人教版 (2019)选择性必修1第二节 电解池第2课时学案

这是一份人教版 (2019)选择性必修1第二节 电解池第2课时学案，共14页。学案主要包含了学习目标，自主预习，参考答案，效果检测，合作探究，活动探究，核心归纳，典型例题等内容，欢迎下载使用。
1.通过对氯碱工业、铜的电解精炼、电镀、电冶金等原理的分析,了解电解的应用,学会电极反应式的书写。
2.通过探究电镀、电解精炼铜的实验,培养观察、分析、推理及归纳总结能力,建立有电极参与反应的电解原理的模型,形成科学的态度,感受电解的价值。
3.通过练习学会电解的有关计算,建立相关计算的思维模型,加深对电解原理的理解和应用,提升模型认知的核心素养。
【自主预习】
一、电解饱和食盐水
1.电解饱和食盐水的原理
通电前:溶液中的离子是 。
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: (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 电离产生的。
阴极: (还原反应)。
③总反应:
化学方程式为 ;
离子方程式为 。
2.氯碱工业生产流程
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作 工业。工业生产中,电解饱和食盐水的反应在 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和纯度。
3.氯碱工业产品及其应用
(1)氯碱工业产品主要有 、 、 、盐酸、含氯漂白剂。
(2)以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、金属冶炼等领域中应用广泛。
二、电镀与电解精炼
1.电镀是一种利用 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.电镀铜
3.电解精炼铜
三、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 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 态盐或氧化物。
如电解熔融的氯化钠可制取金属钠:
阳极:2Cl--2e-Cl2↑;
阴极:Na++e-Na;
总反应:2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑。
【参考答案】一、1.Na+、Cl-、H+、OH- ①2Cl--2e-Cl2↑ ②水 2H2O+2e-H2↑+2OH- ③2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH 2Cl-+2H2OH2↑+Cl2↑+2OH- 2.氯碱 离子交换膜电解槽
3.NaOH Cl2 H2
二、电解 Cu 待镀金属制品 Cu2+ Cu-2e-Cu2+ Cu2++2e-Cu 粗铜 纯铜 Zn-2e-Zn2+ Fe-2e-Fe2+ Cu-2e-Cu2+ Cu2++2e-Cu
三、1.金属单质 2.熔融
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)电镀池和精炼池在本质上都是电解池。( )
(2)电子从电源的负极沿导线流入电解槽的阴极。( )
(3)工业上采用电解NaCl溶液来制取苛性钠。( )
(4)在镀件上镀铜时可用金属铜作阳极。( )
(5)用Zn作阳极,Fe作阴极,ZnCl2作电解质溶液,由于放电顺序H+>Zn2+,不可能在铁上镀锌。( )
(6)通常电解熔融MgCl2和Al2O3冶炼镁、铝,也可以电解MgO和AlCl3。( )
(7)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。( )
(8)粗铜电解精炼时,若电路中通过2 ml e-,阴极上增加的质量为64 g。( )
【答案】(1)√ (2)√ (3)√ (4)√ (5)× (6)× (7)√ (8)√
2.以惰性电极分别电解熔融氯化钠和氯化钠溶液时,电极反应有何差异?写出有关电极反应和总反应方程式。
【答案】两者阴极反应不同。电解熔融氯化钠时,阴极反应为2Na++2e-2Na,总反应为2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑;电解食盐水时,阴极反应为2H++2e-H2↑,总反应为2NaCl+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑。
【合作探究】
任务1：电解在氯碱工业中的应用
情境导入 工业上用电解饱和氯化钠溶液的方法来制取氢氧化钠(NaOH)、氯气(Cl2)和氢气(H2),并以它们为原料生产一系列化工产品,称为氯碱工业。氯碱工业是最基本的化学工业之一,它的产品除应用于化学工业本身外,还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业以及石油化学工业。氯碱工业主要有隔膜法、离子交换膜法等工艺。
【活动探究】
1.电解饱和食盐水
2.问题分析
(1)氯化钠溶液中存在哪些离子?
【答案】Na+、Cl-、H+、OH-。
(2)氢氧化钠在哪极区生成?
【答案】氢氧化钠在阴极区生成。
(3)如何检验阳极产物?
【答案】阳极产物是Cl2,可以用湿润的KI-淀粉试纸检验,现象为试纸先变蓝色后褪色。
(4)理论上讲,阴极室加入纯水即可,但在实际生产中,纯水中要加入少量NaOH溶液,为什么?
【答案】增强导电性,提高电解效率,且不影响NaOH的纯度。
(5)离子交换膜有什么作用?如何分类?
【答案】一种选择性透过膜,允许相应离子通过,不允许其他离子及气体分子通过。常见种类有阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜。
(6)根据电解饱和食盐水原理示意图,判断装置中交换膜为阳离子交换膜还是阴离子交换膜。
【答案】阳离子交换膜,原因是右侧为阴极区,根据箭头方向,应该是阳离子向阴极区移动。
(7)氯碱工业在生产过程中必须把阳极室和阴极室用离子交换膜隔开,原因是什么?
【答案】①从安全的角度: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;②从产品纯度的角度:避免氯气与阴极产生的氢氧化钠反应而影响氢氧化钠的纯度。
【核心归纳】
氯碱工业生产法——离子交换膜法
(1)离子交换膜电解槽的组成
由阳极(金属钛网)、阴极(碳钢网)、离子交换膜、电解槽和导电铜棒等组成,每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。下图表示一个单元槽的示意图。
特别提醒:离子交换膜法制烧碱的生产流程重在掌握化学反应原理,对生产设备及生产细节不做过多要求。
(2)阳离子交换膜的作用
电解饱和食盐水是氯碱工业的基础,能制得氯气、氢气、氢氧化钠等重要的化工原料。电解过程中,在电场的作用下,阳离子向阴极移动,而阴离子向阳极移动。由于氯离子在阳极失去电子生成氯气,若不采取措施,氢氧根离子会向阳极移动,从而与氯气发生反应,既减少了氯气的产量,又会使得到的氢氧化钠不纯。因此,必须阻止氢氧根离子向阳极移动。
目前,常用的隔膜有石棉隔膜和阳离子交换膜。石棉隔膜能阻止气体通过,但允许水分子及离子通过。由于氢氧根离子能透过隔膜,因此氯气会与氢氧根离子发生反应,导致制得的氢氧化钠不纯。阳离子交换膜只允许阳离子通过,而不允许阴离子及气体通过,也就是说,只允许钠离子通过,氯离子、氢氧根离子和氢气、氯气均不能通过。这样既可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气相混合,在一定条件下引起爆炸,又能避免氯气与氢氧化钠作用生成次氯酸钠而影响烧碱的质量。
(3)原料的精制
①粗盐的成分:粗盐中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-等杂质,不符合电解要求,因此必须经过精制。
②杂质的危害:Ca2+、Mg2+、Fe3+等金属离子在碱性环境中会产生沉淀,损坏离子交换膜,此外,杂质的存在会使得到的产品不纯。
③除杂质的过程:粗盐水依次加入过量BaCl2(除去SO42-)、过量NaOH(除去Mg2+、Fe3+)、过量Na2CO3(除Ca2+和过量Ba2+),过滤(除去泥沙及沉淀),加入适量HCl(除OH-、CO32-)。
④除杂质时所加试剂的顺序要求:a.Na2CO3必须在BaCl2之后;b.加盐酸在过滤之后。
⑤试剂加入顺序有多种选择,如:a.BaCl2、NaOH、Na2CO3、过滤、HCl;b.BaCl2、Na2CO3、NaOH、过滤、HCl;c.NaOH、BaCl2、Na2CO3、过滤、HCl。
【典型例题】
【例1】在氯碱工业中,离子交换膜法电解饱和食盐水装置如图所示,下列说法不正确的是( )。
A.电极A为阳极,发生氧化反应生成氯气
B.离子交换膜为阳离子交换膜
C.饱和NaCl溶液从a处进,NaOH溶液从d处出
D.OH-迁移的数量等于导线上通过电子的数量
【答案】D
【解析】氯碱工业中的总反应为2Cl-+2H2O2OH-+H2↑+Cl2↑;电解池中阳极失电子发生氧化反应,氯碱工业中Cl2为氧化产物,所以电极A为阳极,电极B为阴极。A项,根据分析可知电极A为阳极,发生氧化反应生成氯气,正确;B项,阳极发生的反应为2Cl--2e-Cl2↑,阴极发生的反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,为了防止生成的氯气与氢氧化钠发生反应,所以要防止OH-流向阳极(电极A),该离子交换膜为阳离子交换膜,正确;C项,根据B选项的分析可知,饱和NaCl溶液从a处进,NaOH溶液从d处出,正确;D项,迁移的是Na+而不是OH-,错误。
【例2】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.电解池的阴极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-
B.通入空气的电极为负极
C.电解池中产生2 ml Cl2时,理论上燃料电池中消耗0.5 ml O2
D.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为2H2O+2e-H2↑+2OH-,阳极反应为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 ml Cl2,理论上转移4 ml e-,则燃料电池中消耗1 ml O2,C项错误;题给燃料电池的负极反应为2H2-4e-+4OH-4H2O,正极反应为O2+4e-+2H2O4OH-,所以a、b、c的大小关系为c>a>b,D项错误。
任务2：电解在电镀、精炼铜中的应用
情境导入 电镀时,镀层金属或其他不溶性材料作阳极,待镀的工件作阴极,镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。为排除其他阳离子的干扰,且使镀层均匀、牢固,需用含镀层金属阳离子的溶液作电镀液,以保持镀层金属阳离子的浓度不变。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层,改变基材表面性质或尺寸。电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属),增加硬度,防止磨耗,提高导电性、光滑性、耐热性和表面美观。
问题生成
1.请你设计一个实验:在铁钥匙表面镀上一层铜。指出阴极、阳极材料和电解质溶液,写出电极反应式,并画出装置示意图,叙述实验现象。
【答案】阳极材料:铜片;阴极材料:铁钥匙;电解质溶液:CuSO4溶液。阳极反应式:Cu-2e-Cu2+;阴极反应式:Cu2++2e-Cu。装置示意图如下:
现象:铜片不断溶解,铁钥匙表面镀上一层红色物质。
2.电镀时,若用镀层金属作阳极材料,电镀液中的阳离子浓度是否会发生明显的变化?
【答案】不会;因为阳极上生成阳离子的物质的量与阴极上消耗阳离子的物质的量相等,所以溶液中阳离子浓度不会发生明显变化。
3.为了使镀层厚度均匀、光滑致密、与镀件的附着力强,通常可采取哪些措施?
【答案】用镀层金属作阳极,及时补充溶液中的离子,使溶液中离子浓度保持不变,从而使电镀的速率保持不变,使镀层厚度均匀;适当降低电镀时直流电源的电压;在电镀液中加入少量的表面活性剂;镀件表面要洁净、平整等。
4.什么是电解精炼铜?
【答案】粗铜中含有一些杂质,利用电解原理,把粗铜(含 Zn、Ag、Au等杂质)作阳极,使其中失电子能力比Cu强的金属失电子形成金属阳离子溶解,失电子能力比Cu弱的金属难以在阳极溶解,它们会以单质的形式沉积在精炼池底,形成“阳极泥”,从而达到Cu与杂质分离的目的。
5.精炼铜电解池是如何构成的?
【答案】阳极:粗铜(含锌、银、金等杂质);阴极:纯铜;电解质溶液:CuSO4溶液。
【核心归纳】
电镀与铜的电解精炼的比较
【典型例题】
【例3】利用下图装置进行铁上电镀铜的实验探究。
下列说法不正确的是( )。
A.①中气体减少,推测是由于溶液中c(H+)减少,且Cu覆盖铁电极,阻碍H+与铁接触
B.①中检测到Fe2+,推测可能发生反应:Fe+2H+Fe2++H2↑、Fe+Cu2+Fe2++Cu
C.随着阴极析出Cu,推测②中溶液c(Cu2+)减小,Cu2++4NH3[Cu(NH3)4]2+平衡向逆反应方向移动
D.②中Cu2+生成[Cu(NH3)4]2+,使得c(Cu2+)比①中溶液的小,Cu缓慢析出,镀层更致密
【答案】C
【解析】A项,实验①中,铁会先与溶液中的氢离子、铜离子反应,溶液中氢离子浓度减小,生成的铜覆盖铁电极,阻碍氢离子与铁接触,导致产生的气体减少,正确;B项,实验①中,铁作电镀池的阴极,铁会先与溶液中的氢离子、铜离子反应生成亚铁离子、氢气和铜,可能发生的反应为Fe+2H+Fe2++H2↑、Fe+Cu2+Fe2++Cu,正确;C项,四氨合铜离子在阴极得到电子缓慢发生还原反应生成铜,随着阴极析出铜,四氨合铜离子浓度减小,Cu2++4NH3[Cu(NH3)4]2+平衡向正反应方向移动,错误;D项,实验②中铜离子与过量氨水反应生成四氨合铜离子,四氨合铜离子在阴极得到电子缓慢发生还原反应生成铜,在铁表面得到比实验①更致密的镀层,正确。
【例4】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,Ag+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式为Ag++e-Ag
D.当电镀一段时间后,将电源反接,铜牌可恢复如初
【答案】C
【解析】铜牌上镀银,银片为阳极,Ag+向阴极移动,阴极反应式为Ag++e-Ag。由于实验中镀层不可能非常均匀致密,所以将电源反接,阳极上Cu、Ag均会溶解,铜牌不可能恢复如初。
任务3：电冶金 有关电解的计算
情境导入 铝制品曾经是奢侈品,但现在却被广泛使用,这是为什么呢?因为当时铝的冶炼比较困难,后来我们找到了铝的冶炼方法——电解法。
问题生成
1.电冶金制取金属的原理是什么?
【答案】Na、Ca、Mg、Al等活泼金属,很难用还原剂从它们的化合物中还原得到单质,因此必须通过电解熔融的化合物的方法得到。
2.分析电冶炼钠、镁、铝的原理,填写表中空格。
【答案】2Cl--2e-Cl2↑ 2Na++2e-2Na
2Cl--2e-Cl2↑ Mg2++2e-Mg 6O2--12e-3O2↑ 4Al3++12e-4Al
3.电解的有关计算常涉及哪些问题?
【答案】(1)两极产物的定量计算。
(2)溶液pH的计算[pH=-lgc(H+)]。
(3)相对原子质量的计算和阿伏加德罗常数的值的测定。
(4)根据转移电子的量求产物的量或根据产物的量求转移电子的量。
【核心归纳】
电化学计算常用的三种方法
(1)根据总反应式计算
先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列出比例式计算。
(2)根据电子守恒计算
①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电路中通过的电子数相等。
②用于混合溶液中电解的分阶段计算。
(3)根据关系式计算
根据得失电子守恒关系建立起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。
通过4ml e-为基准可构建电极产物之间的如下关系式:
【典型例题】
【例5】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
【答案】C
【解析】根据电解原理可知,电解池中阳极发生失电子的氧化反应,阴极发生得电子的还原反应,该题中以熔融盐为电解液,含Cu、Mg和Si等的铝合金废料为阳极进行电解,通过控制一定的条件,可使阳极区Mg和Al发生失电子的氧化反应,分别生成Mg2+和Al3+,Cu和Si不参与反应,阴极区Al3+得电子生成Al单质,从而实现Al的再生。A项,阴极应该发生得电子的还原反应,Mg在阳极失电子生成Mg2+,错误;B项,Al在阳极上被氧化生成Al3+,错误;C项,阳极材料中Cu和Si不参与氧化反应,在电解槽底部可形成阳极泥,正确;D项,因为阳极除了铝参与电子转移,镁也参与了电子转移,且还会形成阳极泥,而阴极只有铝离子得电子生成铝单质,根据电子守恒及元素质量守恒可知,阳极与阴极的质量变化不相等,错误。
【例6】一种电解精炼废钢的工艺原理如图所示,通过O2-在两极间的定向移动可实现废钢脱碳从而得到超低碳钢,同时还可以回收硅作为副产品。下列说法错误的是( )。
A.电解时,M为电源的负极
B.不能选用稀硫酸作为电解质溶液
C.电解时,阳极发生的电极反应为C+O2--2e-CO↑
D.若有1 ml O2-移向废钢电极,则炉渣电极所得硅的质量为28 g
【答案】D
【解析】根据题意可知,该装置可回收硅,因而产生硅单质的炉渣一极为得电子的阴极,连接的M极为负极,而连接废钢的N极为正极。A项,根据分析可知,M为电源负极,正确;B项,废钢中含有大量Fe,稀H2SO4会与之反应,不能选用稀硫酸作为电解质溶液,正确;C项,电解时,阳极上C失电子产生CO,发生的电极反应为C+O2--2e-CO↑,正确;D项,若有1 ml O2-移向废钢电极,由串联电路中电流相等可知,转移电子为2 ml,阴极的电极反应为12SiOxn-+(x-n2)e-12Si+12xO2-,x-n22ml=12nSi,nSi=22x-n ml,则炉渣电极所得硅的质量为22x-n ml×28 g·ml-1=562x-n g,错误。
方法技巧：电解过程中相关物理量的计算步骤
(1)根据与电源的连接情况或实验现象,准确判断电极上发生氧化还原反应的类型和电极名称。
(2)准确写出电极反应式。
(3)根据题目所给条件和所要求解的问题,使用上述合适的方法建立等量关系求解。
【随堂检测】
课堂基础
1.某同学设计了一个“黑笔写红字”的趣味实验。滤纸先用氯化钠、无色酚酞的混合液浸湿,然后平铺在一块铂片上,接通电源后,用铅笔在滤纸上写字,会出现红色字迹。下列叙述中正确的是( )。
A.铅笔端作阳极,发生还原反应
B.铂片端作阴极,发生氧化反应
C.铅笔端有少量的氯气产生
D.a端是负极,b端是正极
【答案】D
【解析】由题中信息可知,当铅笔接触到滤纸时,酚酞就会变红,说明此处呈碱性,铅笔作阴极,溶液中的H+放电,阴极区呈碱性,a端是负极,b端是正极。
2.用电解法可将CO2转化为工业原料C2H4、CO,原理如图所示,下列说法错误的是( )。
A.离子交换膜为质子交换膜
B.若乙室产物只有1 ml CO,则乙室质量增加18 g
C.若乙室生成的CO、C2H4物质的量之比为1∶1,则两电极产生气体的物质的量相同
D.电解过程中甲室稀硫酸浓度不断增大
【答案】C
【解析】二氧化碳在铜电极表面转化为乙烯,碳元素从+4价降低为-2价,被还原,该电极是电解池的阴极,Pt为阳极。A项,阴极主要反应为2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O、CO2+2e-+2H+CO+H2O,阳极的电极反应为2H2O-4e-O2↑+4H+,因此装置中的离子交换膜为质子交换膜,阳极区的氢离子通过交换膜进入阴极区,正确;B项,若阴极发生的反应只有CO2+2H++2e-CO+H2O,反应生成1 ml CO的同时生成1 ml H2O,因此乙室增加的质量为18 g,正确;C项,若阴极生成CO与C2H4的物质的量之比为1∶1,设两种产物都是1 ml,则转移电子的总物质的量为14 ml,阳极产生氧气的物质的量为3.5 ml,两电极产生气体的物质的量不相同,错误;D项,电解过程中,甲室溶液中硫酸的物质的量不变,但水的量减少,导致硫酸浓度增大,正确。
3.用惰性电极电解含CuCl2、CuSO4的混合溶液500 mL,其中,c(CuCl2)=0.2 ml·L-1,c(CuSO4)=0.5 ml·L-1,当在阳极得到6.72 L 气体(标准状况)时,在阴极析出固体的质量为( )。
A.19.2 g B.22.4 g
C.32.0 g D.38.4 g
【答案】B
【解析】由离子放电顺序可知,用惰性电极电解含CuCl2、CuSO4的混合溶液,阴极反应:Cu2++2e-Cu、2H2O+2e-H2↑+2OH-,阳极反应:2Cl--2e-Cl2↑、2H2O-4e-O2↑+4H+,当在阳极得到6.72 L气体(标准状况)时,根据两电极转移电子数相等计算在阴极析出Cu的质量。n(CuCl2)=0.2 ml·L-1×0.5 L=0.1 ml,n(Cl-)=0.2 ml,在阳极Cl-首先放电,故阳极Cl-转移电子为0.2 ml,生成的Cl2的物质的量为0.1 ml,阳极产生气体总物质的量为0.3 ml,因此还发生了反应2H2O-4e-O2↑+4H+,生成O2的物质的量为0.3 ml-0.1 ml=0.2 ml,转移电子为0.8 ml;根据阳极和阴极转移电子数相等,阴极转移电子的物质的量为0.2 ml+0.8 ml=1 ml,阴极Cu2+先放电,Cu2++2e-Cu,n(Cu2+)=0.2 ml·L-1×0.5 L+0.5 ml·L-1×0.5 L=0.35 ml,转移电子0.7 ml