資源簡介

1.2 第4課時　電解池的應用
【學習目標】
1.通過對氯堿工業、電鍍、電解精煉銅、電冶金等原理的分析,了解電解的應用,認識電能與化學能之間的能量轉化。學會電極反應的書寫。
2.通過探究電鍍、電解精煉銅的實驗,培養觀察、分析、推理及歸納總結能力,建立有電極參與反應的電解原理的認知模型,形成科學的態度,感受電解的價值。
3.通過練習學會電解的有關計算,建立相關計算的思維模型,加深對電解原理的理解和應用,提升學生模型認知的核心素養。
【合作探究】
【學習情境】
歷史上伏特發明電池以后,引起化學家利用電解方法研究元素的興趣,由電解法分離的元素及利用新分離出的元素提純其他元素層出不窮;那么電解原理有哪些應用呢
任務1　電解原理的應用
【新知生成】
1.氯堿工業——電解飽和食鹽水
陽極反應:　　　　　　　　　　　　　(　　　　反應)。
陰極反應:　　　　　　　　　　　　　(　　　　反應)。
總反應方程:　。
　　2.電鍍與電解精煉
(1)電鍍銅
(2)電解精煉銅
3.電冶金:利用電解熔融鹽或氧化物的方法來冶煉活潑金屬Na、Ca、Mg、Al等。
總反應方程 陽極、陰極反應
冶煉鈉 　　　　　　　 陽極:2Cl--2e-Cl2↑ 陰極:2Na++2e-2Na
冶煉鎂 　　　　　　　 陽極:2Cl--2e-Cl2↑ 陰極:Mg2++2e-Mg
冶煉鋁 　　　　　　　 陽極:6O2--12e-3O2↑ 陰極:4Al3++12e-4Al
　　【答案】1.2Cl--2e-Cl2↑　氧化　2H2O+2e-H2↑+2OH-　還原　2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑　2.(1)純銅　鍍件　Cu2+　Cu-2e-Cu2+　Cu2++2e-Cu　(2)粗銅　精銅　Zn-2e-Zn2+　Fe-2e-Fe2+　Cu-2e-Cu2+　Cu2++2e-Cu　3.2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑　MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑　2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑
【核心突破】
典例1　下圖為陽離子交換膜法電解飽和食鹽水原理示意圖。下列說法不正確的是(　　)
A.從E口逸出的氣體是H2
B.從B口加入含少量NaOH的水溶液以增強導電性
C.標準狀況下每生成22.4 L Cl2,有2 mol Na+通過離子交換膜
D.F電極材料為金屬鐵
【解析】根據Na+的移動方向可知,裝置左邊是陽極區、右邊是陰極區,F是陽極,陽極上Cl-失電子,G是陰極,G電極的電極反應為2H2O+2e-H2↑+2OH-,從E口逸出的氣體是H2,A項正確;離子濃度越大,溶液導電能力越強,所以從B口加入含少量NaOH的水溶液以增強導電性,B項正確;電解總反應為2NaCl+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑,標準狀況下每生成22.4L Cl2,轉移2 mol電子,則有2 mol Na+通過離子交換膜,C項正確;陽極上Cl-失電子生成氯氣,所以陽極不能是活性電極,即F電極材料不能是金屬鐵,D項錯誤。
【答案】D
典例2　金屬鎳有廣泛的用途。粗鎳中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等雜質,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+A.陽極發生還原反應,其電極反應:Ni2++2e-Ni
B.電解過程中,陽極減少的質量與陰極增加的質量相等
C.電解后,溶液中存在的金屬陽離子只有Fe2+和Zn2+
D.電解后,電解槽底部的陽極泥中只有Cu和Pt
【解析】已知氧化性:Fe2+Fe>Ni>Cu>Pt(惰性金屬不放電),陰極的陽離子的放電順序為Zn2+【答案】D
歸納總結：
1.氯堿工業生產法——離子交換膜法
(1)離子交換膜電解槽的組成
由陽極(金屬鈦網)、陰極(碳鋼網)、離子交換膜、電解槽和導電銅棒等組成,每臺電解槽由若干個單元槽串聯或并聯組成。下圖表示一個單元槽的示意圖。
特別提醒:離子交換膜法制燒堿的生產流程重在掌握化學反應原理,對生產設備及生產細節不做過多要求。
(2)陽離子交換膜的作用
電解飽和食鹽水是氯堿工業的基礎,能制得氯氣、氫氣、氫氧化鈉等重要的化工原料。電解過程中,在電場的作用下,陽離子向陰極移動,而陰離子向陽極移動。由于在陽極氯離子失去電子生成氯氣,若不采取措施,氫氧根離子會向陽極移動,從而與氯氣發生反應,既減少了氯氣的產量,又會使得到的氫氧化鈉不純。因此,必須阻止氫氧根離子向陽極移動。
目前,常用的隔膜有石棉隔膜和陽離子交換膜。石棉隔膜能阻止氣體通過,但允許水分子及離子通過。由于氫氧根離子能透過隔膜,因此氯氣會與氫氧根離子發生反應,導致制得的氫氧化鈉不純。陽離子交換膜只允許陽
離子通過,而不允許陰離子及氣體通過,也就是說,只允許鈉離子通過,氯離子、氫氧根離子和氫氣、氯氣均不能通過。這樣既可以防止陰極產生的氫氣與陽極產生的氯氣相混合,在一定條件下引起爆炸,又能避免氯氣與氫氧化鈉作用生成次氯酸鈉而影響燒堿的質量。
(3)原料的精制
①粗鹽的成分:粗鹽中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、S等雜質,不符合電解要求,因此必須經過精制。
②雜質的危害:Ca2+、Mg2+、Fe3+等金屬離子在堿性環境中會產生沉淀,損壞離子交換膜,此外,雜質的存在會使得到的產品不純。
③除雜質的過程:粗鹽水依次加入過量BaCl2(除去S)、過量NaOH(除去Mg2+、Fe3+)、過量Na2CO3(除去Ca2+和過量Ba2+),過濾(除去泥沙及沉淀),加入適量鹽酸(除去OH-、C)。
Ⅰ.除雜質時所加試劑的順序要求:
a.Na2CO3必須在BaCl2之后;b.在過濾之后加鹽酸。
Ⅱ.試劑加入順序有多種選擇,如:a.BaCl2、NaOH、Na2CO3、過濾、鹽酸;b.BaCl2、Na2CO3、NaOH、過濾、鹽酸;c.NaOH、BaCl2、Na2CO3、過濾、鹽酸。
2.電鍍和電解精煉銅
電鍍 電解精煉銅
概念 電鍍是應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方法 運用電解的方法將粗銅提煉為純銅
主要目的 使金屬增強抗腐蝕能力、增大表面硬度等 將粗銅提煉為純銅
示意圖
陽極 鍍層金屬 粗銅
陰極 待鍍金屬 純銅
電解質 含鍍層金屬陽離子 CuSO4溶液
電極 反應 (以鐵 上鍍 銅為 例) 陽極 Cu-2e-Cu2+ Zn-2e-Zn2+等,比銅活潑的金屬雜質以陽離子形式殘留在溶液中;Cu-2e-Cu2+,比銅不活潑的金屬雜質形成陽極泥
陰極 Cu2++2e-Cu Cu2++2e-Cu
電解質溶 液的濃度 變化 CuSO4溶液的濃度不變 CuSO4溶液的濃度減小
　　訓練1　下面有關電化學的圖示,正確的是(　　)
A B C D
Cu-Zn原電池 粗銅的精煉 鐵片上鍍鋅 驗證NaCl溶液 (含酚酞)電解產物
【解析】在Zn、Cu、稀硫酸構成的原電池中,由于Zn的金屬活動性大于Cu,所以Zn作負極,Cu作正極,A項錯誤;粗銅精煉時,粗銅作陽極,精銅作陰極,B項錯誤;鐵片上鍍鋅,Zn應為陽極,鐵片為陰極,C項錯誤;由電流方向,可確定碳棒為陽極,生成Cl2,能使碘化鉀淀粉溶液變藍,鐵棒為陰極,生成H2,同時生成NaOH,使酚酞變紅,D項正確。
【答案】D
任務2　電化學的有關計算
【新知生成】
1.計算類型
原電池和電解池的計算包括兩極產物的定量計算、溶液pH的計算、相對原子質量和阿伏加德羅常數的計算、產物的量與電量關系的計算等。
2.計算原則
電化學的反應是氧化還原反應,各電極上轉移電子的物質的量相等,無論是單一電池還是串聯電解池,均可抓住電子守恒計算。
【核心突破】
典例3　500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(N)=0.6 mol·L-1,用石墨作電極電解此溶液,當通電一段時間后,兩極均收集到2.24L(標準狀況)氣體,假定電解后溶液體積仍為500 mL,下列說法正確的是(　　)
A.原混合溶液中c(K+)為0.2 mol·L-1
B.上述電解過程中共轉移0.2 mol電子
C.電解得到的Cu的物質的量為0.05 mol
D.電解后溶液中c(H+)為0.2 mol·L-1
【解析】石墨作電極電解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液,陽極反應為2H2O-4e-O2↑+4H+,陰極先后發生兩個反應:Cu2++2e-Cu、2H++2e-H2↑;從收集到的O2為2.24L可推知上述電解過程中共轉移0.4 mol電子,而在生成2.24L H2的過程中轉移0.2 mol電子,所以Cu2+共得到0.4 mol-0.2 mol=0.2 mol電子,電解前Cu2+的物質的量和電解得到的Cu的物質的量都為0.1 mol;電解前后分別有以下守恒關系:c(K+)+2c(Cu2+)=c(N),c(K+)+c(H+)=c(N),則電解前c(K+)=0.2 mol·L-1,電解后c(H+)=0.4 mol·L-1。
【答案】A
典例4　1L 1 mol·L-1 AgNO3溶液在以銀為陽極,鐵為陰極的電解槽中電解,當陰極增重2.16g時,下列判斷不正確的是(　　)
A.溶液濃度仍為1 mol·L-1
B.陽極上產生112 mL(標準狀況)O2
C.轉移的電子數是1.204×1022
D.反應中有0.02 mol金屬被氧化
【解析】該過程是在鐵上鍍銀,電鍍過程中,溶液的濃度不變,A項正確;陽極反應為Ag-e-Ag+,陰極反應為Ag++e-Ag,陽極上無氧氣生成,B項錯誤;2.16g Ag的物質的量為0.02 mol,陽極有0.02 mol銀被氧化,轉移的電子數是1.204×1022,C、D均正確。
【答案】B
歸納總結：電化學計算常用的三種方法
(1)根據總反應式計算
先寫出電極反應式,再寫出總反應式,最后根據總反應式列出比例式計算。
(2)根據電子守恒計算
①用于串聯電路中陰陽兩極產物、正負兩極產物、相同電量等類型的計算,其依據是電路中通過的電子數相等。
②用于混合溶液中電解的分階段計算。
(3)根據關系式計算
根據得失電子守恒關系建立起已知量與未知量之間的橋梁,構建計算所需的關系式。
通過4 mol e-為基準可構建電極產物之間的如下關系式:
訓練2　某裝置如圖所示,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極附近呈紅色。
請回答:
(1)B極是電源的　　　　,一段時間后,甲中溶液顏色　　　　;丁中X極附近的顏色變淺,Y極附近的顏色變深,這表明　　　　　　　　　　　　,在電場作用下向Y極移動。
(2)若甲、乙裝置中的C、D、E、F電極均只有一種單質生成,則對應單質的物質的量之比為　。
(3)現用丙裝置給銅件鍍銀,則H應該是　　　　(填“鍍層金屬”或“鍍件”),電鍍液是　　　　溶液。當乙裝置中溶液的pH是13時(此時乙裝置中溶液體積為500 mL),丙裝置中鍍件上析出銀的質量為　　　　,甲裝置中溶液的pH　　　　(填“變大”、“變小”或“不變”)。
(4)若將C電極換為鐵,其他裝置都不變,則甲裝置中發生反應的離子方程式是　。
【解析】(1)將直流電源接通后,F極附近呈紅色,說明F極是陰極,E極是陽極,則A極為電源的正極,B極為電源的負極;甲裝置中因Cu2+放電使溶液顏色變淺;丁裝置中Y極附近顏色變深,說明Fe(OH)3膠體粒子向陰極移動,即 Fe(OH)3膠體粒子帶正電荷。(2)C、D、E、F的電極產物分別為O2、Cu、Cl2、H2,由于電路中通過的電量相等,因此其物質的量之比為1∶2∶2∶2。(3)乙裝置中溶液pH=13,生成 n(NaOH)=0.1 mol·L-1×0.5L=0.05 mol,電路中通過的電子的物質的量為0.05 mol,所以丙裝置中鍍件上析出銀的質量為0.05 mol×108g·mol-1=5.4g。(4)當活潑金屬作陽極時,金屬先于溶液中的陰離子放電而溶解,故甲裝置中發生總反應的離子方程式為Fe+Cu2+Fe2++Cu。
【答案】(1)負極　變淺　氫氧化鐵膠體粒子帶正電荷　(2)1∶2∶2∶2　(3)鍍件　AgNO3　5.4g　變小　(4)Fe+Cu2+Cu+Fe2+
課堂小結
【隨堂檢測】
1.利用如圖所示裝置,當X、Y選用不同材料時,可將電解原理廣泛應用于工業生產,下列說法中正確的是(　　)
A.Z是AgNO3溶液,X、Y均為Pt,Y電極上有O2產生
B.氯堿工業中,X、Y均為石墨,Y附近能得到氫氧化鈉
C.銅的精煉中,X是純銅,Y是粗銅,Z是CuSO4溶液
D.電鍍工業中,X是待鍍金屬,Y是鍍層金屬
【解析】用惰性電極電解AgNO3溶液,陰極銀離子得電子析出銀,陽極氫氧根離子失電子生成O2,X電極上有O2產生,A項錯誤;用惰性電極電解飽和氯化鈉溶液,陰極附近得到氫氧化鈉,即Y附近能得到氫氧化鈉,B項正確;銅的精煉中,陽極X為粗銅,陰極Y為純銅,硫酸銅溶液作電解質溶液,C項錯誤;電鍍工業中,陰極Y是待鍍金屬,陽極X是鍍層金屬,D項錯誤。
【答案】B
2.在鐵制品表面鍍上一定厚度的鋅層,以下電鍍方案中正確的是(　　)
A.鋅作陽極,鐵制品作陰極,溶液中含Fe2+
B.鋅作陽極,鐵制品作陰極,溶液中含Zn2+
C.鋅作陰極,鐵制品作陽極,溶液中含Fe3+
D.鋅作陰極,鐵制品作陽極,溶液中含Zn2+
【解析】電鍍時,要求用鍍層金屬(鋅)作陽極,待鍍金屬(鐵制品)作陰極,含鍍層金屬離子(Zn2+)的溶液作電鍍液。
【答案】B
3.如圖所示裝置,用惰性電極電解熔融氯化鈉[2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑],下列說法錯誤的是(　　)
A.通電時,Na+向鐵電極移動
B.石墨電極發生還原反應
C.電解一段時間后,在兩個電極上分別生成金屬鈉和氯氣
D.石墨電極生成氯氣的電極反應:2Cl--2e-Cl2↑
【解析】根據圖示,石墨電極為陽極,鐵電極為陰極,通電時,Na+向鐵電極移動,A項正確;Cl-在石墨電極上失電子生成Cl2,發生氧化反應,B項錯誤;電解一段時間后,在石墨電極上生成氯氣,鐵電極上生成金屬鈉,C項正確;石墨電極上Cl-失電子生成Cl2,電極反應為2Cl--2e-Cl2↑,D項正確。
【答案】B
4.電解NaCl溶液的裝置如圖所示,下列說法不正確的是(　　)
A.鐵電極上的電極反應為Fe-2e-Fe2+
B.溶液中Na+由石墨電極向鐵電極移動
C.通電一段時間后,可看到鐵電極附近溶液變紅
D.通電一段時間后,可看到試管中溶液變藍
【解析】A項,鐵作陰極,溶液中的水放電生成H2:2H2O+2e-H2↑+2OH-,錯誤;B項,電解質溶液中的陽離子向陰極移動,即移向鐵電極,正確;C項,水中H+放電生成H2,留下OH-,遇酚酞變紅,正確;D項,石墨為陽極,陰離子Cl-放電生成Cl2,氧化I-生成I2,遇淀粉顯藍色,正確。
【答案】A
5.以石墨為電極電解KI溶液(含有少量酚酞和淀粉),下列有關說法錯誤的是(　　)
A.陰極附近溶液呈紅色
B.陰極逸出氣體
C.陽極附近溶液呈藍色
D.溶液的pH變小
【解析】以石墨為電極電解KI溶液,發生的反應為2KI+2H2O2KOH+H2↑+I2,陰極產物是H2和KOH,陽極產物是I2。由于溶液中含有少量的酚酞和淀粉,所以陽極附近的溶液會變藍,陰極附近的溶液會變紅,A、B、C三項正確;因為電解時有KOH生成,所以溶液的pH逐漸增大,D項錯誤。
【答案】D
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