第04讲 电解原理的应用-2023-2024学年高二化学同步精品讲义（鲁科选择性必修一）

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第04讲 电解原理的应用
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课程标准
课标解读
1．运用电解原理分析电解食盐水、铜的电解精炼，以及电镀的内容。
2．了解电解原理的应用方法，并进一步体会电解对人类社会的重要贡献。
1．通过运用电解的原理分析食盐水的电解、铜的精炼，了解这些比较复杂体系中所发生的反应以及电解的使用价值。建立电池与电解相统一的电化学认识模型。
2．通过活动探究，提高实验能力和分析能力
3．通过学习电镀的内容，了解具有一定特殊性的、电解原理的另一种应用方法，并进一步体会电解对人类社会的重要贡献。
知识精讲

知识点01 电解食盐水制备烧碱、氢气和氯气
1．装置

2．现象
（1）阳极上：____________________。
（2）阴极上：____________________。
3．原理分析及电极反应
（1）离子移向：_____、_____移向阳极，_____、_____移向阴极。
（2）阳极反应
①阳极离子放电顺序：_____＞_____。
②电极反应：____________________，_____反应。
（3）阴极反应
①阴极离子放电顺序：_____＞_____。
②电极反应：____________________，_____反应。
3．电解方程式
（1）化学方程式：___________________________________。
（2）离子方程式：___________________________________。
【即学即练1】某小组设计电解饱和食盐水的装置如图，通电后两极均有气泡产生，下列叙述正确的是（ ）。

A．铜电极附近观察到黄绿色气体
B．石墨电极附近溶液呈红色
C．溶液中的Na+向石墨电极移动
D．铜电极上发生还原反应
知识点02 铜的电解精炼
1．装置

2．粗铜成分
（1）主要成分：_____。
（2）杂质金属
①比铜活泼的有_______________等。
②比铜不活泼的有_______________等。
3．电极反应

【特别提醒】
（1）粗铜中含Zn、Fe、Ag等杂质，同时间段内两电极改变的质量不相等，但两电极通过的电量相等。
（2）电解过程中，阴离子浓度不变，Cu2+浓度减小，Fe2+、Zn2+、Ni2+浓度增大。
【即学即练2】以CuSO4溶液为电解质溶液进行粗铜（含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质）的电解精炼，下列说法正确的是（ ）。
A．电能全部转化为化学能
B．粗铜接电源正极，发生还原反应
C．溶液中Cu2+向阳极移动
D．利用阳极泥可回收Ag、Pt、Au等金属
知识点03 电镀
1．定义：应用_____原理，在金属表面镀上一薄层金属或合金的方法。
2．目的：增强金属的__________能力、耐磨性或改善金属制品的外观。
3．电镀原理
（1）装置

①电极材料：阳极：_____；阴极：_____
②电镀液：_____溶液
（2）电极反应
①阳极：____________________
②阴极：____________________
3．电镀的特点：“一多、一少、一不变”。
（1）一多：是指阴极上有镀层金属沉积；
（2）一少：是指阳极上有镀层金属溶解；
（3）一不变：是指电镀后，电解质溶液中的离子浓度保持不变。
【即学即练3】在铁制品上镀上一定厚度的银层，以下设计方案正确的是（ ）。
A．银作阳极，铁制品作阴极，溶液含有银离子
B．铂作阴极，铁制品作阳极，溶液含有银离子
C．银作阳极，铁制品作阴极，溶液含有亚铁离子
D．银作阴极，铁制品作阳极，溶液含有银离子
能力拓展

考法01 电解原理的应用
【典例1】（2022·山东省等级考）设计如图装置回收金属钴。保持细菌所在环境pH稳定，借助其降解乙酸盐生成CO2，将废旧锂离子电池的正极材料LiCoO2（s）转化为Co2+，工作时保持厌氧环境，并定时将乙室溶液转移至甲室。已知电极材料均为石墨材质，右侧装置为原电池。下列说法正确的是（ ）。

A．装置工作时，甲室溶液pH逐渐增大
B．装置工作一段时间后，乙室应补充盐酸
C．乙室电极反应式为LiCoO2+e－+2H2O＝Li++Co2++4OH－
D．若甲室Co2+减少200mg，乙室Co2+增加300mg，则此时已进行过溶液转移
【知识拓展】电解原理的应用
1．工业电解饱和食盐水制取烧碱
工业电解饱和食盐水制备烧碱时必须阻止OH－移向阳极，以使NaOH在阴极溶液中富集，常用阳离子交换膜将两溶液分开，使阳离子能通过阳离子交换膜，而阴离子不能通过。
如：氯碱工业中电解饱和食盐水的原理如图所示，可知溶液A的溶质是NaOH。

2．铜的电解精炼与电镀铜对比

电解精炼铜
电镀铜
电极材料
阴极
精铜
镀件
阳极
粗铜
纯铜
电极反
应式
阳极
Cu（粗铜）－2e－＝Cu2+等
Cu－2e－＝Cu2+
阴极
Cu2++2e－＝Cu（精铜）
Cu2++2e－＝Cu
电解质溶液
浓度的变化
Cu2+减少，比铜活泼的金属阳离子进入溶液
电解质溶液成分及浓度均不变
考法02 电解的有关计算
【典例2】（2021·深圳市龙岗区高二期末检测）科学家设计如下装置获取氢能源和电能。其中，a为Pt电极，电解质溶液为1moL•L－1KOH溶液（已知：Q＝nF，F为法拉第常量，F＝96500C•mol－1）。下列说法错误的是（ ）。

A．当K和K1相连接时，b处电极反应为Ni（OH）2－e－+OH－＝NiOOH+H2O
B．当K和K2相连接时，溶液中的OH－向c电极迁移
C．该设计实现了Ni（OH）2电极的循环使用
D．理论上，每生成1molH2可有助于电池最多产生1.93×104C的电量
【知识拓展】
1．根据电子守恒法计算
用于串联电路中各电极产物的计算，其依据是电路上转移的电子数相等。
2．根据总反应方程式计算
先写电极反应式，再写总反应方程式，最后根据总反应方程式计算。
3．根据关系式计算
根据电子得失相等找到已知量与未知量之间的桥梁，得出计算所需的关系式。
分层提分

题组A 基础过关练
1．（2021·上海浦东区高二期中检测）某同学设计如图所示装置，探究氯碱工业原理，下列说法正确的是（ ）。

A．石墨电极与直流电源负极相连
B．用湿润淀粉KI试纸在铜电极附近检验气体，试纸变蓝色
C．氢氧化钠在石墨电极附近产生，Na+向石墨电极迁移
D．铜电极的反应式为2H++2e－H2↑
2．关于镀铜和电解精炼铜，下列说法中正确的是（ ）。
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
3．（2021•广西南宁高二期末检测）某化学小组进行电化学研究，甲同学设计如图所示装置，乙同学利用甲同学的装置和桌面上其他的药品与材料，不能完成的实验是（ ）。

A．使甲同学装置中的正极变为负极
B．设计一个新的原电池
C．在石墨电极上镀锌
D．使锌电极被保护
4．（2021·河北迁安高二检测）用石墨做电极，电解稀Na2SO4溶液的装置如图所示，通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列有关叙述正确的是（ ）。

A．逸出气体的体积：A电极＜B电极
B．一电极逸出无味气体，另一电极逸出刺激性气味气体
C．A电极附近呈红色，B电极附近呈蓝色
D．电解一段时间后，将全部电解液转移到同一烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性
5．（2021·宁波高二检测）电解CuCl2溶液时，如果阴极上有1.6g铜析出时，则阳极上产生气体在标准状况下的体积是（ ）。
A．0.28L B．0.56L C．0.14L D．11.2L
6．下列关于实验现象的描述不正确的是（ ）。
A．把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中，铜片表面出现气泡
B．用锌片做阳极，铁片做做阴极，电解氯化锌溶液，铁片表面出现一层锌
C．把铜片插入三氯化铁溶液中，在铜片表面出现一层铁
D．把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，气泡放出速率加快
7．（2021·邯郸高二检测）电解原理在化学工业中有广泛应用。下图表示一个电解池，装有电解液a；X、Y是两块电极板，通过导线与直流电源相连。请回答以下问题：

（1）若X、Y都是惰性电极，a是饱和NaCl溶液，实验开始时，同时在两边各滴入几滴酚酞试液，则：①电解池中X极上的电极反应式为_______________。在X极附近观察到的现象是__________________。②Y电极上的电极反应式为_________________，检验该电极反应产物的方法是___________________________。
（2）如要用电解方法精炼粗铜，电解液a选用CuSO4溶液，则：①X电极的材料是________，电极反应式为___________。②Y电极的材料是__________________，电极反应式为__________________。（说明：杂质发生的电极反应不必写出）
8．如图所示，A为直流电源，B为渗透饱和氯化钠溶液和酚酞试液的滤纸，C为电镀槽，接通电路后，发现B上的c点显红色，请填空：

（1）电源A的a为________极。
（2）滤纸B上发生的总反应方程式为：______________。
（3）欲在电镀槽中实现铁上镀锌，接通K点，使c、d两点短路，则电极e上发生的反应为：_________________，电极f上发生的反应为：_________________，槽中盛放的电镀液可以是________或________（只要求填两种电解质溶液）。
题组B 能力提升练
1．（2022·广东省等级考）以熔融盐为电解液，以含Cu、Mg和Si等的铝合金废料为阳极进行电解，实现Al的再生。该过程中（ ）。
A．阴极发生的反应为Mg－2e－Mg2+
B．阴极上Al被氧化
C．在电解槽底部产生含Cu的阳极泥
D．阳极和阴极的质量变化相等
2．某电化学装置如图所示，a、b分别接直流电源两极。下列说法正确的是（ ）。

A．溶液中电子从B极移向A极
B．若B为粗铜，A为精铜，则溶液中c（Cu2+）保持不变
C．若A、B均为石墨电极，则通电一段时间后，溶液pH增大
D．若B为粗铜，A为精铜，则A、B两极转移的电子数相等
3．（北京市西城区2020－2021学年度高二第一学期期末）模拟铁制品镀铜的装置如图，下列说法正确的是（ ）。

A．a电极为铁制品
B．可用CuSO4溶液作电镀液
C．b电极上发生氧化反应
D．电镀过程中，理论上溶液中Cu2+浓度不断减小
4．电解精炼铜的废液中含有大量的Cu2+和SO42－，下图为用双膜三室电沉积法采用惰性电极回收废液中铜的装置示意图。下列说法错误的是（ ）。

A．电极b为阴极
B．a极发生反应的电极反应式为2Cl－－2e－Cl2↑
C．交换膜n为阴离子交换膜
D．若浓缩室得到1L0.5mol·L－1的Na2SO4溶液，则阴极可回收12.8g铜（不考虑副反应）
5．（2021·广东省茂名市高二下学期期末）研究发现，1100℃时，加入合适的熔盐电解质可直接电解SiO2，电解原理为SiO2Si+O2↑。利用下图装置电解SiO2（加热装置略去），得到的Si直接进入锌镁合金形成硅锌镁合金，再通过真空蒸馏除去锌镁得到高纯硅。下列说法不正确的是（ ）。

A．X极接正极
B．通入氩气的目的是防止高温时氧气氧化石墨电极
C．阳极反应为2O2－－4e－＝O2↑
D．当电路中通过0.4mol电子时，合金质量增加2.8g
6．（2021·福建省泉州市高二下学期期末）无金属薄碳电极（TCE）可利用天然木材为原料，经过碳化和活化处理制得。利用TCE电极电还原去除氮氧化物污染的原理如图所示。

下列说法正确的是（ ）。
A．Pt电极与电源负极相连
B．Pt电极附近溶液pH变大
C．TCE电极的反应式：2NO2+8H++8e－N2+4H2O
D．Pt电极生成标准状况2.24L气体，理论上能处理0.2mol NO2
7．如图是氯碱工业的装置示意图，下列说法中正确的是（ ）。

A．该装置将化学能转化为电能
B．电极a是装置的负极，电极反应为2Cl－－2e－＝Cl2↑
C．装置中离子交换膜是阳离子交换膜
D．每转移1mol电子，出口②处可以收集到11.2L的氢气
8．（2021·合肥高二检测）用铂电极电解盐R（NO3）n溶液，在阴极上析出m g R，在阳极上放出560mL气体（标准状况），则R的相对原子质量是（ ）。
A． B． C．20mn D．10mn
9．电解铜箔是覆铜板（CCL）及印制电路板（PCB）制造的重要的材料，目前已经成为在电子整机产品中起到支撑、互连元器件作用的PCB的关键材料。电解铜箔制造的基本工艺过程如下图所示：

（1）制备电解液是将预处理好的铜料投入到溶铜罐中，在硫酸溶液中，通入氧气，经过一系列氧化反应过程，最终形成硫酸铜溶液，写出制备硫酸铜溶液的化学方程式__________________________________________________。
（2）制备铜箔是采用由专用铁材制作的铁质表面辐筒作为阴极辘，以含银1%优质铅银合金（或者采用特殊涂层铁板）作为阳极，电解硫酸铜溶液。

①在上图方框中标出电源的正负极。
②写出电解硫酸铜水溶液阳极的电极反应方程式____________________。
（3）镀异种金属是在铜箔粗化层面上再镀一层其他金属，使铜表面不与基材直接接触，避免问题出现。目前所镀金属一般有锌，颜色为灰色，称为灰化处理。其主要过程为：
①铜箔镀锌前，先将铜片用砂纸磨光，再将铜片浸入氢氧化钠溶液中，最后以蒸馏水沖洗备用。用砂纸磨光的目的是______________________________，浸入氢氧化钠溶液的目的是____________________。
②请画出以硫酸锌溶液为电解质溶液在铜片镀锌的装置图。
10．（2021•四川广安高二期末检测）电化学技术在日常生活、化工生产、环境保护等方面都有重要研究和应用。

（1）有学者想以图1所示装置将CO2转化为重要的化工原料甲醇，电解质为稀硫酸，特殊电极材料不参与反应。A为CO2，B为H2，电池总反应式为CO2+3H2＝CH3OH+H2O。
①正极反应式为_________________________；
②反应时溶液中H+通过质子膜向_____（填“左”或“右”）槽移动；
（2）高铁酸酸钠（Na2FeO4）是一种新型净水剂，用电解法可以直接制取高铁酸钠，电解装置如图2所示。
①a为电池_____极（填“正”或“负”）；
②阳极的电极反应式为_______________________________；
③当制得99.6g高铁酸钠时，阳极区OH－的变化量为__________mol；
④你认为高铁酸钠作为一种新型净水剂的理由可能是_____。
A．高铁酸钠具有强氧化性，能消毒杀菌
B．高铁酸钠溶于水形成一种胶体，具有较强的吸附性
C．高铁酸钠在消毒杀菌时被还原生成Fe3+，水解产生氢氧化铁胶体能吸附悬浮杂质
题组C 培优拔尖练
1．（2022西藏林芝高二上学期期末）利用电解法将CO2转化为CH4的原理如图所示。下列说法正确的是（ ）。

A．电极a应连接电源负极
B．电解过程中，H+由a极区向b极区迁移
C．电极b上反应为CO2+8HCO3－－8e－＝CH4+8CO32－+2H2O
D．电解时Na2SO4溶液浓度保持不变
2．（2022·海南省选择考）一种采用H2O（g）和N2（g）为原料制备NH3（g）的装置示意图如下。

下列有关说法正确的是（ ）。
A．在b电极上，N2被还原
B．金属Ag可作为a电极的材料
C．改变工作电源电压，反应速率不变
D．电解过程中，固体氧化物电解质中O2－不断减少
3．（2020·山东等级考）微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水（以含CH3COO－的溶液为例）。下列说法错误的是（ ）。

A．负极反应为CH3COO－+2H2O－8e－2CO2↑+7H+
B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜
C．当电路中转移1mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5g
D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
4．（2022·浙江6月选考）通过电解废旧锂电池中的LiMn2O4可获得难溶性的Li2CO3和MnO2，电解示意图如下（其中滤布的作用是阻挡固体颗粒，但离子可自由通过。电解过程中溶液的体积变化忽略不计）。下列说法不正确的是（ ）。

A．电极A为阴极，发生还原反应
B．电极B的电极发应：2H2O+Mn2+－2e－＝MnO2+4H+
C．电解一段时间后溶液中Mn2+浓度保持不变
D．电解结束，可通过调节pH除去Mn2+，再加入Na2CO3溶液以获得Li2CO3
5．（2021•贵阳高二检测）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，乙溶液中滴有酚酞），A、B为外接直流电源的两极。将直流电源接通后，F极附近呈红色。请回答下列问题：

（1）B极是电源的_______；一段时间后，丁中X极附近的颜色逐渐变浅，Y极附近的颜色逐渐变深，这表明_____________________，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________。
（3）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____________________________。
（4）现用丙装置给铜件镀银，则H应该是_______（填“镀层金属”或“镀件”）。当乙中溶液的pH是13时（乙溶液体积为500mL，不考虑反应过程溶液体积变化），丙中镀件上析出银的质量为_______g。
6．（2021•商洛高二上学期期末检测）工业尾气SO2有多种吸收和处理方法。
（1）亚硫酸钠吸收法
写出Na2SO3溶液汲收SO2的离子方程式_________________________。
（2）电化学处理法
①如图所示，Pt（1）电极的反应式为_______________。
②当电路中转移0.02mole－时（较浓H2SO4尚未排出），交换膜左侧溶液中约增加_____mol离子。