新蘇教版高中化學(xué)選擇性必修1學(xué)案：1.2.5 電解原理的應(yīng)用

新蘇教版高中化學(xué)選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》PAGEPAGE1第5課時(shí)電解原理的應(yīng)用[核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)]1.變化觀念與平衡思想：通過對(duì)氯堿工業(yè)、電鍍、銅的電解精煉等原理的分析，認(rèn)識(shí)電能與化學(xué)能之間的能量轉(zhuǎn)化。2.證據(jù)推理與模型認(rèn)知：建立電解應(yīng)用問題的分析思維模型和電解相關(guān)計(jì)算的思維模型，加深對(duì)電解原理的理解和應(yīng)用。一、氯堿工業(yè)1．氯堿工業(yè)概念用電解飽和食鹽水的方法來制取氫氧化鈉、氫氣和氯氣，并以它們?yōu)樵仙a(chǎn)一系列化工產(chǎn)品的工業(yè)，稱為氯堿工業(yè)。2．氯堿工業(yè)原理(1)通電前，氯化鈉溶液中含有四種自由移動(dòng)的離子，它們是Na＋、Cl－、H＋、OH－。(2)通電時(shí)，移向陽極的離子是Cl－、OH－，Cl－在陽極放電，移向陰極的離子是Na＋、H＋，H＋在陰極放電，因H＋放電，使陰極區(qū)溶液呈堿性。①電解飽和食鹽水的原理示意圖②陽離子交換膜的作用：只允許Na＋等陽離子通過，不允許Cl－、OH－等陰離子及氣體分子通過，可以防止陰極產(chǎn)生的氫氣與陽極產(chǎn)生的氯氣混合發(fā)生爆炸，也能避免氯氣與陰極產(chǎn)生的氫氧化鈉反應(yīng)而影響氫氧化鈉的產(chǎn)量和質(zhì)量。(3)電極反應(yīng)式和總反應(yīng)方程式①陽極：2Cl－－2e－=Cl2↑；陰極：2H＋＋2e－=H2↑。②總反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通電))H2↑＋Cl2↑＋2NaOH；總反應(yīng)的離子方程式為2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通電))H2↑＋Cl2↑＋2OH－。(1)電解飽和食鹽水時(shí)，陰極發(fā)生氧化反應(yīng)：2Cl－－2e－=Cl2↑()(2)氯堿工業(yè)電解槽中滴入酚酞溶液，變紅色的為陽極區(qū)()(3)電解飽和食鹽水時(shí)，陽極和陰極都可以選擇金屬材料(如鐵)()(4)電解飽和NaCl溶液可以制取金屬鈉()(5)利用電解飽和食鹽水可制得“84”消毒液()答案(1)×(2)×(3)×(4)×(5)√按如圖所示安裝儀器，電極材料為石墨，電解質(zhì)溶液為飽和食鹽水(同時(shí)滴入幾滴酚酞)。(1)實(shí)驗(yàn)所用的電極材料為石墨，能否更換為活潑金屬材料？提示陰極可以更換為活潑金屬材料，但不能更換為金屬鋁等可以與強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)的金屬材料；陽極必須用惰性電極。(2)用惰性電極電解飽和食鹽水的過程中，收集到的Cl2的體積一般小于H2的體積，請(qǐng)分析原因。提示Cl2在水中的溶解度比H2大，且Cl2會(huì)與電解產(chǎn)生的NaOH反應(yīng)而被消耗。(3)接通電源后，哪個(gè)電極附近的顏色發(fā)生了變化？為什么？提示接通電源后，陰極區(qū)溶液變紅色。原因：H2O電離出的H＋放電，使c(OH－)增大，即陰極區(qū)產(chǎn)生堿，使溶液變紅色。(4)若用這種裝置進(jìn)行氯堿工業(yè)生產(chǎn)有什么缺點(diǎn)？如何改進(jìn)？提示該裝置的缺點(diǎn)是電解產(chǎn)物之間能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如NaOH溶液和Cl2能反應(yīng)生成NaClO，H2和Cl2混合遇火能發(fā)生爆炸。在工業(yè)生產(chǎn)中，為避免這幾種產(chǎn)物混合，需要使反應(yīng)在特殊的電解槽中進(jìn)行。工業(yè)上在陰極區(qū)和陽極區(qū)之間設(shè)置一個(gè)陽離子交換膜，阻止OH－向陽極區(qū)移動(dòng)，使氯氣與氫氧化鈉不能發(fā)生反應(yīng)，從而制得燒堿、氯氣和氫氣。1．工業(yè)電解飽和食鹽水制燒堿時(shí)需阻止OH－移向陽極，目前采用陽離子交換膜將兩極溶液分開(如圖)(F處加少量NaOH以增加溶液導(dǎo)電性)。(1)C、D分別是直流電源的兩電極，C是電源__________________極，D是電源________極。(2)電解一段時(shí)間后，________由A口導(dǎo)出，___________由B口導(dǎo)出。陰極附近堿性增強(qiáng)的原因是__________________________(用電極反應(yīng)式表示)。(3)若不采用陽離子交換膜，OH－向陽極移動(dòng)，發(fā)生的反應(yīng)可用離子方程式表示為____________________________________________________________。答案(1)負(fù)正(2)Cl2H22H＋＋2e－=H2↑(3)Cl2＋2OH－=Cl－＋ClO－＋H2O解析(1)陽離子向陰極移動(dòng)，由Na＋移動(dòng)方向知右側(cè)電極為陰極，C、D分別是直流電源的兩電極，故C是電源負(fù)極，D是電源正極。(2)電解一段時(shí)間后，左側(cè)電極產(chǎn)生Cl2，右側(cè)電極產(chǎn)生H2和NaOH，可知Cl2從A口導(dǎo)出，H2從B口導(dǎo)出；由于陰極附近發(fā)生的是電解水的反應(yīng)，產(chǎn)生的H＋不斷形成氫氣析出，導(dǎo)致溶液中OH－濃度增大，堿性增強(qiáng)，用電極反應(yīng)式表示為2H＋＋2e－=H2↑。(3)若不采用陽離子交換膜，OH－向陽極移動(dòng)，與Cl2發(fā)生反應(yīng)，離子方程式表示為Cl2＋2OH－=Cl－＋ClO－＋H2O。2.在新冠肺炎疫情期間，“84”消毒液是環(huán)境消毒液之一。某學(xué)生想制作一種家用環(huán)保型消毒液發(fā)生器，用石墨作電極電解飽和食鹽水，通電時(shí)，為使Cl2被完全吸收制得有較強(qiáng)殺菌能力的消毒液，設(shè)計(jì)了如圖所示的裝置。c、d都為石墨電極。完成下列填空：(1)a為電源的________(填“正”“負(fù)”“陰”或“陽”，下同)極，c為電解池的________極。(2)d電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式：_______________________________________，電解產(chǎn)生消毒液的總化學(xué)方程式為________________________________________。答案(1)負(fù)陽(2)2H＋＋2e－=H2↑NaCl＋H2Oeq\o(=,\s\up7(通電))NaClO＋H2↑解析電解飽和食鹽水的化學(xué)方程式為2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通電))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，該學(xué)生的目的是使Cl2被完全吸收制得NaClO溶液，即要讓Cl2與NaOH溶液充分混合反應(yīng)。所以應(yīng)在下端產(chǎn)生Cl2，上端產(chǎn)生NaOH，則a為負(fù)極，b為正極，c為陽極，d為陰極，Cl2和NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)：Cl2＋2NaOH=NaCl＋NaClO＋H2O，故電解產(chǎn)生消毒液的總化學(xué)方程式為NaCl＋H2Oeq\o(=,\s\up7(通電))NaClO＋H2↑。在氯堿工業(yè)中，采用了離子交換膜，離子交換膜將電解槽隔成陰極室和陽極室，它只允許陽離子Na＋通過，而且阻止陰離子Cl－、OH－和氣體通過。這樣既能防止陰極產(chǎn)生的H2和陽極產(chǎn)生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH作用生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)量和產(chǎn)量。二、銅的電解精煉電鍍1．銅的電解精煉(1)裝置(2)粗銅成分①主要成分：Cu。②雜質(zhì)金屬：比銅活潑的有Zn等，不如銅活潑的有Ag、Au等。(3)電極反應(yīng)2．電鍍(1)概念：應(yīng)用電解原理在某些金屬或其他材料制品表面鍍上一薄層其他金屬或合金的過程。電鍍除了提升美觀和增加表面硬度之外，更主要的目的是增強(qiáng)材料的抗腐蝕能力，防止金屬氧化等。(2)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)：鐵釘鍍鋅根據(jù)電解原理，設(shè)計(jì)在鐵釘上鍍鋅的實(shí)驗(yàn)方案。電解原理陽極：Zn－2e－=Zn2＋，陰極：Zn2＋＋2e－=Zn電鍍方案電極材料陽極：鋅片，陰極：鐵釘電鍍液ZnCl2溶液鍍件鐵釘(3)某電鍍銀實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。請(qǐng)回答下列問題：①銀為鍍層金屬，與直流電源的正極相連，作陽極；待鍍金屬制品與直流電源的負(fù)極相連，作陰極；含銀離子的溶液為電鍍液，含有鍍層金屬離子。②陽極反應(yīng)式為Ag－e－=Ag＋；陰極反應(yīng)式為Ag＋＋e－=Ag。③可觀察到的現(xiàn)象是待鍍金屬制品表面鍍上一層光亮的銀，銀不斷溶解。④含銀離子的溶液濃度的變化是不變。(4)電鍍的特點(diǎn)是陽極參與電極反應(yīng)，電鍍過程中相關(guān)離子的濃度、溶液pH等保持不變。(1)在Fe上鍍Ag，應(yīng)用Fe作陽極，Ag作陰極，用AgNO3溶液作電鍍液()(2)電解精煉銅和電鍍銅，電解質(zhì)溶液中的c(Cu2＋)均保持不變()(3)在鍍件上電鍍銅時(shí)，鍍件應(yīng)連接電源的正極()(4)電解精煉銅時(shí)，陽極泥可以作為提煉貴重金屬的原料()(5)電解精煉銅和電鍍銅過程中，陽極質(zhì)量的減少與陰極質(zhì)量的增加都相等()答案(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×1．在鐵上鍍鋅時(shí)，溶液中的陽離子有兩種，為什么在陰極是鋅離子得電子而不是氫離子得電子被還原？提示因?yàn)殇\離子濃度遠(yuǎn)大于氫離子濃度，所以是鋅離子得電子。2．構(gòu)成電鍍池的條件是什么？提示①鍍層金屬與直流電源的正極相連，作陽極；②待鍍金屬制品與直流電源的負(fù)極相連，作陰極；③用含有鍍層金屬離子的電解質(zhì)溶液作電鍍液；④形成閉合回路。3．電鍍的兩個(gè)主要特點(diǎn)是什么？提示①陽極本身參與電極反應(yīng)；②電鍍過程中相關(guān)離子的濃度、溶液pH等保持不變。4．電解精煉銅的過程中，溶液中Cu2＋的濃度如何變化？提示電解精煉銅的過程中，陽極上金屬銅和比銅活潑的金屬雜質(zhì)(如鋅等)轉(zhuǎn)化為陽離子進(jìn)入溶液，陰極上只發(fā)生反應(yīng)：Cu2＋＋2e－=Cu，電解精煉過程中電解質(zhì)溶液中Cu2＋的濃度減小。1．欲在金屬表面鍍銀，應(yīng)把鍍件掛在電鍍池的陰極。下列各組中，選用的陽極金屬和電鍍液均正確的是()A．Ag和AgCl溶液 B．Ag和AgNO3溶液C．Pt和Ag2CO3溶液 D．Pt和Ag2SO4溶液答案B解析在金屬表面鍍銀，應(yīng)把鍍件掛在電鍍池的陰極，鍍層金屬銀作陽極，電鍍液是含有銀離子的溶液，AgCl溶解度太小，不適合作電鍍液，硝酸銀溶液滿足條件，故B正確。2．金屬鎳有廣泛的用途。粗鎳中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等雜質(zhì)，可用電解法制備高純度的鎳。電解時(shí)，下列有關(guān)敘述正確的是(已知氧化性：Fe2＋＜Ni2＋＜Cu2＋)()A．陽極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式：Ni2＋＋2e－=NiB．電解過程中，陽極減少的質(zhì)量與陰極增加的質(zhì)量相等C．電解后，電解槽底部的陽極泥中主要有Cu和PtD．電解后，溶液中存在的金屬陽離子只有Fe2＋和Zn2＋答案C解析根據(jù)電解原理，陽極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，故A錯(cuò)誤；粗鎳作陽極，根據(jù)金屬活動(dòng)性順序，金屬活動(dòng)性強(qiáng)的先放電，因此陽極發(fā)生反應(yīng)：Zn－2e－=Zn2＋、Fe－2e－=Fe2＋、Ni－2e－=Ni2＋，陰極發(fā)生反應(yīng)：Ni2＋＋2e－=Ni，因此電解過程中陽極減少的質(zhì)量與陰極增加的質(zhì)量不相等，故B錯(cuò)誤；根據(jù)相應(yīng)離子的氧化性強(qiáng)弱順序，推出Ni比Cu活潑，Ni放電，Cu不放電，陽極泥中主要有Cu和Pt，故C正確；精煉時(shí)，電解液中含有Ni2＋，因此電解后溶液中存在的金屬陽離子除Fe2＋、Zn2＋外，還有Ni2＋，故D錯(cuò)誤。3.如圖所示，甲、乙為相互串聯(lián)的兩個(gè)電解池。(1)甲池若為電解精煉銅的裝置，則A極為________極，電極材料是________，電極反應(yīng)式為_______________________________________，電解質(zhì)溶液可以是____________。(2)乙池中鐵極的電極反應(yīng)為__________________________。(3)若將乙池中的石墨電極改為銀電極，則乙池為________裝置，電解一段時(shí)間后，電解質(zhì)溶液的濃度________。答案(1)陰純銅Cu2＋＋2e－=CuCuSO4溶液(答案合理即可)(2)Ag＋＋e－=Ag(3)電鍍不變解析(1)由題圖可知，甲池中A極為陰極，B極為陽極，在電