高中化学苏教版 (2019)选择性必修1第二单元 化学能与电能的转化学案设计

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基础课时7　电解原理的应用学 习 任 务1．通过对氯碱工业、电镀、电解精炼铜等原理的分析，认识电能与化学能之间的能量转化，培养变化观念与平衡思想的化学核心素养。2．通过建立电解应用问题的分析思维模型和电解相关计算的思维模型，加深对电解原理的理解和应用，培养证据推理与模型认知的化学核心素养。1．电解饱和食盐水(1)装置电解饱和食盐水的原理示意图(2)现象阳极上有黄绿色气体产生；阴极上有无色气体产生。(3)原理分析及电极反应电解时，Cl－、OH－移向阳极，H＋、Na＋移向阴极。①阳极离子放电顺序：Cl－>OH－，电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应)。②阴极离子放电顺序：H＋>Na＋，电极反应：2H＋＋2e－===H2↑(还原反应)。③电池反应化学方程式：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，离子方程式：2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑。微点拨：阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过。既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH反应影响烧碱质量。　(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)电解饱和食盐水时，阴极发生氧化反应：2Cl－－2e－===Cl2↑ (×)(2)氯碱工业电解槽中滴入酚酞溶液，变红色的区域为阳极区(×)(3)电解饱和食盐水时，阳极和阴极都可以选择金属材料(如铁) (×)(4)利用电解饱和食盐水可制得“84消毒液” (√)(5)氯碱工业中用的是阴离子交换膜将两电解室隔开 (×)2．铜的电解精炼(1)铜的电解精炼示意图铜的电解精炼示意图(2)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。电解池的构成是用粗铜作阳极，用纯铜作阴极，用硫酸铜溶液作电解质溶液。(3)阳极反应式为Cu－2e－===Cu2＋、Zn－2e－===Zn2＋、Fe－2e－===Fe2＋等；阴极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。(4)电解精炼铜的原理：粗铜中比铜活泼的金属锌、铁等，失去电子形成阳离子而溶解(残留在溶液中)；比铜不活泼的金属银、金等，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。　(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)电解精炼铜和电镀铜，电解质溶液中的c(Cu2＋)均保持不变 (×)(2)电解精炼时，阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料 (√)(3)电解精炼铜和电镀铜过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加都相等 (×)(4)电解精炼铜时，粗铜作阳极，活泼性比Cu弱的杂质金属成为阳极泥沉在阳极区              (√)3．电镀(1)电镀的概念：应用电解原理在某些金属或其他材料制品表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。电镀可以使金属更加美观耐用，抗腐蚀性能增强。(2)某电镀银实验装置(电镀池)如图所示。电镀银原理示意图请回答下列问题：①银为镀层金属，与直流电源的正极相连，作阳极；待镀金属与直流电源的负极相连，作阴极；含银离子溶液为电镀液，含有镀层金属离子。②阳极反应式为Ag－e－===Ag＋(氧化反应)阴极反应式为Ag＋＋e－===Ag(还原反应)③可观察到的现象是待镀金属表面镀上一层光亮的银，银不断溶解。④含银离子溶液浓度的变化是不变。(3)电镀的特点是阳极参与电极反应，电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH等保持不变。　(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)在Fe上镀Ag，应用Fe作阳极，Ag作阴极，用AgNO3溶液作电镀液 (×)(2)在镀件上电镀铜时，镀件应连接电源的正极 (×)(3)电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH基本不变 (√)电镀及铜的电解精炼电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其他金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其他材料制品的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止金属氧化(如锈蚀)，提高耐磨性、导电性、反光性、抗腐蚀性(硫酸铜等)及增进美观等作用。不少硬币的外层亦为电镀。电镀产品[问题1]　电镀池应该具备什么条件？电镀过程中电解质溶液的浓度如何变化？[提示]　条件：镀层金属作阳极，镀件作阴极，含镀层金属离子的盐溶液作电解质溶液。电镀过程中电解质溶液的浓度不变。[问题2]　在铁上镀锌时，溶液中的阳离子有两种，为什么在阴极是锌离子得电子而不是氢离子得电子被还原？[提示]　因为锌离子浓度远大于氢离子浓度，所以是锌离子得电子。[问题3]　粗铜中含有锌、铁、镍、银、金等金属杂质，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？[提示]　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，比铜活泼的金属锌、铁、镍被氧化，比铜活泼性弱的金属Ag、Au形成阳极泥。电解精炼铜时，阳极产生锌离子、亚铁离子、镍离子、铜离子，但阴极只消耗铜离子，所以电解质溶液中Cu2＋浓度会减小。电镀与铜的电解精炼的比较 电镀铜的电解精炼定义应用电解原理在某些金属或非金属材料表面镀上一层其他金属或合金利用电解原理提纯铜装置举例形成条件①镀层金属作阳极接直流电源正极，镀件作阴极接直流电源负极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粗铜作阳极，纯铜作阴极②含Cu2＋的盐溶液作电解质溶液③直流电源④形成闭合回路电极反应(以铁上镀锌为例) 阳极：Zn－2e－===Zn2＋阴极：Zn2＋＋2e－===Zn阳极：Cu(粗铜)－2e－===Cu2＋(主要) 阴极：Cu2＋＋2e－===Cu(纯铜)电解(镀) 液浓度不变减小联系电镀池和电解精炼池是特定条件下的电解池1离子的放电顺序不仅与离子本身的性质有关，还与离子浓度、装置特点等有关，铁上镀锌时，溶液中的H＋不放电。2在金属的电解精炼中，比被提炼的金属活泼的金属首先放电，比其不活泼的金属则最终成为阳极泥。1．在铁制品上镀上一定厚度的锌层，以下电镀方案中正确的是 (　　)A．锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含Fe2＋B．锌作阴极，镀件作阳极，溶液中含Zn2＋C．锌作阴极，镀件作阳极，溶液中含Fe3＋D．锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含Zn2＋D　[在电镀池中，镀件作阴极，镀层金属作阳极，含镀层金属阳离子的溶液作电解质溶液。]2．关于电镀铜和电解精炼铜，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－===Cu2＋D．阴极反应都只有Cu2＋＋2e－===CuD　[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－===Zn2＋的反应。]电解的有关计算如图用石墨作电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液500 mL，其中c(NO)＝6.0 mol/L。当通电一段时间后，两极都收集到22.4 L气体(标准状况)，忽略电解后溶液体积的变化。KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液[问题1]　上述电解过程中共转移多少摩尔电子？电解得到Cu的质量为多少？[提示]　两极都收集到22.4 L气体(标准状况)，气体物质的量为1 mol，阳极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，可知电解过程中参加电极反应的OH－为4 mol，转移电子4 mol，两电极电子转移相同；阴极反应为Cu2＋＋2e－===Cu和2H＋＋2e－===H2↑；其中生成1 mol H2转移2 mol电子，则被还原的Cu2＋也为1 mol，因此电解得到Cu的质量为64 g。[问题2]　怎样使溶液恢复到原来的成分和浓度？[提示]　根据原理知道电解得到的是Cu、氢气和氧气，电解质复原：出什么加什么，所以应该加入氢氧化铜，根据问题1的分析可知析出的Cu、氢气和氧气分别为1 mol、1 mol、1 mol，因此需要加入1 mol氢氧化铜，才能使溶液恢复到原来的成分和浓度。[问题3]　电解后溶液中H＋的物质的量浓度是多少？[提示]　电解后溶液中H＋的物质的量浓度是氢氧根离子减少的量减去氢离子减少量，H＋的物质的量浓度为＝4 mol/L电化学综合计算的三种常用方法(1)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出比例式计算。(2)根据电子守恒计算①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数相等。②用于混合溶液中电解的分阶段计算。(3)根据关系式计算根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁，构建计算所需的关系式。如以通过4 mol e－为桥梁可构建如下关系式：(式中M为金属，n为其离子的化合价数值)该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值，熟记电极反应式，灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。有三个烧杯，分别盛有氯化铜、氯化钾和硝酸银三种溶液，均以Pt作电极，将它们串联在一起电解一定时间，测得电极增重总和2.8 g，这时产生的有色气体与无色气体的物质的量之比为(　　)A．4∶1　　　　 B．1∶1C．4∶3   D．3∶4C　[串联电路中，相同时间内各电极得电子或失电子的物质的量相同，各电极上放出气体的物质的量之比为定值。不必注意电极增重是多少，只要判断出生成何种气体及生成该气体一定物质的量所得失电子的物质的量，就可以通过得失电子守恒，判断气体体积之比，第一个烧杯中放出Cl2，第二个烧杯中放出Cl2和H2，第三个烧杯中放出O2。在有1 mol电子转移时，生成的气体的物质的量分别是0.5 mol、0.5 mol、0.5 mol和0.25 mol。所以共放出有色气体(Cl2)0.5 mol＋0.5 mol＝1 mol，无色气体(O2和H2)0.5 mol＋0.25 mol＝0.75 mol。] 1．如图是工业电解饱和食盐水的装置示意图，下列有关说法中不正确的是(　　)A．装置中出口①处的物质是氯气，出口②处的物质是氢气B．该离子交换膜只能让阳离子通过，不能让阴离子通过C．装置中发生反应的离子方程式为Cl－＋2H＋Cl2↑＋H2↑D．该装置将电能转化为化学能C　[由图看出①处为电解池阳极产生氯气，②处为电解池阴极产生氢气，A对；该离子交换膜只能让阳离子通过，不能让阴离子通过，能防止氯气与碱反应，且在阴极区得到浓度较高的烧碱溶液，B对；电解饱和食盐水有烧碱生成且H2O应写化学式，C错；电解装置是将电能转化为化学能的装置，D对。]2．金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量铁、锌、铜、铂等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是(已知：氧化性：Fe2＋<Ni2＋<Cu2＋)(　　)A．阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni2＋＋2e－===NiB．电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等C．电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋D．电解后，电解槽底部的阳极泥中有铜和铂，没有锌、铁、镍D　[电解精炼镍时，粗镍作阳极，纯镍作阴极，电解质溶液中含有Ni2＋，则阳极发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，Fe－2e－===Fe2＋，Ni－2e－===Ni2＋，阴极电极反应式为Ni2＋＋2e－===Ni，因此，电解过程中阳极减少的质量不等于阴极增加的质量，电解后，溶液中存在的金属阳离子有Fe2＋、Ni2＋、Zn2＋，电解槽底部的阳极泥中只有铜和铂，没有锌、铁、镍。]3．如图所示的A、B两个电解池中的电极均为铂，在A池中加入0.05 mol·L－1的氯化铜溶液，B池中加入0.1 mol·L－1的硝酸银溶液，进行电解。a、b、c、d四个电极上所析出的物质的物质的量之比是(　　)A．2∶2∶4∶1　　　 B．1∶1∶2∶1C．2∶1∶1∶1   D．2∶1∶2∶1A　[由电解规律可知：a、c为阴极，b、d为阳极。a极上析出铜，b极上析出氯气，c极上析出银，d极上析出氧气。由得失电子守恒可得出：2e－～Cu～Cl2～2Ag～O2，所以a、b、c、d四个电极上所析出物质的物质的量之比为2∶2∶4∶1。]4．为了减少对环境的污染，煤直接燃烧前要进行脱硫处理。应用电解法对煤进行脱硫处理具有脱硫效率高、经济效益高等优点。电解脱硫的基本原理是利用电极反应将Mn2＋转化成Mn3＋，Mn3＋再将煤中的含硫物质(主要是FeS2)氧化为Fe3＋和SO(如下图示)∶FeS2＋15Mn3＋＋8H2O===Fe3＋＋15Mn2＋＋2SO＋16H＋(1)阳极的电极反应式为__________________________ 。(2)电解刚刚开始时，观察到阴极石墨棒上有无色气体产生，请用化学用语解释产生该现象的原因：________________________。(3)电解过程中，混合溶液中H＋的物质的量浓度将__________(填“变大”“变小”或“不变”)，理由是________________________________________________________________________________________________________。[解析]　(1)在阳极上Mn2＋失去电子被氧化为Mn3＋，电极反应式为Mn2＋－e－===Mn3＋。(2)开始时电解槽中的溶液是MnSO4与H2SO4的混合溶液，阳离子有Mn2＋和H＋，且后者的氧化性较强，因此开始时阴极的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，现象是有无色气体产生。(3)电解一会后，电解质溶液中含有较多的铁离子，阴极的电极反应变为Fe3＋＋e－===Fe2＋，而Mn3＋与FeS2反应生成大量的氢离子，所以，电解过程中混合溶液的c(H＋)变大。[答案]　(1)Mn2＋－e－===Mn3＋　(2)H＋的氧化性较强，开始时阴极的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑　(3)变大　电解一会后，阴极的电极反应变为Fe3＋＋e－===Fe2＋，而Mn3＋与FeS2反应生成大量的氢离子，所以，电解过程中混合溶液的c(H＋)变大5．如图所示，甲、乙为相互串联的两个电解池。甲　　　乙(1)甲池若为用电解原理精炼铜的装置，则A极为________极，电极材料是________________，电极反应式为________________，电解质溶液可以是___________________________________________________________________。(2)乙池中铁极的电极反应为_____________________________________。(3)若将乙池中的石墨电极改为银电极，则乙池为________装置，电解一段时间后，溶液的浓度________。[解析]　(1)由题图可知，甲池中A极为阴极，B极为阳极，在电解精炼铜时，粗铜作阳极，纯铜作阴极，故A为纯铜，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。电解质溶液应为含有Cu2＋的盐溶液，如CuSO4溶液等。(2)由题图可知，乙池中铁极作阴极，石墨作阳极，故铁极的电极反应式为Ag＋＋e－===Ag。(3)若将乙池中的石墨电极改为银电极，则乙池为电镀池，电镀过程中电解质溶液的浓度不变。[答案]　(1)阴　纯铜　Cu2＋＋2e－===Cu　CuSO4溶液(合理即可)　(2)Ag＋＋e－===Ag　(3)电镀　不变