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新教材2023年高中化学第1章化学反应与能量转化第3节电能转化为化学能__电解第2课时电解原理的应用导学案鲁科版选择性必修1
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这是一份新教材2023年高中化学第1章化学反应与能量转化第3节电能转化为化学能__电解第2课时电解原理的应用导学案鲁科版选择性必修1,共17页。
第2课时 电解原理的应用
电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气
实验
步骤
及装
置
在U形管里装入饱和食盐水,插入一根石墨棒做阳极,一根石墨棒做阴极。同时向两边管里各滴入几滴酚酞溶液,接通直流电源并用湿润的淀粉碘化钾试纸检验阳极放出的气体
实验现象
阳极产生黄绿色、有刺激性气味的气体,湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝;阴极附近溶液变红,收集阴极放出的气体,将气体点燃时发生爆鸣
现象分析
在饱和食盐水中,存在Na+、Cl-、H+、OH-,通电后,Na+、H+移向阴极,由于H2O电离出的H+比Na+得电子能力强,H+先放电;Cl-、OH-移向阳极,由于Cl-比OH-失电子能力强,Cl-先放电。溶液中发生如下反应:
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:2H++2e-===H2↑
总反应:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑
铜的电解精炼
目的
冶炼铜矿石所获得的铜是粗铜,含杂质多,这些杂质的存在使铜的导电能力减弱,不能用于工业生产,必须通过电解法除去这些杂质以得到精铜
续表
装置
电极材料
阳极:粗铜;阴极:精铜
电解质溶液
硫酸酸化的CuSO4溶液
电极
反应
式及
电极
产物
分析
阳极
Zn-2e-===Zn2+
Fe-2e-===
Fe2+
Ni-2e-===Ni2+
Cu-2e-===
Cu2+
粗铜中除铜外还含有少量较活泼的Zn、Fe、Ni以及不如铜活泼的Au、Ag、Pt等。Cu失电子形成Cu2+时,Zn、Fe、Ni等优先放电,形成Zn2+、Fe2+、Ni2+等进入电解质溶液;比铜活动性差的Au、Ag、Pt等不发生反应,以金属单质的形式沉积在阳极区,从而形成阳极泥
阴极
Cu2++2e-===Cu
电解过程中,Cu2+比H+、Zn2+、Fe2+、Ni2+等优先在阴极放电而析出,Zn2+、Fe2+、Ni2+等则留在溶液中
电镀——铁钉镀铜
概念
应用电解原理,在金属表面镀上一薄层金属或合金的方法
目的
增强金属的抗腐蚀能力、耐磨性或改善金属制品的外观
实质
电镀是电解原理的一种重要应用
构成条
件(以
在铁钉
上镀铜
为例)
阴极
待镀的金属制品:铁钉
阳极
镀层金属:铜
电镀液
含有镀层金属离子的盐溶液:CuSO4溶液
装置图
电极反应
阳极:Cu-2e-===Cu2+
阴极:Cu2++2e-===Cu
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)氯碱工业是非常重要的化工生产,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,用涂镍碳钢网做阳极。( )
(3)电解法精炼粗铜,用纯铜做阳极。( )
(4)电解法精炼粗铜时,电解质溶液中各离子浓度一定不变。( )
(5)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。( )
答案 (1)√ (2)× (3)× (4)× (5)√
2.用石墨做电极电解CuCl2和KCl的混合溶液,电解初期阴极和阳极析出的物质分别是( )
A.H2、Cl2 B.Cu、Cl2
C.H2、O2 D.Cu、O2
答案 B
解析 本题考查离子放电顺序,溶液中的离子有Cu2+、K+、H+、Cl-、OH-五种离子,得电子能力:Cu2+>H+>K+,失电子能力:Cl->OH-,所以电解初期:阴极:Cu2++2e-===Cu,阳极:2Cl--2e-===Cl2↑,故选B。
3.在冶金工业中,常用电解法得到钠、镁、铝等金属,其原因是( )
A.都是轻金属 B.都是活泼金属
C.成本低廉 D.化合物熔点较低
答案 B
解析 金属冶炼方法选取的主要依据是金属的活动性强弱,不活泼的金属可以用热分解法制备,如加热氧化汞;比较活泼的金属用热还原法制备,如用焦炭炼铁;活泼的金属离子很难被其他还原剂还原,只能用电解方法制备。由于钠、镁、铝是活泼金属,所以只能用电解法。
4.利用电解法可将含有Fe、Zn、Ag、Pt等杂质的粗铜提纯,下列叙述正确的是( )
A.电解时以精铜做阳极
B.电解时阴极发生氧化反应
C.粗铜连接电源负极,其电极反应是Cu-2e-===Cu2+
D.电解后,电解槽底部会形成含少量Ag、Pt等金属的阳极泥
答案 D
解析 电解精炼铜时,粗铜应作阳极,精铜作阴极,故A错误;阳极与电池的正极相连发生氧化反应,阴极与电池的负极相连发生还原反应,故B错误;粗铜连接电源的正极,发生氧化反应,故C错误;金属的活动性顺序为Zn>Fe>Cu>Ag>Pt,因此Ag、Pt不会放电,以单质形式沉积下来,故D正确。
5.下列描述中,不符合生产实际的是( )
A.电解熔融的氧化铝制取金属铝,用铁做阳极
B.电解法精炼粗铜,用纯铜做阴极
C.电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网做阴极
D.在镀件上电镀锌,用锌做阳极
答案 A
解析 电解池的阳极上失电子发生氧化反应、阴极上得电子发生还原反应。电解熔融的Al2O3制Al时,若用Fe作阳极,会发生反应Fe-2e-===Fe2+,阳极损耗严重且时间稍长Fe2+移动到阴极上发生反应Fe2++2e-===Fe,使得到的Al不纯。
探究一 工业电解食盐水制备烧碱
工业电解食盐水得到NaOH、H2和Cl2,首先H2和Cl2要分开收集,两者不能混合,Cl2也不能与NaOH溶液接触(若接触会生成NaCl和NaClO),那么工业上是如何做到的呢?
工业电解食盐水制NaOH、H2和Cl2
——氯碱工业
由阳极(金属钛网)、阴极(碳钢网)、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成,每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。如图表示一个单元槽的示意图。
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+)和H2O通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和气体通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸,又能避免Cl2和NaOH作用生成NaClO而影响烧碱的质量。
电解总方程式:
食盐水的精制
若食盐水没有精制就加入阴极区,食盐水中的杂质Mg2+和Ca2+就会与阳极区生成的OH-结合生成Mg(OH)2和Ca(OH)2堵塞阳离子交换膜的膜孔,使Na+不能进入阴极区,造成工业生产事故,因此加入阴极区的食盐水加入前应先精制,其精制过程如下:
1.取一张用饱和NaCl溶液浸湿的pH试纸,两根铅笔芯做电极,如图所示,接通直流电源,一段时间后,发现a电极与试纸接触处出现一个双色同心圆,内圆为白色,外圆呈浅红色。则下列说法错误的是( )
A.b电极是阴极
B.a电极与电源的正极相连接
C.电解过程中,水是氧化剂
D.b电极附近溶液的pH变小
答案 D
解析 用惰性电极电解饱和NaCl溶液,其电极反应式分别为阴极2H++2e-===H2↑,阳极2Cl--2e-===Cl2↑,由于a电极与试纸接触处出现了双色同心圆,内圆为白色,外圆呈浅红色,则a电极为电解池的阳极,产生的Cl2与水反应生成HCl和HClO,HCl使pH试纸显红色,HClO具有漂白性,使pH试纸褪色;b电极为阴极,H+得电子产生H2,H+来源于H2O的电离,因此在b电极附近又同时生成了OH-,因此b电极附近溶液的pH增大。
2.工业电解饱和食盐水制烧碱时必须阻止OH-移向阳极,目前采用阳离子交换膜将两极溶液分开(如图)(F处加少量NaOH以增强溶液的导电性)。
(1)C、D分别是直流电源的两电极,C是电源________极,D是电源________极。
(2)电解一段时间后,________由A口导出,________由B口导出。阴极附近碱性增强的原因是(用电离方程式及电极反应式表示)
________________________________________________________________。
(3)若不采用阳离子交换膜,OH-向阳极移动,发生的反应可用离子方程式表示为________________________________________________________________
________________________________________________________________。
答案 (1)负 正
(2)Cl2 H2 H2OH++OH-、2H++2e-===H2↑
(3)Cl2+2OH-===Cl-+ClO-+H2O
解析 (1)由Na+移动方向知右侧电极为阴极,C为电源负极,D为电源正极。
(2)左侧电极产生Cl2,右侧电极电解水电离出的H+产生H2和NaOH。
(3)若不采用阳离子交换膜,OH-移向阳极与Cl2发生反应。
探究二 铜的电解精炼与电镀
工业上用电解法除精炼铜外还可以精炼Ag、Ni等金属,除镀铜外,还可以电镀Zn等,那么如何设计电镀池和电解精炼装置呢?
电解池和电解精炼的设计方法
(1)电镀过程中电解质溶液的浓度几乎不变;而电解精炼过程中电解质溶液的浓度减小,由于形成阳极泥,一般是阳极失重大于阴极增重。
(2)利用电解原理还可以冶炼K、Na、Ca、Mg、Al等金属。如:
MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑
2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑
还可以制KClO3、H2O2、K2S2O8等化工产品等。
3.粗铜中除含有铜以外,还有少量锌、铁、银、镍(已知还原性:Fe>Ni>Cu),在如图所示的装置中,用纯铜和粗铜作为两电极进行电解,下列有关叙述中,正确的是( )
A.可检测到电解液中有Zn2+、Fe2+、Ni2+
B.可检测到电解液中有Fe3+、Zn2+、Ag+
C.电解过程中,溶液中的铜离子浓度保持不变
D.通电一段时间后,取出两电极,称得粗铜极减小的质量等于纯铜极增加的质量
答案 A
解析 粗铜上的锌、铁、铜、镍失电子生成Zn2+、Fe2+、Cu2+、Ni2+,银以单质形式沉积于阳极底部形成阳极泥。溶液中的铜离子浓度略有减小,粗铜极减小的质量不一定等于纯铜极增加的质量。
4.如图装置所示,C、D、E、F、X、Y都是惰性电极,甲、乙中溶液的体积和浓度都相同(假设通电前后溶液体积不变),A、B为外接直流电源的两极。将直流电源接通后,F极附近呈红色。请回答:
(1)B极是电源的________极,一段时间后,甲中溶液颜色________,丁中X极附近的颜色逐渐变浅,Y极附近的颜色逐渐变深,这表明氢氧化铁胶体粒子带________电荷(填“正”或“负”),在电场作用下向________极移动(填“X”或“Y”)。
(2)若甲、乙装置中的C、D、E、F电极均只有一种单质生成时,对应单质的物质的量之比为________。
(3)现用丙装置给铜件镀银,则H应该是________(填“镀层金属”或“镀件”),电镀液是________(填化学式)溶液。当乙中溶液的pH是13时(此时乙中溶液的体积为500 mL),丙中镀件上析出银的质量为________,甲中溶液的pH________(填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)若将C电极换为铁,其他装置都不变,则甲中发生总反应的离子方程式为________________________________________________________________。
答案 (1)负 逐渐变浅 正 Y (2)1∶2∶2∶2
(3)镀件 AgNO3 5.4 g 变小 (4)Fe+Cu2+Cu+Fe2+
解析 将直流电源接通后,F极附近呈红色,说明F极附近溶液显碱性,可知氢离子在该电极放电,所以F极是阴极,B为电源负极、A为电源正极,可得出D、F、H、Y均为阴极,C、E、G、X均为阳极。
(1)由上述分析可知,B极是电源的负极;C、D电极发生的电极反应分别为2H2O-4e-===O2↑+4H+、Cu2++2e-===Cu,Cu2+浓度逐渐减小,故甲中溶液颜色逐渐变浅;Y极是阴极,该电极附近颜色逐渐变深,说明氢氧化铁胶体粒子向该电极移动,异种电荷相互吸引,所以氢氧化铁胶体粒子带正电荷。
(2)C、D、E、F电极发生的电极反应分别为2H2O-4e-===O2↑+4H+、Cu2++2e-===Cu、2Cl--2e-===Cl2↑、2H++2e-===H2↑,当各电极转移电子的物质的量均为1 mol时,生成单质的物质的量分别为0.25 mol、0.5 mol、0.5 mol、0.5 mol,所以单质的物质的量之比为1∶2∶2∶2。
(3)电镀装置中,镀层金属必须作阳极,镀件作阴极,所以H应该是镀件,电镀液含有镀层金属阳离子,故电镀液为AgNO3溶液;当乙中溶液的pH为13,即c(OH-)=0.1 mol·L-1时(此时乙中溶液的体积为500 mL),根据电极反应2H2O+2e-===H2↑+2OH-,则放电的氢离子的物质的量为0.1 mol·L-1×0.5 L=0.05 mol,即转移电子的物质的量为0.05 mol,H极的电极反应式为Ag++e-===Ag,则可知此时丙中镀件上析出银的质量为108 g·mol-1×0.05 mol=5.4 g;由甲中C、D两极的电极反应式2H2O-4e-===O2↑+4H+、Cu2++2e-===Cu可知,电解过程中溶液中氢离子浓度增大,则甲中溶液的pH变小。
(4)若将C电极换为铁,则阳极铁失电子,阴极铜离子得电子,电解池总反应式为Fe+Cu2+Cu+Fe2+。
有关电解计算的类型及方法
(1)常见计算类型
①两极产物的定量计算(求析出固体的质量、产生的气体在标准状况下的体积等)。
②相对原子质量和阿伏加德罗常数测定的计算。
③求某元素的化合价或确定物质的化学式。
④根据电荷量求产物的量或根据产物的量求电荷量等。
(2)解答此类题的常用方法
①根据电子守恒法计算:用于串联电路中阴阳两极产物等类型的计算,其依据是转移的电子数相同。
②根据总反应计算:先写出电极反应,再写出总反应,最后根据总反应列比例式求解。
③关系式法计算:根据电子守恒建立已知量与未知量之间的桥梁,建立计算所需的关系式。
本课小结
课时作业
一、选择题(本题共7小题,每小题只有1个选项符合题意)
1.关于电解NaCl溶液,下列叙述正确的是( )
A.电解时在阳极得到氯气,在阴极得到金属钠
B.若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液,溶液呈现棕色
C.若在阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液,溶液呈现无色
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到烧杯中,充分搅拌后溶液呈现中性
答案 B
解析 电解NaCl溶液的方程式:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,阳极得到Cl2,阴极得到H2,A项错误;向阳极附近的溶液中滴入KI溶液,由于I-比Cl-更容易失电子,故2I--2e-===I2,溶液呈棕色,B项正确;由于阴极区2H++2e-===H2↑,消耗了H+,造成阴极区c(OH-)相对增大,滴入酚酞溶液,溶液变红,C项错误;电解后的溶液实质上是NaOH、NaCl和NaClO的混合溶液,呈碱性,D项错误。
2.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有少量的Fe、Zn、Cu、Pt杂质,已知:离子的氧化性按Cu2+、Ni2+、Fe2+顺序减弱,则用电解法制备高纯度的镍,下列叙述中正确的是( )
A.阳极发生还原反应,电极反应式为Ni2++2e-===Ni
B.电解过程中,阳极减少的质量与阴极增加的质量相等
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,所以A错误;溶液中的阳离子主要为Ni2+,所以C错误;根据金属原子的还原性和金属阳离子的氧化性顺序,阳极反应为Zn-2e-===Zn2+,Fe-2e-===Fe2+,Ni-2e-===Ni2+,Cu、Pt在该条件下不失电子,所以D正确;阴极反应为Ni2++2e-===Ni,Fe2+、Zn2+在该条件下不得电子。比较两电极反应,因Zn、Fe、Ni的相对原子质量不相等,当两极通过相同的电量时,阳极减少的质量与阴极增加的质量不相等,所以B错误。
3.在铁制品上镀一定厚度的锌层,以下方案设计正确的是( )
A.锌做阳极,铁制品做阴极,溶液中含有锌离子
B.铂做阴极,铁制品做阳极,溶液中含有锌离子
C.铁做阳极,铁制品做阴极,溶液中含有亚铁离子
D.锌做阴极,铁制品做阳极,溶液中含有亚铁离子
答案 A
解析 根据电镀原理,应用镀层金属做阳极,镀件做阴极,含有镀层金属离子的电解质溶液做电镀液。
4.下列关于电解精炼铜与电镀的说法正确的是( )
A.电解精炼铜时,将电能转化为化学能,电路中每通过2 mol e-,阳极就会溶解64 g铜
B.电解精炼铜时,阳极为粗铜,阴极为精铜,电解过程中电解质溶液不需要更换
C.在铁制器皿上镀铝,熔融氧化铝做电解质,铁制器皿做阴极,铝棒做阳极
D.电镀过程中电镀液需要不断更换
答案 C
解析 电解精炼铜时,阳极为粗铜,比铜活泼的金属也会反应,电路中每通过2 mol e-,阳极溶解的铜的质量小于64 g,A项错误;电解精炼铜时,比铜活泼的金属在阳极也会失去电子,而阴极上只有铜离子得到电子转化为铜单质,溶液中铜离子浓度减小,因此在电解精炼过程中,需要更换电解质溶液,B项错误;在铁制器皿上镀铝,不能用含有铝离子的溶液充当电解质溶液,这样氢离子先得到电子,不能达到镀铝的目的,应用熔融氧化铝做电解质,铁制器皿做阴极,铝棒做阳极,C项正确;电镀的实质是在电能的作用下,将阳极上的金属转移到阴极上,因此电镀液不需要更换,D项错误。
5. 如图是工业电解饱和食盐水的装置示意图,下列有关说法中错误的是( )
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2Cl-+2H+Cl2↑+H2↑
D.该装置是将电能转化为化学能
答案 C
解析 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正确;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正确;C项电解反应式不正确,H+来自水,在离子方程式中用水表示,正确的离子方程式为2Cl-+2H2O2OH-+Cl2↑+H2↑,C错误;电解池是将电能转化为化学能的装置,D正确。
6.电解硫酸铜溶液要达到如下三个要求:①阳极质量减小,②阴极质量增加,③电解过程中Cu2+浓度不变。则可选用的电极是( )
A.石墨做阳极,铁做阴极
B.粗铜(含Fe、Ni、Zn)做阳极,精铜做阴极
C.精铜做阳极,铁做阴极
D.铁做阳极,精铜做阴极
答案 C
解析 本题中所述的电解过程实际就是电镀过程:阳极质量减少,必须用活性金属电极做阳极,则A选项不符合题意;由于Cu2+的放电能力比H+的强,阴极质量增加,但是要使Cu2+浓度不变,则阳极必须用精铜,所以选C。
7.如下图为电解饱和食盐水的简易装置图,下列有关说法正确的是( )
A.电解一段时间后,往蛋壳内的溶液中滴加几滴酚酞溶液,呈红色
B.蛋壳表面缠绕的铁丝发生氧化反应
C.铁丝表面生成的气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝
D.蛋壳可阻止生成的氯气与氢气、氢氧化钠溶液接触
答案 D
解析 碳棒与电源正极相连,做阳极,溶液中的Cl-在该电极上发生氧化反应2Cl--2e-===Cl2↑,滴加酚酞溶液,溶液颜色无变化,A错误;铁丝与电源负极相连,做阴极,H+在该电极上发生还原反应生成氢气2H++2e-===H2↑,B错误;铁丝表面生成的气体是氢气,不能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝,C错误;蛋壳相当于隔膜,阻止氯气与氢气、氢氧化钠溶液接触,D正确。
二、选择题(本题共4小题,每小题有1个或2个选项符合题意)
8. 纳米级Cu2O由于具有优良的催化性能而受到关注。采用离子交换膜控制电解液中OH-的浓度制备纳米级Cu2O的装置如图所示,发生的反应为2Cu+H2OCu2O+H2↑。下列说法正确的是( )
A.钛电极发生还原反应
B.阳极附近溶液的pH逐渐增大
C.离子交换膜应采用阳离子交换膜
D.阳极反应式是2Cu+2OH--2e-===Cu2O+H2O
答案 AD
解析 钛电极与电源负极相连是阴极,发生氢离子得电子的还原反应,故A正确;根据总反应,可得阳极反应为2Cu-2e-+2OH-===Cu2O+H2O,消耗氢氧根离子,pH逐渐减小,由阳极反应式可知离子交换膜应采用阴离子交换膜,故B、C错误,D正确。
9. 某同学设计了一种利用电解法制取Fe(OH)2的实验装置(如图),通电后,溶液中产生白色沉淀,且较长时间不变色。下列说法中正确的是( )
A.电源中a一定为负极,b一定为正极
B.可以用NaCl作为电解质,但不能用Na2SO4
C.A端必须用铁做电极
D.阴极上发生的反应是2H++2e-===H2↑
答案 CD
解析 利用电解法制备Fe(OH)2,由于Fe(OH)2极易被氧化,故可利用电解过程中生成的H2排出装置中的O2,使反应在H2环境中发生,故B电极上必须是H+放电,B极为阴极,b为电源负极,A错误、D正确;电解液可以为NaOH、NaCl、Na2SO4溶液等,故B错误;阳极为铁电极,阴极可为铁电极,也可为其他电极,C正确。
10.如图所示,乙图是甲图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( )
A.各电解池析出气体的体积
B.各电解池阴极质量的增加量
C.各电解池阳极质量的增加量
D.各电极上放电的离子总数
答案 B
解析 电解AgNO3溶液和CuSO4溶液,阳极都生成氧气,相同时间内析出气体的体积应相等,与图乙不符,故A错误;电解AgNO3溶液时阴极上产生单质银,电解CuSO4溶液时阴极上产生单质铜,相同时间内银的质量增加量较大,而电解NaCl溶液时,阴、阳极都产生气体,阴极质量不变,与图乙相符,故B正确;电解AgNO3溶液和CuSO4溶液,阳极都生成氧气,阳极质量不变,与图乙不符,故C错误;电解NaCl溶液时,电极上放电的离子总数不为0,与图乙不符,故D错误。
11.三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SO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SO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4OH--4e-===O2↑+2H2O,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 题给装置为电解池,电解池中阴离子向阳极(即题图中正极区)移动,阳极氢氧根离子放电:4OH--4e-===O2↑+2H2O,溶液中氢离子浓度增大,pH减小,A错误。在直流电场的作用下,两膜中间的Na+、SO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,通电时,氢氧根离子在阳极放电生成水和氧气,溶液中氢离子浓度增大,考虑电荷守恒,两膜中间的硫酸根离子会进入正极区;氢离子在阴极得电子生成氢气,溶液中氢氧根离子浓度增大,考虑电荷守恒,两膜中间的钠离子会进入负极区,故可以得到NaOH和H2SO4产品,B正确。题图中负极即为阴极,氢离子在阴极上发生得电子的还原反应生成氢气,C错误。每生成1 mol氧气转移4 mol电子,当电路中通过1 mol电子的电量时,会有0.25 mol的O2生成,D错误。
三、非选择题(本题共2小题)
12.如图所示,甲、乙为相互串联的两个电解池。
(1)甲池若为用电解原理精炼铜的装置,则A电极名称为________极,电极材料是________,电极反应式为____________________,电解质溶液可以是______________________________。
(2)乙池中铁极电极反应式为____________________________。
在乙池中滴入少量酚酞溶液,开始电解一段时间后,铁极附近呈________色。
(3)若将乙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________,现象是________________________________________________________________。
答案 (1)阴 精铜 Cu2++2e-===Cu CuCl2溶液(含Cu2+的溶液即可)
(2)Ag++e-===Ag 无
(3)电镀 不变 铁表面附着一层光亮的金属
解析 (1)本题考查铜的精炼。阳极材料为粗铜,阴极材料为精铜,电极反应式为Cu2++2e-===Cu。
(2)明确石墨做阳极,铁做阴极。
(3)考查电镀池,阳极为镀层金属,阴极为镀件,电镀液含镀层金属离子。
13.(1)以铝材为阳极,在H2SO4溶液中电解,铝材表面形成氧化膜,阳极电极反应式为____________________________________。
(2)利用如图装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。B极区电解液为________________(填化学式)溶液,阳极电极反应式为______________,电解过程中Li+向________(填“A”或“B”)电极迁移。
(3)离子液体是一种室温熔融盐,为非水体系,由有机阳离子、Al2Cl和AlCl组成的离子液体做电解液时,可在钢制品上电镀铝。钢制品应接电源的________极,已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应,阴极电极反应式为____________________。若改用AlCl3水溶液做电解液,则阴极产物为________。
答案 (1)2Al+3H2O-6e-===Al2O3+6H+
(2)LiOH 2Cl--2e-===Cl2↑ B
(3)负 4Al2Cl+3e-===Al+7AlCl H2
解析 (1)铝材为阳极且铝材表面形成氧化膜,在酸性环境中的阳极反应为2Al+3H2O-6e-===Al2O3+6H+。
(2)根据电解装置图,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液,B区产生H2,电极反应式为2H++2e-===H2↑,剩余OH-与Li+结合生成LiOH,所以B极区电解液为LiOH溶液,B电极为阴极,则A电极为阳极,阳极区电解液为LiCl溶液,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑,电解过程中Li+向B电极迁移。
(3)在钢制品上电镀铝,故钢制品做阴极,与电源负极相连。由于电镀过程中“不产生其他阳离子且有机阳离子不参与电极反应”,Al元素在熔融盐中以Al2Cl和AlCl形式存在,则电镀过程中阴极电极反应式为4Al2Cl+3e-===Al+7AlCl。水溶液中得电子能力Al3+
第2课时 电解原理的应用
电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气
实验
步骤
及装
置
在U形管里装入饱和食盐水,插入一根石墨棒做阳极,一根石墨棒做阴极。同时向两边管里各滴入几滴酚酞溶液,接通直流电源并用湿润的淀粉碘化钾试纸检验阳极放出的气体
实验现象
阳极产生黄绿色、有刺激性气味的气体,湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝;阴极附近溶液变红,收集阴极放出的气体,将气体点燃时发生爆鸣
现象分析
在饱和食盐水中,存在Na+、Cl-、H+、OH-,通电后,Na+、H+移向阴极,由于H2O电离出的H+比Na+得电子能力强,H+先放电;Cl-、OH-移向阳极,由于Cl-比OH-失电子能力强,Cl-先放电。溶液中发生如下反应:
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:2H++2e-===H2↑
总反应:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑
铜的电解精炼
目的
冶炼铜矿石所获得的铜是粗铜,含杂质多,这些杂质的存在使铜的导电能力减弱,不能用于工业生产,必须通过电解法除去这些杂质以得到精铜
续表
装置
电极材料
阳极:粗铜;阴极:精铜
电解质溶液
硫酸酸化的CuSO4溶液
电极
反应
式及
电极
产物
分析
阳极
Zn-2e-===Zn2+
Fe-2e-===
Fe2+
Ni-2e-===Ni2+
Cu-2e-===
Cu2+
粗铜中除铜外还含有少量较活泼的Zn、Fe、Ni以及不如铜活泼的Au、Ag、Pt等。Cu失电子形成Cu2+时,Zn、Fe、Ni等优先放电,形成Zn2+、Fe2+、Ni2+等进入电解质溶液;比铜活动性差的Au、Ag、Pt等不发生反应,以金属单质的形式沉积在阳极区,从而形成阳极泥
阴极
Cu2++2e-===Cu
电解过程中,Cu2+比H+、Zn2+、Fe2+、Ni2+等优先在阴极放电而析出,Zn2+、Fe2+、Ni2+等则留在溶液中
电镀——铁钉镀铜
概念
应用电解原理,在金属表面镀上一薄层金属或合金的方法
目的
增强金属的抗腐蚀能力、耐磨性或改善金属制品的外观
实质
电镀是电解原理的一种重要应用
构成条
件(以
在铁钉
上镀铜
为例)
阴极
待镀的金属制品:铁钉
阳极
镀层金属:铜
电镀液
含有镀层金属离子的盐溶液:CuSO4溶液
装置图
电极反应
阳极:Cu-2e-===Cu2+
阴极:Cu2++2e-===Cu
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)氯碱工业是非常重要的化工生产,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,用涂镍碳钢网做阳极。( )
(3)电解法精炼粗铜,用纯铜做阳极。( )
(4)电解法精炼粗铜时,电解质溶液中各离子浓度一定不变。( )
(5)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。( )
答案 (1)√ (2)× (3)× (4)× (5)√
2.用石墨做电极电解CuCl2和KCl的混合溶液,电解初期阴极和阳极析出的物质分别是( )
A.H2、Cl2 B.Cu、Cl2
C.H2、O2 D.Cu、O2
答案 B
解析 本题考查离子放电顺序,溶液中的离子有Cu2+、K+、H+、Cl-、OH-五种离子,得电子能力:Cu2+>H+>K+,失电子能力:Cl->OH-,所以电解初期:阴极:Cu2++2e-===Cu,阳极:2Cl--2e-===Cl2↑,故选B。
3.在冶金工业中,常用电解法得到钠、镁、铝等金属,其原因是( )
A.都是轻金属 B.都是活泼金属
C.成本低廉 D.化合物熔点较低
答案 B
解析 金属冶炼方法选取的主要依据是金属的活动性强弱,不活泼的金属可以用热分解法制备,如加热氧化汞;比较活泼的金属用热还原法制备,如用焦炭炼铁;活泼的金属离子很难被其他还原剂还原,只能用电解方法制备。由于钠、镁、铝是活泼金属,所以只能用电解法。
4.利用电解法可将含有Fe、Zn、Ag、Pt等杂质的粗铜提纯,下列叙述正确的是( )
A.电解时以精铜做阳极
B.电解时阴极发生氧化反应
C.粗铜连接电源负极,其电极反应是Cu-2e-===Cu2+
D.电解后,电解槽底部会形成含少量Ag、Pt等金属的阳极泥
答案 D
解析 电解精炼铜时,粗铜应作阳极,精铜作阴极,故A错误;阳极与电池的正极相连发生氧化反应,阴极与电池的负极相连发生还原反应,故B错误;粗铜连接电源的正极,发生氧化反应,故C错误;金属的活动性顺序为Zn>Fe>Cu>Ag>Pt,因此Ag、Pt不会放电,以单质形式沉积下来,故D正确。
5.下列描述中,不符合生产实际的是( )
A.电解熔融的氧化铝制取金属铝,用铁做阳极
B.电解法精炼粗铜,用纯铜做阴极
C.电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网做阴极
D.在镀件上电镀锌,用锌做阳极
答案 A
解析 电解池的阳极上失电子发生氧化反应、阴极上得电子发生还原反应。电解熔融的Al2O3制Al时,若用Fe作阳极,会发生反应Fe-2e-===Fe2+,阳极损耗严重且时间稍长Fe2+移动到阴极上发生反应Fe2++2e-===Fe,使得到的Al不纯。
探究一 工业电解食盐水制备烧碱
工业电解食盐水得到NaOH、H2和Cl2,首先H2和Cl2要分开收集,两者不能混合,Cl2也不能与NaOH溶液接触(若接触会生成NaCl和NaClO),那么工业上是如何做到的呢?
工业电解食盐水制NaOH、H2和Cl2
——氯碱工业
由阳极(金属钛网)、阴极(碳钢网)、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成,每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。如图表示一个单元槽的示意图。
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+)和H2O通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和气体通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸,又能避免Cl2和NaOH作用生成NaClO而影响烧碱的质量。
电解总方程式:
食盐水的精制
若食盐水没有精制就加入阴极区,食盐水中的杂质Mg2+和Ca2+就会与阳极区生成的OH-结合生成Mg(OH)2和Ca(OH)2堵塞阳离子交换膜的膜孔,使Na+不能进入阴极区,造成工业生产事故,因此加入阴极区的食盐水加入前应先精制,其精制过程如下:
1.取一张用饱和NaCl溶液浸湿的pH试纸,两根铅笔芯做电极,如图所示,接通直流电源,一段时间后,发现a电极与试纸接触处出现一个双色同心圆,内圆为白色,外圆呈浅红色。则下列说法错误的是( )
A.b电极是阴极
B.a电极与电源的正极相连接
C.电解过程中,水是氧化剂
D.b电极附近溶液的pH变小
答案 D
解析 用惰性电极电解饱和NaCl溶液,其电极反应式分别为阴极2H++2e-===H2↑,阳极2Cl--2e-===Cl2↑,由于a电极与试纸接触处出现了双色同心圆,内圆为白色,外圆呈浅红色,则a电极为电解池的阳极,产生的Cl2与水反应生成HCl和HClO,HCl使pH试纸显红色,HClO具有漂白性,使pH试纸褪色;b电极为阴极,H+得电子产生H2,H+来源于H2O的电离,因此在b电极附近又同时生成了OH-,因此b电极附近溶液的pH增大。
2.工业电解饱和食盐水制烧碱时必须阻止OH-移向阳极,目前采用阳离子交换膜将两极溶液分开(如图)(F处加少量NaOH以增强溶液的导电性)。
(1)C、D分别是直流电源的两电极,C是电源________极,D是电源________极。
(2)电解一段时间后,________由A口导出,________由B口导出。阴极附近碱性增强的原因是(用电离方程式及电极反应式表示)
________________________________________________________________。
(3)若不采用阳离子交换膜,OH-向阳极移动,发生的反应可用离子方程式表示为________________________________________________________________
________________________________________________________________。
答案 (1)负 正
(2)Cl2 H2 H2OH++OH-、2H++2e-===H2↑
(3)Cl2+2OH-===Cl-+ClO-+H2O
解析 (1)由Na+移动方向知右侧电极为阴极,C为电源负极,D为电源正极。
(2)左侧电极产生Cl2,右侧电极电解水电离出的H+产生H2和NaOH。
(3)若不采用阳离子交换膜,OH-移向阳极与Cl2发生反应。
探究二 铜的电解精炼与电镀
工业上用电解法除精炼铜外还可以精炼Ag、Ni等金属,除镀铜外,还可以电镀Zn等,那么如何设计电镀池和电解精炼装置呢?
电解池和电解精炼的设计方法
(1)电镀过程中电解质溶液的浓度几乎不变;而电解精炼过程中电解质溶液的浓度减小,由于形成阳极泥,一般是阳极失重大于阴极增重。
(2)利用电解原理还可以冶炼K、Na、Ca、Mg、Al等金属。如:
MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑
2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑
还可以制KClO3、H2O2、K2S2O8等化工产品等。
3.粗铜中除含有铜以外,还有少量锌、铁、银、镍(已知还原性:Fe>Ni>Cu),在如图所示的装置中,用纯铜和粗铜作为两电极进行电解,下列有关叙述中,正确的是( )
A.可检测到电解液中有Zn2+、Fe2+、Ni2+
B.可检测到电解液中有Fe3+、Zn2+、Ag+
C.电解过程中,溶液中的铜离子浓度保持不变
D.通电一段时间后,取出两电极,称得粗铜极减小的质量等于纯铜极增加的质量
答案 A
解析 粗铜上的锌、铁、铜、镍失电子生成Zn2+、Fe2+、Cu2+、Ni2+,银以单质形式沉积于阳极底部形成阳极泥。溶液中的铜离子浓度略有减小,粗铜极减小的质量不一定等于纯铜极增加的质量。
4.如图装置所示,C、D、E、F、X、Y都是惰性电极,甲、乙中溶液的体积和浓度都相同(假设通电前后溶液体积不变),A、B为外接直流电源的两极。将直流电源接通后,F极附近呈红色。请回答:
(1)B极是电源的________极,一段时间后,甲中溶液颜色________,丁中X极附近的颜色逐渐变浅,Y极附近的颜色逐渐变深,这表明氢氧化铁胶体粒子带________电荷(填“正”或“负”),在电场作用下向________极移动(填“X”或“Y”)。
(2)若甲、乙装置中的C、D、E、F电极均只有一种单质生成时,对应单质的物质的量之比为________。
(3)现用丙装置给铜件镀银,则H应该是________(填“镀层金属”或“镀件”),电镀液是________(填化学式)溶液。当乙中溶液的pH是13时(此时乙中溶液的体积为500 mL),丙中镀件上析出银的质量为________,甲中溶液的pH________(填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)若将C电极换为铁,其他装置都不变,则甲中发生总反应的离子方程式为________________________________________________________________。
答案 (1)负 逐渐变浅 正 Y (2)1∶2∶2∶2
(3)镀件 AgNO3 5.4 g 变小 (4)Fe+Cu2+Cu+Fe2+
解析 将直流电源接通后,F极附近呈红色,说明F极附近溶液显碱性,可知氢离子在该电极放电,所以F极是阴极,B为电源负极、A为电源正极,可得出D、F、H、Y均为阴极,C、E、G、X均为阳极。
(1)由上述分析可知,B极是电源的负极;C、D电极发生的电极反应分别为2H2O-4e-===O2↑+4H+、Cu2++2e-===Cu,Cu2+浓度逐渐减小,故甲中溶液颜色逐渐变浅;Y极是阴极,该电极附近颜色逐渐变深,说明氢氧化铁胶体粒子向该电极移动,异种电荷相互吸引,所以氢氧化铁胶体粒子带正电荷。
(2)C、D、E、F电极发生的电极反应分别为2H2O-4e-===O2↑+4H+、Cu2++2e-===Cu、2Cl--2e-===Cl2↑、2H++2e-===H2↑,当各电极转移电子的物质的量均为1 mol时,生成单质的物质的量分别为0.25 mol、0.5 mol、0.5 mol、0.5 mol,所以单质的物质的量之比为1∶2∶2∶2。
(3)电镀装置中,镀层金属必须作阳极,镀件作阴极,所以H应该是镀件,电镀液含有镀层金属阳离子,故电镀液为AgNO3溶液;当乙中溶液的pH为13,即c(OH-)=0.1 mol·L-1时(此时乙中溶液的体积为500 mL),根据电极反应2H2O+2e-===H2↑+2OH-,则放电的氢离子的物质的量为0.1 mol·L-1×0.5 L=0.05 mol,即转移电子的物质的量为0.05 mol,H极的电极反应式为Ag++e-===Ag,则可知此时丙中镀件上析出银的质量为108 g·mol-1×0.05 mol=5.4 g;由甲中C、D两极的电极反应式2H2O-4e-===O2↑+4H+、Cu2++2e-===Cu可知,电解过程中溶液中氢离子浓度增大,则甲中溶液的pH变小。
(4)若将C电极换为铁,则阳极铁失电子,阴极铜离子得电子,电解池总反应式为Fe+Cu2+Cu+Fe2+。
有关电解计算的类型及方法
(1)常见计算类型
①两极产物的定量计算(求析出固体的质量、产生的气体在标准状况下的体积等)。
②相对原子质量和阿伏加德罗常数测定的计算。
③求某元素的化合价或确定物质的化学式。
④根据电荷量求产物的量或根据产物的量求电荷量等。
(2)解答此类题的常用方法
①根据电子守恒法计算:用于串联电路中阴阳两极产物等类型的计算,其依据是转移的电子数相同。
②根据总反应计算:先写出电极反应,再写出总反应,最后根据总反应列比例式求解。
③关系式法计算:根据电子守恒建立已知量与未知量之间的桥梁,建立计算所需的关系式。
本课小结
课时作业
一、选择题(本题共7小题,每小题只有1个选项符合题意)
1.关于电解NaCl溶液,下列叙述正确的是( )
A.电解时在阳极得到氯气,在阴极得到金属钠
B.若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液,溶液呈现棕色
C.若在阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液,溶液呈现无色
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到烧杯中,充分搅拌后溶液呈现中性
答案 B
解析 电解NaCl溶液的方程式:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,阳极得到Cl2,阴极得到H2,A项错误;向阳极附近的溶液中滴入KI溶液,由于I-比Cl-更容易失电子,故2I--2e-===I2,溶液呈棕色,B项正确;由于阴极区2H++2e-===H2↑,消耗了H+,造成阴极区c(OH-)相对增大,滴入酚酞溶液,溶液变红,C项错误;电解后的溶液实质上是NaOH、NaCl和NaClO的混合溶液,呈碱性,D项错误。
2.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有少量的Fe、Zn、Cu、Pt杂质,已知:离子的氧化性按Cu2+、Ni2+、Fe2+顺序减弱,则用电解法制备高纯度的镍,下列叙述中正确的是( )
A.阳极发生还原反应,电极反应式为Ni2++2e-===Ni
B.电解过程中,阳极减少的质量与阴极增加的质量相等
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,所以A错误;溶液中的阳离子主要为Ni2+,所以C错误;根据金属原子的还原性和金属阳离子的氧化性顺序,阳极反应为Zn-2e-===Zn2+,Fe-2e-===Fe2+,Ni-2e-===Ni2+,Cu、Pt在该条件下不失电子,所以D正确;阴极反应为Ni2++2e-===Ni,Fe2+、Zn2+在该条件下不得电子。比较两电极反应,因Zn、Fe、Ni的相对原子质量不相等,当两极通过相同的电量时,阳极减少的质量与阴极增加的质量不相等,所以B错误。
3.在铁制品上镀一定厚度的锌层,以下方案设计正确的是( )
A.锌做阳极,铁制品做阴极,溶液中含有锌离子
B.铂做阴极,铁制品做阳极,溶液中含有锌离子
C.铁做阳极,铁制品做阴极,溶液中含有亚铁离子
D.锌做阴极,铁制品做阳极,溶液中含有亚铁离子
答案 A
解析 根据电镀原理,应用镀层金属做阳极,镀件做阴极,含有镀层金属离子的电解质溶液做电镀液。
4.下列关于电解精炼铜与电镀的说法正确的是( )
A.电解精炼铜时,将电能转化为化学能,电路中每通过2 mol e-,阳极就会溶解64 g铜
B.电解精炼铜时,阳极为粗铜,阴极为精铜,电解过程中电解质溶液不需要更换
C.在铁制器皿上镀铝,熔融氧化铝做电解质,铁制器皿做阴极,铝棒做阳极
D.电镀过程中电镀液需要不断更换
答案 C
解析 电解精炼铜时,阳极为粗铜,比铜活泼的金属也会反应,电路中每通过2 mol e-,阳极溶解的铜的质量小于64 g,A项错误;电解精炼铜时,比铜活泼的金属在阳极也会失去电子,而阴极上只有铜离子得到电子转化为铜单质,溶液中铜离子浓度减小,因此在电解精炼过程中,需要更换电解质溶液,B项错误;在铁制器皿上镀铝,不能用含有铝离子的溶液充当电解质溶液,这样氢离子先得到电子,不能达到镀铝的目的,应用熔融氧化铝做电解质,铁制器皿做阴极,铝棒做阳极,C项正确;电镀的实质是在电能的作用下,将阳极上的金属转移到阴极上,因此电镀液不需要更换,D项错误。
5. 如图是工业电解饱和食盐水的装置示意图,下列有关说法中错误的是( )
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2Cl-+2H+Cl2↑+H2↑
D.该装置是将电能转化为化学能
答案 C
解析 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正确;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正确;C项电解反应式不正确,H+来自水,在离子方程式中用水表示,正确的离子方程式为2Cl-+2H2O2OH-+Cl2↑+H2↑,C错误;电解池是将电能转化为化学能的装置,D正确。
6.电解硫酸铜溶液要达到如下三个要求:①阳极质量减小,②阴极质量增加,③电解过程中Cu2+浓度不变。则可选用的电极是( )
A.石墨做阳极,铁做阴极
B.粗铜(含Fe、Ni、Zn)做阳极,精铜做阴极
C.精铜做阳极,铁做阴极
D.铁做阳极,精铜做阴极
答案 C
解析 本题中所述的电解过程实际就是电镀过程:阳极质量减少,必须用活性金属电极做阳极,则A选项不符合题意;由于Cu2+的放电能力比H+的强,阴极质量增加,但是要使Cu2+浓度不变,则阳极必须用精铜,所以选C。
7.如下图为电解饱和食盐水的简易装置图,下列有关说法正确的是( )
A.电解一段时间后,往蛋壳内的溶液中滴加几滴酚酞溶液,呈红色
B.蛋壳表面缠绕的铁丝发生氧化反应
C.铁丝表面生成的气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝
D.蛋壳可阻止生成的氯气与氢气、氢氧化钠溶液接触
答案 D
解析 碳棒与电源正极相连,做阳极,溶液中的Cl-在该电极上发生氧化反应2Cl--2e-===Cl2↑,滴加酚酞溶液,溶液颜色无变化,A错误;铁丝与电源负极相连,做阴极,H+在该电极上发生还原反应生成氢气2H++2e-===H2↑,B错误;铁丝表面生成的气体是氢气,不能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝,C错误;蛋壳相当于隔膜,阻止氯气与氢气、氢氧化钠溶液接触,D正确。
二、选择题(本题共4小题,每小题有1个或2个选项符合题意)
8. 纳米级Cu2O由于具有优良的催化性能而受到关注。采用离子交换膜控制电解液中OH-的浓度制备纳米级Cu2O的装置如图所示,发生的反应为2Cu+H2OCu2O+H2↑。下列说法正确的是( )
A.钛电极发生还原反应
B.阳极附近溶液的pH逐渐增大
C.离子交换膜应采用阳离子交换膜
D.阳极反应式是2Cu+2OH--2e-===Cu2O+H2O
答案 AD
解析 钛电极与电源负极相连是阴极,发生氢离子得电子的还原反应,故A正确;根据总反应,可得阳极反应为2Cu-2e-+2OH-===Cu2O+H2O,消耗氢氧根离子,pH逐渐减小,由阳极反应式可知离子交换膜应采用阴离子交换膜,故B、C错误,D正确。
9. 某同学设计了一种利用电解法制取Fe(OH)2的实验装置(如图),通电后,溶液中产生白色沉淀,且较长时间不变色。下列说法中正确的是( )
A.电源中a一定为负极,b一定为正极
B.可以用NaCl作为电解质,但不能用Na2SO4
C.A端必须用铁做电极
D.阴极上发生的反应是2H++2e-===H2↑
答案 CD
解析 利用电解法制备Fe(OH)2,由于Fe(OH)2极易被氧化,故可利用电解过程中生成的H2排出装置中的O2,使反应在H2环境中发生,故B电极上必须是H+放电,B极为阴极,b为电源负极,A错误、D正确;电解液可以为NaOH、NaCl、Na2SO4溶液等,故B错误;阳极为铁电极,阴极可为铁电极,也可为其他电极,C正确。
10.如图所示,乙图是甲图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( )
A.各电解池析出气体的体积
B.各电解池阴极质量的增加量
C.各电解池阳极质量的增加量
D.各电极上放电的离子总数
答案 B
解析 电解AgNO3溶液和CuSO4溶液,阳极都生成氧气,相同时间内析出气体的体积应相等,与图乙不符,故A错误;电解AgNO3溶液时阴极上产生单质银,电解CuSO4溶液时阴极上产生单质铜,相同时间内银的质量增加量较大,而电解NaCl溶液时,阴、阳极都产生气体,阴极质量不变,与图乙相符,故B正确;电解AgNO3溶液和CuSO4溶液,阳极都生成氧气,阳极质量不变,与图乙不符,故C错误;电解NaCl溶液时,电极上放电的离子总数不为0,与图乙不符,故D错误。
11.三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SO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SO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4OH--4e-===O2↑+2H2O,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 题给装置为电解池,电解池中阴离子向阳极(即题图中正极区)移动,阳极氢氧根离子放电:4OH--4e-===O2↑+2H2O,溶液中氢离子浓度增大,pH减小,A错误。在直流电场的作用下,两膜中间的Na+、SO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,通电时,氢氧根离子在阳极放电生成水和氧气,溶液中氢离子浓度增大,考虑电荷守恒,两膜中间的硫酸根离子会进入正极区;氢离子在阴极得电子生成氢气,溶液中氢氧根离子浓度增大,考虑电荷守恒,两膜中间的钠离子会进入负极区,故可以得到NaOH和H2SO4产品,B正确。题图中负极即为阴极,氢离子在阴极上发生得电子的还原反应生成氢气,C错误。每生成1 mol氧气转移4 mol电子,当电路中通过1 mol电子的电量时,会有0.25 mol的O2生成,D错误。
三、非选择题(本题共2小题)
12.如图所示,甲、乙为相互串联的两个电解池。
(1)甲池若为用电解原理精炼铜的装置,则A电极名称为________极,电极材料是________,电极反应式为____________________,电解质溶液可以是______________________________。
(2)乙池中铁极电极反应式为____________________________。
在乙池中滴入少量酚酞溶液,开始电解一段时间后,铁极附近呈________色。
(3)若将乙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________,现象是________________________________________________________________。
答案 (1)阴 精铜 Cu2++2e-===Cu CuCl2溶液(含Cu2+的溶液即可)
(2)Ag++e-===Ag 无
(3)电镀 不变 铁表面附着一层光亮的金属
解析 (1)本题考查铜的精炼。阳极材料为粗铜,阴极材料为精铜,电极反应式为Cu2++2e-===Cu。
(2)明确石墨做阳极,铁做阴极。
(3)考查电镀池,阳极为镀层金属,阴极为镀件,电镀液含镀层金属离子。
13.(1)以铝材为阳极,在H2SO4溶液中电解,铝材表面形成氧化膜,阳极电极反应式为____________________________________。
(2)利用如图装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。B极区电解液为________________(填化学式)溶液,阳极电极反应式为______________,电解过程中Li+向________(填“A”或“B”)电极迁移。
(3)离子液体是一种室温熔融盐,为非水体系,由有机阳离子、Al2Cl和AlCl组成的离子液体做电解液时,可在钢制品上电镀铝。钢制品应接电源的________极,已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应,阴极电极反应式为____________________。若改用AlCl3水溶液做电解液,则阴极产物为________。
答案 (1)2Al+3H2O-6e-===Al2O3+6H+
(2)LiOH 2Cl--2e-===Cl2↑ B
(3)负 4Al2Cl+3e-===Al+7AlCl H2
解析 (1)铝材为阳极且铝材表面形成氧化膜,在酸性环境中的阳极反应为2Al+3H2O-6e-===Al2O3+6H+。
(2)根据电解装置图,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液,B区产生H2,电极反应式为2H++2e-===H2↑,剩余OH-与Li+结合生成LiOH,所以B极区电解液为LiOH溶液,B电极为阴极,则A电极为阳极,阳极区电解液为LiCl溶液,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑,电解过程中Li+向B电极迁移。
(3)在钢制品上电镀铝,故钢制品做阴极,与电源负极相连。由于电镀过程中“不产生其他阳离子且有机阳离子不参与电极反应”,Al元素在熔融盐中以Al2Cl和AlCl形式存在,则电镀过程中阴极电极反应式为4Al2Cl+3e-===Al+7AlCl。水溶液中得电子能力Al3+
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