高考第一轮复习——电解原理及应用学案含答案

高考第一轮复习——电解原理及应用学案含答案

年 级 高三 学 科 化学 版 本 苏教版 内容标题 电解原理及应用 ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 电解原理及应用 二. 教学目标 理解电解原理，掌握电极反应式的书写及电解原理的应用 三. 教学重点、难点 电解原理 ‎［教学过程］‎ 一、电解原理：‎ 电解是电流通过电解质溶液而在阴、阳两极发生氧化还原反应的过程；‎ 电解池是将电能转化为化学能的装置；构成条件为：必须连接有直流电源，要有电极（阴、阳极），以及电解质溶液或熔融电解质。‎ 在电解过程中与电源正极相连的极称为阳极，在阳极上发生氧化反应；与电源负极相连的极称为阴极，在阴极上发生还原反应；电解质溶液中的阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。‎ 说明：‎ ‎1、电解质溶液的导电过程实质上就是其电解过程。在电解池中电子流向：电子由电源的负极→电解池的阴极，再由电解质溶液→电解池的阳极→电源正极。溶液中离子的移动方向：溶液中阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。‎ ‎2、电解与电离的比较：‎ 电离 电解 条件 电解质溶于水或熔化状态下 电解质电离后, 再通直流电 过程 电解质离解成为自由移动的离子, 如CuCl2＝Cu2＋＋2Cl－‎ 阴、阳离子定向移动, 在两极上失、得电子成为原子或分子, 如 CuCl2＝Cu（阴极）＋Cl2（阳极）‎ 特点 只产生自由移动的离子 发生氧化还原反应, 生成新物质 联系 电解必须建立在电离的基础上 ‎3、电解池与原电池的判断：‎ 有外加电源的装置一定是电解池，无外加电源的装置一定是原电池, 多池组合时, 一般是含有活泼金属的池为原电池，其余都是在原电池带动下工作的电解池；若最活泼的电极相同时，则两极间活泼性差别较大的是原电池，其余为电解池。‎ ‎4、电解池的反应原理：‎ 放电：阳离子得到电子或阴离子失去电子。离子放电的顺序取决于离子的本性，也与离子浓度和电极材料有关。‎ ‎（1）阳极产物的判断 先看电极，若是活泼电极（金属活动顺序表Ag以前，包含Ag），电极放电，溶液中的阴离子不放电；若是惰性电极（如铂、石墨等），则看溶液中阴离子的失电子能力。‎ ‎ 在惰性电极上，阴离子放电顺序为：‎ ‎（2）阴极产物的判断：‎ 直接根据阳离子放电顺序进行判断，阳离子放电顺序为：‎ 注意：高价含氧酸根离子一般不放电 ‎ 5、分析电解问题的基本思路：‎ 通电前：电解质溶液中含有哪些阴、阳离子（包括水电离出的H＋和OH－）。‎ 通电时：阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，结合放电顺序分析谁优先放电。‎ 写电极反应式，并结合题目要求分析电解结果，如两极现象、水的电离平衡移动、离子浓度的变化、pH变化等。‎ ‎［分析讨论］按要求填写下表（用惰性电极电解下列物质的溶液）‎ 电解质（溶液）‎ 阳极反应 阴极反应 总反应方程式 溶液pH 变化 CuCl2‎ ‎2Cl――2e－＝Cl2↑‎ Cu2＋＋2e－＝Cu CuCl2＝Cu＋Cl2↑‎ 稍变大 HCl ‎2Cl――2e－＝Cl2↑‎ ‎2H＋＋2e－＝H2↑‎ ‎2HCl＝H2↑＋Cl2↑‎ 变大 Na2SO4‎ ‎4OH――4e－＝2H2O＋O2↑‎ ‎2H＋＋2e－＝H2↑‎ ‎2H2O＝2H2↑＋O2↑‎ 不变 H2SO4‎ ‎4OH――4e－＝2H2O＋O2↑‎ ‎2H＋＋2e－＝H2↑‎ ‎2H2O＝2H2↑＋O2↑‎ 减小 NaOH ‎4OH――4e－＝2H2O＋O2↑‎ ‎2H＋＋2e－＝H2↑‎ ‎2H2O＝2H2↑＋O2↑‎ 增大 NaCl ‎2Cl－－2e－＝Cl2↑‎ ‎2H＋＋2e－＝H2↑‎ ‎2NaCl +2H2O＝ 2NaOH + H2↑+ Cl2↑‎ 增大 CuSO4‎ ‎4OH――4e－＝2H2O＋O2↑‎ Cu2＋＋2e－＝Cu ‎2 CuSO4＋2H2O＝2 Cu＋2H2SO4＋O2↑‎ 减小 规律总结：用惰性电极电解不同的电解质溶液时：‎ 电解质的组成 无氧酸（除HF）、不活泼金属的无氧酸盐（F－除外）‎ 不活泼金属的含氧酸盐、活泼金属的无氧酸盐 含氧酸、可溶性碱、活泼金属的含氧酸盐 被电解的物质 电解质本身 电解质和水都发生变化 电解水 实例 CuCl2、HBr、HCl NaCl、CuSO4、AgNO3‎ H2SO4、NaOH、KNO3‎ 二、电解原理的应用：‎ ‎1、电解精炼铜原理：‎ ‎①粗铜的溶解与纯铜的生成：‎ 阳极（粗铜）：Cu－2e－＝ Cu2＋‎ 阴极（纯铜）： Cu2＋＋ 2e－＝Cu ‎②比铜活泼的金属：Zn、Fe、Ni只溶解，不析出；‎ ‎③比铜不活泼的金属：Au、Pt不溶解，而以单质沉积形成阳极泥；‎ ‎④电解质溶液中CuSO4的浓度基本不变；‎ ‎2、电镀：‎ 镀件作阴极，镀层金属作阳极，含镀层金属离子的电解质配成电镀液；‎ 电镀铜的原理：‎ 阳极（镀层金属）：Cu－2e－＝ Cu2＋‎ 阴极（镀件）： Cu2＋＋2e－＝Cu 电镀液浓度不变；‎ ‎3、氯碱工业：电解饱和食盐水制氢氧化钠和氯气：‎ 电极反应及总反应：‎ 阳极反应：2Cl－－2e－ ＝ Cl2↑（氧化反应）‎ 阴极反应：2H＋＋2e－＝H2↑（还原反应）‎ 总反应离子方程式：‎ ‎2Cl－＋2H2O＝2OH－＋ H2↑＋Cl2↑‎ 总反应：‎ 阴极区 阳极区 ‎4、电冶金：‎ 通过电解熔融的氯化钠制取金属钠，电解熔融的氧化铝冰晶石的混合物制取金属铝：‎ 制取金属钠：阳极反应：2Cl－－2e－ ＝Cl2↑ ‎ 阴极反应：2Na＋＋2e－＝2Na ‎ 制取金属铝：阳极反应：6－12e－ ＝3O2↑ ‎ 阴极反应：4Al3＋＋12e－＝4Al ‎ 说明：‎ ‎1、原电池、电解池和电镀池的比较：‎ 原电池 电解池 电镀池 定义（装置特点）‎ 将化学能转变成电能的装置 将电能转变成化学能的 装置 应用电解原理在某些金属表面镀上一 层其他金属的装置 反应特征 自发反应 非自发反应 非自发反应 装置特征 无电源，两极不同 有电源, 两极可同可不 同 有电源 形成条件 ‎1. 活泼性不同的两极（连接）‎ ‎2.电解质溶液（电极插入其中并与电极自发反应）‎ ‎3.形成闭合回路 ‎1. 两电极连接直流电源 ‎2. 两电极插入电解质溶 液 ‎3. 形成闭合回路 ‎1. 镀层金属接电源正极, 待镀金属接电 源负极 ‎2. 电镀液必须含有 镀层金属的离子 电极名称（电极构成）‎ 负极: 较活泼金属（电子流 出的极）‎ 正极: 较不活泼的金属 （或能导电的非金属）（电子 流入的极）‎ 阳极：与电源正极相连的极 阴极：与电源负极相连的 极 名称同电解,但有限 制条件 阳极:必须是镀层金 属；阴极: 镀件 电极反应 负极: 氧化反应, 一般是金 属失电子 正极: 还原反应,溶液中的阳离子得电子或者氧气得电子（吸氧腐蚀）‎ 阳极: 氧化反应, 溶液中的阴离子失电子, 或电极金属失电子 阴极: 还原反应, 溶液中的阳离子得电子 阳极: 金属电极失电子 阴极: 电镀液中阳离子得电子 电子流向 正极 阴极 同电解池 阳离子向正极移动 阳离子向阴极移动 同电解池 溶液中带电粒子移动 阴离子向负极移动 阴离子向阳极移动 联系 在两极上都发生氧化和还原反应 ‎2、氯碱工业：离子交换膜法制烧碱 ‎（1）：阳离子交换膜的作用：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。可防止H2、Cl2混合爆炸，也可防止Cl2与NaOH反应。‎ ‎（2）：食盐的精制：‎ ‎①粗盐的成份：泥沙、Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、SO42－杂质，会与碱性物质反应产生沉淀，损坏离子交换膜；‎ ‎②杂质的除去过程：‎ ‎（3）、在精制食盐时，所加除杂试剂均为过量，因此，所加试剂的顺序必须是碳酸钠在氯化钡后面加入，以除去过量的Ba2＋。‎ ‎3、电冶金主要用于冶炼活泼性很强的金属。在电解熔融的氧化铝时，加入冰晶石的目的是为了降低氧化铝的熔点，使氧化铝能够在较低的温度下熔化，而不能用电解无水氯化铝的方法冶炼金属铝。因为氯化铝为共价化合物，熔融状态时不导电。‎ ‎【典型例题】‎ 例1. ‎1L0.1mol/LAgNO3溶液在以Ag作阳极，Fe作阴极的电解槽中电解，当阴极增重‎2.16g时。下列判断（设电解按理论进行，溶液不蒸发） 正确的是：‎ A. 溶液的浓度变为0.08mol/L B. 阳极上产生112mLO2（标准状况）‎ C. 转移的电子数是1.204×1022个 D. 反应中有0.01mol的Ag被氧化 解析：本题所给的信息是：Ag作阳极，AgNO3溶液作电解液符合电镀的条件，是一种电镀装置。则电极反应式为：‎ 阳极：Ag－e－ ＝Ag＋，阴极：Ag＋＋e－ ＝Ag，阳极减少的银的质量等于阴极析出的银的质量，电解质溶液的浓度保持不变。由于在阴极析出2.16gAg即为0.02mol，则阳极减少0.02mol的Ag，转移的电子数为0.02NA，即为1.204×1022个。综上所述，本题的答案为C 答案：C 例2. 在500gCuSO4溶液中，一极为铁，一极为含杂质锌均匀的粗铜；通电一段时间后切断电源，取出电极，此时铁极析出‎7.04g铜，电解质溶液增重‎0.02g，求粗铜中含锌的质量分数。‎ 解析：电解精炼时电极反应为：‎ 阳极（粗铜）：Cu－2e－＝ Cu2＋，Zn－2e－＝ Zn2＋‎ 阴极（铁） ：Cu2＋＋ 2e－＝Cu ‎ Cu2＋～Zn2＋ △m ‎ 1mol 1mol ‎‎1g ‎ x x ‎0.02g ‎ ‎∴Zn溶解为0.02mol×‎65g·mol－1＝‎‎1.3g 溶液中Cu2＋析出0.02mol×‎64g·mol－1＝‎‎1.28g 锌的质量分数为：‎ 答案：粗铜中锌的质量分数为18.4%‎ 例3. 500 mL KNO3和Cu（NO3）2的混合溶液中c（NO3－）＝6mol·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），下列说法正确的是（假设电解前后溶液的体积不变） ‎ A. 原混合溶液中 c （K＋）为2 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0.5mol ‎ D. 电解后溶液中c（H＋）为2 mol·L－1‎ 解析：本题的信息是用惰性电极电解KNO3和Cu（NO3）2混合溶液，电解后阴、阳两极分别产生‎22.4L气体，即1mol气体。‎ 溶液中的阳离子有：Cu2＋、H＋；阴离子有OH－、NO3－。根据阴、阳离子的放电顺 序可得：‎ 阳极：4OH――4e－＝2H2O＋O2↑；阴极：Cu2＋＋ 2e－＝Cu、2H＋＋2e－＝H2↑‎ ‎ 4mol 1mol 2mol 1mol 2mol 1mol 则原溶液中含有Cu2＋1mol，转移的电子数为4mol，电解后溶液中增加的H＋的物质的量为2mol，即c（ H＋）＝2mol/‎0.5L＝4mol/L。‎ 再根据溶液中阳离子所带正电荷总数等于阴离子所带负电荷总数，可得K＋的物质的量为1mol，其浓度为2mol/L。‎ 综上所述，本题的答案为AB 答案：AB 例4. 以铁为阳极、铜为阴极，对足量的NaOH溶液进行电解，一段时间后得到2molFe（OH）3沉淀，此时消耗水的物质的量共为 ‎ A. 2mol B. 3mol C. 4mol D. 5mol 解析：本题的信息为：铁为阳极、铜为阴极，电解NaOH溶液，得到2molFe（OH）3。‎ 则根据信息，写出电极反应：‎ 阳极：Fe－2e－＝ Fe2＋，阴极：2H＋＋2e－＝H2↑‎ 总的电极反应为：Fe＋2H2O＝Fe（OH）2↓＋H2↑，而Fe（OH）2在空气中易被氧化，反应方程式为：4 Fe（OH）2＋2H2O＋O2＝4Fe（OH）3，则根据相互之间量的关系可得，每生成2molFe（OH）3沉淀，所消耗水的物质的量为5mol。‎ 答案：D 例5. 某硝酸盐晶体的化学式是M（NO3）x·nH2O，相对分子质量为242，将‎1.21g该晶体溶于水配制成100mL溶液，用惰性电极进行电解，当有0.01mol电子转移时，溶液中金属离子全部析出，此时阴极增重‎0.32g。求：‎ ‎（1）金属M的相对原子质量及x、n的值。‎ ‎（2）电解后溶液的pH（假设电解前后溶液的体积不变）。‎ 解析：本题的信息为：用惰性电极电解‎1.21gM（NO3）x·nH2O的溶液，当有0.01mol电子转移时，溶液中金属离子全部析出，此时阴极增重‎0.32g。‎ 则电极反应式为：阳极：4OH――4e－＝2H2O＋O2↑；阴极：MX＋＋xe－＝M ‎ 4 4 x 1‎ ‎0.01mol 0.01mol 0.01mol 1.21/242＝0.32/M 解得x＝2，M＝‎64g/mol，溶液中c（ H＋）＝0.01mol/‎0.1L＝0.1mol/L，pH＝1‎ 再根据相对分子质量之间的关系可得：n＝3‎ 答案：M的相对原子质量及x、n的值分别为：64、2、3，电解后溶液的 PH为1‎ 例6. 工业上用MnO2为原料制取KMnO4，主要生产过程分为两步进行：第一步将MnO2和KOH粉碎，混匀，在空气中加热至熔化，并连续搅拌，制取K2MnO4；第二步将K2MnO4‎ 的浓溶液用惰性电极进行电解，在阳极上得到KMnO4，在阴极上得到KOH。‎ ‎（1）制取K2MnO4的反应方程式是 ，连续搅拌的目的是_______________________。‎ ‎（2）电解K2MnO4的浓溶液时，两极发生的电极反应式：阴极是__________________，‎ 阳极是__________________ ；电解的总反应方程式是 。‎ 解析：本题的信息为：工业上以MnO2为原料制取KMnO4。‎ MnO2和KOH粉碎，混匀，在空气中加热至熔化，制取K2MnO4，说明是与空气中的氧气发生氧化还原反应，其中O原子得到电子，而MnO2转变为K2MnO4，‎ 反应方程式为：2MnO2＋4KOH＋O2＝2 K2MnO4＋2H2O；而连续搅拌的目的则是为了让反应物充分接触，使反应顺利进行。‎ 用惰性电极电解K2MnO4的浓溶液，在阳极上得到KMnO4，说明阳极是MnO42―放电发生氧化反应；阴极是H＋放电，产生H2，从而使溶液的pH升高，生成KOH。‎ 具体的电极反应式为：阴极：2H＋＋2e－＝H2↑；阳极：MnO42――e－＝MnO4－‎ 总反应式：2K2MnO4＋2H2O＝2KMnO4＋2KOH＋H2↑ ‎ 答案：（1）2MnO2＋4KOH＋O2＝2 K2MnO4＋2H2O；让反应物充分接触，使反应顺利进行 ‎（2）阴极：2H＋＋2e－＝H2↑；阳极：MnO42――e－＝MnO4－‎ 总反应式：2K2MnO4＋2H2O＝2KMnO4＋2KOH＋H2↑ ‎