鲁科版选修4 化学反应原理第2节 电能转化为化学能—电解第2课时教案

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第2课时　电解原理的应用目标与素养：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。(科学探究与创新意识)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。(社会责任)1．电解食盐水制备烧碱、氢气和氯气(1)装置(2)现象①阳极上：产生黄绿色气体。②阴极上：产生无色气体，溶液变红色。(3)原理分析及电极反应电解时，Cl－、OH－移向阳极，Na＋、H＋移向阴极。①阳极离子放电顺序：Cl－＞OH－。电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，氧化反应。②阴极离子放电顺序：H＋＞Na＋。电极反应：2H＋＋2e－===H2↑，还原反应。(4)电池反应化学方程式2NaCl＋2H2O2NaOH＋Cl2↑＋H2↑。离子方程式：2Cl－＋2H2O2OH－＋Cl2↑＋H2↑。　接通电源后，哪个电极附近的颜色发生了变化？为什么？[提示]　接通电源后，阴极区溶液变红色。原因：H2O电离出的H＋放电，使c(OH－)增大，即阴极区产生碱，使酚酞变红色。2．铜的电解精炼(1)装置(2)粗铜成分①主要成分：Cu。②杂质金属：比铜活泼的有Zn、Fe、Ni等。比铜不活泼的有Ag、Pt、Au等。(3)电极反应微点拨：(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。3．电镀(1)定义：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)目的：增强金属的抗腐蚀能力、耐磨性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方案电镀原理阳极：Cu－2e－===Cu2＋阴极：Cu2＋＋2e－===Cu电镀方案电极材料阳极：铜片阴极：铁钉电镀液CuSO4溶液微点拨：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。1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)(1)氯碱工业中，阳极区产生H2和NaOH。 (　　)(2)精炼铜装置中，粗铜作阴极，精铜作阳极。 (　　)(3)精炼铜过程中，电解质溶液中c(Cu2＋)不变。 (　　)(4)电镀装置中，镀件作阴极，待镀金属作阳极。 (　　)(5)电镀过程中，电解质溶液的浓度减小。 (　　)[提示]　(1)×　氯碱工业中，阴极区产生H2和NaOH，阳极区产生Cl2。(2)×　精炼铜装置中，粗铜作阳极，精铜作阴极。(3)×　精炼铜过程中，电解质溶液中c(Cu2＋)减小。(4)√(5)×　电镀过程中，电解质溶液的浓度不变。2．某小组设计电解饱和食盐水的装置如右图，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．石墨电极附近溶液先变红C．溶液中的Na＋向石墨电极移动D．铜电极上发生还原反应[答案]　D3．粗铜的电解精炼如右图所示。在粗铜的电解过程中，粗铜板应是图中电极________(填图中的字母)；在电极d上发生的电极反应式为____________________；若粗铜中还含有Au、Ag、Fe，它们在电解槽中的存在形式和位置为_______________________________。[答案]　c　Cu2＋＋2e－===Cu　Au、Ag以单质的形式沉积在c(阳极)下方，Fe以Fe2＋的形式进入电解液电解原理的应用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粗铜镀件纯铜阳极电极反应式阳极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【例1】　如图为阳离子交换膜法电解饱和食盐水的原理示意图(所用电极均为惰性电极)。下列说法不正确的是(　　)A．从E口逸出的气体是H2B．从B口加入含少量NaOH的水溶液以增强导电性C．标准状况下每生成22.4 L Cl2，便产生2 mol NaOHD．电解一段时间后加适量盐酸可以使电解液恢复到电解前的浓度D　[由钠离子的移动方向可以确定左边电极为阳极，右边电极为阴极。阴极发生还原反应，氢气从E口逸出，B口应补充水，D口得到氢氧化钠浓溶液，A、B项正确。电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，当有1 mol氯气生成时，有2 mol氢氧化钠生成，C项正确。电解过程中减少的是氢气和氯气且二者物质的量之比为1∶1，因此补充适量的氯化氢气体可以使电解液恢复到电解前的浓度，D项错误。](1)如图所示，A、B、C、D、E、F表示的物质分别是什么？(2)阳离子交换膜的作用是什么？[答案]　(1)精制饱和食盐水、NaOH的水溶液、淡盐水、NaOH的浓溶液、H2、Cl2。(2)既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH作用生成NaClO而影响烧碱的质量。1．如图中能验证饱和食盐水(含酚酞)的电解产物的装置是(下列各图中的电极均为惰性电极)(　　)D　[电解饱和食盐水时，阳极产物是Cl2，阴极产物是H2、NaOH，根据图中的电子流向先确定装置中电源的正、负极，从而确定电解池的阴、阳极，然后判断电极产物以及检验方法，D选项符合题意。]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－===CuD　[A项电镀时镀件作阴极；B项电解精炼铜时电解液成分改变；C项电解精炼铜时，若有比铜活泼的金属杂质(如锌)，则阳极还会发生Zn－2e－===Zn2＋的反应。]有关电解计算的方法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。微观探析：(1)电解过程中产生的H＋或OH－，其物质的量等于转移电子的物质的量。(2)进行电解计算时，要注意电极放电顺序，确定不同阶段的电极反应。【例2】　用铂电极电解50 mL CuCl2与CuSO4的混合溶液(浓度均为2 mol·L－1)，当阴极析出9.6 g固体时，阳极产生标准状况下氧气________L。[解析]　阴极电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu,9.6 g Cu的物质的量为0.15 mol，得电子0.3 mol；阳极电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，生成Cl2为0.05 L× 2 mol·L－1＝0.1 mol，Cl－最多能失去电子0.05 L×2 mol·L－1×2＝0.2 mol。根据电子守恒知必有氧气生成，所以4n(O2)＋2n(Cl2)＝0.3 mol，n(O2)＝0.025 mol，则产生氧气标准状况下的体积为0.025 mol×22.4 L·mol－1＝0.56 L。[答案]　0.561．如图所示的A、B两个电解池中的电极均为铂，在A池中加入0.05 mol·L－1的CuCl2溶液，B池中加入0.1 mol·L－1的AgNO3溶液，进行电解。a、b、c、d四个电极上所析出的物质的物质的量之比是(　　)A．2∶2∶4∶1　　 B．1∶1∶2∶1C．2∶1∶1∶1 D．2∶1∶2∶1A　[由电解规律可知：a、c为阴极，b、d为阳极。a极上析出Cu，b极上析出Cl2，c极上析出Ag，d极上析出O2。由电子守恒可得出：2e－～Cu～Cl2～2Ag～O2，所以a、b、c、d四个电极上所析出物质的物质的量之比为1∶1∶2∶＝2∶2∶4∶1。]2．将两支惰性电极插入CuSO4溶液中，通电电解。(1)当有1.0×10－3 mol的OH－放电时，溶液显浅蓝色，则在阴极上析出铜的质量是________。(2)若溶液的体积为1 L，忽略溶液体积变化，在标准状况下放出5.6 mL O2时，溶液中c(H＋)是____________________________。[解析]　(1)用惰性电极电解CuSO4溶液时，阴极电极反应式为2Cu2＋＋4e－===2Cu，阳极电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O。当有1.0×10－3 mol的OH－放电时，此时转移电子为1.0×10－3 mol，则在阴极上析出Cu的质量为0.032 g。(2)阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑4 mol　　　　　　　1 moln　　　　　　　n＝1.0×10－3 mol，即消耗1.0×10－3 mol OH－，生成1.0×10－3 mol H＋，则c(H＋)＝＝1.0×10－3 mol·L－1。[答案]　(1)0.032 g　(2)1×10－3 mol·L－11．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A　[应选镀层金属银作阳极，待镀金属作阴极，含镀层金属Ag＋的溶液作电镀液，即A项正确。]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D　[粗铜的电解精炼时，电能不可能全部转化为化学能，A错误；粗铜作阳极与电源正极相连，发生氧化反应，B错误；溶液中的Cu2＋向阴极移动，C错误；不活泼金属Ag、Pt、Au等金属在阳极沉积，可以回收，D正确。]3．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，设计了如图的装置，则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是(　　)A．a为正极，b为负极；NaClO和NaClB．a为负极，b为正极；NaClO和NaClC．a为阳极，b为阴极；HClO和NaClD．a为阴极，b为阳极；HClO和NaClB　[有关反应有2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O，因阳极生成Cl2，阴极生成NaOH，为使二者充分作用，Cl2应在下端产生，从而推知电源b为正极，a为负极，消毒液的主要成分是NaCl、NaClO。]4．用惰性电极电解M(NO3)x的水溶液，当阴极质量增加a g时，在阳极上同时产生b L氧气(标准状况)，则M的相对原子质量是(　　)A.　　　 B.C.   D.C　[生成b L O2(标准状况)转移的电子为 mol，根据电子守恒知，析出的M的物质的量为 mol＝ mol，阴极增加的质量即为析出的M的质量，则M的摩尔质量为a÷＝(g·mol－1)，即M的相对原子质量为。]5．如图所示，甲、乙为相互串联的两电解池。(1)甲池若为用电解原理精炼铜的装置，则A电极名称为________极，电极材料是________，电极反应式为___________________________________________________________________，电解质溶液可以是________。(2)乙池中Fe极电极反应式为________________，若在乙池中滴入少量酚酞试液，开始通电一段时间，Fe极附近呈________色。[解析]　根据电解池的电极与外接电源的关系，A为阴极，B为阳极，Fe为阴极，C为阳极。又因为甲为精炼铜的装置，所以A电极材料是精铜，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，电解质溶液用含Cu2＋的溶液(如CuSO4溶液)。乙池中Fe极电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，在乙池中滴入少量酚酞试液，开始通电一段时间，由于水提供的H＋在阴极(Fe)放电，OH－越来越多，铁极附近呈红色。[答案]　(1)阴　精铜　Cu2＋＋2e－===Cu　含Cu2＋的溶液(如CuSO4溶液)(2)2H＋＋2e－===H2↑　红