鲁科版高中化学选择性必修1第1章化学反应与能量转化第3节第2课时电解原理的应用课件

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第1章　化学反应与能量转化第3节　第2课时　电解原理的应用素 养 目 标理解并掌握电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜、电冶金的原理,能利用电解知识解决生活和生产中的实际问题,体验科学态度与社会责任的学科核心素养。基础落实•必备知识全过关重难探究•能力素养全提升目录索引 基础落实•必备知识全过关必备知识1.电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气(1)装置:(2)现象:①阳极:有刺激性气味的黄绿色气体产生。②阴极:有无色无味的气体产生,阴极附近溶液变红。(3)原理分析及电极反应:电解时,OH-、Cl-移向阳极,H+、Na+移向阴极。①阳极电极反应:2Cl--2e-==Cl2↑,氧化反应。②阴极电极反应:2H++2e-==H2↑,还原反应。(4)电解总反应:2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2↑+H2↑。离子方程式:2Cl-+2H2O 2OH-+Cl2↑+H2↑。2.铜的电解精炼(1)装置:(2)精炼铜时的电极反应:阳极:Cu-2e-==Cu2+,Zn-2e-==Zn2+,Fe-2e-==Fe2+,Ni-2e-==Ni2+。阴极:Cu2++2e-==Cu。3.电镀(1)定义:应用电解原理在金属表面镀上一薄层金属或合金的方法。(2)电镀池的设计:一般都是用含有镀层金属离子的电解质溶液作为电镀液;把镀层金属浸入电镀液中与直流电源的正极相连,作为阳极;镀件与直流电源的负极相连,作为阴极。如铁钉镀铜。电镀铜实验装置 阳极:Cu-2e-==Cu2+。阴极:Cu2++2e-==Cu。 (3)电镀的主要目的:提高金属的抗腐蚀能力、耐磨性能或改善金属制品外观。 4.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Mn++ne-==M。(2)电解熔融的氯化镁可制取金属镁。阳极反应:2Cl--2e-==Cl2↑;阴极反应:Mg2++2e-==Mg;总反应:MgCl2(熔融) Mg+Cl2↑。【微思考】能否电解无水氯化铝制备金属铝?提示否。因为氯化铝是共价化合物,熔融时不导电,不能电离产生Al3+和Cl-。自我检测判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)氯碱工业是非常重要的化工生产工业,在电解饱和食盐水时,在阴极上得到的产物为H2和NaOH。(　　)(2)电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网作为阳极。(　　)(3)电解法精炼粗铜,用纯铜作为阳极。(　　)(4)在镀件上电镀锌,用锌作为阳极。(　　)(5)电解法精炼粗铜时,电解质溶液中各离子浓度一定不变。(　　)(6)在镀件上电镀铜,电镀过程中阳极减少的质量等于阴极增加的质量。(　　)(7)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。(　　)√ × × √ × √ √ 重难探究•能力素养全提升探究一　直线的倾斜角问题探究1.氯碱工业的原理是什么? 提示 2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑。 2.实际生产过程中为什么要用阳离子交换膜?提示 常用阳离子交换膜将两溶液分开,使阳离子能透过阳离子交换膜,而阴离子不能通过,避免生成的氯气和氢氧化钠发生反应。归纳拓展1.电解饱和食盐水制取烧碱(1)电极反应:阳极:2Cl--2e-==Cl2↑(氧化反应),阴极:2H++2e-==H2↑(还原反应)。(2)电解总反应:总反应化学方程式:2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑。总反应离子方程式:2Cl-+2H2O 2OH-+H2↑+Cl2↑。(3)氯碱工业制烧碱、氢气和氯气: 【微点拨1】工业上电解饱和食盐水制备烧碱时必须阻止OH-移向阳极,以使NaOH在阴极溶液中富集,常用阳离子交换膜将两溶液分开,使阳离子能透过阳离子交换膜,而阴离子不能通过。2.铜的电解精炼与电镀铜的对比 【微点拨2】①电解精炼铜时,阳极减少的质量与阴极增加的质量不相等,电解质溶液的浓度减小;②粗铜中不活泼的杂质(金属活动性顺序中位于铜之后的银、金等),在阳极难以失去电子,当阳极上的铜失去电子变成离子之后,这些不活泼的杂质以金属单质的形式沉积于电解槽的底部,成为阳极泥。3.电冶金利用电解熔融盐(或氧化物)的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。应用体验视角1 氯碱工业原理和产物的检验1.如图为阳离子交换膜法电解饱和食盐水的原理示意图(所用电极均为惰性电极)。下列说法不正确的是(　　)A.从E口逸出的气体是H2B.从B口加入含少量NaOH的水溶液以增强导电性C.标准状况下每生成22.4 L Cl2,便产生2 mol NaOHD.若B口不加入物质,则电解一段时间后加适量盐酸可以使电解质溶液恢复到电解前的浓度D解析 由钠离子的移动方向可以确定左边电极为阳极,右边电极为阴极。阴极发生还原反应,氢气从E口逸出,B口应补充水并加入少量NaOH增强溶液的导电性,D口得到氢氧化钠浓溶液,A、B项正确。电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑,当有1 mol氯气生成时,有2 mol氢氧化钠生成,C项正确。电解过程中减少的是氢气和氯气且二者物质的量之比为1∶1,若B口不加入物质,则电解一段时间后补充适量的氯化氢气体可以使电解质溶液恢复到电解前的浓度,D项错误。【变式设问】(1)如图所示,A、B、C、D、E、F表示的物质分别是什么?提示 精制饱和食盐水、NaOH的水溶液、淡盐水、NaOH的浓溶液、H2、Cl2。(2)阳离子交换膜的作用是什么?提示 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反应而影响烧碱的质量和产量。规律方法 做到“三看”,正确书写电极反应(1)一看电极材料,若是金属(Au、Pt等除外)作为阳极,则阳极金属失电子(注:Fe作为阳极时失电子生成Fe2+而不是生成Fe3+)。(2)二看离子导体是否参与电极反应。(3)三看离子导体状态,若是熔融状态,则为金属的电冶炼。视角2 金属的电解精炼2.锡(Sn)是生活中常用的金属,电解精炼锡精矿(单质Sn:70%,单质Cu、Pb、Fe、Zn:28%)可获得Sn,装置如下:(已知:H2SiF6为强酸)下列说法正确的是(　　)A.a为外加电源的正极B.A是阳极泥,其成分为Cu、Fe、PbC.电路中每转移2 mol电子,d电极质量减轻119 gD.H2SiF6的作用是为了抑制Sn2+的水解D解析 电解过程中若要从锡精矿中获得Sn,则需要将比Sn活泼的金属单质转化为金属阳离子,因此锡精矿作阳极,阳极与电源正极相连,因此b为电源正极,a为电源负极,故A项错误;金属活泼性:Zn>Fe>Sn>Pb>Cu,因此阳极泥固体A为Pb、Cu等混合物,故B项错误;电解过程中d电极上Zn、Fe、Sn均可溶解,而且Pb、Cu还可形成阳极泥,因此电路中每转移2 mol 电子,d电极质量减轻不可能是119 g,故C项错误;Sn(OH)2为弱碱,因此Sn2+在水中会发生水解,而溶液中H2SiF6电离出的H+能抑制Sn2+水解,故D项正确。【变式设问】(1)写出c、d电极上可能发生的电极反应。(2)电解过程中溶液中的Sn2+浓度如何变化?电路中每转移2 mol电子,c电极质量增加是不是119 g?提示 c电极:Sn2++2e-═Sn;d电极:Zn-2e-═Zn2+,Fe-2e-═Fe2+,Sn-2e-═Sn2+。提示 Sn2+浓度减小。每转移2 mol电子,c电极质量增加119 g。 视角3 电冶金考查3.铝的冶炼在工业上通常采用电解Al2O3的方法,装置示意图如图。研究表明,电解AlCl3?NaCl熔融盐也可得到Al,熔融盐中铝元素主要存在形式为 。下列说法不正确的是(　　)A.电解Al2O3装置中B电极为阴极,发生还原反应B.电解Al2O3过程中碳素电极虽为惰性电极,但生产中会有损耗,需定期更换D归纳总结　电解熔融Al2O3制取金属铝时,为降低Al2O3的熔点,需加入助熔剂冰晶石(Na3AlF6)使Al2O3在1 000 ℃左右就可与冰晶石形成熔融体。电解时主要的电极反应为:在阳极生成的O2全部与碳素电极(石墨电极)反应生成CO和CO2气体,因此在电解过程中需要不断补充碳素电极(石墨电极)。视角4 电镀原理的考查4.塑料电镀制品既有塑料的质量轻、易成型的特点,又有金属镀层的美观等特点,因此塑料电镀被广泛用于汽车、摩托车、家用电器的零部件和水暖器材的生产。已粗化(塑料表面有许多微孔)的塑料勺电镀银的装置如图所示,下列说法正确的是(　　)A.a为电源的负极B.保持其他条件不变,若将电极X的材料换成Cu,塑料勺首先镀上的金属仍为银C.电镀一段时间后,溶液的pH变小D.电极Y上发生还原反应,失去电子B解析 电镀时,待镀镀件与电源的负极相连作阴极,故电源b电极为负极,Y电极反应为Ag++e-═Ag,镀层金属与电源的正极相连作阳极,故电源a电极为正极,X电极反应为Ag-e-═Ag+,A错误;保持其他条件不变,若将电极X的材料换成Cu,X电极反应为Cu-2e-═Cu2+,由于Ag+的氧化性强于Cu2+,故塑料勺首先镀上的金属仍为银,B正确;电镀过程中,溶液中AgNO3的浓度保持不变,故溶液的pH不变,C错误;电极Y为阴极,发生还原反应,得到电子,D错误。5.(2023广西桂林高二期末统考)利用如图所示装置模拟电解在工业生产的应用,下列说法正确的是(　　)A.若要在铁片上镀铜,Z为FeSO4溶液B.若要在铁片上镀铜,X、Y分别为纯铜和铁片C.若Z是饱和NaCl溶液,电解一段时间后,Y电极析出少量的NaD.若Z是饱和NaCl溶液,X电极首先发生的电极反应是4OH--4e-═2H2O+O2↑B解析 若要在铁片上镀铜,应该使Fe片与电源负极连接作阴极,铜片与电源正极连接作阳极,Z为CuSO4溶液,A错误;若要在铁片上镀铜,则阳极X为Cu,阴极Y为铁片,B正确;若Z是饱和NaCl溶液,由于离子的放电能力:H+>Na+,所以电解时阴极Y上会产生H2,故电解一段时间后,Y电极不会析出金属Na,C错误;若Z是饱和NaCl溶液,由于离子放电顺序:Cl->OH-,阳极X电极首先是Cl-放电产生Cl2,故阳极X发生的电极反应是2Cl--2e-═Cl2↑,D错误。探究二　有关电解计算的三种常用方法问题探究在粗铜的精炼中,阴极和阳极通过的电子数相等吗?阴极和阳极两个电极上的质量变化一样吗?提示 两个电极上通过的电子数一样;两个电极的质量变化不相等。归纳拓展有关电解计算的方法(1)根据电子守恒法计算。用于串联电路中各电极产物的计算,其依据是电路上转移的电子数相等。(2)根据电解总反应计算。先写电极反应,再写出电解总反应,最后根据电解总反应计算。(3)根据关系式计算。根据电子得失相等找到已知量与未知量之间的关系,从而推出计算所需的关系式。遵循电子守恒 【微点拨】(1)电解过程中产生的H+或OH-,其物质的量等于转移电子的物质的量。(2)进行电解计算时,要注意电极上离子的放电顺序,从而确定不同阶段的电极反应。应用体验视角1 同一溶液中的电解计算1.以石墨电极电解200 mL CuSO4溶液,电解过程中转移电子的物质的量[n(e-)]与产生气体总体积[V(标准状况下)]的关系如图所示。下列说法中正确的是(　　)A.电解前CuSO4溶液的物质的量浓度为2 mol·L-1B.忽略溶液体积变化,Cu2+恰好完全放电时所得溶液中c(H+)=2 mol·L-1C.当n(e-)=0.6 mol时,V(H2)∶V(O2)=3∶2D.当n(e-)=0.8 mol时,向电解后的溶液中加入16 g CuO,则溶液可恢复到电解前的浓度B规律方法 电解过程中的一般计算方法 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) 2.可以用电解法制备LiOH,装置如图所示。以下说法正确的是(　　)A.在阳极室得到LiOH溶液B.除了LiOH,此装置还可得到H2、O2、H2SO4C.只保留阳离子交换膜也可以得到产品LiOH溶液D.石墨b表面发生的电极反应式为2H2O-4e-==O2↑+4H+B解析 该电解池实质是电解水,根据题图知,石墨a为电解池阳极,水电离出的氢氧根放电,电极反应为2H2O-4e-═4H++O2↑,原料室中硫酸根离子经过阴离子交换膜进入阳极室结合H+产生H2SO4,石墨b为阴极,水电离出的氢离子放电生成氢气,电极反应为2H2O+2e-═2OH-+H2↑,原料室中Li+经过阳离子交换膜进入阴极室结合OH-得到产品LiOH溶液。由分析知,A错误;阳极可得到O2、H2SO4,阴极可得到H2、LiOH,B正确;如果只有阳离子交换膜,则阳极产生的H+进入阴极室中和OH-,不能得到LiOH,C错误;石墨b上电极反应为2H2O+2e-═2OH-+H2↑,D错误。视角2 溶液复原的计算3.用惰性电极电解一定浓度的硫酸铜溶液,通电一段时间后,向所得的溶液中加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3后恰好恢复到电解前的状态(不考虑二氧化碳的溶解),则电解过程中共转移电子的物质的量为(　　)A.0.4 mol B.0.5 molC.0.6 mol D.0.8 molC解析 电解硫酸铜溶液时,第一阶段:2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4,第二阶段:2H2O 2H2↑+O2↑,如果只按第一阶段的电解反应,只需要加入CuO或CuCO3就可以使溶液恢复到电解前的状态,但是现在加入的是Cu2(OH)2CO3,相当于多加了0.1 mol H2O,0.1 mol的水应该是第二阶段的反应消耗的,该阶段转移了0.2 mol电子,第一阶段转移了0.4 mol电子,所以总共转移0.6 mol电子。4.用惰性电极电解一定量的硫酸铜溶液,电解一段时间后,向电解液中加入0.1 mol 碱式碳酸铜晶体(不含结晶水),恰好使溶液恢复到电解前的浓度和pH。下列有关叙述不正确的是(　　)A.电解过程中阳极产生的气体体积(在标准状况下)为3.36 LB.电解过程只发生了反应2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4C.电解过程转移的电子数为3.612×1023D.加入的碱式碳酸铜的反应是Cu2(OH)2CO3+2H2SO4═2CuSO4+CO2↑+3H2OB解析 电解硫酸铜溶液后溶液呈酸性,向电解后的溶液中加入Cu2(OH)2CO3能恢复原溶液,Cu2(OH)2CO3和H2SO4反应生成CuSO4、H2O和CO2,将Cu2(OH)2CO3化学式改变为2CuO·H2O·CO2,可以看出加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3 就相当于加入0.2 mol CuO和0.1 mol H2O。所以实际上电解硫酸铜溶液分两个阶段:第一阶段:2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4;第二阶段:2H2O 2H2↑+O2↑,B错误。电解过程中,阳极只有O2生成,根据氧原子守恒,则阳极产生O2的物质的量是0.15 mol,气体标准状况下体积=0.15 mol×22.4 L·mol-1=3.36 L,A正确。反应中每产生1 mol O2,转移4 mol电子,则电解过程中转移电子的物质的量:0.15 mol×4=0.6 mol,则电解过程转移的电子数N(e-)=0.6 mol×6.02× 1023 mol-1=3.612×1023,C正确。加入的碱式碳酸铜的反应是Cu2(OH)2CO3+2H2SO4═2CuSO4+CO2↑+3H2O,D正确。视角3 串联电路的计算5.如图所示,图乙是图甲的电解池进行电解时某个量(纵坐标y)随时间变化的函数图像(各电解池都用石墨作为电极,不考虑电解过程中溶液浓度变化对电极反应的影响),这个量y表示的是(　　)A.各电解池析出气体的体积B.各电解池阳极质量的增加量C.各电解池阴极质量的增加量D.各电极上放电的离子总数C解析 电解氯化钠溶液时,阴、阳极都产生气体物质;电解硝酸银溶液时,阴极上产生单质银;电解硫酸铜溶液时阴极上产生单质铜。所以随着电解的进行阴极质量的增加量有如图乙所示的变化。6.如图所示的A、B两个电解池中的电极均为铂电极,在A池中加入0.05 mol·L-1的CuCl2溶液,B池中加入0.1 mol·L-1的AgNO3溶液,进行电解。一段时间后a、b、c、d四个电极上所产生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解析 由电解规律可知,a、c为阴极,b、d为阳极。a极上析出Cu,b极上逸出Cl2,c极上析出Ag,d极上逸出O2。由转移电子守恒可得出:2e-~Cu~Cl2~2Ag~ O2,所以a、b、c、d四个电极上所产生的物质的物质的量之比为1∶1∶2∶ =2∶2∶4∶1。