2019届一轮复习人教版电解应用学案

2019届一轮复习人教版电解应用学案

‎2019年全国卷高考化学总复习《电解应用》专题突破 ‎【考纲要求】‎ ‎1．巩固电解池的工作原理和电解规律。‎ ‎2．了解电解原理在氯碱工业、电镀、电冶金属等方面的应用。‎ ‎【考点梳理】‎ 考点一：氯碱工业 ‎1．定义 工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业。‎ ‎2．电解饱和食盐水 ‎（1）反应原理 ‎ 饱和食盐水成分：溶液存在Na+、Cl－、H+、OH－四种离子。 　　电极反应式： 　　阴极：2H+＋2e－=H2↑（还原反应）； 　　阳极：2Cl－－2e－=Cl2↑（氧化反应）。 　　电解总化学方程式： 　　 （2）实验简易装置 　 如图所示在烧杯里装入饱和食盐水，滴入几滴酚酞试液。用导线把铁钉、石墨捧、电流表接在直流电源上。观察现象，并用湿润的碘化钾淀粉试纸检验阳极放出的气体。 　　 （3）实验现象 　　 阳极（石墨棒）上有气泡逸出、该气体呈黄绿色，有刺激性气味，使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝；石墨棒附近的溶液由无色变为黄绿色。阴极（铁钉）上逸出气体，该气体无色、无味；阴极附近的溶液由无色先后变为浅红色、红色，且红色区域逐渐扩大。 要点诠释：‎ ‎ 　　①阴极区域变红原因：由于H+被消耗，使得阴极区域OH－离子浓度增大（实际上是破坏了附近水的电离平衡，由于KW为定值，c(H+)因电极反应而降低，导致c(OH－)增大，使酚酞试液变红）。 　　②湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝原因：氯气可以置换出碘化钾中的碘，Cl2+2KI=2KCl+I2，I2使淀粉变蓝。‎ ‎3．生产过程 ‎（1）NaCl溶液的精制 ‎ 粗盐中含泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42－等杂质，会影响NaCl溶液的电解。精制食盐水时经常加入BaCl2、Na2CO3、NaOH等，使杂质成为沉淀，过滤除去，然后加入盐酸调节盐水的pH。‎ ‎ ‎粗盐（含泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42－等）‎ ‎①加入NaOH，除去Mg2+、Fe3+‎ ‎②加入BaCl2，除去SO42―‎ ‎③加入Na2CO3，除去Ca2+及过量的Ba2+，过滤 ‎④加入盐酸，除去过量的CO32―和OH―‎ ‎⑤加热除去CO2，调整pH 阳离子 交换塔 精制 盐水 要点诠释：　‎ ‎　　除杂质时所加试剂的顺序要求是： 　　①Na2CO3必须在BaCl2之后，以除去Ca2+和前面引入的Ba2+等； 　　②过滤之后再向滤液中加入盐酸，以免沉淀重新溶解。 　　试剂加入顺序有多种选择，如： 　　①BaCl2、NaOH、Na2CO3、过滤、HCl； 　　②BaCl2、Na2CO3、NaOH、过滤、HCl； 　　③NaOH、BaCl2、Na2CO3、过滤、HCl。‎ ‎（2）生产装置 要点诠释：阳离子交换膜的特点 ‎ 阳离子交换膜只允许阳离子（Na+）通过，而阻止阴离子（Cl―、OH―）和分子（Cl2）通过，这样既能阻止H2和Cl2混合爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO影响烧碱质量，还能 极大地降低碱液中NaCl的含量。‎ 考点二：铜的电解精炼 装置示意图 阳极反应式 Zn―2e―==Zn2+、Ni―2e―==Ni2+、Fe―2e―== Fe 2+、Cu―2e―==Cu2+‎ 阴极反应式 Cu2++2e－==Cu 要点诠释：‎ ‎①粗铜作阳极，接电源正极；纯铜作阴极，接电源负极，用CuSO4溶液作电解液。 ②Cu和比Cu活泼的杂质Zn、Fe、Ni等均失去电子变成相应的离子留在电解液中；较Cu不活泼的Ag、Au等杂质沉积在电解槽底，形成阳极泥。‎ ‎③长时间电解，电解质溶液需要定时补充 考点三：电镀（如铁件镀铜）‎ 电镀液：含Cu2+（镀层金属离子）的盐溶液（如CuSO4溶液）‎ 阳极（Cu）：Cu―2e―==Cu2+‎ 阴极（铁件）：Cu2++2e―==Cu ‎ 　　 ‎ 要点诠释：‎ ‎（1）电镀铜和精炼铜的原理是一致的，但阴、阳两极材料略有差别： 　　①精炼铜时，粗铜板作阳极，纯铜片作阴极，用CuSO4溶液(加入一定量的硫酸)作电解液。 　　②电镀铜时，镀层金属(铜片)作阳极，待镀件(铁片) 与直流电源的负极相连作阴极，用含有镀层金属离子的电解质(CuSO4)配成电镀液。‎ ‎（2）电镀就是金属Cu的“搬家”，所以，电镀前后，电解质CuSO4溶液的浓度基本不变。电镀铜规律可概括为“阳极溶解，阴极沉积，电解液不变”。‎ 考点四：电解冶炼活泼金属 一些较活泼的金属常用电解的方法冶炼，如Na、Mg、Al等金属（这是因为这些金属的阳离子的氧化性很弱，难以找到经济实用的还原剂，从这个意义上看，电源的负极是最强的还原剂）。‎ 电解熔融的电解质，可冶炼活泼金属（如K、Na、Ca、Mg、Al等）。‎ 冶炼原理：金属阳离子在阴极上得到电子而被还原。‎ ‎1、钠的冶炼 ‎①原料：NaCl ‎ ‎②阴极材料：不锈钢 ‎③阳极材料：石墨 ‎④电极反应：‎ ‎ 阴极：2Na++2e—= 2Na ‎ 阳极：2Cl－－2e—＝Cl2↑‎ ‎ ⑤总方程式：‎ ‎2、镁的冶炼 ‎①原料：MgCl2‎ ‎②阴极材料：不锈钢 ‎③阳极材料：石墨 ‎④电极反应：‎ ‎ 阴极：Mg2++2e—= Mg ‎ 阳极：2Cl－－2e—＝Cl2↑‎ ‎ ⑤总方程式：‎ ‎3、铝的冶炼 ‎1000℃成为共熔体、节约能源 Al2O3熔点很高2045℃‎ 冰晶石(Na3AlF6)作熔剂 电离：Al2O3（熔融） 2Al3＋＋3O2－‎ 电极方程式：‎ 阳极（石墨C）：6O2－－12e— = 3O2↑‎ 阴极(不锈钢Fe）：4Al3+＋12e— = 4Al 电解方程式：‎ 阳极副反应 C＋O2 = CO2 需补充碳块 ‎【典型例题】‎ 类型一：氯碱工业 例1、氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下图所示。依据下图完成下列填空： 　　 　　（1）在电解过程中，与电源正极相连的电极上所发生反应的电极反应式为________，与电源负极相连的电极附近，溶液pH_______。（选填“不变”、“升高”、或“下降”） 　　（2）工业食盐含Ca2+、Mg2+等杂质。精制过程发生反应的离子方程式为 ， 。 　　（3）如果粗盐中SO42—含量较高，必须添加钡试剂除去SO42—，该钡试剂可以是______。 　　 A．Ba(OH)2　 　　B．Ba(NO3)2　 　　C．BaCl2 　　 (4)为有效除去Ca2+、Mg2+、SO42—，加入试剂的合理顺序为______。 　　 A．先加NaOH，后加Na2CO3，再加钡试剂 　　 B．先加NaOH，后加钡试剂，再加Na2CO3 　　 C．先加钡试剂，后加NaOH，再加Na2CO3 　　 (5)在隔膜法电解食盐水时，电解槽分隔为阳极区和阴极区，防止Cl2与NaOH反应；采用无隔膜电解冷的食盐水时，Cl2与NaOH充分接触，产物仅是NaClO和H2，相应的化学方程式为______ 。 【答案】 　　(1)2Cl——2e—＝Cl2↑，升高 　　(2)Ca2++CO32—=CaCO3↓，Mg2++2OH—=Mg(OH)2↓ 　　(3)A　 C 　　(4)B　 C 　　(5) 　　 Cl2十2NaOH=NaCl十NaClO十H2O ‎【解析】电解NaCl溶液时，在与电源正极相连的电极上(阳极)，Cl—失去电子生成Cl2：2Cl——2e—=Cl2↑；在与电源负极相连的电极(阴极)发生的反应为2H+十2e—=H2↑，消耗H+，产生OH—，所以附近的pH上升。 　　工业食盐中含有较多的Ca2+、Mg2+杂质，可以用试剂NaOH、Na2CO3除去，所以离子反应式为Ca2++CO32—＝CaCO3↓，Mg2++2OH—=Mg(OH)2↓，如果含有SO42—，则可加Ba2+形成BaSO4白色沉淀。由于不能引进其他阴离子，所以钡试剂只能用BaCl2或Ba(OH)2。为了有效除去Mg2+、Ca2+和SO42—‎ ‎，必须先加钡试剂或NaOH，最后加入Na2CO3溶液，如果先加入Na2CO3溶液，后加BaCl2或Ba(OH)2，则多余Ba2+无法除去。 　　经过一段时间的电解，NaCl溶液浓度在下降，NaOH溶液浓度在上升。当NaOH溶液质量分数变成10％，NaCl溶液质量分数变成16％时，停止电解，电解液加热蒸发，由于NaOH的溶解度大于NaCl，冷却后经过滤可得NaCl固体，NaCl可循环使用。 　　若在电解过程中，不使用隔膜，则在阳极区生成的氯气与阴极区生成的NaOH溶液混合，发生反应，其反应式为Cl2十2NaOH=NaCl十NaClO十H2O。连同电解时发生的反应 ，两步反应可合并成 。 举一反三：‎ ‎【变式1】下列描述中，不符合生产实际的是（ ）‎ A．电解熔融的氧化铝制取金属铝，用铁作阳极 ‎ B．电解法精炼粗铜，用纯铜作阴极 C．电解饱和食盐水制烧碱，用涂镍碳钢网作阴极 D．在镀件上电镀锌，用锌作阳极 ‎【答案】A ‎【变式2】下列关于离子交换膜电解槽的叙述错误的是（ ）‎ A．精制饱和食盐水进入阳极室 B．纯水（加少量NaOH）进入阴极室 C．阴极产物为氢氧化钠和氢气 D．电解槽的阳极用金属铁网制成 ‎【答案】D ‎【解析】用离子交换膜电解槽电解饱和食盐水时，C1－在阳极放电，H2O电离出的H+在阴极放电，因此食盐水和纯水分别进入阳极室和阴极室，A、B对；在阴极H+放电，生成H2的同时，产生大量OH－,故H2和NaOH为阴极产物，C项对；电解槽的阳极材料用金属钛网制成（一种惰性材料），不能用非惰性材料铁网，D错。‎ ‎【变式3】如下图所示，用石墨电极电解100 mL 0.2 mol / L的氯化钾溶液时，接通电源前在KCl溶液中滴入2滴酚酞试液；接通电源后，观察到湿润的KI淀粉试纸逐渐变蓝。试回答下列问题：‎ ‎ （1）还能观察到的实验现象是：‎ ‎①________________________________；‎ ‎②________________________________。‎ ‎ （2）电源中a为________极，阳极反应式为________________________。‎ ‎ （3）总反应式为________________________。‎ ‎ （4）若生成标准状况下11.2 mL H2，则溶液的pH=________（假定溶液体积仍为100 mL）。‎ ‎【答案】（1）①阴、阳两极均产生气泡 ②阴极附近溶液出现红色 ‎ （2）负 2Cl――2e―==Cl2↑‎ ‎（3）2KCl+2H2O2KOH+H2↑+Cl2↑ （4）12‎ 类型二：金属的电解精炼 例2．下列关于电解法精炼粗铜的叙述中不正确的是（ ）‎ A．粗铜板作阳极，纯铜片作阴极，CuSO4溶液作电解液 B．电解时，阳极发生氧化反应，而阴极发生的反应为：Cu2＋+2e-＝Cu C．粗铜中所含Ni、Fe、Zn等金属杂质，电解后以单质形式沉积槽底，形成阳极泥 D．电解铜的纯度可达99.95%∽99.98%‎ ‎【答案】C ‎【解析】精炼某金属，含杂质金属应作阳极，纯单质作阴极，含该种金属元素的离子作电解液，金属活动性在Cu后面的金属杂质形成阳极泥，活动性在Cu前面的金属先放电进入溶液但其阳离子不放电，从而将该金属与杂质分离。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】下列关于铜电极的叙述正确的是（ ）‎ A．铜锌原电池中铜作负极 ‎ B．在铁制品上电镀铜时，用铜作阴极 C．电解饱和食盐水制烧碱时，用铜作阳极 ‎ D．电解法精炼铜时，粗铜连接电源的正极 ‎【答案】D ‎【变式2】金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt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+＜Ni2+＜Cu2+）（ ）‎ A．阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni2++2e－==Ni B．电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等 C．电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2+和Zn2+‎ D．电解后，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt ‎【答案】D ‎【解析】阳极应发生氧化反应。电解后溶液中的阳离子主要为Ni2+。根据金属原子的还原性顺序和金属阳离子的氧化性顺序知，阳极反应为：Zn－2e－==Zn2+，Fe－2e－==Fe2+。Ni－2e－==Ni2+，Cu、Pt在该条件下不失电子，形成阳极泥。阴极反应为：Ni2++2e－==Ni，Zn2+、Fe2+在该条件下不得电子。比较两电极反应，因Zn、Fe、Ni相对原子质量不等，当两电极通过电量相等时，阳极减少质量与阴极增加质量不等。‎ 类型三：电镀（如铁件镀锌）‎ 例3．在铁制品上镀一定厚度的锌层，以下方案设计正确的是（ ）‎ A．锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含有锌离子 B．铂作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子 C．铁作阳极，镀件作阴极，溶液中含有亚铁离子 D．锌作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子 ‎【答案】A ‎【解析】在铁制品上镀锌，即要求锌作阳极，镀件铁为阴极，电解质溶液中含锌离子。阳极Zn放电生成Zn2+进入溶液补充由于在阴极放电而消耗的Zn2+，Zn2+在阳极铁（镀件）上析出。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】若在铁片上镀铜，以下叙述中错误的是（ ） 　　A．可把铁片与电源的正极相连 　　B．电解质必须用含有铜离子的可溶性盐 　　C．铜极发生氧化反应 　　D．铁极的电极反应式为Cu2++2e－=Cu 【答案】A 类型四：冶炼活泼金属 例4．金属冶炼和处理常涉及氧化还原反应。‎ ‎(1)由下列物质冶炼相应金属时采用电解法的是 。‎ a．Fe2O3 b．NaCl c．Cu2S d．Al2O3‎ ‎(2)辉铜矿(Cu2S)可发生反应2Cu2S＋2H2SO4＋5O2＝4CuSO4＋2H2O，该反应的还原剂是 ，当1molO2发生反应时，还原剂所失电子的物质的量为 mol。向CuSO4溶液中加入镁条时有气体生成，该气体是 。‎ ‎(3)右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 。‎ ‎(4)为处理银器表面的黑斑(Ag2S)，将银器置于铝制容器里的食盐水中并与铝接触，Ag2S转化为Ag，食盐水的作用是 。‎ ‎【答案】(1)b、d ‎(2)Cu2S；4；氢气 ‎(3)a；2H＋＋NO3－＋e－→NO2↑＋H2O ‎(4)做电解质溶液(或导电)‎ ‎【解析】(1)活泼金属的冶炼常采用电解法，故选b、d。‎ ‎(2)反应过程中Cu2S中铜元素和硫元素化合价均升高，Cu2S为还原剂，1molCu2S共失去10mol电子，1molO2发生反应消耗molCu2S，转移4mol电子；CuSO4水解使溶液显酸性，加入镁条可生成H2。‎ ‎(3)电解精炼银，粗银做阳极，阴极发生还原反应，NO3－在酸性条件下得电子生成NO2。‎ ‎(4)本题中处理银器表面Ag2S的方法是利用原电池原理，Ag2S得电子转化成Ag，食盐水做电解质溶液形成闭合回路。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】铝和氢氧化钾都是重要的工业产品。请回答：‎ ‎ （1）工业冶炼铝的化学方程式是________。‎ ‎ （2）铝与氢氧化钾溶液反应的离子方程式是________‎ ‎ （3）工业品氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸根杂质，可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜（只允许阳离子通过），其工作原理如图所示。‎ ‎ ‎ ‎ ①该电解槽的阳极反应式是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。‎ ‎ ②通电开始后，阴极附近溶液pH会增大，请简述原因_______‎ ‎ ③除去杂质后的氢氧化钾溶液从液体出口________（填“A”或“B”）导出。‎ ‎【答案】（1）2Al2O34Al+3O2↑‎ ‎ （2）2Al+2OH－+2H2O==2AlO2－+3H2↑‎ ‎ （3）①4OH－－4e－==2H2O+O2↑ ②H+放电，促进水的电离，OH－浓度增大 ③B ‎【解析】离子交换膜法电解提纯KOH时，阳极反应为：4OH－－4e－==2H2O+O2↑，阴极反应为：4H2O+4e－==4OH－+2H2↑。电解过程中阳极附近的K+通过阳离子交换膜向阴极移动，含氧酸根离子不能通过离子交换膜。一段时间后，阴极附近K+、OH－浓度变大，从B处（阴极区）得到溶液蒸发结晶后可得较纯净的KOH。‎ 离子交换膜电解槽的导电原理是：（1）在外电路导线内通过自由电子的定向移动导电；（2）在两极上分别发生氧化（失e－）、还原（得e－）反应导电；（3）在电解质溶液中通过阳离子（阳离子交换膜）定向移动导电。‎