2024-2025學(xué)年高中化學(xué)第四章電化學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)第2課時(shí)電解原理的應(yīng)用學(xué)案新人教版選修4

PAGE12-第2課時(shí)電解原理的應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)核心素養(yǎng)1.了解電解在氯堿工業(yè)中的應(yīng)用。2．了解電解在電鍍、電解精煉及電冶金方面的應(yīng)用。1.變更觀念與平衡思想：了解一般電解池的缺點(diǎn)，進(jìn)一步理解帶有離子交換膜的電解池的好用性。2．科學(xué)看法與社會(huì)責(zé)任：依據(jù)生活和工業(yè)生產(chǎn)上的過(guò)程，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔的原電池或電解池，有致力于新型電池開(kāi)發(fā)的科學(xué)看法與社會(huì)責(zé)任。1．電解飽和食鹽水2．電鍍(1)定義：電鍍是應(yīng)用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他的金屬或合金的方法。(2)目的：使金屬增加抗腐蝕實(shí)力，增加美觀和表面硬度。(3)實(shí)例(在鐵件上鍍銅)。①陰極：a.材料：Fe，b．電極反應(yīng)式：Cu2＋＋2e－=Cu；②陽(yáng)極：a.材料：Cu，b．電極反應(yīng)式：Cu－2e－=Cu2＋；③電解質(zhì)溶液：CuSO4溶液。3．電解精煉銅4．電冶金(寫(xiě)出電極反應(yīng))探究點(diǎn)一原電池、電解池、電鍍池的區(qū)分1．如何理解電鍍的“一多、一少、一不變”？提示：電鍍特點(diǎn)：“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(yáng)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。2．電鍍銅和電解精煉銅兩個(gè)試驗(yàn)中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中的Cu2＋各有何變更？提示：電鍍銅試驗(yàn)時(shí)，溶液中的Cu2＋始終恒定，而在電解精煉銅中，由于陽(yáng)極上溶解的金屬為Fe、Zn、Ni、Cu等，而在陰極上只有Cu析出，依據(jù)電子守恒，溶解的Cu的量小于析出的Cu的量，所以溶液中Cu2＋的濃度漸漸減小?！纠?】如圖所示的兩個(gè)裝置中，溶液的體積均為200mL，起先時(shí)電解質(zhì)溶液的濃度均為0.1mol/L。工作一段時(shí)間后，測(cè)得導(dǎo)線中均通過(guò)0.02mol電子。若不考慮鹽的水解和溶液體積的變更，則下列敘述中正確的是()A．產(chǎn)生氣體的體積：①>②B．溶液的pH變更：①增大，②減小C．電極上析出固體物質(zhì)的質(zhì)量：①>②D．電極反應(yīng)式：①的陰極：Cu2＋＋2e－=Cu，②的負(fù)極：2H＋＋2e－=H2↑【解析】本題考查電解原理和原電池學(xué)問(wèn)。①為電解池，②為原電池。①電極反應(yīng)：陽(yáng)極：4OH－－4e－=O2↑＋2H2O，陰極：2Cu2＋＋4e－=2Cu，②電極反應(yīng)：正極：2H＋＋2e－=H2↑，負(fù)極：Zn－2e－=Zn2＋，D項(xiàng)錯(cuò)誤；由電極反應(yīng)式可知產(chǎn)生氣體的體積：②>①，A項(xiàng)錯(cuò)誤；溶液pH變更為①減小、②增大，B項(xiàng)錯(cuò)誤；①中電極上析出Cu，②中無(wú)固體析出，故析出固體質(zhì)量：①>②，C項(xiàng)正確?！敬鸢浮緾如下圖所示，下列敘述正確的是(A)A．Y為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)B．X為正極，發(fā)生氧化反應(yīng)C．Y與濾紙接觸處有氧氣生成D．X極與濾紙接觸處變紅解析：本題左側(cè)裝置相當(dāng)于一個(gè)原電池，Zn比Cu活潑，Zn作負(fù)極，Cu作正極。原電池供應(yīng)直流電，用銅電極電解硫酸鈉溶液，X極與電源的正極相連作陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：Cu－2e－=Cu2＋，Y極與電源的負(fù)極相連作陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：2H＋＋2e－=H2↑，因此Y極與濾紙接觸處變紅。探究點(diǎn)二電解的有關(guān)計(jì)算1．電解計(jì)算的原則(1)陽(yáng)極失去的電子數(shù)＝陰極得到的電子數(shù)。(2)串聯(lián)電路中通過(guò)電解池的電子總數(shù)相等。(3)電源輸出的電子總數(shù)和電解池中轉(zhuǎn)移的電子總數(shù)相等。2．電解計(jì)算的常用方法有關(guān)電解的計(jì)算通常是求電解后某產(chǎn)物的質(zhì)量、氣體的體積、某元素的化合價(jià)、元素的相對(duì)原子質(zhì)量、溶液的pH及物質(zhì)的量濃度等。不論哪種計(jì)算，均可概括為下列三種方法：電子守恒法計(jì)算用于串聯(lián)電路，通過(guò)陰、陽(yáng)兩極的電量相同等類(lèi)型的計(jì)算，其依據(jù)是電路上轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相等總反應(yīng)式計(jì)算先寫(xiě)出電極反應(yīng)式，再寫(xiě)出總反應(yīng)式，最終依據(jù)總反應(yīng)式列比例式計(jì)算關(guān)系式計(jì)算依據(jù)得失電子守恒關(guān)系建立已知量與未知量之間的橋梁，建立計(jì)算所須要的關(guān)系式跨學(xué)科計(jì)算無(wú)論是原電池還是電解池，無(wú)論是一個(gè)“池”還是多個(gè)隨意“池”串聯(lián)，在電路和電極上單位時(shí)間通過(guò)的電量相同。在理解電解原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合物理中的電學(xué)學(xué)問(wèn)，建立電流強(qiáng)度、時(shí)間、電量與電子數(shù)的關(guān)系，即物理與化學(xué)學(xué)科的聯(lián)系：Q＝It＝n(e－)×NA×1.60×10－193.電化學(xué)計(jì)算中留意的幾個(gè)等量關(guān)系式(1)當(dāng)電流通過(guò)一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的電解池時(shí)，它們皆處于同一閉合電路中，所以同一時(shí)間內(nèi)通過(guò)的電子的物質(zhì)的量相等。(2)常見(jiàn)電化學(xué)計(jì)算的對(duì)應(yīng)關(guān)系：H2～Cl2～eq\f(1,2)O2～Cu～2Ag～2H＋～2OH－如電解中析出氣體時(shí)，在同溫同壓下析出各氣體物質(zhì)的量之比為n(H2)n(Cl2)n(O2)＝110.5。(3)電解混合溶液時(shí)要留意電解的階段性，電極反應(yīng)式和電池總反應(yīng)式，電解產(chǎn)物與轉(zhuǎn)移電子數(shù)之間的關(guān)系式是電化學(xué)計(jì)算的主要依據(jù)。電解飽和食鹽水時(shí)為什么陰極區(qū)溶液變紅？提示：因?yàn)殡娊怙柡褪雏}水時(shí)，由于H＋在陰極上得到電子而生成H2破壞了旁邊的水的電離平衡，促進(jìn)了水的接著電離，結(jié)果陰極區(qū)溶液中的OH－的濃度增大使c(H＋)<c(OH－)而呈堿性。【例2】500mLNaNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NOeq\o\al(－,3))＝0.3mol·L－1，用石墨作電極電解此溶液，當(dāng)通電一段時(shí)間后，兩極均收集到1.12L氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，假定電解后溶液體積仍為500mL，下列說(shuō)法正確的是()A．原混合溶液中c(Na＋)＝0.2mol·L－1B．電解后溶液中c(H＋)＝0.2mol·L－1C．上述電解過(guò)程中共轉(zhuǎn)移0.4mol電子D．電解后得到的Cu的物質(zhì)的量為0.1mol【解析】陽(yáng)極是陰離子放電(放電實(shí)力：OH－>NOeq\o\al(－,3))，依據(jù)題給信息，陽(yáng)極肯定是OH－放電，生成0.05mol氧氣，轉(zhuǎn)移0.2mol電子；陰極離子放電實(shí)力：Cu2＋>H＋>Na＋，所以Cu2＋先放電，然后是H＋放電，陰極生成0.05mol氫氣時(shí)，轉(zhuǎn)移0.1mol電子，依據(jù)得失電子守恒知，Cu2＋轉(zhuǎn)移0.1mol電子，n(Cu2＋)＝0.05mol。所以原溶液中n[Cu(NO3)2]＝0.05mol，n(NOeq\o\al(－,3))＝0.3mol·L－1×0.5L＝0.15mol，n(NaNO3)＝0.05mol。原混合溶液中c(Na＋)＝0.1mol·L－1，A項(xiàng)錯(cuò)誤；結(jié)合以上分析及電解總方程式Cu2＋＋2H2Oeq\o(=,\s\up15(電解))Cu＋H2↑＋O2↑＋2H＋可知，生成0.05molCu、0.05molO2、0.05molH2和0.1molH＋，電解后溶液中c(H＋)＝eq\f(0.1mol,0.5L)＝0.2mol·L－1，B項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤；上述電解過(guò)程中共轉(zhuǎn)移0.2mol電子，C項(xiàng)錯(cuò)誤。【答案】B下圖為相互串聯(lián)的甲、乙兩個(gè)電解池，甲池利用電解原理在鐵上鍍銀，試回答：(1)A是鐵、陰極(填電極材料和電極名稱(chēng))，電極反應(yīng)式是Ag＋＋e－=Ag；B是銀、陽(yáng)極(填電極材料和電極名稱(chēng))，電極反應(yīng)式是Ag－e－=Ag＋，應(yīng)選用的電解質(zhì)溶液是硝酸銀溶液。(2)乙池中若滴入少量酚酞溶液，起先電解一段時(shí)間，鐵極旁邊呈紅色；C極旁邊呈無(wú)色。(3)若甲槽陰極增重43.2g，則乙槽中陽(yáng)極上放出的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積是4_480mL。若乙槽中剩余溶液仍為400mL，則電解后所得NaOH溶液的物質(zhì)的量濃度為1_mol·L－1。1．將粗銅和硫酸銅溶液組成電解池，利用電解的方法可以將粗銅提純。下列敘述正確的是(C)A．陽(yáng)極發(fā)生還原反應(yīng)B．電解過(guò)程中，陽(yáng)極質(zhì)量削減量與陰極質(zhì)量增加量相等C．粗銅連接電源的正極，發(fā)生的主要電極反應(yīng)為：Cu－2e－=Cu2＋D．由于陽(yáng)極上銅溶解的速率與陰極上銅沉積的速率相等，所以溶液中硫酸銅的濃度保持不變解析：連接電源的正極是電解池的陽(yáng)極，陽(yáng)極銅發(fā)生氧化反應(yīng)而被溶解；粗銅中含有比銅活潑的鋅、鎳、鐵等雜質(zhì)，電解過(guò)程中先失去電子，變成金屬陽(yáng)離子進(jìn)入溶液中，所以電解過(guò)程中陽(yáng)極質(zhì)量削減量與陰極質(zhì)量增加量并不相等，陽(yáng)極上銅溶解的速率與陰極上銅沉積的速率也不相等，所以溶液中硫酸銅的濃度減小。2．電解CuSO4溶液時(shí)，若要求達(dá)到以下三點(diǎn)要求：①陽(yáng)極質(zhì)量削減②陰極質(zhì)量增加③電解質(zhì)溶液中Cu2＋濃度不變，則可選用的電極是(B)A．含Zn、Ag的銅合金作陽(yáng)極，純銅作陰極B．純銅作陽(yáng)極，含Zn、Ag的銅合金作陰極C．用純鐵作陽(yáng)極，用純銅作陰極D．用石墨作陽(yáng)極，用惰性電極(Pt)作陰極解析：題目中的三點(diǎn)要求正好符合了電鍍時(shí)的三個(gè)特點(diǎn)。3．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，下列敘述正確的是(已知：氧化性Fe2＋<Ni2＋<Cu2＋)(D)A．陽(yáng)極發(fā)生還原反應(yīng)，其電極反應(yīng)式為：Ni2＋＋2e－=NiB．電解過(guò)程中，陽(yáng)極質(zhì)量的削減與陰極質(zhì)量的增加相等C．電解后，溶液中存在的金屬陽(yáng)離子只有Fe2＋和Zn2＋D．電解后，電解槽底部的陽(yáng)極泥中只有Cu和Pt解析：電解時(shí)，陽(yáng)極上金屬按還原性由強(qiáng)到弱的依次(Zn>Fe>Ni>Cu>Pt)發(fā)生氧化反應(yīng)，即Zn－2e－=Zn2＋；Fe－2e－=Fe2＋；Ni－2e－=Ni2＋。Cu、Pt還原性比Ni弱，不能失去電子，當(dāng)陽(yáng)極上Ni失電子溶解后，它們以單質(zhì)的形式沉積在電解槽的底部，形成陽(yáng)極泥。陰極上金屬離子按氧化性由強(qiáng)到弱的依次(Ni2＋>Fe2＋>Zn2＋)發(fā)生還原反應(yīng)，即Ni2＋＋2e－=Ni。Fe2＋、Zn2＋比Ni2＋氧化性弱，并不在陰極上析出，而是留在電解液里。陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，A錯(cuò)誤；電解過(guò)程中，陽(yáng)極Zn、Fe、Ni溶解，陰極只有Ni析出，兩電極質(zhì)量的變更不等，B錯(cuò)誤；電解液中除Zn2＋、Fe2＋外，還有Ni2＋，C錯(cuò)誤。4．氯堿工業(yè)的一種節(jié)能新工藝是將電解池與燃料電池相組合，相關(guān)物料的傳輸與轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖所示(電極未標(biāo)出)。下列說(shuō)法正確的是(A)A．電解池的陰極反應(yīng)式為2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－B．通入空氣的電極為負(fù)極C．電解池中產(chǎn)生2molCl2時(shí)，理論上燃料電池中消耗0.5molO2D．a(chǎn)、b、c的大小關(guān)系為a>b＝c解析：題給電解池的陰極反應(yīng)式為2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，陽(yáng)極反應(yīng)式為2Cl－－2e－=Cl2↑，A項(xiàng)正確。題給燃料電池為氫氧燃料電池，通入空氣的電極為正極，B項(xiàng)錯(cuò)誤。由整個(gè)電路中得失電子守恒可知，電解池中產(chǎn)生2molCl2，理論上轉(zhuǎn)移4mole－，則燃料電池中消耗1molO2，C項(xiàng)錯(cuò)誤。題給燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式為H2－2e－＋2OH－=2H2O，正極反應(yīng)式為O2＋4e－＋2H2O=4OH－，所以a、b、c的大小關(guān)系為c>a>b，D項(xiàng)錯(cuò)誤。5．下面有關(guān)電化學(xué)的圖示，完全正確的是(C)解析：粗銅精煉，粗銅作陽(yáng)極，精銅作陰極，A錯(cuò)誤；依據(jù)原電池原理分析，活潑金屬鋅作負(fù)極，銅作正極，B錯(cuò)誤；電解飽和食鹽水，電流流向陽(yáng)極，鐵棒為陰極，電解過(guò)程中生成氫氣，碳棒作電解池陽(yáng)極，溶液中氯離子失電子生成氯氣，檢驗(yàn)氯氣用碘化鉀淀粉溶液，C正確；鍍件鐵作陰極，鋅作陽(yáng)極進(jìn)行電鍍，D錯(cuò)誤。6．如圖兩個(gè)電解槽中，a、b、c、d均為石墨電極。若電解過(guò)程中共有0.02mol電子通過(guò)，下列敘述中正確的是(C)A．甲燒杯中a極上最多可析出銅0.64gB．甲燒杯中b極上電極反應(yīng)式：4OH－－4e－=2H2O＋O2↑C．乙燒杯中滴入酚酞溶液，d極旁邊先變紅D．燒杯中c極上電極反應(yīng)式為4H＋＋4e－=2H2↑解析：依據(jù)圖示，a、b、c、d電極反應(yīng)分別是2H2O－4e－=4H＋＋O2↑、Cu2＋＋2e－=Cu、2Cl－－2e－=Cl2↑、2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－；甲燒杯中a極不析出銅，A錯(cuò)誤；甲燒杯中b極上電極反應(yīng)式為Cu2＋＋2e－=Cu，B錯(cuò)誤；乙燒杯中滴入酚酞溶液，d極發(fā)生2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，堿性增加，溶液先變紅，C正確；燒杯中c極上電極反應(yīng)式為2Cl－－2e－=Cl2↑，D錯(cuò)誤。7．用惰性電極電解M(NO3)x的水溶液，當(dāng)陰極上增重ag時(shí)，在陽(yáng)極上同時(shí)產(chǎn)生bL氧氣(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，從而可知M的相對(duì)原子質(zhì)量是(C)A.eq\f(22.4ax,b)B.eq\f(11.2ax,b)C.eq\f(5.6ax,b)D.eq\f(2.5ax,b)解析：生成bLO2轉(zhuǎn)移電子為eq\f(b×4,22.4)mol，據(jù)電子守恒得到M的物質(zhì)的量為eq\f(4b,22.4x)mol＝eq\f(b,5.6x)mol，則M的摩爾質(zhì)量為a÷eq\f(b,5.6x)＝eq\f(5.6xa,b)g/mol，M的相對(duì)原子質(zhì)量為eq\f(5.6ax,b)。8．如圖裝置所示，C、D、E、F、X、Y都是惰性電極，甲、乙中溶液的體積和濃度都相同(假設(shè)通電前后溶液體積不變)，A、B為外接直流電源的兩極。將直流電源接通后，F(xiàn)極旁邊呈紅色。請(qǐng)回答：(1)B極是電源的負(fù)極，一段時(shí)間后，甲中溶液顏色變淺，丁中X極旁邊的顏色漸漸變淺，Y極旁邊的顏色漸漸變深，這表明氫氧化鐵膠體粒子帶正電荷，在電場(chǎng)作用下向Y極移動(dòng)。(2)若甲、乙裝置中的C、D、E、F電極均只有一種單質(zhì)生成時(shí)，對(duì)應(yīng)單質(zhì)的物質(zhì)的量之比為1222。(3)現(xiàn)用丙裝置給銅件鍍銀，則H應(yīng)當(dāng)是銅件(填“鍍層金屬”或“銅件”)，電鍍液是AgNO3溶液。當(dāng)乙中溶液的pH是13時(shí)(此時(shí)乙溶液體積為500mL)，丙中鍍件上析出銀的質(zhì)量為5.4_g，甲中溶液的pH變小(填“變大”“變小”或“不變”)。(4)若將C電極換為鐵，其他裝置都不變，則甲中發(fā)生總反應(yīng)的離子方程式是Fe＋Cu2＋eq\o(=,\s\up15(電解))Cu＋Fe2＋。解析：(1)F極旁邊呈紅色，說(shuō)明F是陰極，E是陽(yáng)極，則A為正極，B為負(fù)極。甲中因Cu2＋放電使溶液顏