高中化学人教版 (新课标)选修4 化学反应原理第三节 电解池教案及反思

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1．掌握电解饱和食盐水的原理。(重点)
2．了解电镀、金属精炼、电冶金等方面的应用。(重点)
3．掌握电解的有关计算。(难点)
[基础·初探]
一、电解饱和食盐水制烧碱、氯气和氢气
1．装置及现象
电解总反应式
化学方程式：2NaCl＋2H2Oeq \(=====,\s\up9(电解))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，
离子方程式：2Cl-＋2H2Oeq \(=====,\s\up9(电解))2OH-＋H2↑＋Cl2↑。
二、电镀
1．定义：应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法。
2．电镀池的构成
3．实例(往铁件上镀铜)
(1)阴极材料：铁，电极反应式：Cu2＋＋2e-===Cu；
(2)阳极材料：铜，电极反应式：Cu-2e-===Cu2＋；
(3)电解质溶液：CuSO4溶液。
三、电解精炼铜
1．电解精炼铜的原理是粗铜中比铜活泼的金属Zn、Fe等失去电子，产生的阳离子残留在溶液中，不比铜活泼的金属Ag、Au等以金属单质的形式沉积在电解池的底部，形成阳极泥，粗铜中的铜在阴极上析出。
2．装置
四、电冶金
1．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．电冶金：电解是最强有力的氧化还原手段，适用于一些活泼金属单质的制取，如冶炼Na、Ca、Mg、Al等活泼金属。
3．举例
[探究·升华]
[思考探究]
模拟电解原理在化工生产中的应用，实验装置如下图，装置闭合电键K时，电流计G的指针将发生偏转。
问题思考：
(1)哪个装置是原电池？哪个装置是电解池？
【提示】 甲、乙构成原电池，丙是电解池。
(2)a、b、c、d电极名称分别是什么？
【提示】 a是负极，b是正极，c是阳极，d是阴极。
(3)若模拟氯碱工业生产烧碱、氯气和氢气，如何选用电极材料和电解质溶液？
【提示】 c电极用Pt或石墨，d电极用铁丝(导体均可)，X溶液为饱和食盐水。
(4)若模拟电镀生产，在铁件上镀一层金属银，如何选用电极材料和电解质溶液？电极反应式如何书写？
【提示】 c电极用Ag，d电极用Fe，X溶液为AgNO3溶液；阳极：
Ag-e-===Ag＋，阴极：Ag＋＋e-===Ag。
(5)若模拟电解精炼铜，如何选用电极材料和电解质溶液？
【提示】 c电极用粗铜，d电极用纯铜，X溶液为CuSO4溶液。
[认知升华]
1．电镀铜与精炼铜的比较
2. 原电池、电解池、电镀池的判断方法
(1)若装置中无外加电源，则该装置可能为原电池，然后根据原电池的构成条件进行分析判断。
(2)若有外接直流电源，两极插入电解质溶液中，则可能是电解池或电镀池；当阴极为金属，阳极亦为金属且与电解质溶液中的金属阳离子属同种元素时，则为电镀池。
(3)若多个单池相互串联，又有外接直流电源时，则与直流电源相连接的为电解池或电镀池。若无外接直流电源时，较活泼的金属电极为原电池的负极(电子输出极)，有关装置为原电池，其余为电镀池或电解池。
[题组·冲关]
1．如图所示，能验证氯化钠溶液(含酚酞)电解产物的装置是( )
【解析】 电解NaCl溶液时，阳极反应为2Cl--2e-===Cl2↑，阳极产物为Cl2；阴极反应为2H＋＋2e-===H2↑，阴极放出H2；Cl2可用KI淀粉溶液检验。因H2密度小，在阴极生成，结合e-转移方向知D正确。
【答案】 D
2．按下图装置实验，若x轴表示流入阴极的电子的物质的量，则y轴可表示( )
①c(Ag＋) ②c(AgNO3) ③a棒的质量 ④b棒的质量 ⑤溶液的pH
A．①③B．③④
C．①②④D．①②⑤
【解析】 该电解池中阳极反应式为Ag-e-===Ag＋，阴极反应式为Ag＋＋e-===Ag，所以随着电解的进行，c(Ag＋)不变，c(AgNO3)不变，溶液的pH不变。答案选D。
【答案】 D
3．在铁制品上镀一层一定厚度的锌层，以下方案设计正确的是( )
A．锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含有锌离子
B．铂作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子
C．铁作阳极，镀件作阴极，溶液中含有亚铁离子
D．锌作阴极，镀件作阳极，溶液中含有亚铁离子
【解析】 本题考查的是电镀的原理。电镀原理是镀层金属作阳极、镀件作阴极，含有镀层金属阳离子的电解质溶液作电镀液。
【答案】 A
4．下图为相互串联的甲、乙两电解池，试回答：
甲 乙
(1)若甲池利用电解原理在铁上镀银，则A是______(填电极材料)，电极反应式是______________；B是________(填电极材料)，电极反应式是_________，
应选用的电解质溶液是________。
(2)乙池滴入少量酚酞试液，电解一段时间后，_______________________(填“C”或“Fe”)极附近呈红色。
(3)若甲池阴极增重43.2 g，则乙池中阳极上放出的气体在标况下的体积是________L。
【解析】 (1)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盐溶液作电解质溶液。
(2)使酚酞呈红色说明显碱性，即2H2O＋2e-===2OH-＋H2↑，故阴极(Fe)呈碱性。
(3)由电子守恒得：2Ag～Cl2，n(Ag)＝eq \f(43.2 g,108 g·ml－1)＝0.4 ml，则n(Cl2)＝eq \f(1,2)n(Ag)＝0.2 ml，V(Cl2)＝n·Vm＝4.48 L。
【答案】 (1)Fe Ag＋＋e-===Ag
Ag Ag-e-===Ag＋ AgNO3溶液 (2)Fe
(3)4.48
[基础·初探]
1．计算的原则
(1)阳极失去的电子数＝阴极得到的电子数。
(2)串联电路中通过各电解池的电子总数相等。
(3)电源输出的电子总数和电解池中转移的电子总数相等。
2．计算步骤
首先要正确书写电极反应式(要特别注意阳极材料)；其次注意溶液中有多种离子共存时，要根据离子放电顺序确定离子放电的先后；最后根据得失电子守恒进行相关计算。
3．电解计算的常考题型
(1)电子守恒在电解计算中的应用。
(2)计算电解后溶液中的离子浓度。
(3)计算电解质溶液的pH。
(4)计算电解后析出的固体质量。
(5)串联电路中的物质关系。
[探究·升华]
[思考探究]
在如下图中，甲烧杯中盛有100 mL 0.50 ml·L-1 AgNO3溶液，乙烧杯中盛有100 mL 0.25 ml·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。
问题思考：
(1)发现A极比C极重，说明A极和C极上分别析出什么物质？说明电源E为正极还是负极？
【提示】 A极比C极重，说明A极上有Ag析出，说明电源E是负极，则C极为阴极，C极上有铜析出。
(2)A极比C极重1.9 g，则A极上析出单质的物质的量为多少？C极上析出单质的物质的量为多少？
【提示】 设A极析出的Ag为x ml，则对应析出的铜为eq \f(x,2) ml(电子守恒)，即得108x-64×eq \f(x,2)＝1.9，x＝0.025 ml
则析出的Ag为2.7 g，析出的铜为0.8 g。
(3)写出B极的电极反应式。计算B极析出气体的体积是多少？(标准状况)
【提示】 B极的电极反应式：
4OH--4e-===O2↑＋2H2O
根据题意可知，该过程转移0.025 ml电子，则B极生成O2的体积V＝
22.4 L/ml×eq \f(0.025,4) ml＝0.14 L。
[认知升华]
电解池中有关量的计算或判断
1．题型特点
主要包括以下几方面：根据直流电源提供的电量求产物的量(析出固体的质量、产生气体的体积等)、溶液的pH、相对原子质量或某元素的化合价、化学式等。
2．解题方法
[题组·冲关]
1．在水中加入等物质的量的Ag＋、Na＋、Ba2＋、NOeq \\al(－,3)、Cl-、SOeq \\al(2－,4)，用惰性电极进行电解，一段时间后，在两极上得到的氧化产物和还原产物的质量之比为
( )
A．8∶1 B．2∶27
C．35.5∶108D．108∶35.5
【解析】 Ag＋与Cl-、Ba2＋与SOeq \\al(2－,4)均生成沉淀，相当于电解NaNO3溶液，实质是电解H2O，两极得到的氧化产物和还原产物分别为O2和H2。
【答案】 A
2．用惰性电极电解饱和食盐水，当电源提供0.2 ml电子时停止通电。若此溶液体积为2 L，则所得电解液的pH是( )
A．1B．8
C．13D．14
【解析】 电解饱和食盐水时供给0.2 ml电子，则消耗的H＋为0.2 ml，同时产生OH-为0.2 ml，溶液体积为2 L，pH＝13。
【答案】 C
3．将1 L含有0.4 ml Cu(NO3)2和0.4 ml KCl的水溶液，用惰性电极电解一段时间后，在一电极上析出19.2 g Cu；此时，在另一电极上放出气体的体积在标准状况下为(不考虑产生的气体在水中的溶解)( )
A．3.36 LB．5.6 L
C．6.72 LD．13.44 L
【解析】 阴极析出铜0.3 ml，由Cu2＋＋2e-===Cu知Cu2＋得到0.6 ml电子，根据2Cl--2e-===Cl2↑，求出当溶液中Cl-全部参与电极反应时，放出Cl2
0.2 ml，失去电子0.4 ml。因此在阳极还有OH-放电，根据4OH--4e-===2H2O＋O2↑和电子守恒，在阳极有0.05 ml O2放出，即阳极共放出0.25 ml，标准状况下为5.6 L的气体。
【答案】 B
4．把两个惰性电极插入500 mL的AgNO3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)，电极上析出银的质量大约是( )
A．27 mg B．54 mg
C．108 mgD．216 mg
【解析】 本题考查的是有关电解反应的计算。首先应弄清楚两极的反应。阳极：4OH--4e-===O2↑＋2H2O；阴极没有氢气析出，则阴极反应为：Ag＋＋e-===Ag。OH-的消耗导致了H＋的增加，增加量为1×10-3 ml/L×0.5 L＝5×
10-4 ml，即转移电子数5×10-4 ml，析出银的质量为5×10-4 ml×108 g/ml＝
0.054 g＝54 mg。
【答案】 B 电 解 原 理 的 应 用
现象
电极反应式
阴极
放出无色气体
2H＋＋2e-===H2↑
阳极
放出黄绿色气体
2Cl--2e-===Cl2↑
电镀铜
精炼铜
能量转变
电能转化为化学能
电能转化为化学能
阳极材料
纯铜
粗铜(含锌、银、金等杂质)
阴极材料
镀件
纯铜
阳极反应
Cu-2e-===Cu2＋
Zn-2e-===Zn2＋
Cu-2e-===Cu2＋等
阴极反应
Cu2＋＋2e-===Cu
Cu2＋＋2e-===Cu
电解质溶
液及其变化
硫酸铜溶液保持不变
反应后硫酸铜溶液中混有Zn2＋等，Cu2＋浓度减小
电 解 的 有 关 计 算