新教材適用2024-2025學(xué)年高中化學(xué)第4章化學(xué)反應(yīng)與電能第2節(jié)電解池第2課時電解原理的應(yīng)用學(xué)案新人教版選擇性必修1

第2課時電解原理的應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解電解原理在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。2．相識電解在實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和儲存能量中的詳細(xì)應(yīng)用。核心素養(yǎng)1．通過對氯堿工業(yè)、電鍍、電解精煉銅、電冶金等原理的分析，培育變更觀念與平衡思想。2．建立電解應(yīng)用問題的分析思維模型，培育證據(jù)推理與模型認(rèn)知的實(shí)力。電鍍的妙用電鍍在工業(yè)上的應(yīng)用已經(jīng)遍及國民經(jīng)濟(jì)各個生產(chǎn)領(lǐng)域中，如機(jī)械制造、無線電通訊、交通運(yùn)輸及輕工業(yè)系統(tǒng)，這些工業(yè)系統(tǒng)中運(yùn)用金屬鍍層的目的是多種多樣的。其中應(yīng)用最多的是為了防止金屬制品及其組合件的腐蝕。例如，一輛解放牌載重汽車上，零部件的受鍍面積可達(dá)10m2左右，其主要目的是防止金屬銹蝕。一些產(chǎn)品運(yùn)用金屬鍍層則具有防護(hù)和裝飾的雙重目的，像自行車、鐘表等。在一些特殊狀況下，電鍍金屬層則是為了給予制品肯定的物理、機(jī)械性能，如增加金屬表面反光實(shí)力、提高表面導(dǎo)電實(shí)力、增加抗磨損實(shí)力、提高金屬的穩(wěn)定性等。讓我們走進(jìn)教材，一起學(xué)習(xí)電解原理的應(yīng)用。

新知預(yù)習(xí)一、氯堿工業(yè)1．概念：用電解_飽和氯化鈉溶液__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．原理：(1)陽極反應(yīng)：2Cl－－2e－=Cl2↑(_氧化__反應(yīng))(2)陰極反應(yīng)：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－(_還原__反應(yīng))(3)總反應(yīng)：①化學(xué)方程式：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。②離子方程式：2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑。二、電鍍1．概念：應(yīng)用_電解__原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他_金屬__或合金的加工工藝。2．目的：使金屬增加_抗腐蝕__實(shí)力，增加美觀度和表面硬度。3．實(shí)例(在鐵件上鍍銅)。材料電極反應(yīng)式陰極_Fe__Cu2＋＋2e－=Cu陽極_Cu__Cu－2e－=Cu2＋電解質(zhì)溶液_CuSO4__溶液三、電解精煉銅1．概念：粗銅中往往含有鐵、鋅、銀、金等多種雜質(zhì)，常用電解的方法進(jìn)行精煉。電解池的構(gòu)成是用_粗銅__作陽極，用_純銅__作陰極，用_硫酸銅溶液__作電解質(zhì)溶液。2．原理：粗銅中比銅活潑的金屬_鋅、鐵__等，失去電子形成陽離子而溶解(殘留在溶液中)；比銅不活潑的金屬_銀、金__等，以金屬單質(zhì)的形式沉積在電解槽的底部(形成陽極泥)；粗銅中的銅在純銅上析出。四、電冶金1．金屬冶煉的本質(zhì)：使礦石中的_金屬離子__獲得電子變成金屬單質(zhì)的過程。如Mn＋＋ne－=M。2．電冶金：電解是最強(qiáng)有力的氧化還原手段，適用于一些_活潑金屬__單質(zhì)的制取，如冶煉鈉、鈣、鎂、鋁等活潑金屬?？偡匠淌疥枠O、陰極反應(yīng)式冶煉鈉2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑2Cl－－2e－=Cl2↑，2Na＋＋2e－=2Na冶煉鎂MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑2Cl－－2e－=Cl2↑，Mg2＋＋2e－=Mg冶煉鋁2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up17(電解),\s\do15(冰晶石))4Al＋3O2↑6O2－－12e－=3O2↑，4Al3＋＋12e－=4Al預(yù)習(xí)自測1．關(guān)于用惰性電極電解NaCl水溶液，下列敘述正確的是(B)A．若在陰極旁邊的溶液中滴入石蕊試液，溶液呈無色B．若在陽極旁邊的溶液中滴入KI溶液，溶液呈棕色C．電解時在陽極得到氯氣，在陰極得到金屬鈉D．電解一段時間后，將全部電解液轉(zhuǎn)移到燒杯中，充分?jǐn)嚢韬笕芤撼手行越馕觯弘娊馐雏}水時發(fā)生的反應(yīng)：陽極：2Cl－－2e－=Cl2，陰極：2H2O＋2e－=H2＋2OH－(或2H＋＋2e－=H2)，總反應(yīng)：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。陰極顯堿性，滴入石蕊溶液變藍(lán)，A錯誤；陽極旁邊的溶液中會溶有少量的Cl2，滴加KI溶液后發(fā)生反應(yīng)：Cl2＋2I－=I2＋2Cl－，溶液呈棕色，B正確；陰極上是H2O電離產(chǎn)生的H＋放電產(chǎn)生H2，不是Na＋放電生成鈉，C錯誤；電解后生成NaOH溶液呈堿性，D錯誤。2．關(guān)于鍍銅和電解精煉銅，下列說法中正確的是(D)A．都用粗銅作陽極、純銅作陰極B．電解液的成分都保持不變C．陽極反應(yīng)都只有Cu－2e－=Cu2＋D．陰極反應(yīng)都只有Cu2＋＋2e－=Cu解析：A項(xiàng)，電鍍時鍍件作陰極；B項(xiàng)，電解精煉銅時電解液成分變更；電解精煉銅時，雜質(zhì)若有比銅活潑的金屬(如鋅)，則陽極還會發(fā)生Zn－2e－=Zn2＋的反應(yīng)。3．中學(xué)階段介紹的應(yīng)用電解法制備的金屬主要有鈉、鎂、鋁。下列關(guān)于這三種金屬工業(yè)制備方法的說法正確的是(D)A．電解法制金屬鈉的陽極反應(yīng)式：Na＋＋e－=NaB．工業(yè)上電解氯化鋁生產(chǎn)鋁，陰極反應(yīng)式：Al3＋＋3e－=AlC．工業(yè)上電解氯化鎂溶液生產(chǎn)鎂，陽極反應(yīng)式：2Cl－－2e－=Cl2↑D．金屬鈉的冶煉和氯堿工業(yè)都用到了NaCl，在電解時它們的陽極都是Cl－失電子解析：電解法制金屬鈉時，陽極反應(yīng)式為2Cl－－2e－=Cl2↑，陰極反應(yīng)式為Na＋＋e－=Na，A項(xiàng)錯誤；工業(yè)上電解熔融Al2O3生產(chǎn)鋁，B項(xiàng)錯誤；工業(yè)上電解熔融氯化鎂生產(chǎn)鎂，C項(xiàng)錯誤。學(xué)問點(diǎn)1電解原理的應(yīng)用問題探究：1．氯堿工業(yè)中陰極產(chǎn)物是什么？2．粗銅中含有鋅、鐵、鎳、銀金屬雜質(zhì)，在精煉銅的過程中，雜質(zhì)金屬為什么不在陰極析出？精煉銅的過程中溶液中Cu2＋的濃度是否有變更？3．工業(yè)上冶煉鎂為什么用MgCl2而不運(yùn)用MgO?探究提示：1．H2、NaOH。陰極消耗H＋，產(chǎn)生H2，同時生成NaOH。2．因氧化性Cu2＋大于Fe2＋、Zn2＋、Ni2＋，故在陰極上Cu2＋得到電子析出單質(zhì)銅，電解精煉銅時，溶液中Cu2＋的濃度減小。3．MgO的熔點(diǎn)高，MgCl2的熔點(diǎn)低，若用MgO則消耗更多的能量。學(xué)問歸納總結(jié)：1．氯堿工業(yè)：(1)裝置圖及原理說明。當(dāng)接通電源后，在電場的作用下，帶負(fù)電荷的Cl－和OH－移向陽極，帶正電荷的Na＋和H＋移向陰極，在這種條件下，電極上發(fā)生的反應(yīng)分別為陽極：2Cl－－2e－=Cl2↑陰極：2H＋＋2e－=H2↑隨著電解的不斷進(jìn)行，陰極區(qū)溶液的OH－濃度越來越大，并生成NaOH，電解飽和食鹽水的總反應(yīng)為2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。(2)電解飽和食鹽水時的兩留意。①電解飽和食鹽水的過程中，H＋在陰極上得電子而生成H2，因水電離產(chǎn)生的H＋與OH－數(shù)目相等，消耗了H＋后，使陰極區(qū)溶液中c(OH－)>c(H＋)，所以陰極區(qū)溶液呈堿性。②在氯堿工業(yè)中，采納了陽離子交換膜，陽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，而阻擋陰離子(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，又能避開Cl2和NaOH作用生成NaCl和NaClO而影響燒堿的質(zhì)量。2．電鍍池與電解精煉池的區(qū)分與聯(lián)系：電鍍池電解精煉池定義應(yīng)用電解原理在某些金屬表面鍍上一層其他金屬或合金的裝置利用電解原理提純金屬的裝置裝置舉例形成條件①鍍層金屬作陽極接直流電源正極，鍍件接直流電源負(fù)極，作陰極②電鍍液必需是含有鍍層金屬離子的鹽溶液③形成閉合回路①不純金屬作陽極，純金屬作陰極②含該金屬離子的可溶鹽溶液作電解質(zhì)溶液③直流電源④形成閉合回路電極反應(yīng)(以鐵上鍍鋅為例)陽極：Zn－2e－=Zn2＋陰極：Zn2＋＋2e－=Zn(以精煉銅為例)陽極：Cu(粗銅)－2e－=Cu2＋(主要)陰極：Cu2＋＋2e－=Cu(精銅)聯(lián)系電鍍池和電解精煉池是特定條件下的電解池提示：電鍍的特點(diǎn)是“一多、一少、一不變”：一多是指陰極上有鍍層金屬沉積，一少是指陽極上有鍍層金屬溶解，一不變是指電解質(zhì)溶液的濃度不變。3．電冶金：(1)電解法用于冶煉較活潑的金屬(如鈉、鈣、鎂、鋁等)。(2)電解法冶煉較活潑金屬，不能電解其鹽溶液，因?yàn)榻饘匐x子的放電實(shí)力小于氫離子的放電實(shí)力，而應(yīng)電解其熔融態(tài)化合物。(3)電解法冶煉金屬鎂時，選擇氯化鎂，而不是氧化鎂，是因?yàn)檠趸V的熔點(diǎn)高，耗能大。(4)電解法冶煉金屬鋁時，選擇氧化鋁，而不是氯化鋁，是因?yàn)槁然X為共價化合物，熔融時不導(dǎo)電。(5)電解法冶煉金屬鋁時，由于氧化鋁熔點(diǎn)高，為了削減能耗，常加入冰晶石(Na3AlF6)，降低氧化鋁的熔化溫度。典例1試驗(yàn)室模擬工業(yè)制備高純鐵。用惰性電極電解FeSO4溶液制備高純鐵的原理如圖所示。下列說法正確的是(D)A．陽極主要發(fā)生反應(yīng)：Fe2＋＋2e－=FeB．向陰極旁邊滴加KSCN溶液，溶液變紅C．電解一段時間后，陰極旁邊pH減小D．電解法制備高純鐵總反應(yīng)：3Fe2＋Fe＋2Fe3＋解析：陽極上Fe2＋放電生成Fe3＋，電極反應(yīng)式為2Fe2＋－2e－=2Fe3＋，故A錯誤；陰極是Fe2＋得電子生成Fe，沒有Fe3＋生成，向陰極旁邊滴加KSCN溶液，溶液不會變紅，故B錯誤；陰極上發(fā)生Fe2＋＋2e－=Fe，F(xiàn)e2＋濃度減小，水解生成的氫離子濃度減小，則pH增大，故C錯誤；陰極上發(fā)生Fe2＋＋2e－=Fe，陽極上發(fā)生2Fe2＋－2e－=2Fe3＋，電解總反應(yīng)為3Fe2＋Fe＋2Fe3＋，故D正確。變式訓(xùn)練?科研工作者利用如圖所示裝置除去廢水中的尿素[CO(NH2)2]。下列說法錯誤的是(B)A．b為直流電源的負(fù)極B．工作時，廢水中NaCl的濃度保持不變C．工作時，H＋由M極區(qū)通過質(zhì)子交換膜移向N極區(qū)D．若導(dǎo)線中通過6mol電子，理論上生成1molN2解析：由圖知，N極區(qū)生成H2，N極作陰極，故b為直流電源的負(fù)極，A項(xiàng)正確；工作時，陽極區(qū)的反應(yīng)為6Cl－－6e－=3Cl2↑、3Cl2＋CO(NH2)2＋H2O=6Cl－＋6H＋＋CO2＋N2，因消耗水而使廢水中NaCl的濃度增大，B項(xiàng)錯誤；工作時，H＋由M極區(qū)通過質(zhì)子交換膜移向N極區(qū)，C項(xiàng)正確；由陽極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)知，若導(dǎo)線中通過6mol電子，理論上生成1molN2，D項(xiàng)正確。學(xué)問點(diǎn)2電解的有關(guān)計算問題探究：1．已知一個電子的電量是1.602×10－19C，用裝置電解飽和食鹽水，當(dāng)電路中通過1.929×105C的電量時，生成NaOH的質(zhì)量是多少？2．把兩個惰性電極插入500mLAgNO3溶液中，通電電解。當(dāng)電解液的pH從6.0變?yōu)?.0時(設(shè)電解時陰極沒有氫氣析出，且電解液在電解前后體積變更可以忽視)，電極上應(yīng)析出銀的質(zhì)量是多少？探究提示：1．80g。一個電子的電量是1.602×10－19C，當(dāng)電路中通過1.929×105C的電量時，電子的個數(shù)為eq\f(1.929×105C,1.602×10－19C)＝1.204×1024，電子的物質(zhì)的量為eq\f(1.204×1024,6.02×1023mol－1)＝2mol，依據(jù)轉(zhuǎn)移電子和氫氧化鈉的關(guān)系式2NaOH～2e－得NaOH的質(zhì)量為eq\f(2mol,2)×2×40g·mol－1＝80g。2．54mg。由得失電子守恒知，e－～OH－～H＋～Ag，所以n(Ag)＝n(H＋)。AgNO3溶液電解后產(chǎn)生酸，產(chǎn)生的H＋的物質(zhì)的量可由pH差來計算：pH從6.0變?yōu)?.0，即c(H＋)≈10－3mol·L－1，所以n(Ag)＝n(H＋)＝10－3mol·L－1×0.5L＝5×10－4mol，m(Ag)＝n(Ag)×M＝5×10－4mol×108g·mol－1＝0.054g＝54mg。學(xué)問歸納總結(jié)：1．三個計算原則：(1)陽極失去的電子數(shù)等于陰極得到的電子數(shù)。(2)串聯(lián)電池中各電極上轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目相等。(3)電源輸出的電子總數(shù)和電解池中各電極上轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目相等。2．四種常見計算類型：(1)兩極產(chǎn)物的定量計算。(2)溶液pH的計算[pH＝－lgc(H＋)]。(3)相對原子質(zhì)量的計算和阿伏加德羅常數(shù)的值的測定。(4)依據(jù)轉(zhuǎn)移電子的量求產(chǎn)物的量或依據(jù)產(chǎn)物的量求轉(zhuǎn)移電子的量。3．三種常見計算方法：之間的關(guān)系，得出計算所需的關(guān)系式如以通過4mole－為橋梁可構(gòu)建如下關(guān)系式：4e－～2Cl2(Br2、I2)～O2～2H2～2Cu～4Ag～eq\f(4,n)M陽極產(chǎn)物陰極產(chǎn)物(式中M為金屬，n為其離子的化合價數(shù)值)典例2如圖所示，若電解5min時，測得銅電極的質(zhì)量增加2.16g。試回答：(1)電源中X極是_負(fù)__(填“正”或“負(fù)”)極。(2)通電5min時，B中共收集到224mL(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)氣體，溶液體積為200mL(電解前后溶液的體積變更忽視不計)，則通電前c(CuSO4)＝_0.025_mol·L－1__。(3)若A中KCl溶液的體積也是200mL，電解后溶液中仍有Cl－，則電解后溶液的pH為_13__。(Kw＝1.0×10－14)解析：(1)銅極增重，說明銀在銅極上析出，則銅極為陰極，X為負(fù)極。(2)C中銅極增重2.16g，即析出0.02molAg，線路中通過0.02mol電子。由4e－～O2，可知B中產(chǎn)生的O2只有0.005mol，即112mL。但B中共收集到224mL氣體，說明還有112mL氣體是H2，即Cu2＋全部在陰極放電后，H＋接著得0.01mol電子產(chǎn)生了112mLH2，則通過0.01mol電子時，Cu2＋已完全被還原。由2e－～Cu，可知n(Cu2＋)＝0.005mol，則c(CuSO4)＝eq\f(0.005mol,0.2L)＝0.025mol·L－1。(3)由2e－～2OH－知，A中生成0.02molOH－，則c(OH－)＝0.1mol·L－1，c(H＋)＝eq\f(1.0×10－14,0.1)mol·L－1＝1.0×10－13mol·L－1，pH＝13。規(guī)律方法指導(dǎo)：解答與電解有關(guān)的計算題的基本步驟(1)正確書寫電極反應(yīng)式(要特殊留意陽極材料)。(2)當(dāng)溶液中有多種離子共存時，先要依據(jù)離子放電依次確定離子放電的先后。(3)依據(jù)得失電子守恒進(jìn)行相關(guān)計算。變式訓(xùn)練?400mLKNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NOeq\o\al(－,3))＝0.6mol·L－1，用石墨作電極電解此溶液，當(dāng)通電一段時間后，兩極均收集到2.24L氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，假定電解后溶液體積仍為400mL，下列說法正確的是(A)A．原混合溶液中c(K＋)為0.1mol·L－1B．上述電解過程中共轉(zhuǎn)移0.2mol電子C．電解得到的Cu的物質(zhì)的量為0.05molD．電解后溶液中c(H＋)為0.2mol·L－1解析：電解硝酸鉀和硝酸銅混合溶液時，陽極上氫氧根離子放電生成氧氣：4OH－－4e－=2H2O＋O2↑，陰極上先銅離子放電生成銅單質(zhì)：Cu2＋＋2e－=Cu，當(dāng)銅離子完全析出時，氫離子放電生成氫氣：2H＋＋2e－=H2↑，兩極均收集到2.24L氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，氣體的物質(zhì)的量是0.1mol，每生成1mol氧氣轉(zhuǎn)移4mol電子，每生成1mol氫氣轉(zhuǎn)移2mol電子，每生成1mol銅轉(zhuǎn)移2mol電子，所以依據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒得銅的物質(zhì)的量是0.1mol，則銅離子的物質(zhì)的量濃度＝0.1mol/0.4L＝0.25mol·L－1，依據(jù)電荷守恒得鉀離子濃度＝0.6mol·L－1－0.25mol·L－1×2＝0.1mol·L－1，據(jù)此分析解答。據(jù)分析可知原混合溶液中c(K＋)為0.1mol·L－1，A正確；上述電解過程中共轉(zhuǎn)移0.4mol電子，B錯誤；電解得到的Cu的物質(zhì)的量為0.1mol，C錯誤；當(dāng)電解硝酸銅時溶液中生成H＋，當(dāng)電解硝酸鉀溶液時，事實(shí)上是電解水，所以電解后H＋的物質(zhì)的量為0.4mol－0.2mol＝0.2mol、c(H＋)＝eq\f(0.2mol,0.4L)＝0.5mol·L－1，D錯誤。電解規(guī)律(惰性電極)類型電極反應(yīng)特點(diǎn)實(shí)例電解對象電解質(zhì)濃度pH電解質(zhì)溶液復(fù)原電解水型陰：4H＋＋4e－=2H2↑陽：4OH－－4e－=2H2O＋O2↑NaOH水增大增大加水H2SO4水增大減小加水Na2SO4水增大不變加水電解電解質(zhì)型電解質(zhì)電離出的陰、陽離子分別在兩極放電HCl電解質(zhì)減小增大通入HCl氣體CuCl2電解質(zhì)減小—加入CuCl2固體放H2生堿型陰極：H2O放H2生堿陽極：陰離子放電NaCl電解質(zhì)和水生成新電解質(zhì)增大通入HCl氣體放O2生酸型陰極：陽離子放電陽極：H2O放O2生酸CuSO4電解質(zhì)和水生成新電解質(zhì)減小加入CuO學(xué)問點(diǎn)睛電解質(zhì)溶液復(fù)原(1)從元素角度分析，“缺什么，補(bǔ)什么”，如電解HCl溶液時產(chǎn)生H2、Cl2，需通入HCl氣體即可復(fù)原，但并不能加入鹽酸，因?yàn)辂}酸除含HCl外，還含H2O。(2)須要加入金屬氧化物復(fù)原的，加入對應(yīng)碳酸鹽也可復(fù)原。如：用石墨作電極電解CuSO4溶液一段時間后，加入氧化銅或碳酸銅即可復(fù)原，但不能加入氫氧化銅。1．如圖為陽離子交換膜法電解飽和食鹽水原理示意圖。下列說法正確的是(C)A．從E口逸出的氣體是Cl2B．每生成22.4LCl2，同時產(chǎn)生2molNaOHC．從B口加入含少量NaOH的水溶液以增加導(dǎo)電性D．依次用Na2CO3、NaOH、BaCl2、鹽酸等試劑除去粗鹽水中Ca2＋、Mg2＋、SOeq\o\al(2－,4)等離子解析：右邊是陰極區(qū)，發(fā)生2H＋＋2e－=H2↑，所以從E口逸出的氣體是H2，故A錯誤；每生成22.4LCl2，沒有指明溫度和壓強(qiáng)，故B錯誤；陰極生成OH－，且Na＋向陰極移動，陰極區(qū)生成NaOH，為增加導(dǎo)電性，則從B口加入稀NaOH(增加導(dǎo)電性)的水溶液，故C正確；粗鹽提純所加試劑的依次Na2CO3必需放在BaCl2的后面，故D錯誤。2．下列敘述正確的是(B)A．電鍍時，通常把待鍍的金屬制品作陽極B．氫氧燃料電池(酸性電解質(zhì))中O2通入正極，電極反應(yīng)為O2＋4H＋＋4e－=2H2OC．氯堿工業(yè)是電解熔融的NaCl，在陽極能得到Cl2D．電解熔融的氧化鋁制取金屬鋁，用鐵作陽極解析：電鍍時，通常把待鍍的金屬制品作陰極，鍍層金屬作陽極，故A錯誤；氫氧燃料電池(酸性電解質(zhì))中O2通入正極，由于是酸性環(huán)境，故電極反應(yīng)為O2＋4H＋＋4e－=2H2O，故B正確；氯堿工業(yè)是電解飽和NaCl溶液，在陽極能得到Cl2，陰極得到氫氣和氫氧化鈉，故C錯誤；鐵作陽極時，鐵將放電生成Fe2＋，起先時陰極還能析出少量鋁，后來就變成電鍍鐵了，同時用鐵作陽極，陽極放電的是金屬鐵，電極被