2017-2018学年高中化学 第四章 电化学基础 第三节 电解池(第2课时)电解原理的应用学案 新

第2课时 电解原理的应用 [目标导航] 1.理解并掌握电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜，电冶金的原理，会书写电极反应式及化学方程式。2.学会电解的有关计算。

一、电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气 1．现象(装置如图)

(1)阳极上：产生黄绿色气体。 (2)阴极上：产生无色气体，阴极附近溶液变红。 2．原理分析及电极反应 电解时U形管中，Cl－、OH－移向阳极，H＋、Na＋移向阴极。 (1)阳极离子放电顺序：Cl－>OH－，电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应) (2)阴极离子放电顺序：H＋>Na＋， 电极反应：2H＋＋2e－===H2↑(还原反应)。

3．总反应化学方程式：2NaCl＋2H2O=====电解2NaOH＋Cl2↑＋H2↑。 离子方程式：2Cl－＋2H2O=====电解H2↑＋Cl2↑＋2OH－。 思考 用惰性电极电解饱和食盐水一段时间，电解后的混合液能使红色布条褪色的原因是什么？ 答案 电解饱和食盐水，阴极区生成NaOH，阳极区生成Cl2，二者发生反应： Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O，NaClO具有漂白性。 二、铜的电解精炼(粗铜含Zn、Fe、Ni、Au、Pt、Ag等) 1．装置与原理 阳极材料用粗铜，阴极材料用纯铜，电解质溶液用硫酸酸化的硫酸铜溶液。 2

2．电解特点 电解结束后，阳极泥中含有Au、Pt、Ag等，电解质溶液中的金属阳离子有Zn2＋、Fe2＋、Ni2＋、Cu2＋，阴极得到精铜。

三、电镀 (1)根据图示，书写电极反应式： 阳极：Cu－2e－===Cu2＋； 阴极：Cu2＋＋2e－===Cu。 (2)电镀的概念是应用电解原理在某些金属或非金属材料表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。 (3)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。 (4)电镀的目的主要是增强材料抗腐蚀能力，也有许多电镀是为了美观或增加表面硬度。 四、电冶金 (1)金属冶炼的本质：使矿石中的金属离子获得电子，从它们的化合物中还原出来。如Mn＋

＋ne－===M。 (2)电解熔融的氯化钠可制取金属钠： 阳极反应式：2Cl－－2e－===Cl2↑； 阴极反应式：2Na＋＋2e－===2Na；

总反应：2NaCl(熔融)=====电解2Na＋Cl2↑。 【合作探究】 1．试根据氯碱工业的生产过程回答下列问题： 3

(1)电解氯化钠溶液时，如何用简便的方法检验产物？ 答案 阳极产物Cl2可以用淀粉­KI试纸检验，阴极产物H2可以通过点燃检验，NaOH可以用酚酞试剂检验。 (2)氯碱工业在生产过程中必须把阳极室和阴极室用离子交换膜隔开，原因是什么？ 答案 防止H2和Cl2混合爆炸，防止Cl2与溶液中的NaOH反应。 2．电解精炼铜时，阳极泥是怎样形成的？ 答案 粗铜中往往含有锌、铁、镍、银、金等多种金属杂质，当含杂质的铜在阳极不断溶解时，金属活动性位于铜之前的金属杂质，如Zn、Fe、Ni等也会同时失去电子，但是它们的阳离子比铜离子难以还原，所以它们并不能在阴极析出，而只能以离子的形式留在电解液里。金属活动性位于铜之后的银、金等杂质，因为失去电子的能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子而溶解，所以当阳极的铜等失去电子变成阳离子溶解之后，它们以金属单质的形式沉积在电解槽底部，形成阳极泥。 【练一练】 判断正误(正确打“√”，错误打“×”) (1)氯碱工业是非常重要的化工生产，在电解饱和食盐水时，在阴极上得到的产物为H2和NaOH( √ ) (2)电解饱和食盐水制烧碱，用涂镍碳钢网作阳极( × ) (3)电解法精炼粗铜，用纯铜作阳极( × ) (4)在镀件上电镀锌，用锌作阳极( √ ) (5)电解法精炼粗铜时，电解质溶液中各离子浓度一定不变( × ) (6)在镀件上电镀铜，电镀过程中阳极减少的质量等于阴极增加的质量( √ ) 4

一、电解原理的应用 1．工业电解饱和食盐水制取烧碱 工业电解饱和食盐水制备烧碱时必须阻止OH－移向阳极，以使NaOH在阴极溶液中富集，常用阳离子交换膜将两溶液分开，使阳离子能透过阳离子交换膜，而阴离子不能通过。 如：氯碱工业中电解饱和食盐水的原理如图所示，已知溶液A的溶质是NaOH。

2．铜的电解精炼与电镀铜对比 电解精炼铜 电镀铜

电极材料 阴极 纯铜 镀件 阳极 粗铜 纯铜

电极反应式 阳极 Cu－2e－===Cu2＋等 Cu－2e－===Cu2＋ 阴极 Cu2＋＋2e－===Cu Cu2＋＋2e－===Cu

电解质溶液浓度的变化 Cu2＋减少，粗铜中比铜活泼的金属阳离子进入 电解质溶液成分及浓度均不变 【例1】 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．电解时以纯铜作阳极 B．电解时阴极发生氧化反应 C．粗铜连接电源负极，其电极反应是Cu－2e－===Cu2＋ D．电解后，电解槽底部会形成含少量Ag、Pt等金属的阳极泥 解析 电解精炼铜时，粗铜应作阳极，纯铜作阴极，故A错；阳极与电池的正极相连发生氧化反应，阴极与电池的负极相连发生还原反应，故B错；粗铜连接电源的正极，发生氧化反应，故C错；金属的活动性顺序为Zn＞Fe＞Cu＞Ag＞Pt，因此Ag、Pt不会放电，以单质形5

式在阳极底部沉积下来，故D对。 答案 D 【反思感悟】 金属电解精炼时，溶液中增加较活泼的金属阳离子，被提纯金属阳离子的浓度减少。 变式训练1 利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产上的应用。下列说法正确的是( )

A．氯碱工业中，X电极上反应式是4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ B．电解精炼铜时，Z溶液中的Cu2＋浓度不变 C．在铁片上镀铜时，Y是纯铜 D．制取金属镁时，Z是熔融的氯化镁 答案 D 解析 氯碱工业中阳极是Cl－放电生成Cl2；电解精炼铜时阳极粗铜溶解，阴极Cu2＋放电析出Cu，溶液中Cu2＋浓度变小；铁片上镀铜时，阴极应该是铁片，阳极是纯铜。 二、有关电解计算的三种常用方法 【例2】 将两支惰性电极插入CuSO4溶液中，通电电解。 (1)当有1.0×10－3 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________。 解析 (1)用惰性电极电解CuSO4溶液时，电极反应式为阴极：2Cu2＋＋4e－===2Cu，阳极：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O。当有1.0×10－3 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1.0×10－3 mol，则在阴极上析出Cu：0.032 g。 (2)阳极： 4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ 4 mol 1 mol n 5.6×10－3 L22.4 L·mol－1 6

n＝1.0×10－3 mol，消耗1.0×10－3 mol OH－，生成1.0×10－3 mol H＋

则c(H＋)＝1.0×10－3 mol1 L＝1.0×10－3 mol·L－1 pH＝－lgc(H＋)＝－lg(1.0×10－3)＝3。 答案 (1)0.032 g (2)3 【归纳总结】 1．有关电解计算的三种常用方法 (1)根据电子守恒法计算：用于串联电路中各电极产物的计算，其依据是电路上转移的电子数相等。 (2)根据总反应方程式计算：先写电极反应式，再写总反应方程式，最后根据总反应方程式计算。 (3)根据关系式计算：根据电子得失相等找到已知量与未知量之间的桥梁，得出计算所需的关系式。 2．电解计算的注意事项 (1)电解过程中产生的H＋或OH－，其物质的量等于转移电子的物质的量。 (2)进行电解计算时，要注意电极放电顺序，确定不同阶段的电极反应。 变式训练2 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)，则原混合液中，Cu2＋的物质的量浓度为( ) A．1 mol·L－1 B．2 mol·L－1 C．3 mol·L－1 D．4 mol·L－1 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0.1 mol100×10－3 L＝1 mol·L－1。

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 7

D．在镀件上电镀锌，用锌作阳极 答案 A 解析 电解池的阳极发生失电子氧化反应、阴极发生得电子还原反应。电解熔融的Al2O3制Al时，若用Fe作阳极，会发生反应Fe－2e－===Fe2＋，Fe2＋移动到阴极上发生反应Fe2＋＋2e－===Fe，使得到的Al不纯。

2．如图为电解饱和食盐水的简单装置，下列有关说法正确的是( )

A．电解一段时间后，向蛋壳内的溶液中滴加几滴酚酞，呈红色 B．蛋壳表面缠绕的铁丝上发生氧化反应 C．铁丝表面生成的气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝 D．蛋壳可阻止生成的氯气与氢气、氢氧化钠溶液接触 答案 D 解析 碳棒在蛋壳内，溶液中的Cl－在该极失电子被还原，溶液的碱性不增强，故A项错误；蛋壳表面缠绕的铁丝作阴极，H＋在该极发生还原反应得到氢气，B项错误；铁丝表面生成的气体是氢气，不能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，C项错误；蛋壳在该实验中的作用是阻止气体通过，D项正确。 3．三氧化二镍(Ni2O3)可用于制造高能电池，其电解法制备过程如下：用NaOH调NiCl2溶液pH至7.5，加入适量硫酸钠后进行电解。电解过程中产生的Cl2在弱碱性条件下生成 ClO－，把二价镍氧化为三价镍。以下说法不正确的是( ) A．可用铁作阳极材料 B．电解过程中阴极附近溶液的pH升高 C．阳极反应方程式为2Cl－－2e－===Cl2↑ D．1 mol二价镍全部转化为三价镍时，外电路中通过了1 mol电子 答案 A 解析 由题意知电极反应，阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极：2H＋＋2e－===H2↑，阴极溶液呈碱性，pH升高，故A错误，B正确；由Ni2＋→Ni3＋，失去1 mol e－，外电路中转移 1 mol e－，即Cl－失去1 mol e－，H＋得到1 mol e－。