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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
1.能够运用电解原理和判断电极产物的一般思路,分析氯碱工业、电镀、铜的电解精炼、金属的电冶炼过程中的能量与物质的转化。2.掌握电解池中有关的计算原则和方法,并能对串联电解池中的产物进行判断和计算。
学习目标
一、电解食盐水制备烧碱、氢气和氯气
知能通关
1.实验装置图
刺激性
2.实验现象
(1)阳极上有带　　　　气味的　　　　色气体产生,该气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变　　　　　。
(2)阴极上有无色　　　　产生,阴极附近溶液变　　　　。
黄绿
蓝色
气体
红色
3.原理分析
(1)通电前,氯化钠溶液中含有的离子:　　　　　　　　　　　。
(2)通电后,　　　　　　移向阴极,　　　　　　移向阳极。
阳极:离子放电顺序为　　　　　　,电极反应式为　　　　　　　　　　;
阴极:离子放电顺序为　　　　　　,电极反应式为　　　　　　　　　　。
因　　　　　放电,故阴极区生成　　　　　　。
Na+、Cl-、H+、OH-
Na+、H+
Cl-、OH-
Cl->OH-
2Cl--2e-===Cl2↑
H+>Na+
2H++2e-===H2↑
H+
NaOH
4.电解的总反应式
5.氯碱工业
电解槽由阳极(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。
(1)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+)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。
(2)电解总方程式:
下列描述中正确的是　　　　。
①电解饱和食盐水时,阴极发生氧化反应:2Cl--2e-===Cl2↑
②电解食盐水过程中,可能会有NaClO生成
③电解饱和食盐水时，阴极产生的气体可使湿润的淀粉-KI试纸变蓝
④氯碱工业电解槽中滴入酚酞溶液,变红色的区域为阳极区
⑤氯碱工业中用的是阴离子交换膜将两电极室隔开
小题对点过
②
1.用石墨电极电解饱和食盐水,下列分析错误的是(　　)
A.得电子能力:H+>Na+,故阴极得到H2
B.H+不断被消耗,故阴极区得到OH-
C.失电子能力:Cl->OH-,故阳极得到Cl2
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,溶液呈中性
D
2.下列关于电解NaCl溶液的叙述正确的是(　　)
A.电解时在阳极得到氯气,在阴极得到金属钠
B.若向阳极附近的溶液中滴入淀粉-KI溶液,溶液呈蓝色
C.若向阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液,溶液呈无色
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
B
3.氯碱工业中电解饱和食盐水的原理示意图如图所示:
(1)图中A极要连接电源的　　　　(填“正”或“负”)极。
(2)精制饱和食盐水从图中　　　　位置补充,
NaOH溶液从图中　　　　位置流出(填“a”“b”
“c”“d”“e”或“f”)。
(3)电解饱和食盐水的离子方程式是
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)电解时用盐酸控制阳极区溶液的pH在2~3,盐酸的作用是
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
正
a
d
提高H+浓度,降低Cl2的溶解度
二、铜的电解精炼、电镀
知能通关
1.铜的电解精炼
(1)粗铜成分
①主要成分:　　　　　　。
②杂质金属:比铜活泼的有　　　　　　等;不如铜活泼的有　　　　　　等。
(2)装置
Cu
Zn、Fe、Ni
Ag、Pt、Au
(3)电解精炼的电极反应
Cu(粗铜)-2e-===Cu2+
Ag、Pt、Au
Cu2++2e-===Cu(精铜)
(4)电解精炼的结果
粗铜中比铜活泼的金属Zn、Fe、Ni等失去电子形成的阳离子进入溶液;不如铜活泼的金属　　　　　　　　等以金属单质的形式沉积在电解池的底部,与其他不溶性杂质混在一起形成阳极泥;阴极上得到　　　　　　　　　。
Ag、Au、Pt
精铜
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,思考回答下列问题:
(1)阳极发生　　　　反应,其电极反应式:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)电解过程中,阳极减少的质量与阴极增加的质量　　　　(填“相等”或“不相等”)。
(3)电解后,溶液中存在的金属阳离子有　　　　、　　　　、Ni2+等。
(4)电解后,电解槽底部含有　　　　等金属。
小题对点过
氧化
Ni-2e-===Ni2+,Fe-2e-===Fe2+,Zn-2e-===Zn2+
不相等
Fe2+
Zn2+
Cu、Pt
2.电镀
(1)含义
应用　　　　原理在某些金属或其他材料制品表面镀上一层其他　　　　或合金的过程。
(2)实例(铁钉镀铜)
电解
金属
镀件(铁钉)
镀层金属
两极上发生的电极反应分别为:
阳极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
阴极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)电镀池的设计
一般都是用　　　　　　　　　　　　　　　　作电镀液;把　　　　　　浸入电镀液中与直流电源的正极相连,作为阳极;　　　　与直流电源的负极相连,作为阴极。
Cu-2e-===Cu2+
Cu2++2e-===Cu
含有镀层金属离子的盐溶液
镀层金属
镀件
3.电冶金
金属镁的工业制备是电解熔融　　　　(填“MgCl2”或“MgO”),原因是
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
小题对点过
MgCl2
熔融氧化镁需要的温度较高、耗能较大
(1)电镀的特点是“一多、一少、一不变”:“一多”是指阴极上有镀层金属沉积,“一少”是指阳极上有镀层金属溶解,“一不变”是指电解质溶液的浓度不变。
(2)精炼铜时,由于在阳极上溶解的金属有Fe、Zn、Ni、Cu等,而在阴极上只有Cu析出,根据得失电子守恒可知,阳极Cu失去电子的数目小于阴极Cu2+得到电子的数目,阳极产生的铜离子数目小于阴极得电子变成单质铜的铜离子数目,所以电解液中Cu2+的浓度减小。
1.下列说法中正确的是　　　　。
①电解精炼铜时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料
②电镀过程相当于金属的“迁移”,属于物理变化
③在电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)保持不变
④用Zn作阳极,Fe作阴极,ZnCl2溶液作电解质溶液,由于放电顺序H+>Zn2+,不可能在铁上镀锌
⑤在镀件上电镀铜时,也可以用惰性材料作阳极,用硫酸铜溶液作电解液
⑥电解冶炼时,转移相等的电量时,获得等质量的Mg和Al
①⑤
2.工业上常用电解法冶炼的金属是(　　)
A.钠 B.铁
C.铜 D.银
解析　A.钠性质活泼,故采用电解法冶炼制备,A正确;B.铁的性质较不活泼,金属铁的冶炼采用热还原法,B错误;C.铜性质较不活泼,金属铜的冶炼采用热还原法,C错误;D.银性质稳定,用热分解法冶炼,D错误。
A
3.某同学运用电解原理实现在铁棒上镀铜,设计如图装置。下列判断不正确的是(　　)
A.a极是铁
B.液体c可用硫酸铜溶液
C.该实验过程中c(Cu2+)基本保持不变
D.b极上发生的反应为Cu2++2e-===Cu
解析　a极为铁,在a极上Cu2+发生还原反应生成铜,达到镀铜的目的,故A正确;电解质溶液应含铜离子,可为硫酸铜溶液等,故B正确;电镀时,阳极消耗铜,阴极析出铜,c(Cu2+)基本保持不变,故C正确;b极上发生氧化反应,应为Cu-2e-===Cu2+,故D错误。
D
4.如图为工业电解熔融氧化铝冶炼铝的装置示意图。
(1)写出电解时的电极反应式及总反应方程式:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)资料表明Al2O3的熔点为2 054 ℃,冰晶石
(Na3AlF6)的熔点为1 000 ℃,用电解Al2O3制取金属铝时会加入冰晶石,其作用是
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)该电解过程要在1 000 ℃以上进行,工业上冶炼铝过程中会发生阳极损耗,试分析发生阳极损耗原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
阳极:2O2--4e-===O2↑　阴极:Al3++3e-===Al
作助熔剂,降低熔点
高温下,阳极产生的氧气与碳块反应生成CO、CO2
三、电解的相关计算
知能通关
1.电解计算的原则
(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.电解计算的常用方法
3.计算的步骤
(1)正确书写电极反应式(要注意阳极材料)。
(2)当溶液中有多种离子共存时,要确定放电离子的先后顺序。
(3)最后根据得失电子守恒进行相关的计算。
1.(2024·江苏高二联考)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,将它们串联在一起并电解一段时间,测得电极的质量共增加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∶1
C.4∶3 D.3∶4
C
2.用惰性电极电解一定量的CuSO4溶液,电解过程中的实验数据如图所示。横轴表示转移电子的物质的量,纵轴表示电解过程中产生气体的总体积(标准状况)。下列判断正确的是(　　)
A.电解过程中,溶液中H+的浓度不断减小
B.当转移0.4 mol电子时,电解生成的铜的
质量为6.4 g
C.阳极的电极反应式为2H2O+4e-===4H++O2↑
D.Q点对应的气体中,H2与O2的体积比为2∶1
B
3.把两支惰性电极插入500 mL硝酸银溶液中,通电电解。当电解质溶液中c(H+)从10-6 mol·L-1变为10-3 mol·L-1时(设电解时阴极没有氢气析出,且电解质溶液在电解前后体积变化可以忽略),电极上应析出银的质量是(　　)
A.27 mg B.54 mg
C.108 mg D.216 mg
B
解析　解法1　根据得失电子守恒计算
由得失电子守恒知,e-~H+~Ag,所以n(Ag)=n(H+)。AgNO3溶液电解后产生酸,n(Ag) =n(H+)≈10-3 mol·L-1×0.5 L=5×10-4 mol,m(Ag)=n(Ag)×M=5×10-4 mol×108 g·mol-1 =0.054 g=54 mg。
解法2　根据电极反应式计算
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1.(双选)下列关于如图所示装置的说法,正确的是(　　)
BD
A.①装置中阴极处产生的气体能够使湿
润KI淀粉试纸变蓝
B.②装置中待镀铁制品应与电源负极相连
C.③装置中电子由a极经电解质溶液流向b极
D.④装置中的离子交换膜为阳离子交换膜
解析　A.该装置是电解池,阴极上溶液中阳离子Cu2+得到电子发生还原反应产生Cu单质,阴极上没有氯气产生,因此不能够使湿润KI淀粉试纸变蓝,A错误;B.该装置是电镀装置,待镀铁制品和电源负极相连,作电解池的阴极,B正确;C.该装置是原电池,电子流向是从负极a经导线流向正极b,不能经过电解质溶液,C错误;D.该装置采用阳离子交换膜允许阳离子通过,NaOH溶液中的氢氧根不能通过,避免生成的Cl2与NaOH溶液反应,故应该用阳离子交换膜,D正确。
2.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中Cu2+的浓度不变
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.电镀过程中电镀液必须不断更换
C
解析　电解精炼铜时,阳极为粗铜,比铜活泼的金属杂质也会反应,电解初期,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,比铜活泼的金属杂质在阳极优先失去电子,电解质溶液中的铜离子在阴极上得到电子转化为铜单质,电解质溶液中的铜离子浓度减小,B项错误;在铁制器皿上镀铝,若用含有铝离子的溶液充当电解质溶液,则氢离子先得电子,不能达到镀铝的目的,应用熔融氧化铝作电解质,铁制器皿作阴极,铝棒作阳极,C项正确;电镀时,可用镀层金属作阳极材料,含镀层金属离子的盐溶液作电镀液,此种情况下电镀液不需要更换,D项错误。
3.氮的固定对保障人类生存具有重大意义。一种电解N2和H2O的混合气体制备NH3的装置如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.电极a连接电源的正极
B.可用金属Fe作为电极a的材料
C.电解过程中,固体氧化物电解质中O2-数目不变
D.电极b的电极反应式为N2+6e-+3H2O===2NH3
+3O2-
B
解析　电极a表面发生的反应为2O2--4e-===O2↑,a为阳极,连接电源的正极,A说法正确;由于电极a为阳极,若用铁作电极a的材料,则阳极发生的电极反应为Fe-2e-===Fe2+,阳极不产生O2,与题图所示装置的反应原理不符,B说法错误;电极b为阴极,电极反应式为N2+6e-+3H2O===2NH3+3O2-,由阴、阳两极的电极反应式可知,电解过程中,阴极产生的O2-数目等于阳极消耗的O2-数目,则固体氧化物电解质中O2-数目不变,C、D说法正确。
4.氢氧化锂是合成其他锂产品的基本原料,也可以直接用于其他工业领域。用如图所示的双膜电解装置可制备氢氧化锂。下列有关叙述正确的是(　　)
A.甲膜为阴离子交换膜,乙膜为阳离
子交换膜
B.通电后Li+向阳极移动,阳极附近的
溶液的pH减小
C.阴极的电极反应为H2O+2e-===H2↑+O2-
D.当电路中通过1 mol电子时,可生成49 g H2SO4
D
解析　连接电源负极的a电极为阴极,连接电源正极的b电极为阳极,通电后,阳离子向电解池的阴极移动,阴离子向电解池的阳极移动,故甲膜为阳离子交换膜,乙膜为阴离子交换膜,A、B项错误;阴极发生还原反应,但在水溶液中不可能生成
O2-,C项错误;阳极电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,当电路中通过1 mol电子时,生成1 mol H+,即生成49 g H2SO4,D项正确。
5.(2024·天津第一中学期末)如图所示装置中,C、D、E、F都是惰性电极,A、B为外接直流电源的两极。将直流电源接通后,F电极附近溶液呈红色。请回答:
(1)电源电极A名称为　　　　　。
(2)写出C、F的电极名称及电极反应式。
C:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
F:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)若装置中通过0.02 mol电子时,通电后甲池溶液体积为200 mL,则通电后所得H2SO4溶液的物质的量浓度为　　　　 mol·L-1。
(4)若装置中通过0.02 mol电子时,丁池中电解足量R(NO3)x溶液时,某一电极析出了a g金属R,则金属R的相对原子质量的计算公式为　　　(用含a、x的代数式表示)。
(5)现用丙池给铜件镀银,则H应该是　　　　(填“铜件”或“银”)。
正极
阳极,4OH--4e-===O2↑+2H2O(或2H2O-4e-===O2↑+4H+)
阴极,2H++2e-===H2↑(或2H2O+2e-===H2↑+2OH-)
0.05
50ax
铜件
课后 巩固训练
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
1.(2024·荆州中学高二期末)下列有关工业生产的叙述正确的是(　　)
A.工业上通常采用电解熔融的MgO制得金属Mg
B.在铁的表面镀铝的工艺中,镀件做阴极,镀层金属为阳极,饱和氯化铝溶液作为电镀液
C.电解饱和食盐水制烧碱采用阳离子交换膜法,可防止阴极室产生的OH-进入阳极室
D.电解精炼铜时,同一时间内阳极减少的质量一定等于阴极增加的质量
C
解析　A.MgO熔点很高,电解MgO会消耗大量能源,工业上通常采用电解熔融的MgCl2制得金属Mg,故A错误;B.阴极上溶液中H+先放电,不能用氯化铝溶液作为电镀液,故B错误;C.电解饱和食盐水制烧碱采用阳离子交换膜法,可防止阴极室产生的OH-进入阳极室,避免与氯气发生反应,故C正确;D.阳极上比Cu活泼的金属先放电,然后Cu再放电,而阴极只有Cu析出,根据电子转移守恒,同一时间内阳极减少的质量一定不等于阴极增加的质量,故D错误。
2.(2024·四川遂宁中学高二期中)下列关于图示四个装置的叙述不正确的是(　　)
A.装置甲是可以在铁钉上镀铜的装置
B.若装置乙为电解精炼铜装置,则X电
极为纯铜
C.装置丙的a端产生的气体能使湿润的
淀粉碘化钾试纸变蓝
D.装置丁接通电源后可以观察到白色
沉淀迅速变成灰绿色,最终变红褐色
D
解析　装置甲是可以在铁钉上镀铜的电镀池,与直流电源正极相连的铜为阳极,镀件铁为阴极,A正确;装置乙为电解精炼铜的电解池,与直流电源负极相连的X电极为阴极,则X为纯铜,B正确;与直流电源正极相连的a电极为阳极,氯离子在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气,氯气能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝,C正确;与直流电源负极相连的铁为阴极,铁不参与电极反应,所以电解时不能产生氢氧化亚铁,D错误。
3.ClO2是一种高效、安全消毒剂。利用电解产生的H2O2与溶液中的NaClO3反应制备ClO2,装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
D
4.双极膜在电渗析中应用广泛,它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层,工作时水层中的H2O解离成H+和OH-,并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。如图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。下列说法正确的是(　　)
A.出口2的产物为HBr溶液
B.出口5的产物为硫酸溶液
C.Br-可从盐室最终进入阳极液中
D.阴极电极反应式为2H++2e-===H2↑
D
解析　A.电解时,溶液中的阳离子向阴极移动,即NaBr溶液中的Na+向阴极移动,在交换室1中与双极膜提供的OH-结合生成NaOH,则出口2的产物为NaOH溶液,A错误;B.电解时,阴离子向阳极移动,即NaBr溶液中的Br-向阳极移动,在交换室2中与双极膜提供的H+结合生成HBr,故出口4的产物为HBr溶液,阳极液中Na+不能通过双极膜,故出口5的产物不是硫酸,B错误;C.Br-不能通过双极膜,则不会最终进入阳极液中,C错误;D.电解池阴极处发生还原反应,双极膜中的H+向阴极移动,则在阴极处发生的反应为2H++2e-===H2↑,D正确。
5.利用金属钠可溶于水银形成液态的合金“钠汞齐”这一性质,可通过电解饱和食盐水得到金属钠,制取“钠汞齐”的实验装置如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.b电极是阴极
B.若没有玻璃套管,b电极反应式为2H2O+2e-===
H2 ↑+2OH-
C.电解过程中玻璃套管下端的银白色液面上升
D.水银层的质量每增加0.23 g,理论上c口会逸出112 mL气体
D
解析　金属钠可与水银形成“钠汞齐”,说明在水银处有Na生成,发生还原反应,则水银为阴极,Na++e-+nHg===Na·nHg,石墨棒为阳极,2Cl--2e-===Cl2↑。A.b电极处与水银相连,为阴极,选项A正确;B.若没有玻璃套管,b电极反应式为2H2O+2e-===H2 ↑+2OH-,选项B正确;C.因形成“钠汞齐”,故电解过程中玻璃套管下端的银白色液面上升,选项C正确;D.没有注明标准状况下,故无法计算气体体积,选项D错误。
6.Ⅰ.高铁电池作为新型可充电电池,具有放电曲线平坦,高能高容量,原料丰富,绿色无污染等优点。如图为简易的高铁电池的工作装置。已知:放电后,两极都产生红褐色悬浮物。
请回答下列问题:
(1)该电池放电时的总反应的离子方程式为
　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)该电池充电时阳极反应的电极反应式为
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)放电时,此盐桥中阴离子的运动方向是　　　　　　(填“从左向右”或“从右向左”)。
从右向左
(4)电解时,石墨电极连接的a极上放电的物质
为　　　　。(填“Fe”或“NiO2”)
(5)写出电解池中铁电极发生的电极反应式
　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(6)当消耗掉0.1 mol NiO2时,生成高铁酸钾
　　　　 g。
Fe
6.6
B级　素养培优练
选择题有1个或2个选项符合题意
7.电解质浓度不同形成的浓差电池,称为离子浓差电池。以浓差电池为电源,以石墨为电极将NH3转化为高纯H2的装置如图所示。下列说法错误的是(　　)
AD
8.纳米Fe2O3在常压电解法合成氨过程中起催化作用,该电解装置如图所示。已知熔融NaOH—KOH为电解液,Fe2O3在发生反应时生成中间体Fe。下列说法正确的是(　　)
A.惰性电极Ⅱ是电解池的阳极,发生氧
化反应（NA为阿伏加德罗常数）
B.产生2.24 L O2时,转移的电子数为0.4NA
C.惰性电极Ⅰ的电极反应为Fe2O3+3H2O
-6e-===2Fe+6OH-
D.生成氨气的反应为2Fe+N2+3H2O===Fe2O3+2NH3
AD
解析　A.根据图示可知,惰性电极Ⅱ产生氧气,氧元素化合价升高,发生氧化反应,故惰性电极Ⅱ为电解池的阳极,A正确;B.产生2.24 L O2,未标注状态,故不能计算转移的电子数,B错误;C.根据图示可知,惰性电极Ⅰ为阴极,反应得电子,电极反应式为Fe2O3+3H2O+6e-===2Fe+6OH-,C错误;D.结合图示及阴极电极反应式可知,生成氨气的反应为2Fe+N2+3H2O===Fe2O3+2NH3,D正确。
9.电解法处理氮氧化物生产HNO3或硝酸盐有较高的环境效益和经济效益(图中电极均为石墨)。
电解NO制备NH4NO3原理如图1所示:
(1)阳极为　　　　(填“X”或“Y”),Y的电极反应式为
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)为使电解产物完全转化为NH4NO3,需要补充的物质A的化学式为　　　　。
用图2装置进行模拟电解NO2气体实验,可制备硝酸。
(3)电解时NO2发生反应的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　。
(4)若有标准状况下2.24 L NO2被吸收,通过阳离子交换膜(只允许阳离子通过)的H+为　　　　 mol。
Y
NH3
0.1

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