水中NaCl的浓度增大，B项错误；工作时，H＋由M极区通过质子交换膜移向N极区，C项正确；由阳极区发生的反应知，若导线中通过6mol电子，理论上生成1molN2，D项正确。学问点2电解的有关计算问题探究：1．已知一个电子的电量是1.602×10－19C，用装置电解饱和食盐水，当电路中通过1.929×105C的电量时，生成NaOH的质量是多少？2．把两个惰性电极插入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更可以忽视)，电极上应析出银的质量是多少？探究提示：1．80g。一个电子的电量是1.602×10－19C，当电路中通过1.929×105C的电量时，电子的个数为eq\f(1.929×105C,1.602×10－19C)＝1.204×1024，电子的物质的量为eq\f(1.204×1024,6.02×1023mol－1)＝2mol，依据转移电子和氢氧化钠的关系式2NaOH～2e－得NaOH的质量为eq\f(2mol,2)×2×40g·mol－1＝80g。2．54mg。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。学问归纳总结：1．三个计算原则：(1)阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数。(2)串联电池中各电极上转移的电子数目相等。(3)电源输出的电子总数和电解池中各电极上转移的电子数目相等。2．四种常见计算类型：(1)两极产物的定量计算。(2)溶液pH的计算[pH＝－lgc(H＋)]。(3)相对原子质量的计算和阿伏加德罗常数的值的测定。(4)依据转移电子的量求产物的量或依据产物的量求转移电子的量。3．三种常见计算方法：之间的关系，得出计算所需的关系式如以通过4mole－为桥梁可构建如下关系式：4e－～2Cl2(Br2、I2)～O2～2H2～2Cu～4Ag～eq\f(4,n)M阳极产物阴极产物(式中M为金属，n为其离子的化合价数值)典例2如图所示，若电解5min时，测得铜电极的质量增加2.16g。试回答：(1)电源中X极是_负__(填“正”或“负”)极。(2)通电5min时，B中共收集到224mL(标准状况下)气体，溶液体积为200mL(电解前后溶液的体积变更忽视不计)，则通电前c(CuSO4)＝_0.025_mol·L－1__。(3)若A中KCl溶液的体积也是200mL，电解后溶液中仍有Cl－，则电解后溶液的pH为_13__。(Kw＝1.0×10－14)解析：(1)铜极增重，说明银在铜极上析出，则铜极为阴极，X为负极。(2)C中铜极增重2.16g，即析出0.02molAg，线路中通过0.02mol电子。由4e－～O2，可知B中产生的O2只有0.005mol，即112mL。但B中共收集到224mL气体，说明还有112mL气体是H2，即Cu2＋全部在阴极放电后，H＋接着得0.01mol电子产生了112mLH2，则通过0.01mol电子时，Cu2＋已完全被还原。由2e－～Cu，可知n(Cu2＋)＝0.005mol，则c(CuSO4)＝eq\f(0.005mol,0.2L)＝0.025mol·L－1。(3)由2e－～2OH－知，A中生成0.02molOH－，则c(OH－)＝0.1mol·L－1，c(H＋)＝eq\f(1.0×10－14,0.1)mol·L－1＝1.0×10－13mol·L－1，pH＝13。规律方法指导：解答与电解有关的计算题的基本步骤(1)正确书写电极反应式(要特殊留意阳极材料)。(2)当溶液中有多种离子共存时，先要依据离子放电依次确定离子放电的先后。(3)依据得失电子守恒进行相关计算。变式训练❷400mLKNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NOeq\o\al(－,3))＝0.6mol·L－1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到2.24L气体(标准状况下)，假定电解后溶液体积仍为400mL，下列说法正确的是(A)A．原混合溶液中c(K＋)为0.1mol·L－1B．上述电解过程中共转移0.2mol电子C．电解得到的Cu的物质的量为0.05molD．电解后溶液中c(H＋)为0.2mol·L－1解析：电解硝酸钾和硝酸铜混合溶液时，阳极上氢氧根离子放电生成氧气：4OH－－4e－=2H2O＋O2↑，阴极上先铜离子放电生成铜单质：Cu2＋＋2e－=Cu，当铜离子完全析出时，氢离子放电生成氢气：2H＋＋2e－=H2↑，两极均收集到2.24L气体(标准状况下)，气体的物质的量是0.1mol，每生成1mol氧气转移4mol电子，每生成1mol氢气转移2mol电子，每生成1mol铜转移2mol电子，所以依据转移电子守恒得铜的物质的量是0.1mol，则铜离子的物质的量浓度＝0.1mol/0.4L＝0.25mol·L－1，依据电荷守恒得钾离子浓度＝0.6mol·L－1－0.25mol·L－1×2＝0.1mol·L－1，据此分析解答。据分析可知原混合溶液中c(K＋)为0.1mol·L－1，A正确；上述电解过程中共转移0.4mol电子，B错误；电解得到的Cu的物质的量为0.1mol，C错误；当电解硝酸铜时溶液中生成H＋，当电解硝酸钾溶液时，事实上是电解水，所以电解后H＋的物质的量为0.4mol－0.2mol＝0.2mol、c(H＋)＝eq\f(0.2mol,0.4L)＝0.5mol·L－1，D错误。电解规律(惰性电极)类型电极反应特点实例电解对象电解质浓度pH电解质溶液复原电解水型阴：4H＋＋4e－=2H2↑阳：4OH－－4e－=2H2O＋O2↑NaOH水增大增大加水H2SO4水增大减小加水Na2SO4水增大不变加水电解电解质型电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电HCl电解质减小增大通入HCl气体CuCl2电解质减小—加入CuCl2固体放H2生碱型阴极：H2O放H2生碱阳极：阴离子放电NaCl电解质和水生成新电解质增大通入HCl气体放O2生酸型阴极：阳离子放电阳极：H2O放O2生酸CuSO4电解质和水生成新电解质减小加入CuO学问点睛电解质溶液复原(1)从元素角度分析，“缺什么，补什么”，如电解HCl溶液时产生H2、Cl2，需通入HCl气体即可复原，但并不能加入盐酸，因为盐酸除含HCl外，还含H2O。(2)须要加入金属氧化物复原的，加入对应碳酸盐也可复原。如：用石墨作电极电解CuSO4溶液一段时间后，加入氧化铜或碳酸铜即可复原，但不能加入氢氧化铜。1．如图为阳离子交换膜法电解饱和食盐水原理示意图。下列说法正确的是(C)A．从E口逸出的气体是Cl2B．每生成22.4LCl2，同时产生2molNaOHC．从B口加入含少量NaOH的水溶液以增加导电性D．依次用Na2CO3、NaOH、BaCl2、盐酸等试剂除去粗盐水中Ca2＋、Mg2＋、SOeq\o\al(2－,4)等离子解析：右边是阴极区，发生2H＋＋2e－=H2↑，所以从E口逸出的气体是H2，故A错误；每生成22.4LCl2，没有指明温度和压强，故B错误；阴极生成OH－，且Na＋向阴极移动，阴极区生成NaOH，为增加导电性，则从B口加入稀NaOH(增加导电性)的水溶液，故C正确；粗盐提纯所加试剂的依次Na2CO3必需放在BaCl2的后面，故D错误。2．下列叙述正确的是(B)A．电镀时，通常把待镀的金属制品作阳极B．氢氧燃料电池(酸性电解质)中O2通入正极，电极反应为O2＋4H＋＋4e－=2H2OC．氯碱工业是电解熔融的NaCl，在阳极能得到Cl2D．电解熔融的氧化铝制取金属铝，用铁作阳极解析：电镀时，通常把待镀的金属制品作阴极，镀层金属作阳极，故A错误；氢氧燃料电池(酸性电解质)中O2通入正极，由于是酸性环境，故电极反应为O2＋4H＋＋4e－=2H2O，故B正确；氯碱工业是电解饱和NaCl溶液，在阳极能得到Cl2，阴极得到氢气和氢氧化钠，故C错误；铁作阳极时，铁将放电生成Fe2＋，起先时阴极还能析出少量铝，后来就变成电镀铁了，同时用铁作阳极，阳极放电的是金属铁，电极被