2024-2025学年高中化学第四章电化学基础第三节第2课时电解原理的应用学案新人教版选修4

PAGE12-第2课时电解原理的应用学习目标核心素养1.了解电解在氯碱工业中的应用。2．了解电解在电镀、电解精炼及电冶金方面的应用。1.变更观念与平衡思想：了解一般电解池的缺点，进一步理解带有离子交换膜的电解池的好用性。2．科学看法与社会责任：依据生活和工业生产上的过程，设计简洁的原电池或电解池，有致力于新型电池开发的科学看法与社会责任。1．电解饱和食盐水2．电镀(1)定义：电镀是应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他的金属或合金的方法。(2)目的：使金属增加抗腐蚀实力，增加美观和表面硬度。(3)实例(在铁件上镀铜)。①阴极：a.材料：Fe，b．电极反应式：Cu2＋＋2e－=Cu；②阳极：a.材料：Cu，b．电极反应式：Cu－2e－=Cu2＋；③电解质溶液：CuSO4溶液。3．电解精炼铜4．电冶金(写出电极反应)探究点一原电池、电解池、电镀池的区分1．如何理解电镀的“一多、一少、一不变”？提示：电镀特点：“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。2．电镀铜和电解精炼铜两个试验中，随着反应的进行，溶液中的Cu2＋各有何变更？提示：电镀铜试验时，溶液中的Cu2＋始终恒定，而在电解精炼铜中，由于阳极上溶解的金属为Fe、Zn、Ni、Cu等，而在阴极上只有Cu析出，依据电子守恒，溶解的Cu的量小于析出的Cu的量，所以溶液中Cu2＋的浓度渐渐减小。【例1】如图所示的两个装置中，溶液的体积均为200mL，起先时电解质溶液的浓度均为0.1mol/L。工作一段时间后，测得导线中均通过0.02mol电子。若不考虑盐的水解和溶液体积的变更，则下列叙述中正确的是()A．产生气体的体积：①>②B．溶液的pH变更：①增大，②减小C．电极上析出固体物质的质量：①>②D．电极反应式：①的阴极：Cu2＋＋2e－=Cu，②的负极：2H＋＋2e－=H2↑【解析】本题考查电解原理和原电池学问。①为电解池，②为原电池。①电极反应：阳极：4OH－－4e－=O2↑＋2H2O，阴极：2Cu2＋＋4e－=2Cu，②电极反应：正极：2H＋＋2e－=H2↑，负极：Zn－2e－=Zn2＋，D项错误；由电极反应式可知产生气体的体积：②>①，A项错误；溶液pH变更为①减小、②增大，B项错误；①中电极上析出Cu，②中无固体析出，故析出固体质量：①>②，C项正确。【答案】C如下图所示，下列叙述正确的是(A)A．Y为阴极，发生还原反应B．X为正极，发生氧化反应C．Y与滤纸接触处有氧气生成D．X极与滤纸接触处变红解析：本题左侧装置相当于一个原电池，Zn比Cu活泼，Zn作负极，Cu作正极。原电池供应直流电，用铜电极电解硫酸钠溶液，X极与电源的正极相连作阳极，发生氧化反应，电极反应式为：Cu－2e－=Cu2＋，Y极与电源的负极相连作阴极，发生还原反应，电极反应式为：2H＋＋2e－=H2↑，因此Y极与滤纸接触处变红。探究点二电解的有关计算1．电解计算的原则(1)阳极失去的电子数＝阴极得到的电子数。(2)串联电路中通过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．电解计算的常用方法有关电解的计算通常是求电解后某产物的质量、气体的体积、某元素的化合价、元素的相对原子质量、溶液的pH及物质的量浓度等。不论哪种计算，均可概括为下列三种方法：电子守恒法计算用于串联电路，通过阴、阳两极的电量相同等类型的计算，其依据是电路上转移的电子数相等总反应式计算先写出电极反应式，再写出总反应式，最终依据总反应式列比例式计算关系式计算依据得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁，建立计算所须要的关系式跨学科计算无论是原电池还是电解池，无论是一个“池”还是多个随意“池”串联，在电路和电极上单位时间通过的电量相同。在理解电解原理的基础上，结合物理中的电学学问，建立电流强度、时间、电量与电子数的关系，即物理与化学学科的联系：Q＝It＝n(e－)×NA×1.60×10－193.电化学计算中留意的几个等量关系式(1)当电流通过一个或多个串联的电解池时，它们皆处于同一闭合电路中，所以同一时间内通过的电子的物质的量相等。(2)常见电化学计算的对应关系：H2～Cl2～eq\f(1,2)O2～Cu～2Ag～2H＋～2OH－如电解中析出气体时，在同温同压下析出各气体物质的量之比为n(H2)n(Cl2)n(O2)＝110.5。(3)电解混合溶液时要留意电解的阶段性，电极反应式和电池总反应式，电解产物与转移电子数之间的关系式是电化学计算的主要依据。电解饱和食盐水时为什么阴极区溶液变红？提示：因为电解饱和食盐水时，由于H＋在阴极上得到电子而生成H2破坏了旁边的水的电离平衡，促进了水的接着电离，结果阴极区溶液中的OH－的浓度增大使c(H＋)<c(OH－)而呈碱性。【例2】500mLNaNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NOeq\o\al(－,3))＝0.3mol·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1.12L气体(标准状况)，假定电解后溶液体积仍为500mL，下列说法正确的是()A．原混合溶液中c(Na＋)＝0.2mol·L－1B．电解后溶液中c(H＋)＝0.2mol·L－1C．上述电解过程中共转移0.4mol电子D．电解后得到的Cu的物质的量为0.1mol【解析】阳极是阴离子放电(放电实力：OH－>NOeq\o\al(－,3))，依据题给信息，阳极肯定是OH－放电，生成0.05mol氧气，转移0.2mol电子；阴极离子放电实力：Cu2＋>H＋>Na＋，所以Cu2＋先放电，然后是H＋放电，阴极生成0.05mol氢气时，转移0.1mol电子，依据得失电子守恒知，Cu2＋转移0.1mol电子，n(Cu2＋)＝0.05mol。所以原溶液中n[Cu(NO3)2]＝0.05mol，n(NOeq\o\al(－,3))＝0.3mol·L－1×0.5L＝0.15mol，n(NaNO3)＝0.05mol。原混合溶液中c(Na＋)＝0.1mol·L－1，A项错误；结合以上分析及电解总方程式Cu2＋＋2H2Oeq\o(=,\s\up15(电解))Cu＋H2↑＋O2↑＋2H＋可知，生成0.05molCu、0.05molO2、0.05molH2和0.1molH＋，电解后溶液中c(H＋)＝eq\f(0.1mol,0.5L)＝0.2mol·L－1，B项正确，D项错误；上述电解过程中共转移0.2mol电子，C项错误。【答案】B下图为相互串联的甲、乙两个电解池，甲池利用电解原理在铁上镀银，试回答：(1)A是铁、阴极(填电极材料和电极名称)，电极反应式是Ag＋＋e－=Ag；B是银、阳极(填电极材料和电极名称)，电极反应式是Ag－e－=Ag＋，应选用的电解质溶液是硝酸银溶液。(2)乙池中若滴入少量酚酞溶液，起先电解一段时间，铁极旁边呈红色；C极旁边呈无色。(3)若甲槽阴极增重43.2g，则乙槽中阳极上放出的气体在标准状况下的体积是4_480mL。若乙槽中剩余溶液仍为400mL，则电解后所得NaOH溶液的物质的量浓度为1_mol·L－1。1．将粗铜和硫酸铜溶液组成电解池，利用电解的方法可以将粗铜提纯。下列叙述正确的是(C)A．阳极发生还原反应B．电解过程中，阳极质量削减量与阴极质量增加量相等C．粗铜连接电源的正极，发生的主要电极反应为：Cu－2e－=Cu2＋D．由于阳极上铜溶解的速率与阴极上铜沉积的速率相等，所以溶液中硫酸铜的浓度保持不变解析：连接电源的正极是电解池的阳极，阳极铜发生氧化反应而被溶解；粗铜中含有比铜活泼的锌、镍、铁等杂质，电解过程中先失去电子，变成金属阳离子进入溶液中，所以电解过程中阳极质量削减量与阴极质量增加量并不相等，阳极上铜溶解的速率与阴极上铜沉积的速率也不相等，所以溶液中硫酸铜的浓度减小。2．电解CuSO4溶液时，若要求达到以下三点要求：①阳极质量削减②阴极质量增加③电解质溶液中Cu2＋浓度不变，则可选用的电极是(B)A．含Zn、Ag的铜合金作阳极，纯铜作阴极B．纯铜作阳极，含Zn、Ag的铜合金作阴极C．用纯铁作阳极，用纯铜作阴极D．用石墨作阳极，用惰性电极(Pt)作阴极解析：题目中的三点要求正好符合了电镀时的三个特点。3．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，下列叙述正确的是(已知：氧化性Fe2＋<Ni2＋<Cu2＋)(D)A．阳极发生还原反应，其电极反应式为：Ni2＋＋2e－=NiB．电解过程中，阳极质量的削减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只有Cu和Pt解析：电解时，阳极上金属按还原性由强到弱的依次(Zn>Fe>Ni>Cu>Pt)发生氧化反应，即Zn－2e－=Zn2＋；Fe－2e－=Fe2＋；Ni－2e－=Ni2＋。Cu、Pt还原性比Ni弱，不能失去电子，当阳极上Ni失电子溶解后，它们以单质的形式沉积在电解槽的底部，形成阳极泥。阴极上金属离子按氧化性由强到弱的依次(Ni2＋>Fe2＋>Zn2＋)发生还原反应，即Ni2＋＋2e－=Ni。Fe2＋、Zn2＋比Ni2＋氧化性弱，并不在阴极上析出，而是留在电解液里。阳极发生氧化反应，A错误；电解过程中，阳极Zn、Fe、Ni溶解，阴极只有Ni析出，两电极质量的变更不等，B错误；电解液中除Zn2＋、Fe2＋外，还有Ni2＋，C错误。4．氯碱工业的一种节能新工艺是将电解池与燃料电池相组合，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(A)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解析：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H2－2e－＋2OH－=2H2O，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。5．下面有关电化学的图示，完全正确的是(C)解析：粗铜精炼，粗铜作阳极，精铜作阴极，A错误；依据原电池原理分析，活泼金属锌作负极，铜作正极，B错误；电解饱和食盐水，电流流向阳极，铁棒为阴极，电解过程中生成氢气，碳棒作电解池阳极，溶液中氯离子失电子生成氯气，检验氯气用碘化钾淀粉溶液，C正确；镀件铁作阴极，锌作阳极进行电镀，D错误。6．如图两个电解槽中，a、b、c、d均为石墨电极。若电解过程中共有0.02mol电子通过，下列叙述中正确的是(C)A．甲烧杯中a极上最多可析出铜0.64gB．甲烧杯中b极上电极反应式：4OH－－4e－=2H2O＋O2↑C．乙烧杯中滴入酚酞溶液，d极旁边先变红D．烧杯中c极上电极反应式为4H＋＋4e－=2H2↑解析：依据图示，a、b、c、d电极反应分别是2H2O－4e－=4H＋＋O2↑、Cu2＋＋2e－=Cu、2Cl－－2e－=Cl2↑、2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－；甲烧杯中a极不析出铜，A错误；甲烧杯中b极上电极反应式为Cu2＋＋2e－=Cu，B错误；乙烧杯中滴入酚酞溶液，d极发生2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，碱性增加，溶液先变红，C正确；烧杯中c极上电极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑，D错误。7．用惰性电极电解M(NO3)x的水溶液，当阴极上增重ag时，在阳极上同时产生bL氧气(标准状况下)，从而可知M的相对原子质量是(C)A.eq\f(22.4ax,b)B.eq\f(11.2ax,b)C.eq\f(5.6ax,b)D.eq\f(2.5ax,b)解析：生成bLO2转移电子为eq\f(b×4,22.4)mol，据电子守恒得到M的物质的量为eq\f(4b,22.4x)mol＝eq\f(b,5.6x)mol，则M的摩尔质量为a÷eq\f(b,5.6x)＝eq\f(5.6xa,b)g/mol，M的相对原子质量为eq\f(5.6ax,b)。8．如图装置所示，C、D、E、F、X、Y都是惰性电极，甲、乙中溶液的体积和浓度都相同(假设通电前后溶液体积不变)，A、B为外接直流电源的两极。将直流电源接通后，F极旁边呈红色。请回答：(1)B极是电源的负极，一段时间后，甲中溶液颜色变浅，丁中X极旁边的颜色渐渐变浅，Y极旁边的颜色渐渐变深，这表明氢氧化铁胶体粒子带正电荷，在电场作用下向Y极移动。(2)若甲、乙装置中的C、D、E、F电极均只有一种单质生成时，对应单质的物质的量之比为1222。(3)现用丙装置给铜件镀银，则H应当是铜件(填“镀层金属”或“铜件”)，电镀液是AgNO3溶液。当乙中溶液的pH是13时(此时乙溶液体积为500mL)，丙中镀件上析出银的质量为5.4_g，甲中溶液的pH变小(填“变大”“变小”或“不变”)。(4)若将C电极换为铁，其他装置都不变，则甲中发生总反应的离子方程式是Fe＋Cu2＋eq\o(=,\s\up15(电解))Cu＋Fe2＋。解析：(1)F极旁边呈红色，说明F是阴极，E是阳极，则A为正极，B为负极。甲中因Cu2＋放电使溶液颜