人教版 (2019)选择性必修1第二节 电解池第2课时一课一练

第2课时　电解原理的应用

基础巩固

1.在给定条件下,下列选项所示的物质间转化,均能通过一步化学反应实现的是(　　)。

A.NaClCl2漂白粉

B.Cu2(OH)2CO3CuOCu(OH)2

C.MgCO3MgCl2溶液Mg

D.Fe3O4FeFeCl3

答案:A

解析:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,2Cl2+2Ca(OH)2CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O,A项正确。CuO与H2O不能直接化合生成Cu(OH)2,B项错误。电解MgCl2溶液时,阴极得不到Mg单质,C项错误。Fe与HCl反应生成FeCl2,D项错误。

2.用电解法制取KIO3的方法是以石墨和铁为电极电解KI溶液,电解反应方程式为KI+3H2OKIO3+3H2↑。下列说法中正确的是(　　)。

A.电解时石墨作阴极

B.电解时阳极上产生H2

C.电解过程中阴极溶液pH升高

D.阴极电极反应式:I--6e-+3H2OI+6H+

答案:C

解析:电解时,铁作阴极,石墨作阳极,若铁作阳极,则铁放电,A项错误;阳极发生氧化反应,I-失电子被氧化,电极反应为I--6e-+3H2OI+6H+,B、D两项错误;阴极上水放电,2H2O+2e-H2↑+2OH-,阴极溶液的pH升高,C项正确。

3.欲在铁制品上镀上一定厚度的锌层,以下设计方案正确的是(　　)。

A.锌作阳极,铁制品作阴极,ZnSO4溶液作电镀液

B.锌作阴极,铁制品作阳极,ZnCl2溶液作电镀液

C.锌作阳极,铁制品作阴极,FeSO4溶液作电镀液

D.锌作阴极,铁制品作阳极,Fe(NO3)2溶液作电镀液

答案:A

解析:根据电镀的一般原理,镀件(铁制品)作阴极,镀层金属(锌)作阳极,含锌离子的溶液作电镀液。只有A项符合。

4.将烧碱吸收H2S后的溶液加入如图所示的电解池的阳极区进行电解,以实现H2S转化为S的目的。下列判断错误的是(　　)。

A.电解过程中阳极区发生如下反应:S2--2e-S↓,(n-1)S+S2-

B.电解时阴极的电极反应式:2H2O+2e-H2↑+2OH-

C.该装置的离子交换膜为阳离子交换膜

D.电解后阳极区的溶液用稀硫酸酸化得到硫单质,其离子方程式可写成+2H+nS↓+H2↑

答案:D

解析:电解过程中阳极区发生氧化反应,得到硫单质,然后是硫单质和硫离子之间的反应,即S2--2e-S↓,(n-1)S+S2-,A项正确。电解过程中阴极上发生反应2H2O+2e-H2↑+2OH-,B项正确。为了实现H2S转化为S的目的,Na2S电解后阳极区离子为,酸性条件下,生成S单质、H2S,Na+从阳极区移向阴极区,所以该装置的离子交换膜为阳离子交换膜,C项正确。电解后阳极区离子为,酸性条件下,和氢离子反应生成S单质,S元素发生氧化反应生成S单质,同时S元素被还原生成H2S,反应离子方程式为+2H+(n-1)S↓+H2S↑,D项错误。

5.金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt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-Ni

B.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只有Cu和Pt

答案:D

解析:阳极发生氧化反应,其电极反应式:Ni-2e-Ni2+,Fe-2e-Fe2+,Zn-2e-Zn2+,A项错误;电解过程中阳极失电子的有Fe、Zn、Ni;阴极析出的是镍,依据得失电子守恒,阳极质量的减少与阴极质量的增加不相等,B项错误;电解后,溶液中存在的金属阳离子有Fe2+、Zn2+、Ni2+,C项错误;粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,铜和铂不失电子,沉降在电解池底部形成阳极泥,电解后,电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt,D项正确。

6.渗析法是一种利用离子交换膜进行海水淡化的方法,其原理如图所示,电极均为惰性电极。已知海水中含Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、S等离子。下列叙述中正确的是(　　)。

A.X膜是阳离子交换膜

B.通电后,海水中阴离子往b电极处移动

C.通电后,b电极上产生无色气体,溶液中出现白色沉淀

D.通电后,a电极的电极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O

答案:C

解析:A项,X膜是阴离子交换膜,错误;B项,通电后,海水中阴离子往阳极(a电极)处移动,错误;C项,通电后,由于放电能力:H+>Mg2+>Ca2+,所以H+在阴极(b电极)上放电:2H++2e-H2↑,产生无色气体,由于破坏了附近水的电离平衡,在该区域c(OH-)增大,发生反应:Mg2++2OH-Mg(OH)2↓,所以溶液中还会出现白色沉淀,正确;D项,通电后,由于在溶液中的放电能力:Cl->OH-,所以在阳极发生反应:2Cl--2e-Cl2↑,错误。

7.三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和S可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述正确的是(　　)。

A.通电后中间隔室的S向正极迁移,正极区溶液pH增大

B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品

C.负极反应为2H2O-4e-O2↑+4H+,负极区溶液pH降低

D.当电路中通过1 mol电子的电量时,会有0.5 mol的O2生成

答案:B

解析:在负极区发生的电极反应为4H2O+4e-2H2↑+4OH-,在正极区发生的电极反应为2H2O-4e-O2↑+4H+,故正极区pH减小,A项错误;Na+移向负极区,生成NaOH,S移向正极区,生成H2SO4,B项正确;根据负极区电极反应可知C项错误;每通过1mol 电子,有0.25molO2生成,D项错误。

8.某小组为研究电化学原理,设计如图装置,下列叙述不正确的是(　　)。

A.a和b不连接时,铁片上会有金属铜析出

B.a和b用导线连接时,铜片上发生的反应为Cu2++2e-Cu

C.无论a和b是否连接,铁片均会溶解,溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色

D.a和b分别连接直流电源正、负极,电压足够大时,Cu2+向铜电极移动

答案:D

解析:a和b不连接时,铁片与Cu2+直接发生置换反应,有金属铜析出,A项正确。a和b用导线连接时,该装置形成原电池,铜片作正极,铁片作负极失去电子形成Fe2+,因此无论a和b是否连接,铁片均会溶解,溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色,所以B、C两项正确。若a和b分别连接直流电源正、负极,a作阳极,铜片失去电子生成Cu2+,Cu2+向铁电极移动,D项错误。

9.某学习小组将有关“电解饱和食盐水”的相关内容进行梳理,形成如下问题(电极均为石墨)。

(1)图1中,电解一段时间后,气球b中的气体是　　　　(填化学式),U形管　　　(填“左”或“右”)边的溶液变红。 

(2)利用图2制作一种环保型消毒液发生器,电解可制备“84”消毒液的有效成分,则c为电源的　　　　　　极;该发生器中反应的总离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

答案:(1)H2　右　(2)负　Cl-+H2OClO-+H2↑

解析:(1)图1中,根据电子流向知,左边电极是电解池阳极,右边电极是电解池阴极,阳极上氯离子放电生成氯气,阴极上氢离子放电生成氢气,气球a中气体是氯气,气球b中的气体是氢气,同时阴极附近有NaOH生成,溶液呈碱性,无色酚酞遇碱变红色,U形管右边溶液变红色。(2)消毒液发生器,阳极上氯离子放电生成氯气,阴极上氢离子放电生成氢气,同时阴极有NaOH生成,氯气和氢氧化钠反应生成NaClO,次氯酸钠具有漂白性,为了使反应更充分,则下边电极生成氯气,上边电极附近有NaOH生成,上边电极生成氢气,为阴极,则c为负极,d为正极,其电解反应式为Cl-+H2OClO-+H2↑。

10.如图所示,甲烧杯中盛有100 mL 0.50 mol·L-1 AgNO3溶液,乙烧杯中盛有100 mL 0.25 mol·L-1 CuCl2溶液,A、B、C、D均为质量相同的石墨电极,如果电解一段时间后,发现A极比C极重1.9 g。

(1)电源E为　　　　极。 

(2)A极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　,析出物质　　　　 mol。

(3)B极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　,析出气体　　　mL(标准状况)。 

(4)D极的电极反应式为　　　　　　　　　,析出气体　　　　mL(标准状况)。

(5)甲烧杯中滴入石蕊溶液,　　　　极附近变红。 

答案:(1)负　(2)Ag++e-Ag　0.025

(3)2H2O-4e-4H++O2↑　140　(4)2Cl--2e-Cl2↑　280　(5)B

解析:(1)电解池中,发现A极比C极重1.9g,则A极是阴极,和电源的负极相连,即E是负极,F是正极,B是阳极,C是阴极,D是阳极。

(2)A极是阴极,电极反应式为Ag++e-Ag,析出金属银;C是阴极,电极反应式为Cu2++2e-Cu,析出金属铜,A极比C极重1.9g,设电路中转移电子的物质的量为xmol,则108g·mol-1·x-g·mol-1·x=1.9g,x=0.025mol,析出金属银的物质的量是0.025mol。

(3)B是阳极,该极上是H2O失电子,电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,电路中转移电子0.025mol,生成氧气是mol=0.00625mol,体积是0.00625mol×22.4L·mol-1=0.14L=140mL。

(4)D是阳极,该极上的电极反应式是2Cl--2e-Cl2↑,电路中转移电子0.025mol,生成氯气是×0.025mol=0.0125mol,体积是280mL。

(5)电解硝酸银溶液,在阴极上析出Ag,阳极上放出O2,产生硝酸,滴入石蕊溶液,显红色。

能力提升

1.如图X为电源,Y为浸透饱和食盐水和酚酞溶液的滤纸,滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液,通电后Y中央的紫红色色斑向d端扩散。下列判断正确的是(　　)。

A.滤纸上d点附近会变为红色

B.Cu电极质量减小,Pt电极质量增大

C.烧杯中溶液的pH减小

D.烧杯中S向Cu电极定向移动

答案:C

解析:由题图可知,该装置为电解装置,由通电后Y中央的紫红色色斑向d端扩散知,d为阳极(Mn向阳极移动),b为电源的正极,a为电源的负极。Y为浸透饱和食盐水和酚酞溶液的滤纸,c点H+放电,则OH-浓度增大,所以滤纸上c点附近会变红色,A项错误;Cu电极上Cu2+得到电子生成Cu,Pt电极上OH-失去电子,故Cu电极质量增大,Pt电极质量不变,B项错误;Pt电极上OH-失去电子,故烧杯中溶液的pH减小,C项正确;Cu电极为阴极,Pt电极为阳极,烧杯中S向Pt电极定向移动,D项错误。

2.电解法处理酸性含铬废水(主要含有Cr2)时,以铁板作阴、阳极,处理过程中存在反应Cr2+6Fe2++14H+2Cr3++6Fe3++7H2O,最后Cr3+以Cr(OH)3形式除去。下列说法不正确的是(　　)。

A.阳极反应为Fe-2e-Fe2+

B.电解过程中溶液pH不会变化

C.过程中有Fe(OH)3沉淀生成

D.电路中每转移12 mol电子,最多有1 mol Cr2被还原

答案:B

解析:铁板作阳极,则阳极上Fe失电子,A项正确;电解过程中c(H+)减小,c(OH-)增大,所以pH变大,B项错误;溶液酸性减弱,pH增大,有Fe(OH)3沉淀生成,C项正确;电路中每转移12mol电子,生成6molFe2+,则有1molCr2被还原,D项正确。

3.在500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中 c(N)=0.6 mol·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2.24 L气体(标准状况下),假定电解后溶液体积仍为500 mL,下列说法错误的是(　　)。

A.原混合溶液中c(K+)为0.2 mol·L-1

B.上述电解过程中共转移0.4 mol电子

C.电解得到的Cu的物质的量为0.05 mol

D.电解后溶液中c(H+)为0.4 mol·L-1

答案:C

解析:石墨作电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液,阳极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑,阴极先后发生两个反应:Cu2++2e-Cu,2H++2e-H2↑。从阳极收集到2.24LO2可知上述电解过程中共转移电子0.4mol,B项正确。在阴极生成2.24LH2的过程中转移0.2mol电子,所以Cu2+共得到电子0.4mol-0.2mol=0.2mol,电解前Cu2+的物质的量和电解得到的Cu的物质的量都为 0.1mol,C项错误。根据电荷守恒,电解前:c(K+)+2c(Cu2+)=c(N),c(N)=0.6mol·L-1,c(Cu2+)=0.2mol·L-1,则c(K+)=0.2mol·L-1,A项正确;电解后c(K+)+c(H+)=c(N),则c(H+)=0.6mol·L-1-0.2mol·L-1=0.4mol·L-1,D项正确。

4.电浮选凝聚法是工业上采用的一种污水处理方法,如图是电解污水的实验装置示意图,实验用污水中主要含有可被吸附的悬浮物(不导电)。下列有关推断明显不合理的是(　　)。

A.阴极的电极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-

B.通电过程中烧杯内产生可以吸附悬浮物的Fe(OH)3

C.通电过程中会产生气泡,把悬浮物带到水面形成浮渣弃去

D.如果实验用污水导电性不良,可加入少量Na2SO4固体以增强导电性

答案:A

解析:A项中阴极反应是H2O电离出的H+得电子,电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑。

5.氯碱工业的一种节能新工艺是将电解池与燃料电池相结合,相关物料的传输与转化关系如图所示(电极未标出)。下列说法错误的是(　　)。

A.电解池的阴极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-

B.通入空气的电极为正极

C.电解池中产生2 mol Cl2时,理论上燃料电池中消耗0.5 mol O2

D.a、b、c的大小关系为c>a>b

答案:C

解析:题给电解池的阴极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,阳极反应式为2Cl--2e-Cl2↑,A项正确;题给燃料电池为氢氧燃料电池,通入空气的电极为正极,B项正确;由整个电路中得失电子守恒可知,电解池中产生2molCl2,理论上转移4mol电子,则燃料电池中消耗1molO2,C项错误;题给燃料电池的负极反应式为2H2+4OH--4e-4H2O,正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,所以a、b、c的大小关系为c>a>b,D项正确。

6.某小组同学设想用如图装置电解硫酸钾溶液来制取氧气、氢气、硫酸和氢氧化钾。

(1)X极与电源的　　　　(填“正”或“负”)极相连,氢气从　　　　(填“A”“B”“C”或“D”)口导出。 

(2)离子交换膜只允许一类离子通过,则M为　　　(填“阴离子”或“阳离子”,下同)交换膜,N为　　　　　交换膜。 

(3)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(石墨为电极),则电池负极的电极反应式为　　　　　　　　　　　。 

(4)若在标准状况下,制得11.2 L氢气,则生成H2SO4的质量是　　　　,转移的电子数为　　　　。 

答案:(1)正　C　(2)阴离子　阳离子

(3)H2+2OH--2e-2H2O

(4)49 g　6.02×1023

解析:(1)(2)题图中左边加入含少量硫酸的水,暗示左边制硫酸,即H2O在阳极发生氧化反应,使左边溶液中H+ 增多,为了使溶液呈电中性,硫酸钾溶液中的S 通过M交换膜向左迁移,即M为阴离子交换膜,由此推知X为阳极,与电源正极相连,氧气从B出口导出,A出口流出硫酸;同理,右侧加入含KOH的水,说明右边制备KOH溶液,H2O在Y极发生还原反应,说明Y极为阴极,与电源负极相连,右边溶液中OH- 增多,硫酸钾溶液中K+向右迁移,N为阳离子交换膜。所以,氢气从C出口导出,D出口流出KOH溶液。(3)若将制得的氢气和氧气在氢氧化钾溶液中构成原电池,正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,负极反应式为2H2+4OH--4e-4H2O。(4)n(H2)=0.5mol,2H++2e-H2↑,得电子为1mol,X极的反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,根据电子守恒知,生成H+的物质的量为1mol,故生成0.5molH2SO4,m(H2SO4)=49g。

7.催化硝化法和电化学降解法可用于治理水中硝酸盐的污染。

(1)催化硝化法中,用H2将N还原为N2,一段时间后,溶液的碱性明显增强。则该反应离子方程式为　　　　　　　　　　　　。  

(2)电化学降解N的原理如图所示,电源正极为　　　　(填“a”或“b”);若总反应为4N+4H+5O2↑+2N2↑+2H2O,则阴极反应式为　　　　　　　　　。

答案:(1)2N+5H2N2+2OH-+4H2O

(2)a　2N+12H++10e-N2↑+6H2O

解析:(1)用H2将N还原为N2,一段时间后,溶液的碱性明显增强,说明该反应中生成氢氧根离子,同时还生成水,所以反应方程式为2N+5H2N2+2OH-+4H2O。

(2)根据题图知,硝酸根离子得电子发生还原反应,则b为负极、a为正极,根据电解总反应式知,阴极上硝酸根离子得电子生成氮气和水,电极反应式为2N+12H++10e-N2↑+6H2O。