?第2課時　電解原理的應用
[核心素養(yǎng)發(fā)展目標]　1.變化觀念與平衡思想：通過對氯堿工業(yè)、電鍍、電解精煉銅、電冶金等原理的分析，認識電能與化學能之間的能量轉化。2.證據(jù)推理與模型認知：建立電解應用問題的分析思維模型和電解相關計算的思維模型，加深對電解原理的理解和應用。
一、電解飽和食鹽水
燒堿、氯氣都是重要的化工原料，習慣上把電解飽和食鹽水的工業(yè)生產叫做氯堿工業(yè)。
1．電解飽和食鹽水的原理

通電前：溶液中的離子是Na＋、Cl－、H＋、OH－。
通電后：①移向陽極的離子是Cl－、OH－，Cl－比OH－容易失去電子，被氧化成氯氣。
陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反應)。
②移向陰極的離子是Na＋、H＋，H＋比Na＋容易得到電子，被還原成氫氣。其中H＋是由水電離產生的。
陰極：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－(還原反應)。
③總反應：
化學方程式為2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2NaOH；
離子方程式為2Cl－＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2OH－。
2．氯堿工業(yè)生產流程
工業(yè)生產中，電解飽和食鹽水的反應在離子交換膜電解槽中進行。
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(fā)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。
3．氯堿工業(yè)產品及其應用
(1)氯堿工業(yè)產品主要有NaOH、Cl2、H2、鹽酸、含氯漂白劑。
(2)電解飽和食鹽水為原理的氯堿工業(yè)產品在有機合成、造紙、玻璃、肥皂、紡織、印染、農藥、金屬冶煉等領域中廣泛應用。

(1)電解飽和食鹽水時，陰極發(fā)生氧化反應：2Cl－－2e－===Cl2↑(　　)
(2)氯堿工業(yè)電解槽中滴入酚酞溶液，變紅色的區(qū)域為陽極區(qū)(　　)
(3)電解飽和食鹽水時，陽極和陰極都可以選擇金屬材料(如鐵)(　　)
(4)電解飽和NaCl溶液可以制取金屬鈉(　　)
(5)利用電解飽和食鹽水可制得“84” 消毒液(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√

1．氯堿工業(yè)以電解精制飽和食鹽水的方法制取氯氣、氫氣、燒堿和氯的含氧酸鹽等系列化工產品，如圖是離子交換膜法電解飽和食鹽水的示意圖，圖中陽離子交換膜只允許Na＋等通過，不允許OH－、Cl－等陰離子及氣體分子通過。

試完成下列問題：
(1)陽極(金屬鈦網)電極反應式：____________________________________________________；
陰極(碳鋼網)電極反應式：________________________________________________________；
電解飽和食鹽水總離子方程式：___________________________________________________。
(2)陽離子交換膜的作用為：_______________________________________________________，
從圖中b位置補充的為含有少量NaOH的水，NaOH的作用為__________________________。
(3)精制飽和食鹽水從圖中________位置(填“a”“b”“c”或“d”，下同)補充，NaOH溶液從圖中________位置流出，圖中e位置排出的氣體為________。
答案　(1)2Cl－－2e－===Cl2↑　2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－　2Cl－＋2H2OCl2↑＋2OH－＋H2↑　(2)將電解槽隔成陽極室和陰極室，允許陽離子Na＋通過，阻止陰離子OH－、Cl－和氣體通過，使生成的NaOH更純，并防止H2、Cl2混合發(fā)生爆炸　增強導電性，提高電解效率　(3)a　c　氯氣
2．在新冠肺炎疫情期間，“84”消毒液是環(huán)境消毒液之一。某學生想制作一種家用環(huán)保型消毒液發(fā)生器，用石墨作電極電解飽和氯化鈉溶液，通電時，為使Cl2被完全吸收制得有較強殺菌能力的消毒液，設計了如圖所示的裝置。c、d都為碳電極。

完成下列填空：
(1)a為電源的________極，c為電解池的________極(填“正”“負”或“陰”“陽”)。
(2)d電極上發(fā)生的電極反應式：____________________，電解產生消毒液的總化學方程式為_______________________________________________________________________________。
答案　(1)負　陽　(2)2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
NaCl＋H2ONaClO＋H2↑
解析　電解飽和氯化鈉溶液的方程式為2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，該學生目的是使Cl2被完全吸收制得NaClO溶液，即要讓Cl2與NaOH充分混合反應。所以應在下端產生Cl2，上端產生NaOH，則a為負極，b為正極，c為陽極，d為陰極，Cl2和NaOH溶液反應：Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O，故電解產生消毒液的總化學方程式為：NaCl＋H2ONaClO＋H2↑。
二、電鍍　電冶金
1．電鍍與電解精煉
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。電鍍的主要目的是使金屬增強抗腐蝕能力，增加表面硬度和美觀。
裝置

電鍍

精煉
陽極材料
鍍層金屬Cu
粗銅(含鋅、銀、金等雜質)
陰極材料
鍍件金屬Fe
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
溶液變化
硫酸銅溶液濃度保持不變
Cu2＋濃度減小，金、銀等金屬沉積形成陽極泥


2.電冶金
(1)金屬冶煉的本質：使礦石中的金屬離子獲得電子變成金屬單質的過程。如Mn＋＋ne－===M。
(2)電解法用于冶煉較活潑的金屬(如鉀、鈉、鎂、鋁等)，但不能電解其鹽溶液，應電解其熔融態(tài)。
如：電解熔融的氯化鈉可制取金屬鈉的反應式：
陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑；
陰極：2Na＋＋2e－===2Na；
總反應：2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑。


(1)氯堿工業(yè)中用的是陰離子交換膜將兩電解室隔開(×)
(2)在Fe上電鍍Zn，應用Zn作陽極，用ZnSO4溶液作電鍍液(√)
(3)電解精煉銅時，粗銅作陽極，活潑性比Cu弱的雜質金屬成為陽極泥沉在陽極區(qū)(√)
(4)工業(yè)冶煉金屬鋁時，電解熔融態(tài)AlCl3(×)

1．金屬鎳有廣泛的用途。粗鎳中含有少量鐵、鋅、銅、鉑等雜質，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＋Cu>Ag>Pt，因此Ag、Pt不會放電，以單質形式在陽極附近沉積下來，故D正確。
4．21世紀是鈦的世紀，在800～1 000 ℃時電解TiO2可制得鈦，裝置如圖所示，下列敘述正確的是(　　)

A．a為電源的正極
B．石墨電極上發(fā)生還原反應
C．陰極發(fā)生的反應為TiO2＋4e－===Ti＋2O2－
D．每生成0.1 mol Ti，轉移0.2 mol電子
答案　C
解析　由O2－的移動方向可知，b為電源正極，A錯誤；石墨電極作陽極，發(fā)生氧化反應，B錯誤；每生成0.1 mol Ti，轉移電子0.4 mol，D錯誤。
5．中學階段介紹的應用電解法制備物質主要有三種：一是鋁的工業(yè)制備，二是氯堿工業(yè)，三是金屬鈉的制備。下列關于這三種工業(yè)生產的描述中正確的是(　　)
A．電解法制金屬鈉時，陽極反應式：Na＋＋e－===Na
B．電解法生產鋁時，需對鋁土礦進行提純，在提純過程中應用了氧化鋁或氫氧化鋁的兩性
C．在氯堿工業(yè)中，電解池中的陰極產生的是H2，NaOH在陽極附近產生
D．氯堿工業(yè)和金屬鈉的冶煉都用到了NaCl，在電解時它們的陰極都是Cl－失電子
答案　B
解析　A項，陰極反應式為Na＋＋e－===Na，錯誤；B項，氧化鋁和氫氧化鋁具有兩性，在分離提純時可用NaOH溶液將其溶解，過濾除去難溶物，再將AlO轉化成Al(OH)3，Al(OH)3熱分解即得Al2O3，正確；C項，陰極產物為H2和NaOH，陽極產物為Cl2，錯誤；D項，陽極都是Cl－失電子，錯誤。
6．四甲基氫氧化銨[(CH3)4NOH]常用作電子工業(yè)清洗劑，以四甲基氯化銨[(CH3)4NCl]為原料，采用電滲析法合成(CH3)4NOH，其工作原理如圖所示(a、b為石墨電極，c、d、e為離子交換膜)，下列說法不正確的是(　　)

A．N為正極
B．標準狀況下制備0.75NA (CH3)4NOH，a、b兩極共產生16.8 L氣體
C．c、e均為陽離子交換膜
D．b極電極反應式：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O
答案　B
解析　電解后左側(CH3)4NOH溶液由稀變濃，說明a極發(fā)生還原反應，2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，據(jù)此判斷a為陰極，b為陽極，所以N為正極，故A正確；b極為OH－放電生成O2：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，標準狀況下制備0.75NA (CH3)4NOH，需要陰極提供0.75 mol
OH－，轉移電子0.75 mol，a、b兩極共產生( mol＋ mol)×22.4 L·mol－1＝12.6 L氣體，故B錯誤，D正確；(CH3)4NOH溶液由稀變濃，說明(CH3)4N＋穿過c膜，c膜是陽離子交換膜，NaCl溶液由稀變濃，說明Na＋穿過e膜，e膜是陽離子交換膜，故C正確。
7．氯堿工業(yè)的一種節(jié)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)。下列說法正確的是(　　)

A．電解池的陰極反應式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
B．通入空氣的電極為負極
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a>b＝c
答案　A
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項錯誤；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 e－，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2H2－4e－＋4OH－===4H2O，正極反應式為O2＋4e－＋2H2O===4OH－，所以a、b、c的大小關系為c>a>b，D項錯誤。
題組二　電解的有關計算
8．在標準狀況下，用鉑電極電解硫酸銅溶液，當陰極產生12.8 g銅時，陽極放出的氣體是(　　)
A．1.12 L H2 B．1.12 L O2
C．2.24 L H2 D．2.24 L O2
答案　D
解析　溶液中有Cu2＋、H＋及SO、OH－四種離子，得電子能力Cu2＋>H＋，失電子能力OH－>SO，陰極反應為2Cu2＋＋4e－===2Cu，陽極反應為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，總反應為2CuSO4＋2H2O2Cu＋2H2SO4＋O2↑。n(Cu)＝12.8 g÷64 g·mol－1＝0.2 mol，n(O2)＝0.1 mol，在標準狀況下體積為2.24 L，D正確。

9．有三個燒杯，分別盛有氯化銅、氯化鉀和硝酸銀三種溶液，均以Pt作電極，將它們串聯(lián)在一起電解一定時間，測得電極增重總和2.8 g，這時產生的有色氣體與無色氣體的物質的量之比為(　　)
A．4∶1 B．1∶1
C．4∶3 D．3∶4
答案　C
解析　串聯(lián)電路中，相同時間內各電極得電子或失電子的物質的量相同，各電極上放出氣體的物質的量之比為定值。不必注意電極增重是多少，只要判斷出生成何種氣體及生成該氣體一定物質的量所得失電子的物質的量，就可以通過得失電子守恒，判斷氣體體積之比，第一個燒杯中放出Cl2，第二個燒杯中放出Cl2和H2，第三個燒杯中放出O2。在有1 mol電子轉移時，生成的氣體的物質的量分別是0.5 mol、0.5 mol、0.5 mol和0.25 mol。所以共放出有色氣體(Cl2)0.5 mol＋0.5 mol＝1 mol，無色氣體(O2和H2)0.5 mol＋0.25 mol＝0.75 mol。
10．用石墨電極電解CuSO4溶液一段時間后，向所得溶液中加入0.2 mol Cu(OH)2后，恰好使溶液恢復到電解前的濃度。則電解過程中轉移電子的物質的量為(　　)
A．0.4 mol B．0.5 mol
C．0.6 mol D．0.8 mol
答案　D
解析　將Cu(OH)2改寫為CuO·H2O，根據(jù)CuO·H2O知，陽極上OH－放電生成O2，陰極上Cu2＋和H＋放電生成Cu和H2，根據(jù)氧原子守恒得n(O2)＝n[Cu(OH)2]＝0.2 mol，則轉移電子的物質的量為0.2 mol×4＝0.8 mol，故D正確。
11．用石墨作電極電解1 000 mL硝酸鉀和硝酸銅的混合溶液，當通電一段時間后，兩極都收集到112 mL氣體(標準狀況)，假定電解后溶液體積仍為1 000 mL，則電解后溶液的pH為(　　)
A．4 B．3 C．2 D．1
答案　C
解析　陽極產生氧氣0.005 mol，陰極產生氫氣0.005 mol。由2H2O2H2↑＋O2↑可知，陰極產生0.005 mol氫氣時，陽極產生氧氣0.002 5 mol；由2Cu2＋＋2H2O2Cu＋4H＋＋O2↑可知，產生n(H＋)＝(0.005 mol－0.002 5 mol)×4＝0.01 mol，c(H＋)＝0.01 mol·L－1，pH＝2。
12．(2019·衡水高二檢測)把物質的量均為0.1 mol的CuCl2和H2SO4溶于水制成100 mL的混合溶液，用石墨作電極電解混合溶液，并收集兩電極所產生的氣體，通電一段時間后在兩極收集到的氣體在相同條件下體積相同，則下列敘述正確的是(　　)
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

13．(2019·沈陽高二檢測)某同學設計了一個燃料電池(如圖所示)，目的是探究氯堿工業(yè)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(jù)要求回答相關問題：
(1)通入氫氣的電極為______(填“正極”或“負極”)，負極的電極反應式為______________
____________________________________________________。
(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(qū)的溶液變紅。
(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　H2－2e－＋2OH－===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；由于電解質溶液是堿性的，所以該電極反應式為H2－2e－＋2OH－===2H2O。
(2)由于鐵電極與電源的負極連接，所以鐵電極為陰極，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電極)放電，破壞了附近的水的電離平衡，該區(qū)域的溶液顯堿性，因此鐵極區(qū)的溶液變紅。
(3)因為粗銅中的鋅等活動性比Cu強的雜質金屬優(yōu)先失去電子，而得到電子的只有Cu2＋，所以丙裝置中反應一段時間，硫酸銅溶液濃度會減??；精銅電極上的電極反應式為Cu2＋＋2e－===Cu。
14．電解的應用比較廣泛。根據(jù)下列電解的應用，回答問題：
(1)如圖為電解精煉銀的示意圖，________(填“a”或“b”)極為含有雜質的粗銀，若b極有少量紅棕色氣體生成，則生成該氣體的電極反應式為_________________________________。

(2)利用如圖裝置電解制備LiOH，兩電極區(qū)電解液分別為LiOH和LiCl溶液。B極區(qū)電解液為____________(填化學式)溶液，陽極電極反應式為________________，電解過程中Li＋向________(填“A”或“B”)電極遷移。

(3)離子液體是一種室溫熔融鹽，為非水體系。由有機陽離子、Al2Cl和AlCl組成的離子液體作電解液時，可在鋼制品上電鍍鋁。鋼制品應接電源的________極，已知電鍍過程中不產生其他離子且有機陽離子不參與電極反應，陰極電極反應式為________________________。若改用氯化鋁水溶液作電解液，則陰極產物為________________。
答案　(1)a　NO＋2H＋＋e－===NO2↑＋H2O
(或NO＋4H＋＋3e－===NO↑＋2H2O、2NO＋O2===2NO2)
(2)LiOH　2Cl－－2e－===Cl2↑　B
(3)負　4Al2Cl＋3e－===Al＋7AlCl　H2
解析　(1)電解精煉銀與電解精煉銅原理相似。電解精煉銀裝置中，含有雜質的粗銀作陽極，電解池的陽極與電源的正極相連，則該裝置中a極為含有雜質的粗銀。該電解池的b極為陰極，陰極上有紅棕色氣體生成，可知NO被還原為NO2，電極反應式為NO＋2H＋＋e－===NO2↑＋H2O。
(2)根據(jù)電解裝置圖，兩電極區(qū)電解液分別為LiOH和LiCl溶液，B極區(qū)產生H2，電極反應式為2H＋＋2e－===H2↑，剩余OH－與Li＋結合生成LiOH，所以B極區(qū)電解液為LiOH溶液，B電極為陰極，則A電極為陽極，陽極區(qū)電解液為LiCl溶液，電極反應式為2Cl－－2e－===Cl2↑，電解過程中Li＋向B電極遷移。
(3)在鋼制品上電鍍鋁，故鋼制品作陰極，與電源負極相連。由于電鍍過程中“不產生其他陽離子且有機陽離子不參與電極反應”，Al元素在熔融鹽中以Al2Cl和AlCl形式存在，則電鍍過程中陰極電極反應式為4Al2Cl＋3e－===Al＋7AlCl。若電解液改為氯化鋁水溶液，水溶液中得電子能力Al3＋

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第二節(jié) 電解池

版本： 人教版 (2019)

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