2020高中化学 电解原理的应用（提高）知识讲解学案 新人教版选修4

2020高中化学 电解原理的应用（提高）知识讲解学案 新人教版选修4

电解原理的应用 ‎【学习目标】‎ ‎1、了解电解在电镀、氯碱工业、电冶金方面的应用；‎ ‎2、通过探究活动，加强观察、分析、推理及归纳总结的能力。‎ ‎【要点梳理】‎ ‎【高清课堂：电解原理的应用#电解原理的应用】‎ 要点一、电解原理的应用 氯碱 工业 概念 电解饱和食盐水的方法制取NaOH、Cl2和H2，以它们为原料生产系列化工产品 电极反应 阳极：2Cl－－2e－＝Cl2↑ 阴极：2H++2e－＝H2↑‎ 总反应：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑‎ 方法 离子交换式 食盐水的精制 粗盐水精制食盐水 电镀 概念 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过程 电极材料 阳极：镀层金属 阴极：镀件 电镀液 含镀层金属离子的电解质溶液 电解 精炼铜 电极材料 阳极：粗铜 阴极：纯铜 电解质溶液 CuSO4溶液 电极反应 阳极：Cu－2e－＝Cu2+‎ 阴极：Cu2++2e－＝Cu 电冶 金属 概念 使用电解的方法使金属离子从其化合物中还原出来 Mn++ne－＝M 电冶钠 电解 反应 阳极：2Cl－－2e－＝Cl2↑‎ 阴极：2Na++2e－＝2Na 电冶铝 电解 反应 阳极：6O2－－12e－＝3O2↑‎ 阴极：4Al3++12e－＝4Al ‎ 要点诠释：（1）电解精炼铜，粗铜中含有的Zn、Fe、Ni等失去电子，变成金属阳离子进入溶液，Zn－2e－＝Zn2+、Fe－2e－＝Fe2+、Ni－2e－＝Ni2+，其他的杂质以阳极泥的形式沉积。‎ ‎ （2）电镀时，阳极（镀层金属）失去电子的数目跟阴极镀层金属离子得到电子的数目相等，因此电镀液的浓度保持不变。‎ ‎ （3）电解或电镀时，电极质量减少的电极必为金属电极（阳极），电极质量增加的电极必为阴极且溶液中的金属阳离子得电子变成金属吸附在阴极上。‎ ‎ （4）由于Al2O3熔点很高，电冶时加入冰晶石（Na3AlF6）以降低其熔点。‎ ‎ （5）离子交换膜法制烧碱 ‎ 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、电解槽框和导电铜棒等组成，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。‎ 5‎ ‎ ‎ ‎ ②阳离子交换膜的作用 ‎ 将电解槽隔成阴极室和阳极室，它只允许阳离子（Na+）通过，而阻止阴离子（Cl－、OH－）和气体通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。‎ 要点二、原电池和电解池的区别和联系 ‎【高清课堂：电解原理的应用#原电池和电解池的区别和联系】‎ 电子、溶液中离子流向： ‎ ‎【典型例题】‎ 类型一、电解原理的应用 ‎ 例1 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 ‎ 【思路点拨】本题考查电解精练，注意电解时装置的电极与外接电源相连接情况。电化学必然涉及到氧化还原，所以对氧化还原反应中的基本概念要熟练掌握。‎ ‎ 【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。‎ ‎【总结升华】单质的还原性（或氧化性）与对应阳离子（或阴离子）的氧化性（或还原性）相反，如本题氧化性Fe2+＜Ni2+＜Cu2+，则还原性Fe＞Ni＞Cu。‎ 5‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】下列关于铜电极的叙述正确的是（ ）。‎ ‎ A．铜锌原电池中铜是正极 ‎ B．用电解法精炼粗铜时，粗铜作阴极 ‎ C．在镀件上电镀铜时可用金属铜作阳极 D．电解稀硫酸制H2和O2时铜作阳极 ‎【答案】A、C 类型二、电化学内容的综合应用 ‎ 例2 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。‎ ‎ 【思路点拨】因为铝单质的性质活泼，所以只能通过电解氧化铝的方法冶炼铝。电解氢氧化钾溶液时，放电的是溶液中水电离出的氢离子和氢氧根离子。解答本题时，同样注意离子交换膜的作用。‎ ‎ 【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。‎ ‎【总结升华】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。‎ 例3 如图所示，若电解5 min时铜电极质量增加‎2.16 g，试回答： ‎ 5‎ ‎　 　　　　　　　　　　　　　 　　（1）电源电极Y名称为_____________。 　　（2）pH变化：A_____________，B_______________，C_______________。 　　（3）通过5 min时，B中共收集224 mL气体（标况），溶液体积为200 mL，则通电前硫酸铜溶液的物质的量浓度为______________。 　　（4）若A中KCl溶液的体积也是200 mL，电解后溶液的pH = __________。 【思路点拨】本题中各装置串联，即电解时会通过相同的电量，转移的电子数相同。分析各装置，再结合题意，银电极所连接的Y极应该是电源的正极，相同银电极上发生氧化反应。所以Y电极应该是电源的正极。‎ ‎【答案】（1）正极 　　（2）pH变大； pH变小； pH不变 　　（3）0.025mol/L 　　（4）pH=13. 　　【解析】（1）电源正负极的判断 　　根据电解过程中Cu电极上增重，判断出是Ag+放电：Ag++e－=Ag，Cu电极为阴极，Ag电极为阳极，与Ag电极相连的应是电源的正极 　　（2）三个电解池中的pH变化 　　A中：阴极：2H++2e－=H2↑　阳极：2Cl－－2e－=Cl2 　　　　　pH变大 　　B中：阴极；Cu2++2e－=Cu　 阳极：4OH－－4e－=O2↑+2H2O　　　pH变小 　　2H++2e－=H2↑ 　　C中：阴极：Ag++e－=Ag　　 阳极: Ag －e－= Ag+(注意Ag比OH－先放电)　 pH不变 　　（3）n(Ag)=n(e－)=‎2.16g/(‎108g·mol－1)=0.02mol 　　B中阳极　 4OH－ 　～　 4e－　　～　 O2↑  　　　　　　0.02mol　　0.02mol　　0.005mol 　　∴ n(H2)=0.01mol－0.005mol=0.005mol 　　　　　　　2H+　 ～　 2e－　　 ～　 H2↑ 　　　　　　0.01mol 　0.01mol　　0.005mol 　　又∵Cu2+放电在先，则有H2产生时Cu2+已经完全放电 　　∴　　 Cu2+　　～　 2e－ 　　　　　0.005mol 　0.02mol－0.01mol（根据电子守恒,阴极共转移电子0.02mol） 　　∴c(CuSO4)=n/V 　　　　　　　=0.005mol/‎0.2L 　　　　　　　=0.025mol/L 　　（4）根据A中电极反应，当转移0.02mol电子时，消耗H+0.02mol，促进了水的电离平衡正向移动，n(OH－)=0.02mol，c(OH－)=0.1mol/L，pH=13. 【总结升华】解答原电池与电解池时，注意电极名称的区分：正极、负极、阴极、阳极。分析题目时使用准确的化学用语。此外，对电解池中离子（电极）放电顺序有清晰认识。‎ 5‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】电解原理在化学工业中有广泛应用。右图表示一个电解池，装有电解液a；X、Y是两块电极板，通过导线与直流电源相连。请回答以下问题：‎ ‎ （1）若X、Y都是惰性电极，a是饱和NaCl溶液，实验开始时，同时在两边各滴入几滴酚酞试液，则：‎ ‎ ①电解池中X极上的电极反应式是________。在X极附近观察到的现象是________。‎ ‎ ②Y电极上的电极反应式是________，检验该电极反应产物的方法是________。‎ ‎ （2）如用电解方法精炼粗铜，电解液a选用CuSO4溶液，则：‎ ‎ ①X电极的材料是________，电极反应式是________。‎ ‎ ②Y电极的材料是________，电极反应式是________。‎ ‎　　【答案】（1）①2H++2e－＝H2↑ 放出气体，溶液变红 ‎②2Cl－－2e－＝Cl2↑ 把湿润的碘化钾淀粉试纸放在Y电极附近，试纸变蓝色 ‎（2）①纯铜 Cu2++2e－＝Cu ②粗铜 Cu－2e－＝Cu2+‎ ‎【变式2】根据以下电化学方程式，写出充、放电过程中的电极反应式：‎ 放电：‎ 负极： ‎ 正极： ‎ 充电：‎ 阳极： ‎ 阴极： ‎ ‎ 【答案】‎ 负极：Pb－2e－+SO42－=PbSO4‎ 正极：PbO2+2e－+4H++SO42－=PbSO4+2H2O 阳极：PbSO4+2e－=Pb+SO42－‎ 阴极：PbSO4－2e－+2H2O=PbO2+SO42－+4H+‎ 5‎