第2课时　电解原理的应用

[目标要求]　1.了解氯碱工业，电镀，冶金的原理。2.掌握电解原理及其应用。

电解原理的应用

1．氯碱工业：电解饱和食盐水，制取烧碱、氯气和氢气。

电极的反应式(并注明反应类型)

阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑　(氧化反应)；

阴极：2H＋＋2e－===H2↑　(还原反应)。

总反应式：2NaCl＋2H2O2NaOH＋Cl2↑＋H2↑。

其中阴极反应中的H＋是由水电离产生的。

2．电镀

(1)电镀是应用电解的原理在金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法。

(2)电镀

在电镀过程中，电镀液的浓度不变。

3．电解精炼(如电解精炼铜，杂质为铁、锌、金、银)

(1)粗铜作阳极，电极反应Cu－2e－===Cu2＋；

精铜作阴极，电极反应Cu2＋＋2e－===Cu；

电解质溶液CuSO4溶液。

(2) 活泼性较强的铁、锌以离子形式进入溶液，活泼性较差的金、银形成阳极泥。

4．电冶金制取金属

Na、Ca、Mg、Al等活泼金属，很难用还原剂从它们的化合物中还原得到单质，因此必须通过电解熔融的化合物的方法得到。如电解熔融的氯化钠可以得到金属钠：

阴极：2Na＋＋2e－===2Na，阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑，

总反应式：2NaCl(熔融) 2Na＋Cl2↑。

知识点一　氯碱工业

1.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，设计了如图所示的装置，以下对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是(　　)

A．a为正极，b为负极；NaClO和NaCl

B．a为负极，b为正极；NaClO和NaCl

C．a为阳极，b为阴极；HClO和NaCl

D．a为阴极，b为阳极；HClO和NaCl

答案　B

解析　电解饱和食盐水的方程式为2NaCl＋2H2O电解,2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，NaOH在阴极区生成，Cl2在阳极区生成。按照该学生制作的竖直的家用环保型消毒装置，若将阳极置于上方，则氯气一生成即逸出，不能完全与NaOH反应。显然，应将阳极置于下方，阴极置于上方，下方阳极生成的氯气通过溶液时即可很好地被阴极生成的NaOH吸收。反应为Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O。还应注意的是图中电极a、b是电源的电极而非电解池的电极。与电解装置上方阴极相连的a为电源的负极，则b为正极。

2.如图Ⅰ所示是用石墨和铁作电极电解饱和食盐水的装置，请填空：

(1)X的电极名称是__________极，发生的电极反应式为______________，Y极的电极材料是____________，检验X极产物的方法是________________________________。

(2)某同学在实验时误将两种电极材料接反，导致X极上未收集到预期产物，一段时间后又将两极的连接方式纠正过来，发现X极附近出现了白色沉淀，此沉淀是________(填化学式)，其形成原因是__________________________________________________________

________________________________________________________________________，

该沉淀在空气中放置，现象是______________________。

(3)

工业上电解饱和食盐水的方法之一是将两个电极室用离子交换膜隔开(如图Ⅱ所示)，其目的是________________，阳极室(A处)加入____________，阴极室(B处)加入__________，离子交换膜只许__________离子通过。

答案　(1)阳　2Cl－－2e－===Cl2↑　Fe　用湿润的淀粉碘化钾试纸放在X极附近，若试纸变蓝，说明生成了Cl2

(2)Fe(OH)2　铁作阳极时被氧化为Fe2＋，纠正错误后，这一端又变为阴极，2H＋＋2e－

===H2↑，生成的OH－与Fe2＋结合成Fe(OH)2　先变灰绿色，后变红褐色

(3)防止H2与Cl2混合发生爆炸，防止Cl2与NaOH反应生成NaClO，使NaOH不纯　饱和食盐水　纯水(或NaOH稀溶液)　Na＋

解析　与电源正极相接的为电解池的阳极，与电源负极相接的为电解池的阴极，若接反则金属Fe失去电子而产生Fe(OH)2沉淀。

知识点二　电镀池及电冶金

3．在铁制品上镀上一层锌层，以下电镀方案中合理的是(　　)

A．锌作阳极，铁制品作阴极，溶液中含Fe2＋

B．锌作阴极，铁制品作阳极，溶液中含Zn2＋

C．锌作阴极，铁制品作阳极，溶液中含Fe3＋

D．锌作阳极，铁制品作阴极，溶液中含Zn2＋

答案　D

解析　要在铁制品上镀锌，应该用锌作阳极，铁制品作阴极，含有Zn2＋的溶液作电镀液，所以D项正确。

4．金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是(已知：氧化性Fe2＋2＋2＋)(　　)

A．阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni2＋＋2e－===Ni

B．电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等

C．电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋

D．电解后，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt

答案　D

解析　此题考查的是电解的基本原理。在电解池中，阳极失去电子，化合价升高，发生氧化反应，而阴极得到电子，化合价降低，发生还原反应。题目中已经告诉氧化性：Fe2＋2＋2＋，可以推出题中几种金属在阳极的放电顺序为：Zn>Fe>Ni>Cu>Pt(惰性金属不放电)，阴极的放电顺序为：Zn2＋2＋2＋2＋，所以A中阳极电极反应式有：Zn－2e－===Zn2＋，Fe－2e－===Fe2＋，Ni－2e－===Ni2＋(主要电极反应)。B：由于阳极中Cu和Pt沉于电解槽底部的阳极泥中，而Zn和Fe在阳极放电，在阴极不能放电，因此阳极质量的减少>阴极质量的增加。C：溶液中除了Fe2＋和Zn2＋还有Ni2＋、H＋等。

知识点三　电化学计算

5．有三个烧杯，分别盛有氯化铜、氯化钾和硝酸银三种溶液，均以Pt作电极，将它们串联在一起电解一定时间，测得电极增重总和2.8 g，这时产生的有色气体与无色气体的物质的量之比为(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　

A．4∶1 B．1∶1 C．4∶3 D．3∶4

答案　C

解析　串联电路中，相同时间内各电极得或失的电子的物质的量相同，各电极上放出气体的物质的量之比为定值。不必注意电极增重是多少，只要判断出生成何种气体及生成该气体一定物质的量所得失电子的物质的量，就可以通过得失电子守恒，判断气体体积之比，第一个烧杯中放出Cl2，第二个烧杯中放出Cl2和H2，第三个烧杯中放出O2。在有1 mol电子转移时，生成的气体的物质的量分别是0.5 mol、0.5 mol、0.5 mol和0.25 mol。所以共放出有色气体(Cl2)0.5 mol＋0.5 mol＝1 mol，无色气体(O2和H2)0.5 mol＋0.25 mol＝0.75 mol。

6．把两支惰性电极插入500 mL AgNO3溶液中，通电电解。当电解液的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(　　)

A．27 mg B．54 mg C．108 mg D．216 mg

答案　B

解析　由电子守恒知，e－～OH－～H＋～Ag，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

c(H＋)＝10－3 mol·L－1－10－6 mol·L－1≈10－3 mol·L－1。

所以n(Ag)＝n(H＋)＝10－3 mol·L－1×0.5 L＝5×10－4 mol，

m(Ag)＝n(Ag)×M＝5×10－4 mol×108 g·mol－1＝0.054 g，

即54 mg。

练基础落实

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的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，只能用电解法制备。由于钠、镁、铝是活泼金属，所以只能用电解法。

2．电解CuSO4溶液时，若要达到以下三点要求：①阳极质量减少；②阴极质量增加；③电解液中c(Cu2＋)不变，则可选用的电极是(　　)

A．含Zn、Ag的铜合金作阳极，纯铜作阴极

B．纯铜作阳极，含Zn、Ag的铜合金作阴极

C．用纯铁作阳极，用纯铜作阴极

D．用石墨作阳极，用惰性电极(Pt)作阴极

答案　B

解析　根据①，须选择非惰性电极(除石墨、金、铂外的电极)作阳极；根据③，须选择纯铜为阳极，含有Cu2＋的盐溶液(如硫酸铜溶液)作电解液。至于阴极材料则选择的余地较大，如B选项中用含Zn、Ag的铜合金作阴极，当然也可用纯铜、石墨、铂等作阴极。

3．已知蓄电池在充电时作电解池，放电时作原电池。铅蓄电池上有两个接线柱，一个接线柱旁标有“＋”，另一个接线柱旁标有“－”。关于标有“＋”的接线柱，下列说法中正确的是(　　)

A．充电时作阳极，放电时作正极 B．充电时作阳极，放电时作负极

C．充电时作阴极，放电时作负极 D．充电时作阴极，放电时作正极

答案　A

解析　对于蓄电池，充电和放电过程中发生的电极反应相反。铅蓄电池标有“＋”的接线柱，表示原电池的正极，放电时该极发生还原反应，当充电时，该极发生氧化反应，因此标有“＋”的接线柱，充电时作阳极。

4．依据下图判断，下列叙述正确的是(　　)

A．Ⅰ是原电池，Ⅱ是电镀装置

B．Ⅰ、Ⅱ装置中锌极上均发生氧化反应

C．Ⅱ、Ⅲ装置中，铜极均发生氧化反应而溶解

D．Ⅱ、Ⅲ装置中Cu2＋浓度基本不变

答案　A

解析　仔细观察三个装置，Ⅰ为原电池，电极反应式为

负极(Zn)：Zn－2e－===Zn2＋，正极(Cu)：Cu2＋＋2e－===Cu，

Ⅱ为电镀池，电极反应式为

阳极(Cu)：Cu－2e－===Cu2＋，阴极(Zn)：Cu2＋＋2e－===Cu，

Ⅲ为电解池，电极反应式为

阳极(Zn)：Zn－2e－===Zn2＋，阴极Cu：Cu2＋＋2e－===Cu。

练方法技巧

5．500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO)＝6.0 mol·L－1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到22.4 L气体(标准状况)，假定电解后溶液体积仍为500 mL，下列说法正确的是(　　)

A．原混合溶液中c(K＋)为4 mol·L－1

B．上述电解过程中共转移4 mol电子

C．电解得到的Cu的物质的量为0.5 mol

D．电解后溶液中c(H＋)为2 mol·L－1

答案　B

解析　阴极上分段发生以下两个反应：Cu2＋＋2e－===Cu,2H＋＋2e－===H2↑，阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，当阳极产生22.4 L氧气时，转移电子4 mol，此时阴极上H＋放电2 mol，还有2 mol电子转移来自于Cu2＋放电，析出Cu 1 mol，溶液中c(K＋)＝c(NO)－2c(Cu2＋)＝6.0 mol·L－1－2×＝2.0 mol·L－1，故A、C项错，B项正确；根据电荷守恒，电解后溶液中c(H＋)＝2c(Cu2＋)＝4 mol·L－1，D项错。

6．用惰性电极电解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氧气(标准状况)，从而可知M的相对原子质量为(　　)

A. B. C. D.

答案　C

解析　根据得失电子守恒列出物质间的对应关系，设M的相对原子质量为Mr。

Mx＋　～xe－　～　O2

Mr g　　　　　22.4·L

a g　　　　　 　b L

解得Mr＝＝。

练综合拓展

7．某课外活动小组准备用如图所示的装置进行实验。现有甲、乙、丙三位同学分别选择了如下电极材料和电解质溶液：

(1)甲同学在实验中将电键K5闭合，Zn电极上的电极反应式为________________。

(2)乙同学准备进行电解CuCl2溶液的实验，则电解时的总反应方程式为

________________________________________________________________________；

实验时应闭合的电键组合是________。(从下列五项中选择所有可能组合，第三小题也在这五项中选择)

A．K1和K2　　B．K1和K3　　C．K1和K4 D．K2和K3 E．K2和K4

(3)丙同学准备在Fe上镀Cu，选择了某种盐来配制电镀液，则该盐的化学式为________，实验时，应闭合的电键组合是________(选项如上)。

答案　(1)Zn－2e－===Zn2＋

(2)CuCl2Cu＋Cl2↑　C、D

(3)CuCl2或CuSO4　D

解析　(1)甲同学在实验中将电键K5闭合，装置为原电池，较活泼的Zn为原电池负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋。

(2)乙同学用惰性电极电解CuCl2溶液，电解时的总反应方程式为CuCl2Cu＋

Cl2↑，实验时应闭合K1和K4或K2和K3。

(3)丙同学准备在Fe上镀Cu，则Fe为电镀池阴极，接电源负极，Cu为电镀池阳极，接电源正极，实验时应闭合K2和K3。应选择含有Cu2＋的电解质溶液为电解液。

8．氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下：

依据上图，完成下列填空：

(1)在电解过程中，与电源正极相连的电极上所发生反应的电极反应式为________________________，与电源负极相连的电极附近，溶液pH________(选填“不变”、“升高”或“下降”)。

(2)工业食盐中含Ca2＋、Mg2＋等杂质，精制过程中除去这些杂质时发生反应的离子方程式为________________________________________________________________________、

________________________________________________________________________。

(3)如果粗盐中SO含量过高，必须添加钡试剂除去SO，该钡试剂可以是________(填写字母序号，下同)。

A．Ba(OH)2　　B．Ba(NO3)2　　C．BaCl2

(4)为有效除去Ca2＋、Mg2＋、SO，加入试剂的合理顺序为________。

A．先加NaOH，后加Na2CO3，再加钡试剂

B．先加NaOH，后加钡试剂，再加Na2CO3

C．先加钡试剂，后加NaOH，再加Na2CO3

(5)脱盐工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差异，通过________、冷却、________(填写操作名称)除去NaCl。

(6)用隔膜法电解食盐水时，电解槽分隔为阳极区和阴极区，防止Cl2与NaOH反应；采用无隔膜法电解冷的食盐水时，Cl2与NaOH充分接触，得到的产物仅是NaClO和H2，则与该反应相应的化学方程式为____________________________________________________。

答案　(1)2Cl－－2e－===Cl2↑　升高

(2)Ca2＋＋CO===CaCO3↓

Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓

(3)AC　(4)BC　(5)蒸发　过滤

(6)NaCl＋H2ONaClO＋H2↑(或2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2NaOH；Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O)

解析　(1)电解饱和食盐水，与电源正极相连的电极为阳极，电极反应式是2Cl－－2e－===Cl2↑；与电源负极相连的电极为阴极，电极反应式是2H＋＋2e－===H2↑，消耗H＋，产生OH－，所以溶液的pH升高。

(2)除去Ca2＋：Ca2＋＋CO===CaCO3↓，除去Mg2＋：Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓，由

于Mg(OH)2的溶解能力小于MgCO3，所以Mg2＋与CO、OH－混合时，一般是生成Mg(OH)2

沉淀。

(3)除去SO，应选择Ba2＋，如果加入Ba(NO3)2，溶液中会引进新的杂质，加入

Ba(OH)2、BaCl2不会增加新的杂质，选A、C。

(4)除去杂质时加入Ba2＋和OH－，无先后之分，但Na2CO3一定要在最后加入，因为CO

还要除去多余的Ba2＋，过滤沉淀后即认为NaCl被提纯，选B、C。

(5)脱盐实际上是分离NaOH和NaCl，由于NaCl溶解度小，因而NaCl首先析出，其操作过程是蒸发、冷却、结晶，经过滤得NaCl晶体，滤液进一步精制得NaOH。

(6)将2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑和Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O合并，即可得出答案。

2014-2015学年高中化学 第四章 第三节 第2课时 电解原理的应用课时作业 新人教版选修4