高中化学第四章电化学基础第三节第2课时《电解原理的应用》知识点归纳及例题演练新人教版选修4

第二课时 电解原理的应用

电解

1．电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl＋2H2O=====2NaCl＋H2↑＋Cl2↑。

2．电镀时把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CuSO4溶液作电解液。 4．电解熔融Al2O3制取铝，电解熔融氯化钠制取钠，电解熔融MgCl2制取镁。

电解饱和食盐水制烧碱、氯气和氢气 [自学教材·填要点]

1．装置及现象

现象 电极反应式 阴极 生成无色气体 2H＋＋2e－===H2↑ 阳极 生成黄绿色气体 2Cl－－2e－===Cl2↑

2．电解总反应式

1

电解

化学方程式：2NaCl＋2H2O===== 2NaOH＋H2↑＋Cl2↑； 电解－－离子方程式：2Cl＋2H2O=====2OH＋H2↑＋Cl2↑。

[师生互动·解疑难]

(1)电解饱和食盐水阴极区溶液呈碱性的原因：

电解饱和食盐水过程中，因离子放电顺序为H＞Na，所以H在阴极上得电子而生成H2，破坏了水的电离平衡，促进了水的电离，使阴极区溶液中c(OH)＞c(H)，所以阴极区溶液呈碱性。

(2)氯碱工业上电解饱和食盐水通常以石墨作阳极，涂镍碳钢网作阴极。 (3)用湿润的KI淀粉试纸检验阳极放出的氯气。

1．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：用惰性电极电解食盐水时，阴极反应式：2H＋2e===H2↑破坏水的电离平衡，阴极区域OH与Na结合成NaOH。

答案：C

电镀 [自学教材·填要点]

1．电镀

(1)定义：电镀是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。 (2)电镀池的构成：

2

－

＋

＋

－

－

＋

＋

＋

＋

(3)实例(往铁件上镀铜)：

①阴极材料：Fe，电极反应式：Cu＋2e===Cu； ②阳极材料：Cu，电极反应式：Cu－2e===Cu； ③电解质溶液：CuSO4溶液。 2．电解精炼铜 (1)装置：

－

2＋

2＋

－

粗铜作阳极，纯铜作阴极，CuSO4溶液作电解质溶液。 (2)电极反应式，

阳极为Zn－2e===Zn、Cu－2e===Cu。 阴极为Cu＋2e===Cu。

[师生互动·解疑难]

(1)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)电镀时，镀层金属作阳极，待镀金属作阴极，含镀层金属阳离子的溶液作电解液。 (3)电镀后，电解质溶液中的离子浓度保持不变。

(4)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。

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2＋

－－

2＋

－

2＋

(5)电解精炼铜时，电解液的浓度会减小。

2．关于镀铜和电解精炼铜，下列说法中正确的是( ) A．都用粗铜作阳极、纯铜作阴极 B．电解液的成分都保持不变 C．阳极反应都只有Cu－2e===Cu D．阴极反应都只有Cu＋2e===Cu

解析：A项电镀时镀件作阴极；B项电解精炼铜时电解液成分改变；C项电解精炼铜时，若有比铜活泼的金属杂质(如锌)，则阳极还会发生Zn－2e===Zn的反应。

答案：D

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，如M＋ne===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，电解法几乎是惟一可行的工业方法。例如电解熔融的NaCl制Na：

NaCl在高温熔融，并发生电离：NaCl===Na＋Cl，通直流电后，阴极：2Na＋2e===2Na， 阳极：2Cl－2e===Cl2↑，

电解总化学方程式为：2NaCl(熔融)===== 2Na＋Cl2↑。 3．特别提示

(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。

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－

－

＋

－

＋

－

－

2＋

2＋

－－

2＋

n＋－

(2)工业上用电解熔融MgCl2而不是MgO的方法制Mg，用电解熔融Al2O3而不是AlCl3的方法制Al。

4．下列金属只能采用电解法冶炼的是________。 ①Fe ②Na ③Ag ④Cu ⑤Ca ⑥Hg

解析：对于像K、Ca、Na、Mg、Al这样活泼的金属，很难找到一种合适的还原剂从化合物中将其还原出来，电解法几乎是惟一可行的方法。

答案：②⑤

主题1：用惰性电极电解含有酚酞的饱和NaCl溶液，如何通过实验现象判断阴、阳两极？

电极附近变红的一极为电解池的阴极，另一极为阳极，原因是H在阴极上放电(2H＋2e===H2↑)，破坏了水的电离平衡，使此极附近c(OH)＞c(H)，而碱会使酚酞变红 有黄绿色气体产生的一极为电解池的阳极；电极反应式为：2Cl－2e===Cl2↑；有无色无味气体产生的一极为电解池的阴极；电极反应式为2H＋2e===H2↑ ＋－－－－－＋＋＋甲 乙 丙 能产生使湿润的的KI淀粉试纸变蓝的气体的一极为电解池的阳极，另一极为阴极 主题2：如何在Fe片上镀一层铜？

将铁片浸入CuSO4溶液中，可在Fe片上覆盖一薄层铜，反应方程式为：Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4 用Fe片作阴极，铜片作阳极，CuSO4溶液作电解质溶液，形成电镀池，可在铁片上镀一层铜 甲 乙

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氯碱工业

[例1] 氯碱工业中电解饱和食盐水的原理示意图如下图所示。

(1)溶液A的溶质是________。

(2)电解饱和食盐水的离子方程式是 __________________________________________。 (3)电解时用盐酸控制阳极区溶液的pH在2～3。用化学平衡移动原理解释盐酸的作用：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。 (4)电解所用的盐水需精制，去除有影响的Ca、Mg、NH4、SO4[c(SO4)＞c(Ca)]。精制流程如下(淡盐水和溶液A来自电解池)：

2＋

2＋

＋

2－

2－

2＋

①盐泥a除泥沙外，还含有的物质是________。

②过程 Ⅰ 中将NH4转化为N2的离子方程式是_________________________________ ________________________________________________________________________。 ③BaSO4的溶解度比BaCO3的小，过程 Ⅱ 中除去的离子有________。

[解析] (1)从加入原料(水含少量NaOH)可知A为浓氢氧化钠溶液；也可以从电极反应推测，右室生成H2，H得电子，OH浓度增大，Na向右移动，所以生成物为NaOH。

(3)抓住信息(化学平衡移动)，分析阳极区存在的化学平衡只有Cl2与水反应。 (4)①由信息用溶液A(NaOH溶液)调pH＝11、溶液中含有Mg，所以有沉淀Mg(OH)2生成；②由信息可知NH4被氧化生成N2，所以氯气是氧化剂，溶液显碱性用OH和H2O配平即

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＋

－

2＋

＋

－

＋

＋

可；③BaCO3使BaCO3

SO4和Ca。

2－

2＋

2＋

2＋

(aq)＋CO3(aq)，Ba与溶液中的SO4结合生成更难溶的BaSO4，且

2－

2－

2＋

2－2＋2－

(aq)＋CO3(aq)右移，生成CO3与溶液中的Ca结合生成CaCO3，除去

[答案] (1)NaOH

通电－－

(2)2Cl＋2H2O=====H2↑＋Cl2↑＋2OH (3)Cl2与水反应：Cl2＋H2O在水中的溶解，有利于Cl2的逸出

(4)①Mg(OH)2

②2NH4＋3Cl2＋8OH===N2↑＋6Cl＋8H2O ③SO4、Ca

除去食盐中Ca、Mg、SO4的方法(精制食盐水)：

2＋

2＋

2－

2－

2＋

＋

－

－

HCl＋HClO，增大HCl的浓度使平衡逆向移动，减少Cl2

1．某课外活动小组用如图装置进行实验，试回答下列问题。

(1)若开始时开关K与a连接，则B极的电极反应式为________________。

(2)若开始时开关K与b连接，则B极的电极反应式为________，总反应的离子方程式为________________________________________________________________________。

有关上述实验，下列说法正确的是(填序号)________。

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①溶液中Na向A极移动 ②从A极处逸出的气体能使湿润的KI淀粉试纸变蓝 ③反应一段时间后加适量盐酸可恢复到电解前电解质的浓度 ④若标准状况下B极产生2.24 L 气体，则溶液中转移0.2 mol电子

(3)该小组同学认为，如果模拟工业上离子交换膜法制烧碱的方法，那么可以设想用如图装置电解硫酸钾溶液来制取氢气、氧气、硫酸和氢氧化钾。

＋

①该电解槽的阳极反应式为______________________。此时通过阴离子交换膜的离子数________(填“大于”、“小于”或“等于”)通过阳离子交换膜的离子数。

②制得的氢氧化钾溶液从出口(填“A”、“B”、“C”或“D”)________导出。 ③通电开始后，阴极附近溶液pH会增大，请简述原因。

________________________________________________________________________。 ④若将制得的氢气、氧气和氢氧化钾溶液组合为氢氧燃料电池，则电池正极的电极反应式为________________________________________________________________________。

解析：(1)开关K与a相连，装置构成原电池，Fe失去电子，作原电池负极。 (2)开关K与b相连，装置构成电解NaCl溶液的电解池，B为电解池的阴极，溶液中的H在B极放电生成H2。电解过程中Na应该向阴极B移动；A极产生的气体为Cl2，Cl2能将电解－

I氧化为I2，I2遇淀粉变蓝；根据电解反应：2NaCl＋2H2O===== 2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，电解一段时间后若加入盐酸会增加H2O的质量，应通入HCl气体使其恢复到电解前电解质的浓度；若标准状况下B极产生2.24L 气体，即0.1 mol H2，则有0.2 mol电子发生转移，但在溶液中转移的不是电子，而是离子。

(3)①溶液中的OH在阳极失电子产生O2：4OH－4e===2H2O＋O2↑，所以在B口放出O2，从A口导出H2SO4。溶液中的H在阴极得到电子产生H2：2H＋2e===H2↑，则从C口放出H2，从D口导出KOH溶液。因SO4所带电荷数大于K所带电荷数，SO4通过阴离子交换膜，K

2－

＋

2－

＋

＋

＋

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－

－

＋

＋

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通过阳离子交换膜，所以通过阳离子交换膜的离子数大于通过阴离子交换膜的离子数。O2、H2、KOH溶液构成燃料电池时，O2在电池正极放电：O2＋4e＋2H2O===4OH。

答案：(1)Fe－2e===Fe (2)2H＋2e===H2↑

电解－－

2Cl＋2H2O=====2OH＋H2↑＋Cl2↑ ② (3)①4OH－4e===2H2O＋O2↑ 小于 ②D

③H在阴极附近放电，引起水的电离平衡向右移动，使c(OH)＞c(H) ④O2＋2H2O＋4e===4OH

电解原理的有关应用

[例2] 以KCl和ZnCl2混合液为电镀液在铁制品上镀锌，下列说法正确的是( ) A．未通电前上述镀锌装置可构成原电池，电镀过程是该原电池的充电过程 B．因部分电能转化为热能，电镀时通过的电量与锌的析出量无确定关系 C．电镀时保持电流恒定，升高温度不改变电解反应速率 D．镀锌层破损后对铁制品失去保护作用

[解析] 电镀过程中Zn与电源正极相连，若给原电池充电，则Zn应接电源负极，A错误；导线中通过的电子，在阴极均被Zn得到，所以通过的电子与锌析出的物质的量成正比，B错误；只要电流恒定，阴阳极得失电子的速率不变，所以电解反应速率不变，C正确；镀锌层破损后，Zn比铁活泼，Zn作负极、Fe作正极，Fe被保护，D错误。

[答案] C

电镀的特点是“一多、一少、一不变”：一多是指阴极上有镀层金属沉积；一少是指阳

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2＋

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＋

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＋

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2＋

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－

极上有镀层金属溶解；一不变是指电解质溶液的浓度不变。

2．在铁制品上镀一层一定厚度的锌层，以下方案设计正确的是( ) A．锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含有锌离子 B．铂作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子 C．锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含有亚铁离子 D．锌作阴极，镀件作阳极，溶液中含有亚铁离子

解析：本题考查的是电镀的原理。电镀时，通常镀层金属作阳极、镀件作阴极，含有镀层金属阳离子的电解质溶液作电镀液。

答案：A

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