資源簡介

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第2課時　電解原理的應用
電解原理的應用
1.氯堿工業。
(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,并以它們為原料生產一系列化工產品的工業,稱為氯堿工業。
(2)原理:
①通電前,氯化鈉溶液中含有的離子是Na+、Cl-、H+、OH-。
通電時,移向陽極的離子是Cl-、OH- ,移向陰極的離子是Na+、H+。
②陽極反應式為2Cl--2e-══Cl2↑;
陰極反應式為2H++2e-══H2↑;
因H+放電,促進了水的電離,使陰極區溶液顯堿性。
③電解的總反應式。
(3)氯堿工業生產流程。
①陽離子交換膜電解槽。
②陽離子交換膜的作用:只允許Na+等陽離子通過,不允許Cl-、OH-等陰離子及氣體分子通過,可以防止陰極產生的氫氣與陽極產生的氯氣混合發生爆炸,也能避免氯氣與陰極產生的氫氧化鈉反應而影響氫氧化鈉的產量和質量。
微解讀1 氯堿工業規律的記憶口訣:氫氣燒堿出陰極,氯氣陽極相隔離。①因為陽極產物Cl2和陰極產物H2會發生反應,Cl2和NaOH會發生反應,因此工業上常用特殊的電解槽電解飽和食鹽水,一般用陽離子交換膜將電解槽分隔成兩部分,以避免電解產物之間發生反應。②陽極區Cl-放電生成Cl2,生成的Cl2少量溶于水會使陽極區呈酸性。
微思考1 工業上電解飽和食鹽水時,若將離子交換膜電解槽中的陽離子交換膜去掉,對產品會有什么影響
提示:陽極產生的Cl2會擴散至陰極區,與陰極產物NaOH反應,降低產率,且使產品不純。
微訓練1 電解原理在化學工業中有廣泛應用。如圖表示一個電解池,電解液a是飽和NaCl溶液,X、Y都是石墨電極,通過導線與直流電源相連。實驗開始時,同時在兩邊各滴入幾滴酚酞溶液,則:
(1)電解池中X極上的電極反應式是　　 　 　　　　,在X極附近觀察到的現象是　　　　　　　　　　。
2H2O+2e- ==== H2↑+2OH-　
放出氣體,溶液變紅
(2)Y電極上的電極反應式是　 　　　　　 　,檢驗該電極反應產物的方法是_____________________________________
　　　　　。
2Cl--2e- ==== Cl2↑　
把濕潤的碘化鉀淀粉試紙放在Y電極附近,
試紙變藍
2.電鍍。
電鍍是一種利用　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。在鐵鑰匙上鍍銅的工作示意圖如圖所示,據此回答問題:
(1)鍍件(鑰匙)作　陰　極,鍍層金屬(銅)作　陽　極,含有
　鍍層金屬離子　(Cu2+)的溶液作電鍍液。
(2)陽極上發生的電極反應為　Cu-2e- ==== Cu2+　;陰極上發生的電極反應為　Cu2++2e- ==== Cu　。
微解讀2
(1)電鍍規律記憶口訣:鍍層陽極待鍍陰,鍍層離子溶液跟。我與電解共原理,濃度不變要記真。(2)電鍍特點:“1多、1少、1不變”。“1多”是指陰極上有鍍層金屬沉積,“1少”是指陽極上有鍍層金屬溶解,“1不變”是指電解質溶液的濃度不變。
微思考2 當上述電鍍進行一段時間后,電鍍液的濃度是如何變化的
提示:因陽極溶解的Cu和陰極析出的Cu的量相等,所以電鍍液的濃度基本不變。
微判斷1 (1)在鐵制品上電鍍鋅時,鐵制品應與電源的正極連接。(　　)
(2)用石墨作陽極,用硫酸銅溶液作電解質溶液,也能實現在鍍件上電鍍銅。(　　)
(3)電鍍銅時,電解質溶液中c(Cu2+)一定保持不變。(　　)
×
√
×
3.電解精煉銅。
(1)利用電解原理進行電解精煉銅時,以粗銅作　陽　極,以純銅作　陰　極,通常用　CuSO4溶液　作電解質溶液。
(2)粗銅中含有Zn、Fe、Ni、Ag、Au等雜質金屬,其中
Zn、Fe、Ni、Cu　可在陽極放電變成相應的金屬離子進入溶液中,　Ag、Au　等金屬則沉淀在陽極底部形成陽極泥。
寫出陽極上發生的電極反應:　Zn-2e- ==== Zn2+,Fe-2e- ==== Fe2+,Ni-2e- ==== Ni2+,Cu-2e- ==== Cu2+　;
寫出陰極上發生的電極反應:　Cu2++2e- ==== Cu　。
微解讀3 電解精煉過程中的“兩不等”:電解質溶液濃度在電解前后不相等;陰極增加的質量和陽極減少的質量不相等。
微思考3 電解精煉銅時,當電解進行一段時間后,CuSO4溶液的濃度是如何變化的
提示:陽極除溶解Cu外,還溶解Zn、Fe、Ni等金屬,而陰極只析出Cu,所以CuSO4溶液的濃度會減小。
4.電冶金。
電解法是冶煉金屬的一種重要方法,利用電解法可以冶煉Na、Ca、Mg、Al等活潑金屬。用直流電電解熔融NaCl制取金屬鈉的化學方程式為　2NaCl(熔融) 2Na+Cl2↑　。陽極反應為　2Cl--2e- ==== Cl2↑　;陰極反應為　Na++e- ==== Na 。
微思考4 工業生產金屬鎂和金屬鋁均采用電解法,制取Mg時電解的是熔融的MgCl2,而制取Al時電解的卻是熔融的氧化鋁,不是AlCl3,這是為什么
提示:MgCl2是離子化合物,在熔融狀態下導電,而AlCl3是共價化合物,在熔融狀態下不導電,氧化鋁是離子化合物,熔融的氧化鋁導電,故制取金屬鋁用的是熔融的氧化鋁。
微判斷2 (1)電解精煉時,陽極泥可以作為提煉貴重金屬的原料。(　　)
(2)電解精煉銅時,粗銅作陽極,活潑性比銅弱的雜質金屬成為陽極泥沉在陽極區。(　　)
(3)電鍍銅和電解精煉銅時,電解質溶液中c(Cu2+)均保持不變。
(　　)
(4)金屬銅只能用熱還原法冶煉,不能用電解法冶煉。(　　)
√
√
×
×
微訓練2 1.火法煉銅得到的粗銅中含多種雜質(如鋅、金、銀等),其性能遠不能達到電氣工業的要求,工業上常使用電解精煉法將粗銅提純。在電解精煉時(　　)。
A.粗銅接電源負極
B.純銅作陽極
C.雜質都將以單質形式沉淀到池底
D.純銅片質量增加2.56 g,電路通過電子為0.08 mol
答案:D
解析:電解精煉銅時,用粗銅作陽極,用純銅作陰極,A項、B項不正確;鋅比銅活潑,失電子變成鋅離子進入溶液中,金、銀不活潑,以單質形式沉淀到電解槽底部,C項不正確;陰極發生反應Cu2++2e-══Cu,m(Cu)=2.56 g,n(Cu)=0.04 mol,電路通過電子n(e-)=0.08 mol,D項正確。
2.鋁合金(含Cu、Mg和Si等)用途廣泛,利用電解原理處理鋁合金廢料可以實現鋁的再生,從而使資源得到合理利用。下列說法正確的是(　　)。
A.陽極發生的反應為Al3++3e-══Al
B.在電解槽底部產生含Cu、Si的陽極泥
C.電解質溶液可以是Al2(SO4)3溶液
D.陽極和陰極的質量變化相等
答案:B
解析:在陽極,金屬鋁失電子生成鋁離子,發生的反應為Al-3e-══Al3+,A項錯誤;鋁失電子后,還原性弱的Cu和Si不失電子,沉積在電解槽底部成為陽極泥,B項正確;在陰極,Al3++3e-══Al,若電解質溶液是Al2(SO4)3溶液,則陰極上H+得電子生成H2,所以電解質應為鋁鹽的熔融態,C項錯誤;陽極除去Al轉化為Al3+外,還有陽極泥生成,陰極只生成Al,所以陽極和陰極的質量變化不相等,D項錯誤。
一、電解原理的應用
問題探究
如圖所示,思考下列問題:
1.甲池、乙池分別是原電池還是電解池
提示:有外接電源,甲池、乙池都是電解池。
2.若用導線替代外接電源,甲池、乙池分別是原電池還是電解池
提示:甲池符合原電池組成條件,乙池不符合原電池組成條件,甲池是原電池,充當電源,對乙池電解,乙池是電解池(也是電鍍池)。
歸納總結
1.氯堿工業的生產過程。
2.電鍍銅與精煉銅的比較。(電解質溶液均為CuSO4溶液)
比較項目 電鍍銅 精煉銅
能量轉化 電能轉化為化學能 電能轉化為化學能
陽極材料 純銅 粗銅(含鋅、銀、
金等雜質)
陰極材料 鍍件 純銅
陽極反應 Cu-2e-===Cu2+ Zn-2e-===Zn2+
Cu-2e-===Cu2+等
陰極反應 Cu2++2e-===Cu Cu2++2e-===Cu
電解質溶液及其濃度變化 硫酸銅溶液濃度保持不變 反應后硫酸銅溶液中混有Zn2+等,Cu2+濃度減小
典例剖析
【例1】工業上處理含 的酸性工業廢水常用以下方法:①往工業廢水里加入適量的NaCl,攪拌均勻;②用Fe作電極進行電解,經過一段時間后有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀產生;③過濾回收沉淀,廢水達到排放標準。
請回答下列問題。
(1)電解時的電極反應:陽極為　　　　　,陰極為　　　　　。
(2)寫出 轉變成Cr3+的離子方程式: 　。
(3)電解過程中Cr(OH)3、Fe(OH)3沉淀是怎樣產生的
答案:(1)Fe-2e-══Fe2+　2H++2e-══H2↑
(2)6Fe2++ +14H+══6Fe3++2Cr3++7H2O
(3)在陰極反應及 與Fe2+反應的過程中,消耗大量的H+,使溶液pH增大,促進Fe3+、Cr3+水解并最終轉化為Fe(OH)3、Cr(OH)3沉淀。
解析:陰極:2H++2e-══H2↑,陽極:Fe-2e-══Fe2+,產生的Fe2+在向陰極移動的過程中與向陽極移動的 相遇,發生氧化還原反應:6Fe2++ +14H+══6Fe3++2Cr3++7H2O,使
轉化為Cr3+,同時Fe2+也轉化為Fe3+,在以上電解的陰極反應及Fe2+與 的氧化還原反應中消耗了大量的H+,溶液的pH不斷增大,有利于Fe3+、Cr3+生成相應的Fe(OH)3、Cr(OH)3沉淀。
【拓展延伸】 能否用Cu電極來代替Fe電極 請簡述理由。
答案:不能。若用Cu電極來代替Fe電極,產生的Cu2+不能將
轉化為Cr3+,不能除去廢水中的 。
學以致用
1.如圖中的A為直流電源,B為浸透氯化鈉飽和溶液和酚酞溶液的濾紙,C為電鍍槽,接通電路后,發現B上的c點顯紅色。請回答下列問題:
(1)電源A的a為　　極。
(2)濾紙B上發生的總反應方程式為　　 　　　　。
(3)欲在電鍍槽中實現鐵上鍍鋅,接通K點,使c、d兩點短路,則電極e上發生的反應為　　　　　　　　,電極f上發生的反應為　　　　　　　　,槽中盛放的電鍍液可以是
　　　　　　　　或　　　　　　　　。
答案:(1)正
(2)2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH
(3)Zn-2e-══Zn2+　Zn2++2e-══Zn　ZnSO4溶液　Zn(NO3)2溶液
解析:(1)根據c點顯紅色,則該極上發生的反應為2H++2e-══H2↑,即該極為陰極,與電源的負極相連,所以a是正極。
(2)濾紙B上發生的總反應方程式為2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH。
(3)c、d兩點短路后,e為陽極,反應為Zn-2e-══Zn2+。欲實現鐵上鍍鋅,則陰極反應為Zn2++2e-══Zn。電鍍液用含鍍層金屬離子的電解質溶液,所以可用ZnSO4溶液或Zn(NO3)2溶液等。
2.高鐵酸鹽在能源環保領域有廣泛用途。用鎳(Ni)、鐵作電極電解濃NaOH溶液制備高鐵酸鈉(Na2FeO4)的裝置如圖所示,回答下列問題:
(1)若離子交換膜為陰離子交換膜,則OH-自　　　　(填“左”或“右”,下同)向　　　　移動。
(2)電解一段時間后,撤去離子交換膜,混合后的溶液與原溶液比較,pH　　　　(填“增大”或“減小”)。
答案:(1)左　右　(2)減小
解析:(1)Fe為陽極,發生氧化反應,則其電極反應為Fe-6e-+8OH-══ +4H2O,若離子交換膜為陰離子交換膜,則OH-自左(陰極區)向右(陽極區)移動。(2)根據陽極電極反應可知隨電解的進行,陽極區pH降低;陰極電極反應式為2H2O+2e-══H2↑+2OH-,陰極區pH增大;根據得失電子守恒可知,OH-消耗的多,生成的少,電解一段時間后,撤去離子交換膜,混合后的溶液與原溶液比較,pH減小。
特別提醒 離子交換膜是具有選擇透過性能的高分子功能膜或分離膜,常運用于膜電解和電滲析等離子交換膜法技術中。它具有選擇透過性好、分離效率高、能耗低、污染少等特點,在水處理、環保、化工、冶金等領域都有廣泛應用。 離子交換膜的種類有陽離子交換膜、陰離子交換膜、質子交換膜等。離子交換膜的作用:①隔離某些物質,防止陰極產物與陽極產物之間或電極產物與電解質溶液之間發生反應;②用于制備某些物質:通過離子定向移動使得陰極區或陽極區得到所制備的新物質;③對物質進行分離、提純等。
二、電解的有關計算
問題探究
如下圖,甲燒杯中盛有100 mL 0.50 mol·L-1 AgNO3溶液,乙燒杯中盛有100 mL 0.25 mol·L-1 CuCl2溶液,A、B、C、D均為質量相同的石墨電極,如果電解一段時間后,發現A極比C極的質量多1.9 g。
1.發現A極比C極的質量多,說明A極和C極上分別析出什么物質 說明E為電源的正極還是負極
提示:A極比C極的質量多,說明A極上有Ag析出,說明E是電源的負極,則C極為陰極,C極上有銅析出。
2.A極比C極的質量多1.9 g,則A極上析出單質的質量為多少 C極上析出單質的質量為多少
3.寫出B極的電極反應式。計算B極析出氣體的體積是多少 (標準狀況)
提示:B極的電極反應式為4OH--4e-══O2↑+2H2O,
根據題意可知,該過程轉移0.025 mol電子,
歸納總結
1.計算的原則。
(1)陽極失去的電子數等于陰極得到的電子數。
(2)串聯電路中通過各電解池的電子總數相等。
(3)電源輸出的電子總數和電解池中轉移的電子總數相等。
2.計算的方法。
(1)得失電子守恒法計算:用于串聯電路、通過陰陽兩極的電量相同等類型的計算,其依據是電路上轉移的電子數相等。
(2)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比例式計算。
(3)關系式計算:借得失電子守恒關系建立已知量與未知量之間的橋梁,建立計算所需的關系式。
電解計算時常用的定量關系為
4e-~4H+~4OH-~2H2~O2~2Cu~4Ag。
3.計算的步驟。
(1)正確書寫電極反應式(要注意陽極材料)。
(2)當溶液中有多種離子共存時,要確定放電離子的先后順序。
(3)最后根據得失電子守恒進行相關的計算。
典例剖析
【例2】 常溫下用惰性電極電解200 mL 氯化鈉、硫酸銅的混合溶液,所得氣體的體積隨時間變化如下圖所示,根據圖中信息回答下列問題。(氣體體積已換算成標準狀況下的體積,且忽略氣體在水中的溶解和溶液體積的變化)
(1)曲線　　　　(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)表示陽極產生氣體的變化。
(2)氯化鈉的物質的量濃度為　　　　　　,硫酸銅的物質的量濃度為　　　　　。
答案:(1)Ⅱ　(2)0.1 mol·L-1　0.1 mol·L-1
解析:(1)陰極上Cu2+首先放電,故開始時,陰極上無氣體生成,故曲線Ⅱ表示陽極產生氣體的變化。
【拓展延伸】 t2時所得溶液的pH是多少
學以致用
3.用惰性電極電解硫酸銅溶液。若陽極上產生氣體的物質的量為0.01 mol,陰極無氣體逸出,則陰極上析出銅的質量為
(　　)。
A.0.64 g B.1.28 g C.2.56 g D.5.12 g
答案:B
解析:用惰性電極電解硫酸銅溶液,在陽極產生的氣體為氧氣,由4OH--4e-══2H2O+O2↑知,產生0.01 mol的氧氣轉移0.04 mol電子,則根據Cu2++2e-══Cu可推出應析出0.02 mol的銅,其質量為1.28 g。
4.把物質的量均為0.1 mol的氯化銅和硫酸溶于水制成100 mL的混合溶液,用石墨作電極電解,并收集兩電極所產生的氣體,一段時間后發現兩極收集到的氣體在相同條件下體積相同。則下列描述正確的是(　　)。
A.電路中共轉移0.6NA個電子
B.陽極得到的氣體中O2的物質的量為0.2 mol
C.陰極質量增加3.2 g
D.電解后剩余溶液中硫酸的濃度為1 mol·L-1
答案:A
解析:根據放電順序,陰離子為Cl->OH-> ,陽離子為Cu2+>H+,可知該電解過程分為兩個階段。第一階段,電解CuCl2溶液,化學方程式為Cu2++2Cl- Cu+Cl2↑;第二階段,電解H2O,化學方程式為2H2O 2H2↑+O2↑。陽極開始產生Cl2,后產生O2,陰極開始生成Cu,后產生H2,根據得失電子守恒: Cl2~2e-~Cu,2H2~4e-~O2,可知n(Cu2+)=n(Cl2)=0.1 mol, 2n(O2)=n(H2),又因為兩極收集到的氣體在相同條件下體積相同,即n(Cl2)+n(O2)=n(H2),所以n(H2)=0.2 mol,n(O2)=0.1 mol,則轉移電子數為(0.1×2+0.2×2)NA=0.6NA,A正確、B錯誤;
陰極析出0.1 mol銅,即6.4 g,C錯誤;電解后溶液的體積未知,不能計算硫酸的濃度,D錯誤。
1.如圖是氯堿工業中的電解裝置,下列說法不正確的是(　　)。
A.電解總反應式為
2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑
B.陽極電極反應式:2Cl--2e-══Cl2↑
C.離子膜應為陽離子交換膜
D.每生成1 mol Cl2,此裝置共轉移電子4 mol
答案:D
解析:氯堿工業中電解飽和食鹽水,得到氫氧化鈉、氫氣和氯氣,A項正確;氯離子在陽極上失去電子被氧化生成氯氣,B項正確;左側陽極區食鹽水濃度減小,鈉離子濃度減小,則鈉離子應透過離子膜向右移動,離子膜應為陽離子交換膜,C項正確;據2Cl--2e-Cl2↑,每生成1 mol氯氣,應轉移電子2 mol,D項錯誤。
2.關于鍍銅和電解精煉銅,下列說法中正確的是(　　)。
A.都用粗銅作陽極、純銅作陰極
B.電解質溶液的濃度都保持不變
C.陽極反應都只有Cu-2e-══Cu2+
D.陰極反應都只有Cu2++2e-══Cu
答案:D
解析:A項,電鍍時鍍件作陰極;B項,電解精煉銅時電解質溶液濃度改變;C項,電解精煉銅時,雜質中若有比銅活潑的金屬如鋅,則還會發生Zn-2e-══Zn2+的反應。
3.下列描述中,不符合生產實際的是(　　)。
A.電解熔融的氧化鋁制取金屬鋁,用鐵作陽極
B.電解法精煉粗銅,用純銅作陰極
C.電解飽和食鹽水制燒堿,用涂鎳碳鋼網作陰極
D.在鍍件上電鍍鋅,用鋅作陽極
答案:A
解析:電解池的陽極失電子發生氧化反應,陰極得電子發生還原反應。電解熔融的Al2O3制Al時,若用Fe作陽極,會發生反應Fe-2e-══Fe2+,Fe2+移動到陰極上發生反應Fe2++2e-══Fe,使得到的Al不純。
4.某學生想制作一種家用環保型消毒液發生器,用石墨作電極電解氯化鈉飽和溶液,通電時,為使Cl2被完全吸收,制得有較強殺菌能力的消毒液,設計了如圖的裝置。下列對電極名稱和消毒液的主要成分判斷正確的是(　　)。
A.a為正極,b為負極,NaClO和NaCl
B.a為負極,b為正極,NaClO和NaCl
C.c為陽極,d為陰極,HClO和NaCl
D.c為陰極,d為陽極,HClO和NaCl
答案:B
解析:用石墨作電極電解氯化鈉飽和溶液時,在陽極上氯離子失電子生成氯氣,在陰極上氫離子得電子生成氫氣,為使Cl2被完全吸收,制得有較強殺菌能力的消毒液,所以一定要讓氯氣在d電極產生,所以d電極是陽極,c電極是陰極,故a為負極,b為正極,d極生成的Cl2與c極區的NaOH反應生成NaClO和NaCl。
5.某同學設計一個燃料電池(如下圖所示)用于探究氯堿工業原理和粗銅的精煉原理,其中乙裝置中X為陽離子交換膜。
根據要求回答相關問題:
(1)通入氫氣的電極為　　　　(填“正極”或“負極”),該電極反應式為　 。
(2)石墨電極為　　　　(填“陽極”或“陰極”),反應一段時間后,在乙裝置中滴入酚酞溶液,　　　　(填“鐵極”或“石墨極”)區的溶液先變紅。
(3)如果粗銅中含有鋅、銀等雜質,丙裝置中反應一段時間,硫酸銅溶液濃度將　　　　(填“增大”“減小”或“不變”)。精銅電極上的電極反應式為　 。
答案:(1)負極　H2+2OH--2e-══2H2O
(2)陽極　鐵極
(3)減小　Cu2++2e-══Cu
解析:(1)通入氫氣的電極為負極,電解質溶液呈堿性,該電極反應式為H2+2OH--2e-══2H2O。
(2)石墨電極與電源的正極連接,石墨電極為陽極,反應一段時間后,在乙裝置中滴入酚酞溶液,溶液中的H+在陰極(Fe極)放電,破壞了附近的水的電離平衡,該區域的溶液顯堿性,因此鐵極的溶液先變紅。
(3)粗銅中比銅活動性強的金屬失去電子被氧化,溶液中的銅離子得到電子被還原,因此硫酸銅溶液濃度將減小;精銅電極上的電極反應式為Cu2++2e-══Cu。
6.如圖所示,若電解5 min時,測得銅電極的質量增加2.16 g。試回答下列問題:
(1)電源中X極是　　　　　(填“正”或“負”)極。
(2)通電5 min時,B中共收集到224 mL(標準狀況)氣體,溶液體積為200 mL(電解前后溶液的體積變化忽略不計),則通電前c(CuSO4)=　 。
(3)若A中KCl溶液的體積也是200 mL,電解后溶液中仍有Cl-,則電解后溶液的pH=　　　　(Kw=1.0×10-14)。
答案:(1)負　(2)0.025 mol·L-1　(3)13
解析:(1)銅電極質量增加,說明銀在銅電極析出,則銅電極為陰極,X為負極。(2)C中銅電極質量增加2.16 g,即析出0.02 mol Ag,線路中通過0.02 mol電子;由4e-~O2可知,B中產生的O2只有0.005 mol,即112 mL;但B中共收集到224 mL氣體,說明還有112 mL是H2,即Cu2+全部在陰極放電后,H+接著放電產生了112 mL H2,則通過0.01 mol電子時,Cu2+已被電解完;由2e-~Cu,可知n(Cu2+)=0.005 mol,則c(CuSO4)= =0.025 mol·L-1。(3)由e-~OH-知,A中生成0.02 mol OH-,則c(OH-)=0.1 mol·L-1, pH=13。第2課時　電解原理的應用
課后·訓練提升
基礎鞏固
1.在給定條件下,下列選項所示的物質間轉化,均能通過一步化學反應實現的是(　　)。
A.NaClCl2漂白粉
B.Cu2(OH)2CO3CuOCu(OH)2
C.MgCO3MgCl2溶液Mg
D.Fe3O4FeFeCl3
答案:A
解析:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,2Cl2+2Ca(OH)2CaCl2+Ca(ClO)2 +2H2O,A項正確。CuO與H2O不能直接化合生成Cu(OH)2,B項錯誤。電解MgCl2溶液時,陰極得不到Mg單質,C項錯誤。Fe與HCl反應生成FeCl2,D項錯誤。
2.用電解法制取KIO3的方法是以石墨和鐵為電極電解KI溶液,電解反應方程式為KI+3H2OKIO3+3H2↑。下列說法中正確的是(　　)。
A.電解時石墨作陰極
B.電解時陽極上產生H2
C.電解過程中陰極溶液pH升高
D.陰極電極反應式:I--6e-+3H2OI+6H+
答案:C
解析:電解時,鐵作陰極,石墨作陽極,若鐵作陽極,則鐵放電,A項錯誤;陽極發生氧化反應,I-失電子被氧化,電極反應為I--6e-+3H2OI+6H+,B、D兩項錯誤;陰極上水放電,2H2O+2e-H2↑+2OH-,陰極溶液的pH升高,C項正確。
3.餐具表面鍍銀可達到增強抗腐蝕性、提升美觀度等目的。下列關于鐵表面鍍銀的說法不正確的是(　　)。
A.電路中每通過1 mol e-,陰極析出1 mol銀
B.鐵電極應與電源負極相連
C.陽極電極反應式為Ag-e-Ag+
D.電鍍液需要不斷更換
答案:D
解析:陰極發生反應:Ag++e-Ag,故電路中每通過1 mol e-析出1 mol銀,故A正確;鐵為鍍件,應與電源負極相連,故B正確;陽極為鍍層金屬,電極反應式為Ag-e-Ag+,故C正確;電鍍液濃度不變,不需要更換,故D錯誤。
4.如圖是工業電解飽和食鹽水的裝置示意圖,下列有關說法不正確的是(　　)。
A.裝置中出口①處的物質是氯氣,出口②處的物質是氫氣
B.該離子交換膜只能讓陽離子通過,不能讓陰離子通過
C.裝置中發生反應的離子方程式為2Cl-+2H+Cl2↑+H2↑
D.該裝置將電能轉化為化學能
答案:C
解析:由圖看出①處為電解池陽極,產生氯氣,②處為電解池陰極,產生氫氣,A正確;該離子交換膜只能讓陽離子通過,不能讓陰離子通過,能防止氯氣與堿反應,且在陰極區得到濃度較高的燒堿溶液,B正確;電解飽和食鹽水有燒堿生成,裝置中發生反應的離子方程式應為2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH-,C錯誤;電解裝置是將電能轉化為化學能的裝置,D正確。
5.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,其電極反應式:Ni2++2e-Ni
B.電解過程中,陽極質量的減少與陰極質量的增加相等
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
答案:D
解析:陽極發生氧化反應,其電極反應式:Ni-2e-Ni2+,Fe-2e-Fe2+, Zn-2e-Zn2+,A項錯誤;電解過程中陽極失電子的有Fe、Zn、Ni;陰極析出的是鎳,依據得失電子守恒,陽極質量的減少與陰極質量的增加不相等,B項錯誤;電解后,溶液中存在的金屬陽離子有Fe2+、Zn2+、Ni2+,C項錯誤;粗鎳中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等雜質,銅和鉑不失電子,沉降在電解池底部形成陽極泥,電解后,電解槽底部的陽極泥中只有Cu和Pt,D項正確。
6.滲析法是一種利用離子交換膜進行海水淡化的方法,其原理如圖所示,電極均為惰性電極。已知海水中含Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、S等離子。下列敘述中正確的是(　　)。
A.X膜是陽離子交換膜
B.通電后,海水中陰離子往b電極處移動
C.通電后,b電極上產生無色氣體,溶液中出現白色沉淀
D.通電后,a電極的電極反應式為4OH--4e-O2↑+2H2O
答案:C
解析:A項,X膜是陰離子交換膜,錯誤;B項,通電后,海水中陰離子往陽極(a電極)處移動,錯誤;C項,通電后,由于放電能力:H+>Mg2+>Ca2+,所以H+在陰極(b電極)上放電:2H++2e-H2↑,產生無色氣體,由于破壞了附近水的電離平衡,在該區域c(OH-)增大,發生反應:Mg2++2OH-Mg(OH)2↓,所以溶液中還會出現白色沉淀,正確;D項,通電后,由于在溶液中的放電能力:Cl->OH-,所以在陽極發生反應:2Cl--2e-Cl2↑,錯誤。
7.三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如圖所示,采用惰性電極,ab、cd均為離子交換膜,在直流電場的作用下,兩膜中間的Na+和S可通過離子交換膜,而兩端隔室中離子被阻擋不能進入中間隔室。下列敘述正確的是(　　)。
A.通電后中間隔室的S向正極遷移,正極區溶液pH增大
B.該法在處理含Na2SO4廢水時可以得到NaOH和H2SO4產品
C.負極反應為2H2O-4e-O2↑+4H+,負極區溶液pH降低
D.當電路中通過1 mol電子的電量時,會有0.5 mol的O2生成
答案:B
解析:在負極區發生的電極反應為4H2O+4e-2H2↑+4OH-,在正極區發生的電極反應為2H2O-4e-O2↑+4H+,故正極區pH減小,A項錯誤;Na+移向負極區,生成NaOH,S移向正極區,生成H2SO4,B項正確;根據負極區電極反應可知C項錯誤;每通過1 mol 電子,有0.25 mol O2生成,D項錯誤。
8.研究發現,可以用石墨作陽極、鈦網作陰極、熔融CaF2-CaO作電解質,利用圖示裝置獲得金屬鈣,并以鈣為還原劑還原二氧化鈦制備金屬鈦。下列說法不正確的是(　　)。
A.由TiO2制得1 mol金屬Ti,理論上外電路轉移4 mol電子
B.陽極的電極反應式為2O2--4e-O2↑
C.在制備金屬鈦前后,整套裝置中CaO的總量不會減少
D.裝置中石墨電極需要定期更換
答案:B
解析:鈣還原二氧化鈦反應的化學方程式為2Ca+TiO2Ti+2CaO,由TiO2制得1 mol金屬Ti,消耗2 mol Ca,電解池中陰極反應式為Ca2++2e-Ca,則生成2 mol Ca外電路中轉移4 mol電子,故A正確;陽極上電極反應式為C+2O2--4e-CO2↑,故B錯誤;電解池總反應為2CaO+C2Ca+CO2↑,制備金屬鈦的反應為2Ca+TiO2Ti+2CaO,所以在制備金屬Ti前后,CaO的總量不會減少,故C正確;陽極上電極反應式為C+2O2--4e-CO2↑,C不斷被消耗,裝置中石墨電極需要定期更換,故D正確。
9.工業上用Na2SO3溶液吸收硫酸工業尾氣中的SO2,并通過電解方法實現吸收液的循環再生。其再生機理如圖所示,下列有關說法中正確的是(　　)。
A.圖中的b%B.Y應為直流電源的負極
C.電解過程中陰極區pH升高
D.S在電極上發生的反應為S+2OH--2e-S+H2O
答案:C
解析:根據陰、陽離子的移動方向知,陽離子向Pt(Ⅰ)電極移動,陰離子向Pt(Ⅱ)電極移動,因此Pt(Ⅰ)為陰極,Pt(Ⅱ)為陽極,所以X為直流電源的負極,Y為直流電源的正極,B項錯誤;Pt(Ⅰ)為陰極,陰極上氫離子得電子放出氫氣,電極反應式為2HS-2e-2S+H2↑,所以Pt(Ⅰ)附近溶液的pH增大,C項正確;陽極上亞硫酸根離子失電子發生氧化反應,故電極反應式為S+H2O-2e-S+2H+,D項錯誤;陽極室中,出來的硫酸中不僅有加入的稀硫酸還有亞硫酸根離子被氧化生成的硫酸,所以b%>a%,A項錯誤。
10.某研究小組用微生物電池模擬淡化海水,同時做電解實驗,實驗裝置如下圖所示,C、D是鉑電極。
(1)若A、B是惰性電極。
①寫出D極的電極反應式: 　。
②寫出甲中總反應的離子方程式: 　。
(2)若甲是鐵片鍍銅裝置,A、B質量相同。當B和A的質量差為12.8 g時,C極產生的氣體在標準狀況下的體積是　　　　　 L。
(3)苯酚的分子式為C6H6O。
①離子交換膜A為　　　　(填“陰”或“陽”)離子交換膜。
②a極的電極反應式為 　。
③理論上每消除1 mol苯酚,同時消除　　　　 mol N;當電路中轉移1 mol電子時,模擬海水理論上除鹽　　　　　 g。
答案:(1)①2H2O+2e-H2↑+2OH-
②2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+
(2)1.12
(3)①陰　②C6H6O-28e-+11H2O6CO2↑+28H+　③5.6　58.5
解析:(1)①電極b有N2生成,則電極b為正極,電極a為負極,則電極D為陰極,陽離子H+和Na+移向電極D,H+優先得電子,故D極電極反應為2H2O+2e-H2↑+2OH-。②甲裝置為電解池,且A、B為惰性電極,電解質為CuSO4;陽離子Cu2+和H+移向陰極B反應,Cu2+優先得電子被還原為Cu,陰離子OH-和S移向陽極,OH-優先失電子被還原為O2,故甲中總反應的離子方程式為2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+。
(2)若甲是鐵片鍍銅裝置,則陽極A為單質Cu,電極反應為Cu-2e-Cu2+,陰極B為鍍件鐵片,電極反應為Cu2++2e-Cu,當B和A的質量差為12.8 g時,電極A質量減小6.4 g,電極B質量增加6.4 g,通過電極反應可知,轉移電子數為×2=0.2 mol,根據電荷守恒,電極C(陽極)將失去0.2 mol電子,根據電極C的電極反應2H2O-4e-O2↑+4H+,生成氧氣為0.05 mol,體積為0.05 mol×22.4 L·mol-1=1.12 L。
(3)①左側原電池中NaCl溶液轉化為淡水,可知Na+移向正極b,Cl-移向負極a,所以離子交換膜A為陰離子交換膜。②電極a中反應物苯酚轉化為CO2,a電極反應為C6H6O-28e-+11H2O6CO2↑+28H+。③根據a電極反應可知,每消除1 mol苯酚轉移電子28 mol,b電極反應為2N+10e-+12H+N2↑+6H2O,轉移28 mol電子時,消除N×2=5.6 mol;當電路中轉移1 mol電子時,有1 mol Na+移向正極,1 mol Cl-移向負極,模擬海水理論上除去1 mol NaCl,即58.5 g NaCl。
能力提升
1.如圖X為電源,Y為浸透飽和食鹽水和酚酞溶液的濾紙,濾紙中央滴有一滴KMnO4溶液,通電后Y中央的紫紅色色斑向d端擴散。下列判斷正確的是(　　)。
A.濾紙上d點附近會變為紅色
B.Cu電極質量減小,Pt電極質量增大
C.燒杯中溶液的pH減小
D.燒杯中S向Cu電極定向移動
答案:C
解析:由題圖可知,該裝置為電解裝置,由通電后Y中央的紫紅色色斑向d端擴散知,d為陽極(Mn向陽極移動),b為電源的正極,a為電源的負極。Y為浸透飽和食鹽水和酚酞溶液的濾紙,c點H+放電,則OH-濃度增大,所以濾紙上c點附近會變紅色,A項錯誤;Cu電極上Cu2+得到電子生成Cu,Pt電極上OH-失去電子,故Cu電極質量增大,Pt電極質量不變,B項錯誤;Pt電極上OH-失去電子,故燒杯中溶液的pH減小,C項正確;Cu電極為陰極,Pt電極為陽極,燒杯中S向Pt電極定向移動,D項錯誤。
2.電解法處理酸性含鉻廢水(主要含有Cr2)時,以鐵板作陰、陽極,處理過程中存在反應Cr2+6Fe2++14H+2Cr3++6Fe3++7H2O,最后Cr3+以Cr(OH)3形式除去。下列說法不正確的是(　　)。
A.陽極反應為Fe-2e-Fe2+
B.電解過程中溶液pH不會變化
C.過程中有Fe(OH)3沉淀生成
D.電路中每轉移12 mol電子,最多有1 mol Cr2被還原
答案:B
解析:鐵板作陽極,則陽極上Fe失電子,A項正確;電解過程中c(H+)減小,c(OH-)增大,所以pH變大,B項錯誤;溶液酸性減弱,pH增大,有Fe(OH)3沉淀生成,C項正確;電路中每轉移12 mol電子,生成6 mol Fe2+,則有1 mol Cr2被還原,D項正確。
3.在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2.24 L氣體(標準狀況下),假定電解后溶液體積仍為500 mL,下列說法錯誤的是(　　)。
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0.4 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0.4 mol·L-1
答案:C
解析:石墨作電極電解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液,陽極反應式為4OH--4e-2H2O+O2↑,陰極先后發生兩個反應:Cu2++2e-Cu,2H++2e-H2↑。從陽極收集到2.24 L O2可知上述電解過程中共轉移電子0.4 mol,B項正確。在陰極生成2.24 L H2的過程中轉移0.2 mol電子,所以Cu2+共得到電子0.4 mol-0.2 mol=0.2 mol,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,C項錯誤。根據電荷守恒,電解前:c(K+)+2c(Cu2+)=c(N),c(N)=0.6 mol·L-1,c(Cu2+)=0.2 mol·L-1,則c(K+)=0.2 mol·L-1,A項正確;電解后c(K+)+c(H+)=c(N),則c(H+)=0.6 mol·L-1-0.2 mol·L-1=0.4 mol·L-1,D項正確。
4.電浮選凝聚法是工業上采用的一種污水處理方法,如圖是電解污水的實驗裝置示意圖,實驗用污水中主要含有可被吸附的懸浮物(不導電)。下列有關推斷明顯不合理的是(　　)。
A.陰極的電極反應式為O2+4e-+2H2O4OH-
B.通電過程中燒杯內產生可以吸附懸浮物的Fe(OH)3
C.通電過程中會產生氣泡,把懸浮物帶到水面形成浮渣棄去
D.如果實驗用污水導電性不良,可加入少量Na2SO4固體以增強導電性
答案:A
解析:A項中陰極反應是H2O電離出的H+得電子,電極反應式為2H2O+2e-2OH-+H2↑。
5.氯堿工業的一種節能新工藝是將電解池與燃料電池相結合,相關物料的傳輸與轉化關系如圖所示(電極未標出)。下列說法錯誤的是(　　)。
A.電解池的陰極反應式為2H2O+2e-H2↑+2OH-
B.通入空氣的電極為正極
C.電解池中產生2 mol Cl2時,理論上燃料電池中消耗0.5 mol O2
D.a、b、c的大小關系為c>a>b
答案:C
解析:題給電解池的陰極反應式為2H2O+2e-H2↑+2OH-,陽極反應式為2Cl--2e-Cl2↑,A項正確;題給燃料電池為氫氧燃料電池,通入空氣的電極為正極,B項正確;由整個電路中得失電子守恒可知,電解池中產生2 mol Cl2,理論上轉移4 mol電子,則燃料電池中消耗1 mol O2,C項錯誤;題給燃料電池的負極反應式為2H2+4OH--4e-4H2O,正極反應式為O2+2H2O+4e-4OH-,所以a、b、c的大小關系為c>a>b,D項正確。
6.某小組同學設想用如圖裝置電解硫酸鉀溶液來制取氧氣、氫氣、硫酸和氫氧化鉀。
(1)X極與電源的　　　　(填“正”或“負”)極相連,氫氣從　　　　(填“A”“B”“C”或“D”)口導出。
(2)離子交換膜只允許一類離子通過,則M為　　　(填“陰離子”或“陽離子”,下同)交換膜,N為　　　交換膜。
(3)若將制得的氫氣、氧氣和氫氧化鉀溶液組合為氫氧燃料電池(石墨為電極),則電池負極的電極反應式為　　　　　　　　　　　。
(4)若在標準狀況下,制得11.2 L氫氣,則生成H2SO4的質量是　　　　,轉移的電子數為　　　　。
答案:(1)正　C
(2)陰離子　陽離子
(3)H2+2OH--2e-2H2O
(4)49 g　6.02×1023
解析:(1)(2)題圖中左邊加入含少量硫酸的水,暗示左邊制硫酸,即H2O在陽極發生氧化反應,使左邊溶液中H+ 增多,為了使溶液呈電中性,硫酸鉀溶液中的S 通過M交換膜向左遷移,即M為陰離子交換膜,由此推知X為陽極,與電源正極相連,氧氣從B出口導出,A出口流出硫酸;同理,右側加入含KOH的水,說明右邊制備KOH溶液,H2O在Y極發生還原反應,說明Y極為陰極,與電源負極相連,右邊溶液中OH- 增多,硫酸鉀溶液中K+向右遷移,N為陽離子交換膜。所以,氫氣從C出口導出,D出口流出KOH溶液。(3)若將制得的氫氣和氧氣在氫氧化鉀溶液中構成原電池,正極反應式為O2+2H2O+4e-4OH-,負極反應式為2H2+4OH--4e-4H2O。(4)n(H2)=0.5 mol,2H++2e-H2↑,得電子為1 mol,X極的反應式為2H2O-4e-4H++O2↑,根據電子守恒知,生成H+的物質的量為1 mol,故生成0.5 mol H2SO4,m(H2SO4)=49 g。
7.催化硝化法和電化學降解法可用于治理水中硝酸鹽的污染。
(1)催化硝化法中,用H2將N還原為N2,一段時間后,溶液的堿性明顯增強。則該反應離子方程式為 　。
(2)電化學降解N的原理如圖所示,電源正極為　　　　(填“a”或“b”);若總反應為4N+4H+5O2↑+2N2↑+2H2O,則陰極反應式為　 　。
答案:(1)2N+5H2N2+2OH-+4H2O
(2)a　2N+12H++10e-N2↑+6H2O
解析:(1)用H2將N還原為N2,一段時間后,溶液的堿性明顯增強,說明該反應中生成氫氧根離子,同時還生成水,所以反應方程式為2N+5H2N2+2OH-+4H2O。
(2)根據題圖知,硝酸根離子得電子發生還原反應,則b為負極、a為正極,根據電解總反應式知,陰極上硝酸根離子得電子生成氮氣和水,電極反應式為2N+12H++10e-N2↑+6H2O。
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