高中化学同步讲练：1.2.2 电解原理的应用2（鲁科版选修4）.doc

精品资料www.ks5u.com第2课时电解原理的应用学习目标定位1.熟知电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜、电冶金的原理，会写其电极反应式及化学方程式。2.掌握电解的有关计算。1用惰性电极电解氯化钾溶液，阴极反应式是2H2e=H2，阳极反应式是2Cl2e=Cl2，电解的化学方程式是2KCl2H2O2KOHH2Cl2。电解后溶液的pH变化是增大；欲使电解后的溶液复原，需加入的物质是HCl气体。2在硫酸铜溶液中，插入两个电极进行电解。(1)若两极均为Pt电极，则阳极反应式是4OH4e=2H2OO2，阴极反应式是2Cu24e=2Cu，电解的化学方程式是2CuSO42H2O2CuO22H2SO4。(2)若两极均为铜片，则阳极反应式是Cu2e=Cu2，阴极反应式是Cu22e=Cu，电解过程中溶液的浓度变化是不变。(3)若阳极为锌片，阴极为铜片，则阳极反应式是Zn2e=Zn2，电解过程中两极的变化是阳极锌片不断溶解，阴极铜片质量不断增加。探究点一电解原理的应用1电解饱和食盐水(1)通电前，氯化钠溶液中含有的离子：Na、Cl、H、OH。通电时Na、H移向阴极，H放电，Cl、OH移向阳极，Cl放电。电极反应式为阳极：2Cl2e=Cl2(氧化反应)阴极：2H2e=H2(还原反应)因H放电，导致水的电离平衡H2OHOH向右移动，致使生成NaOH。(2)电解的总反应式化学方程式：2NaCl2H2OH2Cl22NaOH；离子方程式：2Cl2H2OH2Cl22OH；工业上习惯把电解饱和食盐水叫做氯碱工业。2电解精炼铜(1)粗铜中往往含有铁、锌、银、金等多种杂质，常用电解的方法进行精炼。其电解池的构成是用粗铜作阳极，用纯铜作阴极，用CuSO4溶液作电解质溶液。(2)电极反应式：阳极为Cu2e=Cu2、Zn2e=Zn2、Fe2e=Fe2等，阴极为Cu22e=Cu。(3)电解精炼铜的原理是粗铜中比铜活泼的金属Zn、Fe等失去电子，产生的阳离子残留在溶液中，不比铜活泼的金属Ag、Au等以金属单质的形式沉积在电解池的底部，形成阳极泥，粗铜中的铜迁移到纯铜上。3电镀(1)根据图，回答下列问题：电极反应式阳极：Cu2e=Cu2；阴极：Cu22e=Cu。可观察到的现象是铁件表面镀上一层红色的铜，铜片不断溶解。硫酸铜溶液浓度的变化是不变。(2)电镀电镀是应用电解原理，在金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法。电镀池的构成：一般都是用含有镀层金属离子的电解质溶液作电镀液；把镀层金属浸入电镀液中与直流电源的正极相连，作为阳极；待镀金属制品与直流电源的负极相连，作阴极。归纳总结(1)氯碱工业：用电解饱和氯化钠溶液的方法来制取NaOH、Cl2、H2，并以它们为原料生产一系列化工产品。(2)电镀特点是阳极本身参与电极反应，电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH等保持不变。(3)电解精炼中，比需要精炼的金属活泼的杂质溶解，而不比需要精炼的金属活泼的杂质会沉积(如精炼镍时Cu也会沉积)。活学活用1关于电解氯化钠水溶液(铁作阴极、石墨作阳极)，下列叙述正确的是()A若在阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液，溶液呈无色B若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液，溶液呈棕黄色C电解时在阳极得到氯气，在阴极得到金属钠D电解一段时间后，将全部电解质溶液转移到烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性答案B解析电解食盐水时发生的反应：阳极：2Cl2e=Cl2阴极：2H2e=H2总反应：2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2对照分析选项，C错误；阳极附近的溶液中会溶有少量的Cl2，滴加KI溶液后发生反应：Cl22I=I22Cl，溶液呈棕黄色，B正确；阴极附近产生大量的OH，滴加酚酞后附近溶液变红色，A错误；电解后生成NaOH，溶液呈碱性，D错误。2在铁制品上镀一层一定厚度的锌层，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，溶液中含有亚铁离子答案A解析本题考查的是电镀的原理。电镀原理是镀层金属作阳极，镀件作阴极，含有镀层金属阳离子的电解质溶液作电镀液。探究点二电解的有关计算1将两支惰性电极插入CuSO4溶液中，通电电解。(1)当有1.0×103 mol的OH放电时，溶液显浅蓝色，则在阴极上析出铜的质量是_。(2)若溶液的体积为1 L，忽略溶液体积变化，在标准状况下放出5.6 mL O2时，溶液的pH是_。答案(1)0.032 g(2)3解析(1)用惰性电极电解CuSO4溶液时，电极反应为阴极：2Cu24e=2Cu，阳极：4OH4e=O22H2O。当有1.0×103 mol的OH放电时，生成标准状况下的O2为5.6 mL，此时转移电子为1.0×103 mol，则在阴极上析出Cu：32×103 g。(2)阳极：4OH4e=2H2OO24 mol 1 moln n1.0×103 mol，消耗1.0×103 mol OH，生成1.0×103 mol H则H1.0×103 mol·L1pHlgHlg(1.0×103)3。2用惰性电极电解0.1 L M(NO3)x的水溶液，当阴极上增重a g时，在阳极上同时产生b L(标准状况)O2，从而可知M的相对原子质量是_，溶液的pH是_(均用含有a、b、x的代数式表示)。答案lg解析由于阴、阳两极转移电子的数目相同，则有·x×4，或由关系式xO24M得x4，均可解出M g·mol1。又由O24H可知：H4× mol÷0.1 Lb mol·L1，则pHlg。归纳总结有关电解的计算通常是求电解后某产物的质量、气体的体积、某元素的化合价、元素的相对原子质量、溶液的pH及物质的量浓度等。不论哪种计算，均可概括为下列三种方法：(1)得失电子守恒法计算：用于串联电路、通过阴、阳两极的电量相同等类型的计算，其依据是电路上转移的电子数相等。(2)总反应式计算：先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列比例式计算。(3)关系式计算：借得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁，建立计算所需的关系式。活学活用3把两支惰性电极插入500 mL AgNO3溶液中，通电电解。当电解质溶液的pH从6.0变为3.0时(设电解时阴极没有氢气析出，且电解质溶液在电解前后体积变化可以忽略)，电极上应析出银的质量是()A27 mg B54 mg C108 mg D216 mg答案B解析由电子得失守恒知，eOHHAg，所以n(Ag)n(H)。AgNO3溶液电解后产生酸，产生的H的物质的量可由pH差来计算：pH从6.0变为3.0，即H103 mol·L1，所以n(Ag)n(H)103 mol·L1×0.5 L5×104 mol，m(Ag)n(Ag)×M5×104 mol×108 g·mol10.054 g54 mg。4在100 mL H2SO4和CuSO4的混合液中，用石墨作电极进行电解，两极上均收集到2.24 L气体(标准状况下)，则原混合液中，Cu2的物质的量浓度为()A1 mol·L1 B2 mol·L1C3 mol·L1 D4 mol·L1答案A解析分析电解H2SO4、CuSO4的混合液时阴、阳两极的电极反应可知，两极产生的气体分别为H2、O2各0.1 mol，O2是由OH失去0.4 mol电子而得到，H2是由H得到0.2 mol电子而生成。由电子得失守恒知，还有0.2 mol电子是Cu2得到的，故Cu2的物质的量是0.1 mol，则Cu2的物质的量浓度为1 mol·L1。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解析电解池的阳极发生氧化反应、阴极发生还原反应。电解熔融的Al2O3制Al时，若用Fe作阳极，会发生反应Fe2e=Fe2，Fe2移动到阴极上发生反应Fe22e=Fe，使得到的Al不纯。2某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液。通电时，为使Cl2被完全吸收，制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如图的装置，则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是()Aa为正极，b为负极；NaClO和NaClBa为负极，b为正极；NaClO和NaClCa为阳极，b为阴极；HClO和NaClDa为阴极，b为阳极；HClO和NaCl答案B解析有关反应有2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2，Cl22NaOH=NaClNaClOH2O，因阳极生成Cl2，阴极生成NaOH，为使二者充分作用，Cl2应在下端产生，从而推知电源b为正极，a为负极，消毒液的主要成分是NaCl、NaClO。3利用电解法可将含有Fe、Zn、Ag、Pt等杂质的粗铜提纯，下列叙述正确的是()A电解时以精铜作阳极B电解时阳极发生还原反应C精铜连接电源负极，其电极反应式是Cu2e=Cu2D电解后，电解槽底部会形成含少量Ag、Pt等金属的阳极泥答案D解析电解法精炼金属铜时，粗铜作阳极，失去电子逐渐溶解，Cu2得到电子后析出，附着在阴极上，故精铜作阴极；在电解池中，阴极接电源的负极，发生还原反应，阳极接电源的正极，发生氧化反应，A、B、C错误；越活泼的金属越易失去电子，故比铜活泼的Fe、Zn先失去电子，变成Fe2、Zn2进入溶液，然后是铜失去电子，变成Cu2进入溶液，因Ag、Pt等金属不如铜活泼，故在铜溶解后便沉淀在阳极底部成为阳极泥，D正确。4如图所示的A、B两个电解池中的电极均为铂，在A池中加入0.05 mol·L1的CuCl2溶液，B池中加入0.1 mol·L1的AgNO3溶液，进行电解。a、b、c、d四个电极上所析出物质的物质的量之比是()A2241 B1121C2111 D2121答案A解析由电解规律可知：a、c为阴极，b、d为阳极。a极上析出Cu，b极上析出Cl2，c极上析出Ag，d极上析出O2。由电子守恒可得出：2eCuCl22AgO2，所以a、b、c、d四个电极上所析出物质的物质的量之比为1122241。5右图是电解氯化钠溶液(含酚酞)的装置。有毒气体收集的装置省略没有画出，两电极均是惰性电极。(1)a电极的名称_。(2)电解过程中观察到的现象_。(3)确定N出口的气体最简单的方法是_。(4)电解总反应的离子方程式为_。(5)若将b电极换成铁作电极，写出在电解过程中U形管底部出现的现象_。答案(1)阴极(2)两极均有气泡产生；a极区溶液变成红色；b极液面上气体变为黄绿色；b极区溶液变为浅黄绿色(3)用湿润的淀粉­KI试纸检验，试纸变蓝的就是Cl2(4)2Cl2H2OCl2H22OH(5)底部有白色沉淀产生，很快变为灰绿色，最终变为红褐色解析根据电子的流向，可以判断a极的名称，a极连接的是直流电源电子流出的一极，为负极，因此，a极是电解池的阴极；那么b极为阳极，产物为Cl2，检验Cl2的方法是用湿润的淀粉­KI试纸；当将b极改为铁电极时，铁失去电子变成阳离子进入溶液，与阴极放出H2后剩余的OH结合，首先生成Fe(OH)2沉淀，然后沉淀转化为Fe(OH)3。基础过关一、电解原理的应用1在冶金工业中，常用电解法得到钠、镁、铝等金属，其原因是()A都是轻金属 B都是活泼金属C成本低廉 D这些金属的化合物熔点较低答案B解析金属冶炼方法的选取主要依据是金属的活泼性强弱，不活泼的金属可以用热分解法制备，如加热氧化汞；比较活泼的金属用热还原法制备，如用焦炭炼铁；活泼的金属离子很难被其他还原剂还原，只能用电解方法制备。由于钠、镁、铝是活泼金属，所以只能用电解法。2火法炼铜得到的粗铜中含多种杂质(如锌、金和银等)，其性能远不能达到电气工业的要求，工业上常使用电解精炼法将粗铜提纯。在电解精炼时()A粗铜接电源负极B纯铜作阳极C杂质都将以单质形式沉积到池底D纯铜片增重2.56 g，电路中通过电子为0.08 mol答案D解析电解精炼铜时，用粗铜作阳极，用精铜作阴极，所以A、B不正确；锌比铜活泼，失电子变成锌离子进入溶液中，金、银不活泼，以单质形式沉积到池底，C不正确；n(e)×20.08 mol，D正确。3欲在金属表面镀银，应把镀件挂在电镀池的阴极。下列各组中，选用的阳极金属和电镀液均正确的是()AAg和AgCl溶液 BAg和AgNO3溶液CPt和Ag2CO3溶液 DPt和Ag2SO4溶液答案B解析电镀槽中，要求镀件作阴极，可用镀层金属作阳极，利用其在阳极溶解提供镀层金属，也可用惰性电极材料作阳极，镀层金属则由电镀液提供；电镀液通常采用含有镀层金属离子的盐溶液，由于A、C、D中AgCl、Ag2CO3和Ag2SO4均为沉淀，只有B符合要求。4用Pt电极电解含有物质的量均为0.1 mol的Cu2和X3溶液，阴极析出固体物质的质量m(g)与溶液中通过电子的物质的量n (mol)关系如图。则离子的氧化能力由大到小排列正确的是()ACu2>X3>H BH>X3>Cu2CX3>H>Cu2 DCu2>H>X3答案D解析本题的解题信息在图像中：一通电就有固体析出，且通过0.2 mol电子后，再没有固体析出了，说明是Cu2放电的结果，X3不放电，故选D。5某溶液中含有溶质NaCl和H2SO4，它们的物质的量之比为31。用石墨作电极电解此溶液时，根据电极产物，可明显分为三个阶段。下列叙述不正确的是()A阴极只析出H2B阳极先析出Cl2，后析出O2C电解最后阶段为电解水D溶液pH不断增大，最后为7答案D解析电解质溶液中，n(Na)n(Cl)n(SO)331，开始电解产生H2和Cl2，同时生成OH中和H2SO4，且生成OH多，最后相当于电解水，因而pH>7，阴极只生成H2。三个阶段分别为电解HCl、NaCl、H2O。6观察下列几个装置示意图，有关叙述正确的是()A装置工业上可用于生产金属钠，电解过程中石墨电极产生金属，此法也可用于生产活泼金属镁、铝等B装置中随着电解的进行左边电极会产生红色的铜，并且检流计示数不断变小C装置中的离子交换膜只允许阳离子、阴离子和小分子水通过D装置的待镀铁制品应与电源正极相连答案B二、电解的有关计算7用惰性电极电解饱和食盐水，当电源提供给0.2 mol电子时停止通电。若此溶液体积为2 L，则常温下所得电解质溶液的pH是()A1 B8C13 D14答案C解析常温下电解食盐水时供给0.2 mol电子，则消耗的H为0.2 mol，同时产生OH 0.2 mol，溶液体积为2 L，pH13。8将含0.4 mol CuSO4和0.4 mol NaCl的水溶液1 L，用惰性电极电解一段时间后，在一个电极上得到 0.3 mol 铜，求在另一个电极上析出的气体在标准状况下的体积是()A5.6 L B6.72 LC13.44 L D11.2 L答案A解析阴极：0.3 mol Cu2得到0.6 mol电子阳极：失去的电子数也应为0.6 mol2Cl2e=Cl204 mol 0.4 mol 0.2 mol4OH4e=2H2OO2 0.2 mol 0.05 mol得到Cl2和O2共0.25 mol，标况下的体积为5.6 L。9以惰性电极电解CuSO4溶液，若阳极上产生气体的物质的量为0.010 0 mol，则阴极上析出Cu的质量为()A0.64 g B1.28 gC2.56 g D5.12 g答案B解析2CuSO42H2O2CuO22H2SO4 0.020 0 mol 0.010 0 molm(Cu)0.020 0 mol×64 g·mol11.28 g。10在水中加等物质的量的Ag、Ba2、Na、SO、NO、Cl，将该溶液放在用惰性材料作电极的电解槽中，通电片刻，则氧化产物与还原产物质量比为()A35.5108 B16207C81 D10835.5答案C解析溶液中的六种离子，有四种发生反应生成沉淀，AgCl=AgCl、Ba2SO=BaSO4，最后溶液就成了NaNO3溶液；而电解NaNO3溶液，实质就是电解水，电解方程式为2H2O2H2O2。氧化产物和还原产物的质量之比为m(O2)m(H2)(1 mol×32 g·mol1)(2 mol×2 g·mol1)81，即C项正确。11常温下用石墨作电极，电解100 mL 0.1 mol·L1的Cu(NO3)2和0.1 mol·L1的AgNO3组成的混合溶液，当某一电极上生成的气体在标准状况下体积为1.12 L 时，假设溶液体积不变，下列说法正确的是()A阴极增重1.4 g B所得溶液pH<1C阴极增重0.64 g D所得溶液pH>1答案B解析阴极可以放电的离子依次为0.01 mol Ag、0.01 mol Cu2，阳极可以放电的阴离子只有OH。(1)当阳极生成1.12 L O2时，电路中通过电子：n(e)0.05 mol×40.2 mol，此时Ag、Cu2已全部析出，质量：0.01 mol×108 g·mol10.01 mol×64 g·mol11.72 g；因为当Ag、Cu2全部析出以后，相当于电解水，H不再增加。所以生成的H所带电荷与0.01 mol Ag、0.01 mol Cu2所带电荷相等。则溶液中生成H：H0.3 mol·L1，pH<1。(2)当阴极生成1.12 L H2时，表明Ag、Cu2已经放电完全。阴极增重、溶液pH与以上相等。能力提升12金属铝的生产是以Al2O3为原料，在熔融状态下进行电解： 2Al2O34Al3O2请回答下列问题：(1)冰晶石(Na3AlF6)的作用是_。(2)电解生成的金属铝是在熔融液的_(填“上层”或“下层”)。(3)阴极和阳极均由_材料做成；电解时不断消耗的电极是_(填“阳极”或“阴极”)。(4)铝是高耗能产品，废旧铝材的回收利用十分重要。在工业上，最能体现节能减排思想的是将回收铝做成_(填代号)。a冰晶石 b氧化铝 c铝锭 d硫酸铝答案(1)降低Al2O3的熔化温度(2)下层 (3)石墨(或碳素)阳极(4)c解析(1)Al2O3的熔点很高，熔化需要较多能量，加入助熔剂可节约能量，降低熔化温度。(2)由于冰晶石(Na3AlF6)与氧化铝熔融物密度比铝的小，所以铝在熔融液的下层。(3)电解时阳极的碳棒被生成的氧气氧化。(4)电解产生的铝要尽量以单质形式存在，所以将回收铝做成铝锭最好。13电解原理在化学工业中有着广泛的应用。如图所示的电解池，其中a为电解质溶液，X和Y均为惰性电极，则：(1)若a为CuSO4溶液，则电解时的化学反应方程式为_。(2)若电解含有0.04 mol CuSO4和0.04 mol NaCl的混合溶液400 mL，当阳极产生672 mL(标准状况下)气体时，溶液的pH_(假设电解后溶液体积不变)。答案(1)2CuSO42H2O2CuO22H2SO4(2)1解析(1)用惰性电极电解CuSO4溶液时，阳极OH放电，阴极Cu2放电，故电解时既电解溶质又电解溶剂，由此可得电解反应式。(2)电解混合溶液时，阳极上Cl先放电，2Cl2e=Cl2，0.04 mol Cl只能生成0.02 mol Cl2，即448 mL，转移0.04 mol电子，现共生成672 mL气体，说明还有224 mL气体来自于水的电解，根据反应4OH4e=2H2OO2可知又转移0.04 mol电子，故电解过程中共转移0.08 mol电子。阴极上Cu2先放电，电极反应式为Cu22e=Cu，现有0.04 mol Cu2，恰好完全电解，由此可得整个电解过程中消耗了0.04 mol OH，根据水的电离可知溶液中H的物质的量为0.04 mol，则H0.1 mol·L1，pH1。14如图所示，甲、乙为相互串联的两电解池。(1)甲池若为用电解原理精炼铜的装置，则A电极名称为_极，电极材料是_，电极反应式为_，电解质溶液可以是_。(2)乙池中Fe极电极反应式为_，若在乙池中滴入少量酚酞试液，开始电解一段时间，Fe极附近呈_色。答案(1)阴精铜Cu22e=Cu含Cu2的溶液(如CuSO4溶液)(2)2H2e=H2红解析根据电解池的电极与外接电源的关系，确定A为阴极，B为阳极，Fe为阴极，C为阳极。又因为甲为精炼铜的装置，所以A电极材料是精铜，电极反应式为Cu22e=Cu，电解质溶液用含Cu2的溶液(如CuSO4溶液)。乙池中Fe极电极反应式为2H2e=H2，在乙池中滴入少量酚酞试液，开始电解一段时间，由于水提供的H在阴极(Fe)放电，OH越来越多，铁极附近呈红色。拓展探究15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)工业级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。该电解槽的阳极反应式是_。通电开始后，阴极附近溶液pH会增大，请简述原因_。除去杂质后的氢氧化钾溶液从液体出口_(填写“A”或“B”)导出。答案(1)2Al2O3(熔融)4Al3O2(2)2Al2OH6H2O=2Al(OH)43H2(3)4OH4e=2H2OO2H放电，促进水的电离，OH浓度增大B解析(1)、(2)问主要考查教材的基础知识，应该属于得分的题目，(3)中根据电解原理，阳极应是OH失电子，所以电极反应式为4OH4e=2H2OO2，而阴极为H放电，促进水的电离，使OH浓度增大，所以pH增大，根据阳离子交换膜的特点，K可从阳极区进入阴极区和OH组成KOH，从而可在阴极区得到纯的KOH溶液，故液体应从B口导出。