高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第3节 电能转化为化学能——电解第2课时学案及答案

第2课时　电解原理的应用

学习目标

通过氯碱工业、电解精炼和电镀知识的学习,掌握电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。

学习任务　电解原理的应用

1.电解食盐水

(1)电解食盐水是氯碱工业的基础。

(2)电解饱和食盐水:阳极反应为2Cl--2e-Cl2↑,阴极反应为2H++2e-H2↑,总反应为2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH。

(3)电解饱和食盐水的产物:阴极产物是H2和NaOH,阳极产物是Cl2。

(4)电解饱和食盐水阳离子交换膜的作用:一是隔离开Cl2 和OH-,防止两者反应;二是隔离H2和Cl2,防止两者混合见光爆炸。

微点拨:电解饱和食盐水若无隔膜,电解会得到H2和NaClO。

2.电解精炼金属(以电解精炼铜为例)

(1)电极材料:阴极是精铜,阳极是粗铜。

(2)电解质溶液:CuSO4溶液。

(3)电极反应:阳极主要反应为Cu-2e-Cu2+,阴极反应为Cu2++2e-Cu。

3.电镀

(1)电镀概念:应用电解原理,在金属表面镀上一薄层金属或合金的方法。

(2)电镀电极材料:阳极材料为镀层金属,阴极材料为镀件。

(3)电镀液:含有镀层金属离子的盐溶液。

4.电冶金

(1)K、Ca、Na、Mg、Al等非常活泼的金属一般采用电解法冶炼。

(2)活泼金属阳离子氧化性很弱,除了电解,一般没有合适的还原剂把金属阳离子还原为金属单质。

微点拨:电冶金一般采取电解熔融氯化物的方法,因为氯化物熔点较低,耗能低。但是电解法制取Al采取电解Al2O3法,因为AlCl3属于共价化合物,熔融态不导电。

探究1　电解饱和食盐水原理

新冠肺炎疫情期间,学化学的小李在家隔离,由于家里缺少消毒液,他自己动手仅用半小时就自制出了84消毒液。制作过程如下:

(1)取碳棒两根;

(2)如图在矿泉水瓶一上一下钻两个与碳棒粗细相同的圆孔;

(3)把两根碳棒插入圆孔,并用万能胶密封;

(4)注入盐水,碳棒连接直流电源两个电极。

问题1:小李同学如何判断上、下两个电极哪个是阳极?

提示:产生黄绿色气体的电极为阳极。

问题2:若要制取84消毒液,应该让上、下两电极哪一个产生氯气?

提示:应该让下面电极产生氯气,上面电极作阴极产生NaOH,这样氯气上升,充分与NaOH接触。

问题3:小李同学的实验过程需要注意什么问题?

提示:应该把矿泉水瓶敞口进行电解,并注意通风,防止强光照射瓶子。因为氯气有毒,且未完全反应的氯气与氢气遇强光照射可能会造成危险。

探究2　电解精炼铜过程中杂质去除原理

问题4:粗铜所含的杂质分为哪两类?

提示:一类是活泼性强于Cu的杂质,如Zn、Fe、Ni;一类是活泼性弱于Cu的杂质,如Ag、Pt、Au。

问题5:两类杂质最终去向是哪里?

提示:活泼性强于Cu的杂质优先失电子变为离子进入并留在了溶液中;活泼性弱于Cu的杂质形成阳极泥坠落至阳极下方。

问题6:电解过程中电解质溶液浓度是否改变?

提示:改变。CuSO4浓度越来越小,而杂质ZnSO4、FeSO4、NiSO4浓度越来越大。

探究3　电镀用镀层金属作阳极(以电镀铜为例)的原因

问题7:电镀铜过程若用惰性阳极材料,则电镀液中CuSO4浓度会如何变化?

提示:会逐渐降低。Cu2+浓度降低后会导致Cu析出变慢,这样会导致后期电镀的镀层厚度变薄,质量下降。

问题8:电镀铜过程中电镀液浓度是否变化?

提示:基本不变。因为阳极发生Cu-2e-Cu2+,阴极发生Cu2++2e-Cu,根据两极放电量相等,则阴极消耗的Cu2+与阳极生成的Cu2+理论上相等,所以浓度基本不变。

问题9:电镀铜阳极能不能用粗铜?为什么?

提示:不能。如果用粗铜,电镀液中Cu2+浓度会逐渐减小,导致镀层厚薄不均匀。

电解精炼池与电镀池的对比

题点一　氯碱工业

1.(2021·上海期中)下列关于电解饱和食盐水过程的说法正确的是(　A　)

A.电解饱和食盐水的工厂可以生产盐酸

B.与电源正极相连的电极区有NaOH生成

C.与电源负极相连的电极上有氧气生成

D.电解饱和食盐水的过程中Na+浓度不会变

解析:电解饱和食盐水得到氢气与氯气,电解饱和食盐水的工厂可以生产盐酸,故A正确;与电源负极相连的电极区有NaOH生成,与电源正极相连的电极是阳极,该电极上产生氯气,故B错误;与电源负极相连的电极是阴极,该电极上有氢气生成,故C错误;电解饱和食盐水的过程中Na+不参与电极反应,物质的量不变,但是水被消耗,溶液体积变小,钠离子浓度增大,故D错误。

2.(2021·河北石家庄月考)下列图中能验证氯化钠溶液(含酚酞)电解产物的装置是(　D　)

解析:电解饱和食盐水时,阳极的电极反应为2Cl--2e-Cl2↑,用淀粉碘化钾溶液检验产生的Cl2,阴极的电极反应为2H++2e-H2↑,用向下排空气法收集H2,结合题给图中电子流向可知,D符合题意。

题点二　电解精炼与电镀

3.(2021·福建福州期中)下列有关铜片镀银的说法不正确的是(　B　)

A.阳极反应式为Ag-e-Ag+

B.铜片应与电源正极相连

C.电解液为AgNO3溶液

D.镀银过程中电能转化为化学能

解析:铜片是镀件,应与电源负极相连,作阴极,故B错误。

4.(2021·安徽宿州期中)下列有关电解精炼铜与电镀的说法正确的是(　D　)

A.电解精炼铜时,电路中每通过1 mol e-时,阳极就减轻32 g

B.电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)保持不变

C.在火箭插销上镀金时,必须是火箭插销作阴极,金作阳极

D.在铁上镀铜时,可以用铜作阳极,铁作阴极

解析:电解精炼铜时,阳极铜、铁、锌等金属都能失电子,所以电路中每通过1 mol e-时,阳极减轻的质量不一定是32 g,故A错误;电解精炼铜时,阳极铜、铁、锌等金属都能失电子,阴极只有铜离子得电子,电解质溶液中c(Cu2+)减小,故B错误;在火箭插销上镀金时,火箭插销作阴极,阳极可以是不溶性电极,故C错误;在铁上镀铜时,可以用铜作阳极,铁作阴极,硫酸铜溶液为电解质溶液,故D正确。

电解问题解题基本思路:①先看电极,若为惰性电极,电极本身一般不会参与反应,若阳极为活泼电极,则阳极自身发生氧化反应;②再看电解对象即电解质,电解对象有哪些阴、阳离子,若题目有信息,根据信息判断放电顺序,若无信息,则根据常见离子放电顺序判断;③写出阴、阳极电极反应;④根据电极反应做相应分析。

【知识整合】

【易错提醒】

1.误认为阴极不参与反应。其实不然,确实很多电解装置阴极仅起导电作用,一般不参与电极反应,通常是溶液中阳离子在阴极放电。但有些特殊情况下,某些阴极表面涂覆一层氧化剂时,氧化剂会得电子发生电极反应,而不是溶液中的阳离子放电。

2.误认为电解精炼过程阴、阳极增减质量相等。其实不然,电解精炼中阳极除了主要金属失电子发生电极反应外,还有活泼杂质失电子及不活泼杂质形成阳极泥,阴极只有被精炼金属离子得电子过程,所以两极质量增减一般不同。

3.误认为阴极永远是阳离子放电,阳极永远是阴离子放电。其实不然,这种想法应该是受阳离子移向阴极,阴离子移向阳极导致的一种错误认识。实际上溶液中离子移动在电场作用下是“正阴负阳”,但离子移动还受浓度(高浓度向低浓度扩散)及液体对流强制运动因素影响。