鲁科版 (2019)选择性必修1第1章 化学反应与能量转化第3节 电能转化为化学能——电解学案

课时2 电解原理的应用

自主学习·必备知识

知识点一 电解食盐水制备烧碱、氢气和氯气

1.装置

2.原理

（1）离子移动方向

（2）电极反应及现象

（3）电解食盐水的总反应

化学方程式：⑪

离子方程式：⑫

想一想时至今日,新冠病毒的危害还没有完全消除,社会上仍然需要大量的消毒液,“84”消毒液就是其中一种。某同学设计了一个绿色制备“84”消毒液的装置,你能判断 、 哪个是电源的正极吗？

答案：要想制得次氯酸钠,必须让氯气在下方产生,让氢氧化钠在上方产生,二者相遇发生反应生成次氯酸钠,所以下方应该为阳极,则 为电源的正极。

知识点二 铜的电解精炼

1.装置

2.电极反应

（1）阳极：③ （主要反应）,其他反应：比铜优先失电子的金属发生的电极反应有 等。

（2）阴极：④    ,其他离子： 等留在溶液中。3.阳极泥

铜的电解精炼过程中⑤     银、金、铂等   不如铜活泼的金属在电解过程中不发生氧化反应,最终沉积在电解池的底部,与其他不溶性杂质混在一起形成阳极泥。

判一判

1.电解精炼铜时,电解质溶液中铜离子浓度不变(    ×  )

2.根据得失电子守恒可知电解精炼铜时,阳极减少的质量等于阴极增加的质量(   ×   )

知识点三 电镀

1.定义

应用①     电解     原理,在金属表面镀上一薄层金属或合金的方法。

2.目的

提高金属的②     抗腐蚀     能力、耐磨性能或改善金属制品的外观。

3.根据电解原理,设计在铁钉上镀铜的实验装置

想一想 生活中常见水龙头采取镀铬工艺防锈。请思考电镀时水龙头应该做电镀池的什么电极？

答案：电镀时镀件作阴极。

互动探究·关键能力

探究点一 电解原理的应用

情境探究

1.电解在生产、生活中的应用越来越广泛。实验室中模拟电解原理在化工生产中的应用,实验装置如下图,装置闭合开关 时,电流计的指针将发生偏转。

问题1：哪个装置是原电池？哪个装置是电解池？

答案：提示  甲、乙构成原电池,丙是电解池。

问题2： 、 、 、 电极名称分别是什么？

答案：提示 甲、乙构成原电池,其中 是负极, 是正极;丙是电解池, 是阳极, 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？

答案：提示 电极材料必须为惰性电极, 电极材料为惰性电极或不活泼电极均可, 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,如何选择电极材料及电解质溶液？

答案：提示 电极材料为 电极材料为铁件, 溶液为 溶液。

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？

答案：提示 电极材料为粗铜, 电极材料为纯铜, 溶液为 溶液。

探究归纳

1.氯碱工业——离子交换膜法制烧碱

（1）原理

离子交换膜法电解饱和食盐水制烧碱的主要原理:使用的阳离子交换膜有特殊的选择透过性,只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过,即只允许 通过,而 和两极产物 和 无法通过,因而起到了防止阳极产物 和阴极产物 相混合而导致爆炸的作用,还起到了避免 和阴极另一产物 反应而影响烧碱纯度的作用。

（2）装置

（3）当接通电源后,在电场的作用下, 和 移向阳极, 和 移向阴极,在这种条件下,电极上发生的反应分别为：

阳极：

阴极：

随着电解的不断进行,阴极区溶液的 浓度越来越大,与 结合生成 ,故电解饱和食盐水的总反应为 。

2.铜的电解精炼与电镀的对比

3.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）若装置中有外接直流电源,两极插入电解质溶液中,则可能是电解池;当阳极为金属且与电解质溶液中的金属阳离子元素相同时,为电镀池。

（3）若多个单池相互串联,又有外接直流电源,则与直流电源相连接的为电解池;若无外接直流电源,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,其余为电解池。

探究应用

例传统的石棉隔膜法电解饱和食盐水因电耗高、污染严重,已逐步被综合能耗低、污染小的新型离子交换膜法所取代,如用阳离子交换膜法电解食盐水制浓烧碱溶液的流程如图所示。下列有关说法不正确的是(     )

A. 极为阳极, 发生氧化反应生成的气体 为

B.溶液中 通过阳离子交换膜从 极区移向 极区

C.使用阳离子交换膜可避免 和 溶液作用生成 而影响烧碱的纯度

D.常温常压下,每生成 气体 ,理论上能产生

答案：

解析：根据题图可知, 极为阳极,氯离子在阳极发生氧化反应生成 ,故气体 为 正确;电解池中阳离子从阳极区向阴极区移动,故 从 极区移向 极区,B正确;使用阳离子交换膜,生成的 在阳极,生成的 在阴极,可避免 和 溶液作用生成 而影响烧碱的纯度,C正确;气体 为 ,总反应为 ,标准状况下每生成 理论上能产生 不正确。

解题感悟

电解原理及其应用中常见的误区

（1）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 或 放电,但在书写总反应式时要将反应物中的 或 均换成水。

（2）铁作电解池的阳极时,1个铁原子并不是失去3个电子生成 ，而是失去2个电子生成 。

（3）误认为在金属活动性顺序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 的浓溶液，在阴极 得电子生成 ,而不是 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，应将该微粒写入电极反应式中。

迁移应用

1.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, 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为

D.电镀一段时间后,将电源反接,铜牌可恢复如初

答案：

解析：铜牌上镀银,银片为阳极 向阴极移动,阴极反应为 ,故A、B错误,C正确;由于实验中镀层不可能非常均匀致密,因此将电源反接,阳极上 均会溶解,铜牌不可能恢复如初,故D错误。

2.（★）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: ）(      )

A.阳极发生还原反应,其电极反应式：

B.电解过程中,阳极减小的质量与阴极增大的质量相等

C.电解后,溶液中存在的金属阳离子只有 和

D.电解后,电解槽底部的阳极泥中有铜和铂,没有锌、铁、镍

答案：

解析：电解精炼镍时,粗镍作阳极,纯镍作阴极,电解质溶液中含有 ,则阳极发生氧化反应,电极反应式为 ,阴极电极反应式为 ,因此,电解过程中阳极减小的质量不等于阴极增大的质量,故A、B错误;电解后,溶液中存在的金属阳离子有 故C错误;电解槽底部的阳极泥中只有铜和铂,没有锌、铁、镍,故D正确。

探究点二 原电池、电解池的有关计算

知识深化

1.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,要确定离子放电的先后顺序。

（3）最后根据得失电子守恒进行相关的计算。

题组过关

1.（2021山东菏泽高二月考）用惰性电极电解一定浓度的硫酸铜溶液,通电一段时间后,向所得溶液中加入 后恰好恢复到电解前的浓度,则电解过程中转移的电子的物质的量为(     )

A. B.

C. D.

答案：

解析：电解硫酸铜溶液的反应方程式为 。从上述方程式可以看出,电解硫酸铜溶液过程中,只析出铜和释放出氧气,因此,电解前后溶液中只有铜和氧原子的含量改变,电解后加入 就可以使溶液恢复到原来的状态。但题给信息加入 后溶液恢复到原来的状态,说明电解过程中有部分水被电解（因为硫酸铜被电解完全）。 可看作 和 ,因此电解过程中共转移 电子。

易错提醒电解时如果认为只电解了硫酸铜,则会由铜原子守恒计算出生成的铜为 ,转移电子数为 ,而错选B。

2.（★）图中电极 分别为 电极和 电极,电极 均为石墨电极。

通电一段时间后,在 两极上共收集到 （标准状况）气体。

（1）直流电源中, 为  极。

（2） 电极上生成的物质是  ,其质量为 。

（3）电源输出的电子的物质的量与电极 分别生成的物质的物质的量之比为2:  :  :  。

（4） 溶液的浓度  （填“增大”“减小”或“不变”,下同） 溶液的 , 溶液的浓度  , 溶液的 。

答案：（1）正

（2）  ; 2.16

（3）2 ; 0.5 ; 1

（4）不变 ; 不变 ; 增大 ; 减小

解析：（1）用惰性电极电解稀硫酸,实质是电解水,阴极产生 阳极产生 且二者的体积比为2:1,根据题图中收集到的气体体积的大小,可知 处收集的是 处收集的是 所以 是阴极, 是阳极,则 为电源的负极, 为电源的正极。生成气体的总物质的量为 ,所以 。

（2） 极的电极反应： 极的电极反应： ,所以 电极上生成的物质是 ,根据（1）中转移的电子的物质的量可知 。

（3） 极上的反应分别为 、 ,所以电源输出的电子的物质的量与电极 、 、 分别生成的物质的物质的量之比为2:2:0.5:1。

（4）左侧装置相当于在 上镀银， 溶液浓度不变， 不变；右侧装置相当于电解水, 溶液浓度增大, 减小。

评价检测·素养提升

课堂检测

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：

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。电解熔融的氧化铝制取金属铝时,若用 作阳极,会发生反应： 移动到阴极上发生反应： ,使得到的铝不纯。

2.下列图示中关于铜电极的连接错误的是(     )

答案：

解析：镀件上镀铜时,铜作阳极,与电源正极相连,镀件作阴极,与电源负极相连。

3.（2021天津高二月考）如图,两电极上发生的电极反应为 极： 极： ,则下列说法中不正确的是(     )

A.该装置一定是原电池

B. 极上一定发生还原反应

C. 、 可以是同种电极材料

D.该过程中能量的转化可以是电能转化为化学能

答案：

解析：A项,题给装置可以是原电池也可以是电解池,不正确;B项,根据已知条件,a极上发生反应： ,是还原反应,正确;C项,a、b可以是同种电极材料,如用铁电极电解硫酸铜溶液,正确;D项,该过程中能量的转化可以是电能转化为化学能,也可以是化学能转化为电能,正确。

4. 是一种半导体材料,基于绿色化学理念设计的制取 的电解池示意图如下,电解总反应为 。下列说法正确的是(     )

A.石墨电极上产生氢气

B.铜电极发生还原反应

C.铜电极接直流电源的负极

D.当有 电子转移时,有 生成

答案：

解析：石墨作阴极,阴极上的电极反应为 正确;由电解总反应可知, 作电解池的阳极,发生氧化反应,B错误;阳极与直流电源的正极相连,C错误;阳极上的电极反应为 ,当有 电子转移时,有 生成,D错误。

素养视角

1.

电解在化工生产、金属冶炼及科学研究等方面有重要应用。

（1）工业上用电解熔融氧化铝的方法来制取金属铝。纯净氧化铝的熔点很高（约 ）,在实际生产中,通过加入助熔剂冰晶石 在 左右就可以得到熔融体。

①写出电解时阳极的电极反应式：  。

②电解过程中作阳极的石墨易消耗,原因是  。

（2）某同学设计的一种电解法制取 的实验装置如图所示。通电后,竖直装置下端 极上有大量气泡产生,溶液中产生大量的 白色沉淀,且较长时间不变色。则装置上端 极电极材料是  （填化学式）, 极上的电极反应式为  。

答案：（1）①  ②石墨电极被阳极上产生的氧气氧化

（2）  ;

解析：（1）①由题给电解装置可知,阳极上氧离子失去电子,电极反应为 。②阳极上产生氧气,石墨电极被阳极上产生的氧气氧化,故电解过程中作阳极的石墨易消耗。

（2）电解法制备 时,采用金属 作阳极,其电极反应为 ;阴极的电极反应为 ,阴极产生的 与 结合成 沉淀。

解题关键电解法制备氢氧化亚铁的关键在于通过电解在电极上得到二价铁离子和氢气,并用氢气排出装置中的氧气。