高中化学新教材同步选择性必修第一册 第四章 第二节 第二课时 电解原理的应用（同步讲义）

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第2课时　电解原理的应用[核心素养发展目标]　1.变化观念与平衡思想：通过对氯碱工业、电镀、电解精炼铜、电冶金等原理的分析，认识电能与化学能之间的能量转化。2.证据推理与模型认知：建立电解应用问题的分析思维模型和电解相关计算的思维模型，加深对电解原理的理解和应用。一、电解饱和食盐水烧碱、氯气都是重要的化工原料，习惯上把电解饱和食盐水的工业生产叫做氯碱工业。1．电解饱和食盐水的原理通电前：溶液中的离子是Na＋、Cl－、H＋、OH－。通电后：①移向阳极的离子是Cl－、OH－，Cl－比OH－容易失去电子，被氧化成氯气。阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应)。②移向阴极的离子是Na＋、H＋，H＋比Na＋容易得到电子，被还原成氢气。其中H＋是由水电离产生的。阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－(还原反应)。③总反应：化学方程式为2NaCl＋2H2Oeq \o(=====,\s\up7(电解))H2↑＋Cl2↑＋2NaOH；离子方程式为2Cl－＋2H2Oeq \o(=====,\s\up7(电解))H2↑＋Cl2↑＋2OH－。2．氯碱工业生产流程工业生产中，电解饱和食盐水的反应在离子交换膜电解槽中进行。①阳离子交换膜电解槽②阳离子交换膜的作用：只允许Na＋等阳离子通过，不允许Cl－、OH－等阴离子及气体分子通过，可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合发生爆炸，也能避免氯气与阴极产生的氢氧化钠反应而影响氢氧化钠的产量。3．氯碱工业产品及其应用(1)氯碱工业产品主要有NaOH、Cl2、H2、盐酸、含氯漂白剂。(2)电解饱和食盐水为原理的氯碱工业产品在有机合成、造纸、玻璃、肥皂、纺织、印染、农药、金属冶炼等领域中广泛应用。(1)电解饱和食盐水时，阴极发生氧化反应：2Cl－－2e－===Cl2↑(　　)(2)氯碱工业电解槽中滴入酚酞溶液，变红色的区域为阳极区(　　)(3)电解饱和食盐水时，阳极和阴极都可以选择金属材料(如铁)(　　)(4)电解饱和NaCl溶液可以制取金属钠(　　)(5)利用电解饱和食盐水可制得“84” 消毒液(　　)答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√1．氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制取氯气、氢气、烧碱和氯的含氧酸盐等系列化工产品，如图是离子交换膜法电解饱和食盐水的示意图，图中阳离子交换膜只允许Na＋等通过，不允许OH－、Cl－等阴离子及气体分子通过。试完成下列问题：(1)阳极(金属钛网)电极反应式：____________________________________________________；阴极(碳钢网)电极反应式：________________________________________________________；电解饱和食盐水总离子方程式：___________________________________________________。(2)阳离子交换膜的作用为：_______________________________________________________，从图中b位置补充的为含有少量NaOH的水，NaOH的作用为__________________________。(3)精制饱和食盐水从图中________位置(填“a”“b”“c”或“d”，下同)补充，NaOH溶液从图中________位置流出，图中e位置排出的气体为________。答案　(1)2Cl－－2e－===Cl2↑　2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－　2Cl－＋2H2Oeq \o(=====,\s\up7(电解))Cl2↑＋2OH－＋H2↑　(2)将电解槽隔成阳极室和阴极室，允许阳离子Na＋通过，阻止阴离子OH－、Cl－和气体通过，使生成的NaOH更纯，并防止H2、Cl2混合发生爆炸　增强导电性，提高电解效率　(3)a　c　氯气2．在新冠肺炎疫情期间，“84”消毒液是环境消毒液之一。某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，通电时，为使Cl2被完全吸收制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如图所示的装置。c、d都为碳电极。完成下列填空：(1)a为电源的________极，c为电解池的________极(填“正”“负”或“阴”“阳”)。(2)d电极上发生的电极反应式：____________________，电解产生消毒液的总化学方程式为_______________________________________________________________________________。答案　(1)负　阳　(2)2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－NaCl＋H2Oeq \o(=====,\s\up7(电解))NaClO＋H2↑解析　电解饱和氯化钠溶液的方程式为2NaCl＋2H2Oeq \o(=====,\s\up7(电解))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，该学生目的是使Cl2被完全吸收制得NaClO溶液，即要让Cl2与NaOH充分混合反应。所以应在下端产生Cl2，上端产生NaOH，则a为负极，b为正极，c为阳极，d为阴极，Cl2和NaOH溶液反应：Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O，故电解产生消毒液的总化学方程式为：NaCl＋H2Oeq \o(=====,\s\up7(电解))NaClO＋H2↑。二、电镀　电冶金1．电镀与电解精炼电镀是一种利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。电镀的主要目的是使金属增强抗腐蚀能力，增加表面硬度和美观。2.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)电解法用于冶炼较活泼的金属(如钾、钠、镁、铝等)，但不能电解其盐溶液，应电解其熔融态。如：电解熔融的氯化钠可制取金属钠的反应式：阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑；阴极：2Na＋＋2e－===2Na；总反应：2NaCl(熔融)eq \o(=====,\s\up7(电解))2Na＋Cl2↑。(1)氯碱工业中用的是阴离子交换膜将两电解室隔开(×)(2)在Fe上电镀Zn，应用Zn作阳极，用ZnSO4溶液作电镀液(√)(3)电解精炼铜时，粗铜作阳极，活泼性比Cu弱的杂质金属成为阳极泥沉在阳极区(√)(4)工业冶炼金属铝时，电解熔融态AlCl3(×)1．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＋Fe>Cu>Ag>Pt，因此Ag、Pt不会放电，以单质形式在阳极附近沉积下来，故D正确。4．21世纪是钛的世纪，在800～1 000 ℃时电解TiO2可制得钛，装置如图所示，下列叙述正确的是(　　)A．a为电源的正极B．石墨电极上发生还原反应C．阴极发生的反应为TiO2＋4e－===Ti＋2O2－D．每生成0.1 mol Ti，转移0.2 mol电子答案　C解析　由O2－的移动方向可知，b为电源正极，A错误；石墨电极作阳极，发生氧化反应，B错误；每生成0.1 mol Ti，转移电子0.4 mol，D错误。5．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－失电子答案　B解析　A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。6．四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH]常用作电子工业清洗剂，以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]为原料，采用电渗析法合成(CH3)4NOH，其工作原理如图所示(a、b为石墨电极，c、d、e为离子交换膜)，下列说法不正确的是(　　)A．N为正极B．标准状况下制备0.75NA (CH3)4NOH，a、b两极共产生16.8 L气体C．c、e均为阳离子交换膜D．b极电极反应式：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O答案　B解析　电解后左侧(CH3)4NOH溶液由稀变浓，说明a极发生还原反应，2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，据此判断a为阴极，b为阳极，所以N为正极，故A正确；b极为OH－放电生成O2：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，标准状况下制备0.75NA (CH3)4NOH，需要阴极提供0.75 mol OH－，转移电子0.75 mol，a、b两极共产生(eq \f(0.75,4) mol＋eq \f(0.75,2) mol)×22.4 L·mol－1＝12.6 L气体，故B错误，D正确；(CH3)4NOH溶液由稀变浓，说明(CH3)4N＋穿过c膜，c膜是阳离子交换膜，NaCl溶液由稀变浓，说明Na＋穿过e膜，e膜是阳离子交换膜，故C正确。7．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(　　)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2 mol Cl2时，理论上燃料电池中消耗0.5 mol O2D．a、b、c的大小关系为a>b＝c答案　A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2 mol Cl2，理论上转移4 mol e－，则燃料电池中消耗1 mol O2，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。题组二　电解的有关计算8．在标准状况下，用铂电极电解硫酸铜溶液，当阴极产生12.8 g铜时，阳极放出的气体是(　　)A．1.12 L H2 B．1.12 L O2C．2.24 L H2 D．2.24 L O2答案　D解析　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)，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\up7(电解))2Cu＋2H2SO4＋O2↑。n(Cu)＝12.8 g÷64 g·mol－1＝0.2 mol，n(O2)＝0.1 mol，在标准状况下体积为2.24 L，D正确。9．有三个烧杯，分别盛有氯化铜、氯化钾和硝酸银三种溶液，均以Pt作电极，将它们串联在一起电解一定时间，测得电极增重总和2.8 g，这时产生的有色气体与无色气体的物质的量之比为(　　)A．4∶1 B．1∶1C．4∶3 D．3∶4答案　C解析　串联电路中，相同时间内各电极得电子或失电子的物质的量相同，各电极上放出气体的物质的量之比为定值。不必注意电极增重是多少，只要判断出生成何种气体及生成该气体一定物质的量所得失电子的物质的量，就可以通过得失电子守恒，判断气体体积之比，第一个烧杯中放出Cl2，第二个烧杯中放出Cl2和H2，第三个烧杯中放出O2。在有1 mol电子转移时，生成的气体的物质的量分别是0.5 mol、0.5 mol、0.5 mol和0.25 mol。所以共放出有色气体(Cl2)0.5 mol＋0.5 mol＝1 mol，无色气体(O2和H2)0.5 mol＋0.25 mol＝0.75 mol。10．用石墨电极电解CuSO4溶液一段时间后，向所得溶液中加入0.2 mol Cu(OH)2后，恰好使溶液恢复到电解前的浓度。则电解过程中转移电子的物质的量为(　　)A．0.4 mol B．0.5 molC．0.6 mol D．0.8 mol答案　D解析　将Cu(OH)2改写为CuO·H2O，根据CuO·H2O知，阳极上OH－放电生成O2，阴极上Cu2＋和H＋放电生成Cu和H2，根据氧原子守恒得n(O2)＝n[Cu(OH)2]＝0.2 mol，则转移电子的物质的量为0.2 mol×4＝0.8 mol，故D正确。11．用石墨作电极电解1 000 mL硝酸钾和硝酸铜的混合溶液，当通电一段时间后，两极都收集到112 mL气体(标准状况)，假定电解后溶液体积仍为1 000 mL，则电解后溶液的pH为(　　)A．4 B．3 C．2 D．1答案　C解析　阳极产生氧气0.005 mol，阴极产生氢气0.005 mol。由2H2Oeq \o(=====,\s\up7(电解))2H2↑＋O2↑可知，阴极产生0.005 mol氢气时，阳极产生氧气0.002 5 mol；由2Cu2＋＋2H2Oeq \o(=====,\s\up7(电解))2Cu＋4H＋＋O2↑可知，产生n(H＋)＝(0.005 mol－0.002 5 mol)×4＝0.01 mol，c(H＋)＝0.01 mol·L－1，pH＝2。12．(2019·衡水高二检测)把物质的量均为0.1 mol的CuCl2和H2SO4溶于水制成100 mL的混合溶液，用石墨作电极电解混合溶液，并收集两电极所产生的气体，通电一段时间后在两极收集到的气体在相同条件下体积相同，则下列叙述正确的是(　　)A．电路中共转移0.6NA个电子B．阳极得到的气体中O2的物质的量为0.2 molC．阴极质量增加3.2 gD．电解后剩余溶液中硫酸的浓度为1 mol·L－1答案　A13．(2019·沈阳高二检测)某同学设计了一个燃料电池(如图所示)，目的是探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理，其中乙装置中X为阳离子交换膜。根据要求回答相关问题：(1)通入氢气的电极为______(填“正极”或“负极”)，负极的电极反应式为__________________________________________________________________。(2)石墨电极为______(填“阳极”或“阴极”)，反应一段时间后，在乙装置中滴入酚酞溶液，________(填“铁极”或“石墨极”)区的溶液变红。(3)如果粗铜中含有锌、银等杂质，丙装置中反应一段时间，硫酸铜溶液浓度将______(填“增大”“减小”或“不变”)。精铜电极上的电极反应式为______________________________________________________________________________________________________________。答案　(1)负极　H2－2e－＋2OH－===2H2O(2)阳极　铁极　(3)减小　Cu2＋＋2e－===Cu解析　(1)通入氢气的电极为负极；由于电解质溶液是碱性的，所以该电极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O。(2)由于铁电极与电源的负极连接，所以铁电极为阴极，石墨电极为阳极；反应一段时间后，在乙装置中滴入酚酞溶液，溶液中的H＋在阴极(Fe电极)放电，破坏了附近的水的电离平衡，该区域的溶液显碱性，因此铁极区的溶液变红。(3)因为粗铜中的锌等活动性比Cu强的杂质金属优先失去电子，而得到电子的只有Cu2＋，所以丙装置中反应一段时间，硫酸铜溶液浓度会减小；精铜电极上的电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。14．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________________。答案　(1)a　NOeq \o\al(－,3)＋2H＋＋e－===NO2↑＋H2O(或NOeq \o\al(－,3)＋4H＋＋3e－===NO↑＋2H2O、2NO＋O2===2NO2)(2)LiOH　2Cl－－2e－===Cl2↑　B(3)负　4Al2Cleq \o\al(－,7)＋3e－===Al＋7AlCleq \o\al(－,4)　H2解析　(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极区产生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＋