高中化学 第四章 第三节 电解原理的应用(第2课时)学案 新人教版选修4

电解原理的应用

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．学会电解的相关计算。

知识点一 电解原理的应用

阅读教材P 80～P 82，思考并填空。

1．电解饱和食盐水制烧碱、氯气和氢气

(1)装置及现象

现象 电极反应式 阴极

放出无色气体 2H ＋＋2e －===H 2↑ 阳极 放出黄绿色气体 2Cl －－2e －===Cl 2↑

(2)电解总反应式

化学方程式：2NaCl ＋2H 2O=====电解2NaOH ＋Cl 2↑＋H 2↑，

离子方程式：2Cl －＋2H 2O=====电解2OH －＋Cl 2↑＋H 2↑。

2．电镀

(1)定义：应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法。电镀的目的是使金属增强抗腐蚀能力，增加美观和表面硬度。

(2)电镀池的构成

(3)实例(往铁件上镀铜)

①阴极材料：Fe，电极反应式：Cu2＋＋2e－===Cu；

②阳极材料：Cu，电极反应式：Cu－2e－===Cu2＋；

③电解质溶液：CuSO4溶液。

3．电解精炼铜

(1)装置：如图所示。

(2)电极反应式：阳极为Zn－2e－===Zn2＋，Cu－2e－===Cu2＋等；阴极为Cu2＋＋2e－===Cu。

4．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，电极反应通式为M n＋＋n e－===M。

(2)电解熔融的NaCl制Na

对于冶炼像钠、钙、镁、铝这样活泼的金属，电解法几乎是唯一可行的工业方法。例如：电解熔融的NaCl制Na：

NaCl在高温熔融条件发生电离：NaCl===Na＋＋Cl－，通直流电后，阴极：2Na＋＋2e－

===2Na ， 阳极：2Cl －－2e －===Cl 2↑，

总化学方程式为2NaCl(熔融)=====电解2Na ＋Cl 2↑。

(1)电解法制取钠、钾、镁、铝时不能电解含有这些金属阳离子的水溶液。

(2)工业上用电解熔融MgCl 2而不是MgO 的方法制Mg ；用电解熔融Al 2O 3而不是AlCl 3的方法制Al 。

1．判断正误

(1)在镀件上电镀铜时，可用金属铜作阳极。( )

(2)电解精炼铜时，电解质溶液的浓度不变。( )

(3)电解精炼铜时，用纯铜作阳极，粗铜作阴极。( )

(4)工业上用电解熔融氧化镁的方法制取Mg 。( )

(5)用U 形管做电解饱和食盐水的实验，通电前在U 形管的两端滴加几滴石蕊试液，通电后阳极处溶液变蓝。( )

答案：(1)√ (2)× (3)× (4)× (5)×

2．工业上电解食盐水的阴极区产物是( )

A ．氯气

B ．氢气和氯气

C ．氢气和氢氧化钠

D ．氯气和氢氧化钠

解析：选C 。用惰性电极电解食盐水时，阴极反应式：2H ＋＋2e －===H 2↑，破坏了水的电离平衡，阴极区域OH －与Na ＋结合成NaOH 。

1．原电池、电解池、电镀池的判断方法

(1)若装置中无外加电源，则该装置可能为原电池，然后根据原电池的构成条件进行分析判断。

(2)若装置中有外加电源，且两电极插入电解质溶液中并构成闭合回路，则该装置为电解池或电镀池，电解质溶液中含有阳极金属离子的即为电镀池，否则为一般电解池。

2．电镀铜与精炼铜的比较

电镀铜精炼铜

能量转变电能转化为化学能电能转化为化学能

阳极材料纯铜粗铜(含锌、银、金等杂质)

阴极材料镀件纯铜

阳极反应Cu－2e－===Cu2＋

Zn－2e－===Zn2＋、Cu－2e

－===Cu2＋等

阴极反应Cu2＋＋2e－===Cu Cu2＋＋2e－===Cu

电解质溶液

及其变化硫酸铜溶液浓度保持不变

反应后硫酸铜溶液中混有

Zn2＋等，Cu2＋浓度减小

电解精炼铜时，粗铜中的银、金等活泼性差的金属会以单质的形式沉积在电解槽底部，形成阳极泥；而活泼性比Cu强的金属(如Zn、Ni等)会以金属阳离子的形式进入溶液。

某同学设计一个燃料电池(如下图所示)，目的是探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理，其中乙装置中X为阳离子交换膜。

根据要求回答相关问题：

(1)通入氢气的电极为________(填“正极”或“负极”)，负极的电极反应式为________________________________________________________________________。

(2)石墨电极为________(填“阳极”或“阴极”)，反应一段时间后，在乙装置中滴入酚酞溶液，________(填“铁极”或“石墨极”)区的溶液先变红。

(3)如果粗铜中含有锌、银等杂质，丙装置中反应一段时间，硫酸铜溶液浓度将________(填“增大”“减小”或“不变”)。精铜电极上的电极反应式为____________________________。[解析] (1)通入氢气的电极为负极，由于电解质溶液是碱性的，所以该电极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O。

(2)由于石墨电极与电源的正极连接，所以石墨电极为阳极，反应一段时间后，在乙装置中滴入酚酞溶液，溶液中的H＋在阴极(Fe电极)放电，破坏了附近的水的电离平衡，该区域的溶液显碱性，因此铁极的溶液先变红。

(3)如果粗铜中含有锌、银等杂质，因为粗铜中有活动性比Cu强的金属失去电子，而得到电子的只有Cu2＋，所以丙装置中反应一段时间，硫酸铜溶液浓度会减小；精铜电极上的电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。

[答案] (1)负极H2－2e－＋2OH－===2H2O

(2)阳极铁极(3)减小Cu2＋＋2e－===Cu

(1)写出例1中乙池电解的总反应方程式。

(2)若例1甲池中消耗标准状况下的氢气11.2 L，则丙池中理论上应析出铜的质量为多少？

答案：(1)2NaCl ＋2H 2O=====电解2NaOH ＋Cl 2↑＋H 2↑

(2)32 g

氯碱工业

1．关于电解NaCl 水溶液，下列叙述正确的是( )

A ．电解时在阳极得到氯气，在阴极得到金属钠

B ．若在阳极附近的溶液中滴入KI 溶液，溶液呈棕色

C ．若在阴极附近的溶液中滴入酚酞试液，溶液呈无色

D ．电解一段时间后，将全部电解液转移到烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性

解析：选B 。电解食盐水时发生的反应：

阳极：2Cl －－2e －===Cl 2↑

阴极：2H ＋＋2e －===H 2↑

总反应：2NaCl ＋2H 2O=====电解2NaOH ＋H 2↑＋Cl 2↑，对照分析选项，A 错误；阳极附近的

溶液中会溶有少量的Cl 2，滴加KI 溶液后发生反应：Cl 2＋2I －===I 2＋2Cl －，溶液呈棕色，B 正确；阴极附近产生大量的OH －，滴加酚酞试液后变红色，C 错误；电解后生成NaOH ，溶液呈碱性，D 错误。

2．如图为电解饱和食盐水的简易装置，下列有关说法正确的是( )

A ．电解一段时间后，往蛋壳中的溶液中滴加几滴酚酞，呈红色

B ．蛋壳表面缠绕的铁丝发生氧化反应

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

解析：选D。由题图可知，蛋壳表面的铁丝为阴极，发生反应：2H＋＋2e－===H2↑，石墨棒为阳极，发生反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，故往蛋壳中滴加酚酞，溶液不会变红。铁丝为阴极，受到保护，附近H＋发生还原反应，故选D。

电镀、电解精炼

3．下图是常见的电化学装置图，①、③、④中均为惰性电极，下列说法正确的是( )

A．装置①中阳极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极反应为Cu2＋＋2e－===Cu

B．装置②中铜片为阳极，若铜片和铁制品的质量相等，电解一段时间后，电路中有2 mol 电子转移，此时铜片和铁制品的质量差为64 g

C．装置③中b极为负极，该极上的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．装置④中阳离子交换膜上每通过1 mol Na＋时，阴极上产生11.2 L H2

解析：选A。装置①为用惰性电极电解CuCl2溶液，A项正确；装置②为电镀铜装置，阳极反应为Cu－2e－===Cu2＋，阴极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，B项错误；装置③为氢氧燃料电池，b极通入O2，发生还原反应，作电池的正极，C项错误；D项中没有明确说明生

成H2所处的温度和压强，错误。

4．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：选D。电解精炼粗铜时应以粗铜作阳极，连接电源的正极，发生氧化反应；比Cu活泼的金属也会失去电子参与反应，活泼性不如Cu的金属不参与反应，形成阳极泥沉积于电解槽底部。

知识点二电解的有关计算

思考并填空。

1．计算的原则

(1)阳极失去的电子数＝阴极得到的电子数。

(2)串联电路中通过各电解池的电子总数相等。

(3)电源输出的电子总数和电解池中转移的电子总数相等。

2．计算的方法

(1)根据电子守恒法计算：用于串联电路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路上转移的电子数相等。

(2)根据总反应式计算：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)根据关系式计算：根据得失电子守恒的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。如电解计算时常用的定量关系为4e－～4Ag～2Cu～2Cl2～2H2～O2～4H ＋～4OH－。

3．计算步骤

首先要正确书写电极反应式(要特别注意阳极材料)；其次注意溶液中有多种离子共存时，要根据离子放电顺序确定离子放电的先后；最后根据得失电子守恒进行相关计算。

将含有0.4 mol CuSO4和0.2 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 Cu，另一个电极上析出气体在标准状况下的体积为( ) A．4.48 L B．5.6 L

C．6.72 L D．13.44 L

[解析] 阴极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，因为反应的n(Cu2＋)＝0.3 mol，总n(Cu2＋)＝0.4 mol，说明Cu2＋过量，阴极共得到0.6 mol电子。由电子守恒可知，阳极应失去0.6 mol 电子。阳极：首先2Cl－－2e－===Cl2↑，因为0.2 mol Cl－只能失去0.2 mol电子，另外0.4 mol电子只能由水电离出OH－失去，阳极反应还有：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，则阳极共放出气体体积(0.1 mol＋0.1 mol)×22.4 L/mol＝4.48 L，故应选A。

[答案] A

对于例1中的反应：

(1)若不考虑电解质溶液体积的变化，此时溶液中c(H＋)为多少？

(2)若电极上得到0.1 mol Cu时不再电解，加入何物质能使电解质溶液复原？其物质的量是多少？

答案：(1)0.4 mol·L－1(2)CuCl20.1 mol

电解的有关计算

1．把两个惰性电极插入500 mL 的AgNO 3溶液中，通直流电电解。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)，电极上析出银的质量大约是( )

A ．27 mg

B ．54 mg

C ．108 mg

D ．216 mg

解析：选B 。首先应弄清楚两极的反应。阳极：4OH －－4e －===O 2↑＋2H 2O ；阴极没有氢气析出，则阴极反应为Ag ＋＋e －===Ag 。OH －的消耗导致了H ＋的增加，增加量大约为1×10－3 mol/L ×0.5 L ＝5×10－4 mol ，即转移电子数为5×10－4 mol ，析出银的质量为5×10－4 mol ×108 g/mol ＝0.054 g ＝54 mg 。

2．用惰性电极电解下列溶液，在阴、阳两极生成气体的体积比为1∶1的是( )

A ．NaCl 溶液

B ．CuCl 2溶液

C ．CuSO 4溶液

D ．KOH 溶液

解析：选A 。A 项，电解方程式为2NaCl ＋2H 2O=====电解Cl 2↑(阳极)＋H 2↑(阴极)＋2NaOH ，

A 正确；

B 项，电解方程式为CuCl 2=====电解Cu(阴极)＋Cl 2↑(阳极)，阴极没有气体生成，B

不正确；C 项，电解方程式为2CuSO 4＋2H 2O=====电解2Cu(阴极)＋O 2↑(阳极)＋2H 2SO 4，

阴极没有气体生成，C 不正确；D 项，电解方程式为2H 2O=====电解2H 2↑(阴极)＋O 2↑(阳极)，

阴、阳两极生成气体的体积比为2∶1，D 不正确。

重难易错提炼

1.电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl ＋2H 2O=====电解2NaOH ＋H 2↑＋Cl 2↑。

2．电镀时，待镀的金属制品作阴极，镀层金属作阳极，用含镀层金属离子的溶液作电镀液。

3．电解精炼铜时，用纯铜作阴极，粗铜作阳极，用可溶性铜盐[如CuSO 4、Cu(NO 3)2等]

溶液作电解液。

4．电解熔融Al2O3制取铝，电解熔融NaCl制取钠，电解熔融MgCl2制取镁。

课后达标检测

[基础巩固]

1．下列关于工业冶金的描述中不正确的是( )

A．电解熔融的氧化铝制取金属铝，阳极反应式为2O2－－4e－===O2↑

B．电解法精炼铜，用粗铜作阴极

C．电解冶炼金属钠与电解饱和食盐水的阳极产物相同

D．在镀件上镀锌，用锌盐(如硫酸锌)溶液作电镀液

解析：选B。电解熔融氧化铝时，氧离子在阳极失电子生成氧气，故A正确；电解精炼铜时，粗铜为阳极，故B错；电解冶炼金属钠与电解饱和食盐水的阳极反应都是2Cl－－2e－===Cl2↑，故C正确；电镀锌时，溶液中的锌离子在镀件上得电子而析出，所以电镀液需要选用锌盐溶液，故D正确。

2．下列关于铜电极的叙述中，正确的是( )

A．铜锌原电池中铜是正极

B．用电解法精炼粗铜时阳极只有Cu放电

C．在镀件上电镀铜时可用金属铜作阴极

D．电解稀硫酸制H2、O2时铜作阳极

解析：选A。A叙述的是原电池，铜不如锌活泼，铜应为正极。B、C、D叙述的是电解池。电解精炼粗铜时杂质Zn、Ni等也会放电。电解池的阳极发生失电子的氧化反应，阴极发生得电子的还原反应，所以镀铜时铜应作为阳极以提供Cu2＋，而电解稀硫酸时，如把铜作为阳极，铜就会首先放电，阳极就不能产生氧气。

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( )

A．Ag和AgCl溶液B．Ag和AgNO3溶液

C．Fe和AgNO3溶液D．Pt和Ag2SO4溶液

解析：选B。电镀槽中，要求镀件作阴极，可用镀层金属作阳极，电镀液通常采用含有镀层金属离子的可溶性盐溶液，A、D项中AgCl和Ag2SO4均为沉淀，只有B项符合要求。4．用含有少量银和锌的粗铜片作阳极，纯铜片作阴极，CuSO4溶液作电解质溶液，电解一段时间后，阳极的质量减少x g，则( )

A．电解质溶液的质量增加x g

B．阴极的质量增加x g

C．阴极的质量增加a g，a＞x

D．阴极的质量增加b g，b＜x

解析：选D。粗铜作阳极，发生的电极反应有：Cu－2e－===Cu2＋，Zn－2e－===Zn2＋，同时银沉积下来，阴极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，阴极质量增加。但增加的质量小于阳极减少的质量。

5．如图甲为锌铜原电池装置，乙为电解熔融氯化钠装置。则下列说法正确的是( )

A．甲装置中锌为负极，发生还原反应，铜为正极，发生氧化反应

B．甲装置盐桥的作用是使反应过程中ZnSO4溶液和CuSO4溶液保持电中性

C．乙装置中铁极的电极反应式为2Na－2e－===2Na＋