第四章 化学反应与电能\n第二节 电解池第2课时 电解原理的应用\n学习目标核心素养1．了解电解原理在工业生产中的应用。2．认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。1．通过对氯碱工业、电镀、电解精炼铜、电冶金等原理的分析，培养变化观念与平衡思想。2．建立电解应用问题的分析思维模型，培养证据推理与模型认知的能力。\n课前素能奠基课堂素能探究课堂达标验收新课情景呈现名师博客呈现\n新课情景呈现\n电镀的妙用电镀在工业上的应用已经遍及国民经济各个生产领域中，如机械制造、无线电通讯、交通运输及轻工业系统，这些工业系统中使用金属镀层的目的是多种多样的。其中应用最多的是为了防止金属制品及其组合件的腐蚀。例如，一辆解放牌载重汽车上，零部件的受镀面积可达10m2左右，其主要目的是防止金属锈蚀。一些产品使用金属镀层则具有防护和装饰的双重目的，像自行车、钟表等。在一些特殊情况下，电镀金属层则是为了赋予制品一定的物理、机械性能，如增加金属表面反光能力、提高表面导电能力、增加抗磨损能力、提高金属的稳定性等。让我们走进教材，一起学习电解原理的应用。\n课前素能奠基\n一、氯碱工业1．概念：用电解________________的方法来制取______________________，并以它们为原料生产一系列化工产品的工业，称为氯碱工业。饱和氯化钠溶液新知预习氢氧化钠、氢气和氯气\n2．原理：\n(1)阳极反应：_______________________(________反应)(2)阴极反应：_____________________________(________反应)(3)总反应：①化学方程式：________________________________________②离子方程式：_____________________________________2Cl－－2e－===Cl2↑氧化2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－还原\n二、电镀1．概念：应用________原理在某些金属表面镀上一薄层其他________或合金的加工工艺。2．目的：使金属增强__________能力，增加美观度和表面硬度。电解金属抗腐蚀\n3．实例(在铁件上镀铜)。材料电极反应式阴极________Cu2＋＋2e－===Cu阳极________Cu－2e－===Cu2＋电解质溶液____________溶液FeCuCuSO4\n三、电解精炼铜1．概念：粗铜中往往含有铁、锌、银、金等多种杂质，常用电解的方法进行精炼。电解池的构成是用________作阳极，用________作阴极，用______________作电解质溶液。粗铜纯铜硫酸铜溶液\n2．原理：粗铜中比铜活泼的金属__________等，失去电子形成阳离子而溶解(残留在溶液中)；比铜不活泼的金属__________等，以金属单质的形式沉积在电解槽的底部(形成阳极泥)；粗铜中的铜在纯铜上析出。锌、铁银、金\n四、电冶金1．金属冶炼的本质：使矿石中的____________获得电子变成金属单质的过程。如____________________。2．电冶金：电解是最强有力的氧化还原手段，适用于一些_____________单质的制取，如冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属。金属离子Mn＋＋ne－===M活泼金属\n总方程式阳极、阴极反应式冶炼钠___________________________________________________________________________冶炼镁_______________________________________________________________________冶炼铝_________________________________________________________________________2Cl－－2e－===Cl2↑，2Na＋＋2e－===2Na2Cl－－2e－===Cl2↑，Mg2＋＋2e－===Mg6O2－－12e－===3O2↑，4Al3＋＋12e－===4Al\n预习自测1．以硫酸铜溶液作电解质溶液，对含有杂质Fe、Zn、Ag的粗铜进行电解精炼。下列叙述错误的是()A．粗铜与直流电源正极相连B．粗铜电解精炼过程中，硫酸铜溶液的浓度不变C．当得到的精铜质量为32g，转移电子数为6.02×1023个D．杂质Ag以单质形式沉入电解槽底部形成“阳极泥”B\n解析：电解精炼铜时，粗铜应作阳极，与直流电源正极相连，故A正确；由于粗铜中含有Fe、Zn等金属要先于铜溶解，而阴极只有铜离子得电子生成铜单质，故电解过程中硫酸铜溶液浓度减小，故B错误；根据电极反应：Cu2＋＋2e－===Cu，电路中每通过6.02×1023个即1mol电子，得到的精铜质量为0.5mol×64g·mol－1＝32g，故C正确；金属的活动性顺序为Zn＞Fe＞Cu＞Ag＞Pt，因此Ag、Pt不会放电，以单质形式沉积下来，故D正确。\n2．下列有关电解应用的说法中错误的是()A．电解熔融Al2O3可得到金属铝B．电解熔融NaCl或饱和NaCl溶液可制得单质钠C．利用电解法可在铁表面镀上一层均匀光滑的银D．利用电解原理可除去粗铜中的杂质得到高纯度的铜B\n解析：电解熔融Al2O3生成金属铝和氧气，选项A正确；电解熔融NaCl生成金属钠和氯气，但电解饱和NaCl溶液生成氢氧化钠、氯气和氢气，选项B错误；利用电解法可在铁表面镀上一层均匀光滑的银，其中铁连接负极作阴极，银连接正极作阳极，电解质溶液为硝酸银溶液，形成电镀池，选项C正确；利用电解原理可除去粗铜中的杂质得到高纯度的铜，其中精铜为阴极，粗铜为阳极，硫酸铜溶液为电解质溶液，形成电解池，选项D正确。\n3．若要在铜片上镀银时，下列叙述中错误的是()①将铜片接在电源的正极②将银片接在电源的正极③在铜片上发生的反应是Ag＋＋e－===Ag④在银片上发生的反应是4OH－－4e－===O2↑＋2H2O⑤可用CuSO4溶液作电解质溶液⑥可用AgNO3溶液作电解质溶液A．①③⑥B．②③⑥C．①④⑤D．②③④⑥C\n解析：①将铜片接在电源的负极上，故①错误；②将银片接在电源的正极上，故②正确；③在铜片上发生的反应是Ag＋＋e－===Ag，故③正确；④在银片上发生的反应是Ag－e－===Ag＋，故④错误；⑤用含有镀层金属的盐溶液作电解质溶液，不能选用硫酸铜溶液为电镀液，故⑤错误；⑥用含有镀层金属的盐溶液作电解质溶液，可以选用硝酸银溶液为电镀液，故⑥正确。\n课堂素能探究\n知识点问题探究：1．氯碱工业中阴极产物是什么？2．粗铜中含有锌、铁、镍、银金属杂质，在精炼铜的过程中，杂质金属为什么不在阴极析出？精炼铜的过程中溶液中Cu2＋的浓度是否有变化？3．工业上冶炼镁为什么用MgCl2而不使用MgO?电解原理的应用\n探究提示：1．H2、NaOH。阴极消耗H＋，产生H2，同时生成NaOH。2．因氧化性Cu2＋大于Fe2＋、Zn2＋、Ni2＋，故在阴极上Cu2＋得到电子析出单质铜，电解精炼铜时，溶液中Cu2＋的浓度减小。3．MgO的熔点高，MgCl2的熔点低，若用MgO则消耗更多的能量。\n知识归纳总结：1．氯碱工业：(1)装置图及原理解释。\n\n(2)电解饱和食盐水时的两注意。①电解饱和食盐水的过程中，H＋在阴极上得电子而生成H2，因水电离产生的H＋与OH－数目相等，消耗了H＋后，使阴极区溶液中c(OH－)＞c(H＋)，所以阴极区溶液呈碱性。②在氯碱工业中，采用了阳离子交换膜，阳离子交换膜将电解槽隔成阴极室和阳极室，它只允许阳离子(Na＋)通过，而阻止阴离子(Cl－、OH－)和气体通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH作用生成NaCl和NaClO而影响烧碱的质量。\n2．电镀池与电解精炼池的区别与联系：\n电镀池电解精炼池形成条件①镀层金属作阳极接直流电源正极，镀件接直流电源负极，作阴极②电镀液必须是含有镀层金属离子的盐溶液③形成闭合回路①不纯金属作阳极，纯金属作阴极②含该金属离子的可溶盐溶液作电解质溶液③直流电源④形成闭合回路\n电镀池电解精炼池电极反应(以铁上镀锌为例)阳极：Zn－2e－===Zn2＋阴极：Zn2＋＋2e－===Zn(以精炼铜为例)阳极：Cu(粗铜)－2e－===Cu2＋(主要)阴极：Cu2＋＋2e－===Cu(精铜)联系电镀池和电解精炼池是特定条件下的电解池提醒：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，一少是指阳极上有镀层金属溶解，一不变是指电解质溶液的浓度不变。\n3．电冶金：(1)电解法用于冶炼较活泼的金属(如钠、钙、镁、铝等)。(2)电解法冶炼较活泼金属，不能电解其盐溶液，因为金属离子的放电能力小于氢离子的放电能力，而应电解其熔融态化合物。(3)电解法冶炼金属镁时，选择氯化镁，而不是氧化镁，是因为氧化镁的熔点高，耗能大。\n(4)电解法冶炼金属铝时，选择氧化铝，而不是氯化铝，是因为氯化铝为共价化合物，熔融时不导电。(5)电解法冶炼金属铝时，由于氧化铝熔点高，为了减少能耗，常加入冰晶石(Na3AlF6)，降低氧化铝的熔化温度。\n典例1D\n\n〔变式训练1〕氯碱工业的原理示意图如图。下列说法正确的是()A．M为负极B．通电使氯化钠发生电离C．出口c收集到的物质是氯气D．通电一段时间后，阴极区pH降低C\n解析：饱和食盐水从a口进入，在出口变成稀食盐水，可推出Cl－在左侧电极放电，该极为阳极，M为电源正极，A项错误；NaCl在水作用下发生电离，不需要通电，B项错误；Cl－在左侧放电，出口c收集到的物质是Cl2，C项正确；右侧电极为阴极，该处产生OH－，则通电一段时间后，OH－浓度增大，pH增大，D项错误。\n知识点电解的有关计算问题探究：1．已知一个电子的电量是1.602×10－19C，用装置电解饱和食盐水，当电路中通过1.929×105C的电量时，生成NaOH的质量是多少？2．把两个惰性电极插入500mLAgNO3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多少？\n\n2．54mg。由得失电子守恒知，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＋)≈10－3mol·L－1，所以n(Ag)＝n(H＋)＝10－3mol·L－1×0.5L＝5×10－4mol，m(Ag)＝n(Ag)×M＝5×10－4mol×108g·mol－1＝0.054g＝54mg。\n知识归纳总结：1．三个计算原则：(1)阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数。(2)串联电池中各电极上转移的电子数目相等。(3)电源输出的电子总数和电解池中各电极上转移的电子数目相等。\n2．四种常见计算类型：(1)两极产物的定量计算。(2)溶液pH的计算[pH＝－lgc(H＋)]。(3)相对原子质量的计算和阿伏加德罗常数的值的测定。(4)根据转移电子的量求产物的量或根据产物的量求转移电子的量。\n\n\n如图所示，若电解5min时，测得铜电极的质量增加2.16g。典例2\n试回答：(1)电源中X极是______(填“正”或“负”)极。(2)通电5min时，B中共收集到224mL(标准状况下)气体，溶液体积为200mL(电解前后溶液的体积变化忽略不计)，则通电前c(CuSO4)＝_______________。(3)若A中KCl溶液的体积也是200mL，电解后溶液中仍有Cl－，则电解后溶液的pH为______。(Kw＝1.0×10－14)负0.025mol·L－113\n\n\n规律方法指导：解答与电解有关的计算题的基本步骤(1)正确书写电极反应式(要特别注意阳极材料)。(2)当溶液中有多种离子共存时，先要根据离子放电顺序确定离子放电的先后。(3)根据得失电子守恒进行相关计算。\n〔变式训练2〕用惰性电极电解CuCl2和CuSO4的混合溶液(物质的量浓度均为0.1mol·L－1)500mL，当阴极析出4.8g固体时，在阳极可得到标准状况下的气体体积为()A．1.68LB．1.4LC．3.36LD．2.24LB\n解析：CuCl2和CuSO4的混合溶液，物质的量浓度均为0.1mol·L－1，体积为500mL，即溶液中的n(Cu2＋)＝0.1mol，完全得电子时，质量为6.4g＞4.8g，则阴极电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，生成4.8gCu时，转移0.15mol电子，阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑，可生成n(Cl2)＝0.05mol，即失去0.1mol电子，则0.05mol电子发生2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，生成0.0125mol氧气，即0.28L，生成气体合计1.4L。\n名师博客呈现\n电解规律(惰性电极)类型电极反应特点实例电解对象电解质浓度pH电解质溶液复原电解水型阴：4H＋＋4e－===2H2↑阳：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑NaOH水增大增大加水H2SO4水增大减小加水Na2SO4水增大不变加水\n类型电极反应特点实例电解对象电解质浓度pH电解质溶液复原电解电解质型电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电HCl电解质减小增大通入HCl气体CuCl2电解质减小—加入CuCl2固体\n类型电极反应特点实例电解对象电解质浓度pH电解质溶液复原放H2生碱型阴极：H2O放H2生碱阳极：阴离子放电NaCl电解质和水生成新电解质增大通入HCl气体放O2生酸型阴极：阳离子放电阳极：H2O放O2生酸CuSO4电解质和水生成新电解质减小加入CuO\n知识点睛电解质溶液复原(1)从元素角度分析，“缺什么，补什么”，如电解HCl溶液时产生H2、Cl2，需通入HCl气体即可复原，但并不能加入盐酸，因为盐酸除含HCl外，还含H2O。(2)需要加入金属氧化物复原的，加入对应碳酸盐也可复原。如：用石墨作电极电解CuSO4溶液一段时间后，加入氧化铜或碳酸铜即可复原，但不能加入氢氧化铜。\n课堂达标验收\nC\n解析：右边是阴极区，发生2H＋＋2e－===H2↑，所以从E口逸出的气体是H2，故A错误；每生成22.4LCl2，没有指明温度和压强，故B错误；阴极生成OH－，且Na＋向阴极移动，阴极区生成NaOH，为增强导电性，则从B口加入稀NaOH(增强导电性)的水溶液，故C正确；粗盐提纯所加试剂的顺序Na2CO3必须放在BaCl2的后面，故D错误。\n2．铅的电解精炼是工业上实现废铅回收以及粗铅提纯的重要手段。铅的电解精炼在由PbSiF6和H2SiF6两种强电解质组成的水溶液中进行。从还原炉中产出的某粗铅成分如下表所示：成分PbCuAgFeZnSn%97.501.220.120.150.090.64\n(1)电解精炼时阳极泥的主要成分是______________(元素符号)。(2)电解后阴极得到的铅中仍含有微量的杂质，该杂质最有可能是________(填一种)。(3)电解过程中，粗铅表面会生成SiF6气体，写出该电极反应式_______________________。Cu、AgSn\n\n3．电解是利用外电路电源提供电能的一种强有力的氧化还原手段，可以使不能发生的氧化还原反应强制发生。因此电解原理有着广泛的应用，可以应用电解手段制备、净化、提纯某些物质。(1)CO2气体是引起温室效应和气候变暖的主要物质。《JournalofEnergyChemistry》报道我国科学家设计CO2熔盐捕获与转化装置如图。判断a、d电极的名称，并写出电极反应式。\n(2)三氧化二镍(Ni2O3)可用于制造高能电池元件。电解法制备过程如下：用NaOH溶液将NiCl2溶液的pH调至7.5，加入适量硫酸钠固体后进行电解。电解过程中产生的Cl2在弱碱性条件下生成ClO－，把二价镍(可简单写成Ni2＋)氧化为Ni3＋，再将Ni3＋经一系列反应后转化为Ni2O3。电解装置如图所示。分析加入适量硫酸钠固体的作用。\n
