电解原理的应用-(新人教版选择性必修一)(解析版)

4.2.2电解原理的应用考点精讲考点分析考点分析考点1：探究电解原理的应用问题情境探究模拟电解原理在化工生产中的应用，实验装置如图所示，装置闭合电键K时，电流计G的指针将发生偏转。甲乙丙【问题1】哪个装置是原电池？哪个装置是电解池？【解答】甲、乙构成原电池，丙是电解池。【问题2】a、b、c、d电极名称分别是什么？【解答】a是负极，b是正极，c是阳极，d是阴极。【问题3】若模拟氯碱工业生产烧碱、氯气和氢气，如何选用电极材料和电解质溶液？【解答】c电极用Pt或石墨，d电极用铁丝(导体均可)，X溶液为饱和食盐水。【问题4】若模拟电镀生产，在铁件上镀一层金属银，如何选用电极材料和电解质溶液？电极反应式如何书写？【解答】c电极用Ag，d电极用Fe，X溶液为AgNO3溶液；阳极：Ag－e－=Ag＋，阴极：Ag＋＋e－=Ag。【问题5】若模拟电解精炼铜，如何选用电极材料和电解质溶液？【解答】c电极用粗铜，d电极用纯铜，X溶液为CuSO4溶液。核心知识核心知识1．电镀铜与精炼铜的比较电镀铜精炼铜能量转变电能转化为化学能电能转化为化学能阳极材料纯铜粗铜(含锌、银、金等杂质)阴极材料镀件纯铜阳极反应Cu－2e－=Cu2＋Zn－2e－=Zn2＋Cu－2e－=Cu2＋等阴极反应Cu2＋＋2e－=CuCu2＋＋2e－=Cu电解质溶液及其变化硫酸铜溶液保持不变反应后硫酸铜溶液中混有Zn2＋等，Cu2＋浓度减小2.原电池、电解池、电镀池的判断方法（1）若装置中无外加电源，则该装置可能为原电池，然后根据原电池的构成条件进行分析判断。（2）若有外接直流电源，两极插入电解质溶液中，则可能是电解池或电镀池；当阴极为金属，阳极亦为金属且与电解质溶液中的金属阳离子属同种元素时，则为电镀池。（3）若多个单池相互串联，又有外接直流电源时，则与直流电源相连接的为电解池或电镀池。若无外接直流电源时，较活泼的金属电极为原电池的负极(电子输出极)，有关装置为原电池，其余为电镀池或电解池。考点演练考点演练1．化学实验小组在学习化学电源和氯碱工业相关知识后，在实验室进行实验验证。他们设计组装了如图所示装置，已知a为石墨电极，b为铁电极，c为铝电极(已除去表面氧化膜)，d为多孔石墨电极，烧杯中是足量饱和食盐水(滴有酚酞)，连好导线后，电流表指针发生明显偏转。下列判断正确的是()A．b为负极，d为阳极B．一段时间后，a和d电极附近溶液变红C．b电极的电极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑D．电解一段时间，当B中出现大量白色沉淀时，停止实验，再将A中溶液倒入B中混合，充分振荡，沉淀全部消失【解答】D右侧装置为原电池，左侧装置为电解池。在右侧装置中，通入O2的电极为原电池的正极，其电极反应式为O2＋4e－＋2H2O=4OH－，所以一段时间后d电极附近溶液变红，Al为原电池的负极，Al失去电子生成Al3＋，Al3＋与溶液中的OH－反应生成白色Al(OH)3沉淀，电池总反应式为4Al＋3O2＋6H2O=4Al(OH)3，a与电池的正极相连，故a为电解池的阳极，b与电池的负极相连，故b为电解池的阴极，电解饱和NaCl溶液时，Cl－在a极放电生成Cl2，H＋在b极放电生成H2，故一段时间后b电极附近溶液变红。根据得失电子守恒，A中产生的NaOH与B中Al3＋结合的OH－物质的量相等，所以电解一段时间后，将A、B混合并充分振荡，Al(OH)3能被NaOH全部溶解。2．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【解答】A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。3．金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量铁、锌、铜、铂等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是(已知：氧化性Fe2＋<Ni2＋<Cu2＋)()A．阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni2＋＋2e－=NiB．电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等C．电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋D．电解后，电解槽底部的阳极泥中有铜和铂，没有锌、铁、镍【解答】D电解精炼镍时，粗镍作阳极，纯镍作阴极，电解质溶液中含有Ni2＋，则阳极发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－=Zn2＋，Fe－2e－=Fe2＋，Ni－2e－=Ni2＋，阴极电极反应式为Ni2＋＋2e－=Ni，因此，电解过程中阳极减少的质量不等于阴极增加的质量，电解后，溶液中存在的金属阳离子有Fe2＋、Ni2＋、Zn2＋，电解槽底部的阳极泥中只有铜和铂，没有锌、铁、镍。方法技巧方法技巧电解原理及应用中常见的误区（1）当电解过程中被电解的是水和电解质时，电极反应式中出现的是H＋或OH－放电，但在书写总反应式时要将反应物中的H＋或OH－均换成水。（2）铁作电解池的阳极时，铁并不是失去3个电子生成Fe3＋，而是失去2个电子生成Fe2＋。（3）误认为在金属活动性顺序表中排在氢前面的金属阳离子一定不能放电，如：在镀件上镀锌，电解质溶液应是含Zn2＋的浓溶液，在阴极Zn2＋得电子生成Zn，而不是H＋放电。（4）误认为粗铜精炼时，阴极增重与阳极减重相等。（5）电解时的氧化产物或还原产物能与电解质溶液中的微粒发生反应时，应将该微粒写入电极反应式中。考点分析考点分析考点2：电解的有关计算问题情境探究在如图中，甲烧杯中盛有100mL0.50mol·L－1AgNO3溶液，乙烧杯中盛有100mL0.25mol·L－1CuCl2溶液，A、B、C、D均为质量相同的石墨电极，如果电解一段时间后，发现A极比C极重1.9g。甲乙【问题1】发现A极比C极重，说明A极和C极上分别析出什么物质？说明电源E为正极还是负极？【解答】A极比C极重，说明A极上有Ag析出，说明电源E是负极，则C极为阴极，C极上有铜析出。【问题2】A极比C极重1.9g，则A极上析出单质的质量为多少？C极上析出单质的质量为多少？【解答】设A极析出的Ag为xmol，则对应析出的铜为eq\f(x,2)mol(电子守恒)，即得108x－64×eq\f(x,2)＝1.9，x＝0.025，则析出Ag的质量为2.7g，析出铜的质量为0.8g。【问题3】写出B极的电极反应式；计算B极析出气体的体积是多少？(标准状况)【解答】B极的电极反应式：4OH－－4e－=O2↑＋2H2O；根据题意可知，该过程转移0.025mol电子，则B极生成O2的体积V＝22.4L/mol×eq\f(0.025,4)mol＝0.14L。核心知识核心知识1．计算的原则（1）阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数。（2）串联电路中通过各电解池的电子总数相等。（3）电源输出的电子总数和电解池中转移的电子总数相等。2．计算的方法3．计算的步骤（1）正确书写电极反应式(要注意阳极材料)。（2）当溶液中有多种离子共存时，要确定放电离子的先后顺序。（3）最后根据得失电子守恒进行相关的计算。考点演练考点演练4．将1L含有0.4molCu(NO3)2和0.4molKCl的水溶液，用惰性电极电解一段时间后，在一电极上析出19.2gCu；此时，在另一电极上放出气体的体积在标准状况下为(不考虑产生的气体在水中的溶解)()A．3.36L B．5.6LC．6.72L D．13.44L【解答】B阴极析出铜0.3mol，由Cu2＋＋2e－=Cu知Cu2＋得到0.6mol电子，根据2Cl－－2e－=Cl2↑，求出当溶液中Cl－全部参与电极反应时，放出Cl20.2mol，失去电子0.4mol。因此在阳极还有OH－放电，根据4OH－－4e－=2H2O＋O2↑和电子守恒，在阳极有0.05molO2放出，即阳极共放出0.25mol，标准状况下为5.6L的气体。5．把两个惰性电极插入500mL的AgNO3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)，电极上析出银的质量大约是()A．27mg B．54mgC．108mg D．216mg【解答】B本题考查的是有关电解反应的计算。首先应弄清楚两极的反应。阳极反应式为：4OH－－4e－=O2↑＋2H2O；阴极没有氢气析出，则阴极反应式为：Ag＋＋e－=Ag。OH－的消耗导致了H＋的增加，增加量为1×10－3mol·L－1×0.5L＝5×10－4mol，即转移电子数5×10－4mol，析出银的质量为5×10－4mol×108g·mol－1＝0.054g＝54mg。考点过关考点过关1．如图是工业电解饱和食盐水的装置示意图，下列有关说法中不正确的是()A．装置中出口①处的物质是氯气，出口②处的物质是氢气B．该离子交换膜只能让阳离子通过，不能让阴离子通过C．装置中发生反应的离子方程式为Cl－＋2H＋eq\o(=,\s\up10(电解))Cl2↑＋H2↑D．该装置是将电能转化为化学能【解答】C由图看出①处为电解池阳极产生氯气，②处为电解池阴极产生氢气，A对；该离子交换膜只能让阳离子通过，不能让阴离子通过，能防止氯气与碱反应，且在阴极区得到浓度较高的烧碱溶液，B对；电解饱和食盐水有烧碱生成且H2O应写化学式，C错；电解装置是将电能转化为化学能的装置，D对。2．利用如图所示装置可以在铜牌表面电镀一层银。下列有关说法正确的是()A．通电后，Ag＋向阳极移动B．银片与电源负极相连C．该电解池的阴极反应可表示为Ag＋＋e－=AgD．当电镀一段时间后，将电源反接，铜牌可恢复如初【解答】C铜牌上镀银，银片为阳极，Ag＋向阴极移动，阴极反应为Ag＋＋e－=Ag。由于实验中镀层不可能非常均匀致密，所以将电源反接，阳极上Cu、Ag均会溶解，铜牌不可能恢复如初。3．在冶金工业中，钠、镁、铝等金属常用电解法得到，其原因是()A．都属于轻金属B．都属于活泼金属C．成本低廉D．这些金属的化合物熔点较低【解答】B金属冶炼方法的选取主要依据是金属的活泼性强弱，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，只能用电解法制备。由于钠、镁、铝是活泼金属，所以只能用电解法。4．如图所示，能验证氯化钠溶液(含酚酞)电解产物的装置是()【解答】D电解NaCl溶液时，阳极反应为2Cl－－2e－=Cl2↑，阳极产物为Cl2；阴极反应为2H＋＋2e－=H2↑，阴极放出H2；Cl2可用KI淀粉溶液检验。因H2密度小，在阴极生成，结合e－转移方向知D正确。5．金属镍有广泛的用途，粗镍中含有少量的Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，用电解法制备高纯度的镍，下列叙述中正确的是()A．阳极发生还原反应，其电极反应式为：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，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋D．电解后，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt【解答】D本题为“电解精炼铜”的迁移应用，A项，阳极应发生氧化反应。C项，溶液中的阳离子主要为Ni2＋，根据金属原子的还原性和金属阳离子的氧化顺序，阳极反应为Zn－2e－=Zn2＋，Fe－2e－=Fe2＋，Ni－2e－=Ni2＋，Cu、Pt在该条件下不失电子，阴极反应为Ni2＋＋2e－=Ni，Fe2＋、Zn2＋在该条件下不得电子。比较两电极反应，因Zn、Fe、Ni的相对原子质量不等，当两极通过相同的电量时，阳极减少的质量与阴极增加的质量不等。6．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【解答】BA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(－,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。7．某兴趣小组设计如图微型实验装置。实验时，先断开K2，闭合K1，两极均有气泡产生；一段时间后，断开K1，闭合K2，发现电流表A指针偏转。下列有关描述正确的是()A．断开K2，闭合K1时，总反应的离子方程式为：2H＋＋2Cl－eq\o(=,\s\up10(电解))Cl2↑＋H2↑B．断开K2，闭合K1时，石墨电极附近溶液变红C．断开K1，闭合K2时，铜电极上的电极反应式为：Cl2＋2e－=2Cl－D．断开K1，闭合K2时，石墨电极做正极【解答】D解答本题时应特别注意，金属Cu在电解池和原电池中作何种电极。当断开K2，闭合K1时为电解池，由于两极都有气泡冒出，故相当于惰性电极电解饱和食盐水，故铜作阴极而石墨作阳极，阳极反应为2Cl－－2e－=Cl2↑，电池总反应的离子方程式为2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up10(电解))H2↑＋Cl2↑＋2OH－，A、B都错；当断开K1，闭合K2时组成原电池，铜作负极而石墨做正极，故C错而D正确。8．氯碱工业的一种节能新工艺是将电解池与燃料电池相结合，相关物料的传输与转化关系如图所示(电极未标出)。下列说法正确的是()电解池燃料电池A．电解池的阴极反应式为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－B．通入空气的电极为负极C．电解池中产生2molCl2时，理论上燃料电池中消耗0.5molO2D．a、b、c的大小关系为a>b＝c【解答】A题给电解池的阴极反应式为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，阳极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑，A项正确；题给燃料电池为氢氧燃料电池，通入空气的电极为正极，B项错误；由整个电路中得失电子守恒可知，电解池中产生2molCl2，理论上转移4mole－，则燃料电池中消耗1molO2，C项错误；题给燃料电池的负极反应式为2H2－4e－＋4OH－=4H2O，正极反应式为O2＋4e－＋2H2O=4OH－，所以a、b、c的大小关系为c>a>b，D项错误。9．在标准状况下，用铂电极电解硫酸铜溶液，当阴极产生12.8g铜时，阳极放出的气体是()A．1.12LH2 B．1.12LO2C．2.24LH2 D．2.24LO2【解答】D溶液中有Cu2＋、H＋及SOeq\o\al(2－,4)、OH－四种离子，得电子能力Cu2＋>H＋，失电子能力OH－>SOeq\o\al(2－,4)。则阴极反应为2Cu2＋＋4e－=2Cu，阳极反应为4OH－－4e－=2H2O＋O2↑，总反应为2CuSO4＋2H2Oeq\o(=,\s\up10(电解))2Cu＋2H2SO4＋O2↑。n(Cu)＝12.8g÷64g·mol－1＝0.2mol，n(O2)＝0.1mol，在标准状况下体积为2.24L，D正确。10．用含少量银和锌的粗铜作阳极，纯铜片作阴极，CuSO4溶液作电解液，电解一段时间后，阳极质量减少了xg，则()A．电解液质量增加xgB．阴极质量增加xgC．阴极质量增加bg，b>xD．阴极质量增加bg，b<x【解答】D由于粗铜中含有Zn和Ag，在电解过程中阳极先是锌失去电子，然后是铜失去电子，Ag落入阳极泥；而阴极一直是铜析出。在电解过程中，两极得失电子相等，所以溶解的锌和铜的物质的量之和等于析出的铜的物质的量，但由于M(Zn)>M(Cu)，且还有一部分Ag要落入阳极泥，所以阳极溶解的金属的质量大于阴极析出铜的质量，即b<x，所以B、C项错误，D项正确；若阴极析出铜的质量为bg，阳极落入阳极泥的Ag的质量为mg，则电解质溶液增加的质量为(x－m－b)g，A项错误。【巩固提升】11．用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜，电解质溶液一般为H2SO4­H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是()A．待加工铝质工件为阳极B．可选用不锈钢网作为阴极C．阴极的电极反应式为Al3＋＋3e－=AlD．硫酸根离子在电解过程中向阳极移动【解答】CA项，根据电解原理可知，Al要形成氧化膜，化合价升高失电子，因此铝为阳极，正确；B项，阴极仅作导体，可选用不锈钢网，且不锈钢网接触面积大，能增加电解效率，正确；C项，阴极应为氢离子得电子生成氢气，错误；D项，电解时，阴离子移向阳极，正确。12．高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型绿色水处理剂。工业上可用电解浓NaOH溶液制备Na2FeO4，其工作原理如图所示，两端隔室中离子不能进入中间隔室。下列说法错误的是()A．阳极反应式：Fe－6e－＋8OH－=FeOeq\o\al(2－,4)＋4H2OB．甲溶液可循环利用C．离子交换膜a是阴离子交换膜D．当电路中通过2mol电子的电量时，会有1molH2生成【解答】CA项，阳极发生氧化反应，电极反应式：Fe－6e－＋8OH－=FeOeq\o\al(2－,4)＋4H2O，正确；B项，阴极发生还原反应，水电离出的氢离子放电生成氢气和氢氧根，甲溶液为浓氢氧化钠溶液，可循环利用，正确；C项，电解池中阳离子向阴极移动，通过离子交换膜a的是Na＋，故a为阳离子交换膜，错误；D项，阴极发生还原反应，水电离出的氢离子放电生成氢气和氢氧根，电极反应式为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，当电路中通过2mol电子的电量时，会有1molH2生成，正确。13．某些无公害免农药果园利用如图所示电解装置，进行果品的安全生产，解决了农药残留所造成的生态及健康危害问题。下列说法正确的是()A．a为直流电源的负极，与之相连的电极为阴极B．离子交换膜为阴离子交换膜C．“酸性水”具有强氧化性，能够杀菌D．阴极反应式为H2O＋2e－=H2↑＋O2－【解答】C由碱性水可推知b为直流电源的负极，a为直流电源的正极，A项错误；右侧生成OH－，K＋穿过离子交换膜移到右侧，即该离子交换膜为阳离子交换膜，B项错误；阳极反应为2Cl－－2e－=Cl2↑，Cl2＋H2OHCl＋HClO，故“酸性水”中含HClO，具有强氧化性，能够杀菌，C项正确；水溶液中不可能存在O2－，D项错误。14．电解法处理酸性含铬废水(主要含有Cr2Oeq\o\al(2－,7))时，以铁板作阴、阳极，处理过程中存在反应Cr2Oeq\o\al(2－,7)＋6Fe2＋＋14H＋=2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O，最后Cr3＋以Cr(OH)3形式除去。下列说法不正确的是()A．阳极反应为Fe－2e－=Fe2＋B．电解过程中溶液pH不会变化C．过程中有Fe(OH)3沉淀生成D．电路中每转移12mol电子，最多有1molCr2Oeq\o\al(2－,7)被还原【解答】B电解时用铁作阳极，失去电子生成Fe2＋，Fe2＋将废水中的Cr2Oeq\o\al(2－,7)还原为Cr3＋，A项正确；阴极反应式为2H＋＋2e－=H2↑，溶液的pH变大，B项错误；电解过程中H＋在阴极放电，Fe2＋还原Cr2Oeq\o\al(2－,7)时也消耗H＋，使溶液的pH变大，Fe3＋转化为Fe(OH)3沉淀，C项正确；根据电极反应式：Fe－2e－=Fe2＋，可知每转移12mole－生成6molFe2＋，6molFe2＋可还原1molCr2Oeq\o\al(2－,7)，D项正确。15．电解的应用比较广泛。根据下列电解的应用，回答问题：（1）如图为电解精炼银的示意图，________(填“a”或“b”)极为含有杂质的粗银，若b极有少量红棕色气体生成，则生成该气体的电极反应式为______________________________________。（2）利用如图装置电解制备LiOH，两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。B极区电解液为________(填化学式)溶液，阳极电极反应式为____________________________________________________，电解过程中Li＋向________(填“A”或“B”)电极迁移。（3）离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系，由有机阳离子、Al2Cleq\o\al(－,7)和AlCleq\o\al(－,4)组成的离子液体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。钢制品应接电源的________极，已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，阴极电极反应式为____________________________________________________。若改用氯化铝水溶液作电解液，则阴极产物为________________________。【解答】(1)电解精炼银与电解精炼铜原理相似。电解精炼银装置中，含有杂质的粗银作阳极，电解池的阳极与电源的正极相连，则该装置中a极为含有杂质的粗银。该电解池的b极为阴极，阴极上有红棕色气体生成，可知NOeq\o\al(－,3)被还原为NO2，电极反应式为NOeq\o\al(－,3)＋2H＋＋e－=NO2↑＋H2O。(2)根据电解装置图，两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液，B区产生H2，电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑，剩余OH－与Li＋结合生成LiOH，所以B极区电解液为LiOH溶液，B电极为阴极，则A电极为阳极，阳极区电解液为LiCl溶液，电极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑，电解过程中Li＋向B电极迁移。(3)在钢制品上电镀铝，故钢制品作阴极，与电源负极相连。由于电镀过程中“不产生其他阳离子且有机阳离子不参与电极反应”，Al元素在熔融盐中以Al2Cleq\o\al(－,7)和AlCleq\o\al(－,4)形式存在，则电镀过程中阴极电极反应式为4Al2Cleq\o\al(－,7)＋3e－=Al＋7AlCleq\o\al(－,4)。若电解液改为氯化铝水溶液，水溶液中得电子能力Al3＋<H＋，故阴极上的电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑。【答案】(1)aNOeq\o\al(－,3)＋2H＋＋e－=NO2↑＋H2O(或NOeq\o\al(－,3)＋4H＋＋3e－=NO↑＋