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第四章　化学反应与电能
第二节　电解池
第2课时　电解原理的应用
目
录
知识点二　电镀　电冶金
课时作业
知识点一　电解饱和食盐水
即时演练
知识点三　电解的相关计算
1.变化观念与平衡思想:通过对氯碱工业、电镀、电解精炼铜、电冶金等原理的分析,认识电能与化学能之间的能量转化。2.证据推理与模型认知:建立电解应用问题的分析思维模型和电解相关计算的思维模型,加深对电解原理的理解和应用。
核心素养发展目标
一
知识点一　电解饱和食盐水
1.氯碱工业
烧碱、氯气都是重要的化工原料。习惯上把电解饱和食盐水的工业生产叫做________。
2.电解饱和食盐水的原理
氯碱工业
3.氯碱工业装置
工业生产中,电解饱和食盐水的反应在离子交换膜电解槽中进行。
(1)阳离子交换膜电解槽
(2)阳离子交换膜的作用:只允许Na+等阳离子通过,不允许Cl-、OH-等阴离子及气体分子通过,可以防止阴极产生的____与阳极产生的____混合发生爆炸,也能避免____与阴极产生的________反应而影响NaOH的产量。
氢气
氯气
氯气
NaOH
4.氯碱工业产品及其应用
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。(　 　)
(2)电解饱和食盐水阴极产生的气体可使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝。 (　 　)
(3)氯碱工业电解槽中滴入酚酞溶液,变成红色的区域为阳极区。(　 　)
(4)氯碱工业中,阳极区产生H2和NaOH。(　 　)
(5)利用电解饱和食盐水可制得“84”消毒液。(　 　)
基础诊断
×
×
×
×
√
1.用石墨作电极,电解1 L 0.2 mol·L-1 NaCl溶液的装置如图,当电路中通过0.002 mol e-时,下列说法错误的是 (　 　)
A.滴有酚酞的NaCl溶液变为红色
B.通入44.8 mL HCl,可使电解质溶液恢复到电解前的状态
C.a试管中的气体体积略大于b试管中的
D.A电极的电极反应式仅为2H2O+2e- H2↑+2OH-
B
解析:电解1 L 0.2 mol·L-1 NaCl溶液,有碱生成,溶液显碱性,滴有酚酞的NaCl溶液变为红色,A正确;未注明是否为标准状况下的44.8 mL HCl气体体积,无法计算,B错误;a试管收集到H2,b试管收集到Cl2,理论上产生的气体在相同条件下,体积相同,但反应过程中生成OH-,OH-与Cl2反应,使b试管收集到的Cl2略小于a试管收集到的H2,C正确;B电极先发生反应:2Cl--2e- Cl2↑,Cl-完全放电后会发生反应:4OH--4e- O2↑+2H2O,A电极的电极反应式仅为2H2O+2e- H2↑+2OH-,D正确。
2.“84”消毒液是环境消毒液之一。某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器,用石墨作电极电解饱和食盐水,通电时,为使Cl2被完全吸收制得有较强杀菌能力的消毒液,设计了如图所示的装置。c、d都为石墨电极。
完成下列填空:
(1)a为电源的__(填“正”“负”“阴”或“阳”,下同)极,c为电解池的__极。
(2)d电极的电极反应式:______________________,电解产生消毒液的总化学方程式为____________________________。
负
阳
2H2O+2e- H2↑+2OH-
NaCl+H2O NaClO+H2↑
解析:电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2O 2NaOH+ H2↑+ Cl2↑,该学生的目的是使Cl2被完全吸收制得NaClO溶液,即要让Cl2与NaOH溶液充分混合反应。所以应在下端产生Cl2,上端产生NaOH,则a为负极,b为正极,c为阳极,d为阴极,Cl2和NaOH溶液反应:Cl2+2NaOH
NaCl+NaClO+H2O,故电解产生消毒液的总化学方程式为NaCl+H2O
NaClO+H2↑。
二
知识点二　电镀　电冶金
1.电镀
(1)概念:利用____原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的加工工艺。
(2)目的:使金属增强______能力,增加表面硬度和美观。
(3)实例(在铁件上镀铜)
电解
抗腐蚀
项目 材料 电极反应式
阴极 铁件(镀件) __________________
阳极 铜片(镀层金属) Cu-2e- Cu2+
电镀液 CuSO4溶液(含镀层金属阳离子的盐溶液)
Cu2++2e- Cu
(4)铜的电解精炼
①装置
②粗铜成分
粗铜除铜外还含有比铜活泼的Zn、Ni、Fe等和比铜不活泼的Au、Ag等。
③电极反应
2.电冶金
本质 使矿石中的金属离子获得电子变成金属单质的过程,将它们从其化合物中____出来,如Mn++ne- M
适用 范围 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,如冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属
实例 电解熔融的氯化钠:
阳极反应:________________________;
阴极反应:__________________;
总反应:_______________________________
还原
2Cl--2e- Cl2↑
Na++e- Na
2NaCl(熔融) 2Na+Cl2↑
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)在Fe上电镀Zn,应用Zn作阳极,用ZnSO4溶液作电镀液。(　 　)
(2)电解精炼铜时,粗铜作阳极,活泼性比Cu弱的杂质金属成为阳极泥沉在阳极区。(　 　)
(3)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变。 (　 　)
(4)工业冶炼金属镁时,电解熔融态MgO。 (　 　)
基础诊断
√
√
×
×
(1)电解精炼过程中的“两不等”:电解质溶液浓度在电解前后不相等;阴极增加的质量和阳极减小的质量不相等。
(2)电镀过程中的“一多,一少,一不变”:“一多”指阴极上有镀层金属沉积;“一少”指阳极上有镀层金属溶解;“一不变”指电镀液(电解质溶液)的浓度不变。
归纳提升
1.关于电镀铜和电解精炼铜,下列说法中正确的是 (　 　)
A.都用粗铜作阳极、纯铜作阴极
B.电解液的成分都保持不变
C.阳极反应都只有Cu-2e- Cu2+
D.阴极反应都只有Cu2++2e- Cu
解析:镀铜时,纯铜作阳极,镀件作阴极,A错误;镀铜时,电解液中Cu2+浓度保持不变,电解精炼铜时,电解液中Cu2+浓度减小,B错误;由于粗铜中含有金属性强于铜的锌、铁等杂质,电解精炼铜时,活泼金属首先失去电子,所以还有其他阳极反应,C错误;阴极反应都只发生反应Cu2++2e- Cu,D正确。
D
2.工业上采用电解的方法来制备活泼金属铝。纯净的Al2O3熔点很高(约为2 045 ℃),在实际生产中,通过加入助熔剂冰晶石(Na3AlF6)的办法,使Al2O3在1 000 ℃左右就可与冰晶石形成熔融体。以下说法正确的是 (　 　)
A.电解过程中阳极反应式为Al3++3e- Al
B.电解过程中每产生6.4 g O2,反应所转移电子的物质的量为0.6 mol
C.若生产9 g铝时,阳极损失3.6 g石墨,则石墨被氧化为CO、CO2的物质的量之比为1︰2
D.加入冰晶石(Na3AlF6)的目的是增强电解液的导电性
C
解析:电解池中,阳极发生氧化反应,是O2-发生失电子的反应,电极反应式为2O2--4e- O2↑,故A错误;6.4 g O2的物质的量为=0.2 mol,电解池的阳极反应式为2O2--4e- O2↑,所以生成0.2 mol氧气转移0.8 mol电子,故B错误;9 g铝的物质的量为 mol,阴极反应式为Al3++3e-
Al,则生产9 g铝转移1 mol电子,Al3+得到的电子总物质的量与石墨失去的电子总物质的量相等,设生成CO、CO2的物质的量分别为x、y,3.6 g石墨的物质的量为=0.3 mol,则x+y=0.3 mol,2x+4y=1 mol,解得x=0.1 mol,y=0.2 mol,即石墨被氧化为CO、CO2的物质的量之比为1︰2,故C正确;加入冰晶石(Na3AlF6)的主要目的是降低Al2O3的熔点,故D错误。
三
知识点三　电解的相关计算
1.三个计算原则
(1)阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数。
(2)串联电池中各电极上转移的电子数目相等。
(3)电源输出的电子总数和电解池中各电极上转移的电子数目相等。
2.三种常见计算方法
如以通过4 mol e-为桥梁可构建如下关系式:
4e-~　　　　
阳极产物　　　　　阴极产物
(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)
3.三种常见计算类型
(1)两极产物的定量计算。
(2)溶液pH的计算。
(3)根据转移电子的量求产物的量或根据产物的量求转移电子的量。
1.用惰性电极电解CuCl2和CuSO4的混合溶液(物质的量浓度均为0.1 mol·L-1)500 mL,当阴极析出4.8 g固体时,在阳极可得到标准状况下的气体体积为(　 　)
A.1.68 L　 B.1.4 L　
C.3.36 L　 D.2.24 L
B
解析:CuCl2和CuSO4的混合溶液,物质的量浓度均为0.1 mol·L-1,体积为500 mL,即溶液中的n(Cu2+)=0.1 mol,完全得电子时,析出固体质量为6.4 g,大于4.8 g,则阴极电极反应式为Cu2++2e- Cu,生成4.8 g Cu时,转移0.15 mol电子,阳极:2Cl--2e- Cl2↑,可生成n(Cl2)=0.05 mol,体积为1.12 L(标准状况下),即失去0.1 mol电子,则0.05 mol电子发生2H2O-4e-
4H++O2↑,生成0.012 5 mol氧气,即0.28 L,生成气体合计1.4 L。
2.如图所示,若电解5 min时,测得铜电极的质量增加2.16 g。
试回答下列问题:
(1)电源中X极是__(填“正”或“负”)极。
解析:铜电极增重,说明银在铜电极析出,则铜电极为阴极,X为负极。
负
(2)通电5 min时,B中共收集到224 mL(标准状况)气体,溶液体积为200 mL(电解前后溶液的体积变化忽略不计),则通电前c(CuSO4)=_____________。
解析:C中铜电极增重2.16 g,即析出0.02 mol Ag,线路中通过0.02 mol电子;由4e-~O2可知,B中产生的O2只有0.005 mol,即112 mL;但B中共收集到224 mL气体,说明还有112 mL是H2,即全部Cu2+在阴极放电后,H+接着放电产生了112 mL H2,则通过0.01 mol电子时,Cu2+已被电解完;由2e-~Cu,可知n(Cu2+)=0.005 mol,则c(CuSO4)==0.025 mol·L-1。
0.025 mol·L-1
(3)若A中KCl溶液的体积也是200 mL,电解后溶液中仍有Cl-,则电解后溶液的pH=____(Kw=1.0×10-14)。
解析:由e-~OH-知,A中生成0.02 mol OH-,则c(OH-)=0.1 mol·L-1,pH=13。
13
四
即时演练
A
1.下列描述中不符合生产实际的是 (　 　)
A.电解熔融的Al2O3制取金属铝,用锌作阳极
B.电解法精炼粗铜,用纯铜作阴极
C.电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网作阴极
D.在镀件上电镀锌,用锌作阳极
解析:工业上电解熔融的Al2O3制取金属铝时,用石墨作阳极,若用锌作阳极,电极被损耗,不符合生产实际。
D
2.下列装置能实现铁棒上镀铜的是 (　 　)
解析:A为原电池,电池总反应方程式为Fe+2Fe3+ 3Fe2+,Fe为负极,电极反应式为Fe-2e- Fe2+,错误;B为电解池,Fe为阳极,电极反应式为Fe-2e- Fe2+,Cu为阴极,电极反应式为Cu2++2e- Cu,电解总反应方程式为Fe+Cu2+ Fe2++Cu,错误;C装置中不发生反应,错误;D为电解池,Cu为阳极,电极反应式为Cu-2e- Cu2+,Fe为阴极,电极反应式为Cu2++2e- Cu,能实现铁棒上镀铜,正确。
A
3.在1 L K2SO4和CuSO4的混合溶液中c(S)=2.0 mol·L-1,用石墨电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到22.4 L(标准状况)气体,则原溶液中c(K+)为(　 　)
A.2.0 mol·L-1 B.1.5 mol·L-1
C.1.0 mol·L-1 D.0.5 mol·L-1
解析:阳极发生的反应:2H2O-4e- 4H++O2↑,阴极发生的反应:Cu2++2e-
Cu,2H2O+2e- H2↑+2OH-,两极均收集到22.4 L(标准状况)气体,即均生成1 mol的气体,根据得失电子守恒:2H2~4e-~O2、2Cu~4e-~O2,阳极上生成1 mol O2说明转移4 mol电子,而阴极上生成1 mol H2只得到2 mol电子,所以剩余2 mol电子由Cu2+获得,c(Cu2+)=1 mol·L-1,电解前根据电荷守恒:c(K+)+2c(Cu2+)=2c(S),c(K+)=(2.0×2-1×2) mol·L-1=2.0 mol·L-1。
4.电解是海水资源综合利用的重要手段。
(1)电解饱和食盐水的原理如图所示。
①电解饱和食盐水的化学方程式是________________________________。
解析:电解饱和食盐水生成氢气、氯气和氢氧化钠,化学方程式是2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2↑+H2↑。
②电极a接电源的__(填“正”或“负”)极。
解析:电极a生成氯气,为阳极,连接电源的正极。
③离子交换膜主要允许______________(填离子符号)通过。
解析:为防止氯气和OH-反应,离子交换膜是阳离子交换膜,主要允许阳离子,即Na+(或Na+、H+)通过。
2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2↑+H2↑
正
Na+(或Na+、H+)
(2)海水中有丰富的锂资源,我国科学家研发出利用太阳能从海水中提取金属锂的技术,提取原理如图所示:
①金属锂在电极__(填“A”或“B”)上生成。
解析:根据电子流向,电极A为阴极,发生还原反应,金属锂在电极A上生成。
②阳极产生两种气体单质,写出阳极的电极反应式:___________________ __________________________。
解析:海水中含有Cl-,阳极产生的两种气体单质应为氯气和氧气,阳极的电极反应为2Cl--2e- Cl2↑、2H2O-4e- O2↑+4H+。
A
2Cl--2e- Cl2↑、
2H2O-4e- O2↑+4H+
五
课时作业27
D
1.(3分)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.电解过程中Na+的物质的量不变
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
解析:得电子能力:H+>Na+,电解饱和食盐水时阴极发生反应:2H++2e-
H2↑,故A正确;失电子能力:Cl->OH-,阳极发生反应:2Cl--2e- Cl2↑,故C正确;电解池中,总反应的化学方程式为2NaCl+2H2O 2NaOH+ Cl2↑+H2↑,所以电解过程中Na+的物质的量不变且电解后溶液呈碱性,故B正确,D错误。
D
2.(3分)下列说法不正确的是 (　 　)
A.用如图1所示装置在铁制品表面镀铜,能达到实验目的
B.用如图1所示装置电镀后,可增加铁制品的抗腐蚀能力
C.用如图2所示装置电解精炼粗铜,不能达到实验目的
D.电解精炼粗铜后的电解液中存在:Cu2+、Zn2+、S、Fe2+、Ag+
解析:铜为镀层金属,与电源正极相连,铁制品为镀件,与电源负极相连,CuSO4溶液作电解质溶液,能达到实验目的,A正确;用题图1所示装置电镀后,铁制品表面覆盖一层铜,可增加铁制品的抗腐蚀能力,B正确;电解精炼粗铜时,粗铜作阳极,精铜作阴极,CuSO4溶液作电解质溶液,而题图2装置中粗铜作阴极,精铜作阳极,连接方式错误,故不能达到实验目的,C正确;电解精炼粗铜,由于Cu比Ag活泼,Ag不会在阳极放电,故电解精炼粗铜后的电解液中一定没有Ag+,D错误。
3.(3分)电解法将粗铜(含Zn、Fe、Ag、Pt等杂质)精炼纯铜的装置图如图所示,下列叙述中错误的是 (　 　)
A.a是粗铜,作阳极,发生氧化反应
B.电解时,b极上的电极反应为Cu2++2e- Cu
C.电解时,外电路每通过0.2 mol电子,阳极上减小的Cu为6.4 g
D.电解后,电解槽底部的阳极泥中含有少量Ag、Pt等金属
C
解析:电解精炼粗铜时,粗铜作阳极、纯铜作阴极,即a是粗铜,作阳极,发生氧化反应,A正确;精铜连接电源的负极,阴极发生还原反应,b极上的电极反应式为Cu2++2e- Cu,B正确;粗铜作阳极,阳极连接原电池正极,铜、铁、锌等失电子发生氧化反应,阳极反应式为Cu-2e- Cu2+、Fe-2e-
Fe2+、Zn-2e- Zn2+,故电解时,外电路每通过0.2 mol电子,阳极上减小的Cu的质量不为6.4 g,C错误;电解后,电解槽底部会形成含有少量Ag、Pt等金属的阳极泥,D正确。
A
4.(3分)工业上用电解法精炼粗铅(主要杂质为Cu、Ag、Zn)的装置如下图。已知:H2SiF6为强酸,PbSiF6的电离方程式为PbSiF6 Pb2++Si。下列说法正确的是(　 　)
A.Y极材料为粗铅
B.通电过程中,溶液中c(Pb2+)不变
C.通电时,Si向X极移动
D.阳极泥的成分包括Cu、Ag和Zn
解析:电解法精炼粗铅时,粗铅作为阳极,与外接直流电源正极相连,放在Y极,A项正确;Zn比Pb活泼,通电过程中由于阳极上Zn先放电,阴极上Pb2+先得电子,所以阳极泥的成分不包括Zn,溶液中c(Pb2+)降低,B、D项错误;通电时,阴离子向阳极移动,故Si向Y极移动,C项错误。
5.(3分)用电解法可提纯含有某些含氧酸根离子杂质的粗KOH溶液,其工作原理如图所示。下列有关说法错误的是 (　 　)
A.纯净的KOH溶液从a出口导出
B.通电后阴极区附近溶液pH会增大
C.K+通过阳离子交换膜从阳极区移向阴极区
D.阳极的电极反应式为4OH--4e- 2H2O+O2↑
A
解析:在右侧电极附近产生OH-,K+向右侧电极移动,所以纯净的KOH溶液从b出口导出,A错误;电解时,阴极电极反应式为2H2O+2e- H2↑ +2OH-,c(OH-)增大,溶液的pH增大,B正确;电解时阳离子向阴极移动,故K+通过阳离子交换膜从阳极区移向阴极区,C正确;电解除杂过程相当于电解水,阳极反应式为4OH--4e- 2H2O+O2↑,D正确。
B
6. (3分)研究发现,可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF2-CaO作电解质,利用图示装置获得金属钙,并以钙为还原剂还原TiO2制备金属钛。下列说法不正确的是(　 　)
A.由TiO2制得1 mol金属Ti,理论上外电路转移4 mol电子
B.阳极的电极反应式为2O2--4e- O2↑
C.在制备金属钛前后,整套装置中CaO的总量不会减少
D.装置中石墨电极材料需要定期更换
解析:钙还原TiO2反应的化学方程式为2Ca+TiO2 Ti+2CaO,由TiO2制得1 mol金属Ti,消耗2 mol Ca,电解池中阴极反应式为Ca2++2e-
Ca,则生成2 mol Ca外电路中转移4 mol电子,A正确;阳极上电极反应式为C+2O2--4e- CO2↑,B错误;电解池总反应为2CaO+C 2Ca+ CO2↑,制备金属钛的反应为2Ca+TiO2 Ti+2CaO,所以在制备金属Ti前后,CaO的总量不会减少,C正确;阳极电极反应式为C+2O2--4e-
CO2↑,C不断被消耗,装置中石墨电极材料需要定期更换,D正确。
7.(3分)电解法可以对含亚硝酸盐(如NaNO2)的污水进行处理(工作原理如下图所示)。通电后,左极区产生浅绿色溶液,随后生成无色气体。已知阳离子交换膜只允许阳离子通过,阴离子交换膜只允许阴离子通过。下列说法不正确的是 (　 　)
A.阳极电极反应式为Fe-2e- Fe2+
B.阳极附近溶液中反应的离子方程式为
6Fe2++2N+8H+ 6Fe3++N2↑+4H2O
C.该电解装置所使用的离子交换膜为阴离子交换膜
D.电解一段时间,产生的N2和H2的物质的量之比为1︰6
C
解析:左侧与正极相连的Fe电极为阳极,电极反应式为Fe-2e- Fe2+,生成的Fe2+具有还原性,在阳极附近溶液中发生反应6Fe2++2N+8H+ 6Fe3++ N2↑+4H2O,阴极上溶液中的H+发生还原反应生成H2,A、B正确;阳极区生成Fe3+,但出去的溶液为Na2SO4溶液,阴极区流出Fe2(SO4)3溶液,故Fe3+透过离子交换膜向右侧迁移,故离子交换膜是阳离子交换膜,C错误;根据反应中得失电子守恒得N2~6Fe2+~12e-~6H2,则产生的N2和H2的物质的量之比为1︰6,D正确。
8.(12分)回答下列问题。
(1)如图,装置Ⅰ为CO燃料电池(电解质溶液为KOH溶液),通过装置Ⅱ实现铁棒上镀铜。
①a处电极上发生的电极反应式是________________________________。
解析:装置Ⅰ为CO燃料电池(电解质溶液为KOH溶液),通过装置Ⅱ实现铁棒上镀铜,故电解池中Fe电极为阴极,Cu电极为阳极,则装置Ⅰ中a处电极为负极,b处电极为正极,a侧通入的为CO,b侧通入的为氧气。由分析得,a处电极为负极,电极反应式为CO-2e-+4OH- C+2H2O。
CO-2e-+4OH- C+2H2O
②电镀结束后,装置Ⅰ中溶液的pH____(填“变大”“变小”或“不变”)。
解析:电镀结束后,装置Ⅰ中总反应为2CO+O2+4KOH 2K2CO3+2H2O,溶液的OH-浓度降低,pH变小。
③在此过程中若装置Ⅱ中阴极质量变化12.8 g,则装置Ⅰ中理论上消耗CO ________ L(标准状况下)。
解析:在此过程中若装置Ⅱ中阴极质量变化12.8 g,即生成0.2 mol Cu,转移0.4 mol e-,由数量关系CO~2e-得,装置Ⅰ中理论上消耗0.2 mol CO,标准状况下体积为4.48 L。
变小
4.48
(2)若将装置Ⅱ改为精炼铜装置(粗铜含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质),电解质溶液为CuSO4溶液,则下列说法中正确的是__(填字母)。
A.电解过程中,阳极减少的质量与阴极增加的质量相等
B.装置Ⅱ左侧电极为粗铜,发生还原反应
C.CuSO4溶液的浓度保持不变
D.杂质中Ag、Pt、Au以单质的形式沉淀到池底
D
解析:电解过程中,阳极为粗铜,粗铜中比Cu活泼的多种金属优先放电,然后Cu放电,阴极为纯铜,只有Cu2+得电子析出,故阳极减少的质量与阴极增加的质量不相等,CuSO4溶液的浓度减小,故A、C错误;装置Ⅱ左侧电极为阳极,电极材料为粗铜,发生氧化反应,故B错误;阳极为粗铜,比Cu活泼的多种金属如Zn、Fe等放电生成金属阳离子进入溶液,比铜活动性差的金属如Au、Ag、Pt等形成阳极泥,以单质的形式沉淀到池底,故D正确。
(3)若将装置Ⅱ中两极改为惰性电极,电解100 mL 0.1 mol·L-1的CuSO4溶液,通电一段时间后,阳极产生224 mL(标准状况)气体,电解结束后,若只加一种物质恰好恢复到电解前的浓度和酸碱性,该物质化学式是__________,加入的质量为____________。
Cu(OH)2
0.98 g
解析:用惰性电极电解100 mL 0.1 mol·L-1的CuSO4溶液,n(CuSO4)=0.01 mol,阳极发生反应为4H2O-4e- O2↑+4H+,通电一段时间后,阳极产生224 mL(标准状况)气体,即氧气为0.01 mol,则转移0.04 mol电子,阴极上先发生反应:Cu2++2e- Cu,0.01 mol Cu2+得到0.02 mol电子,然后继续发生反应:2H++2e- H2↑,0.02 mol H+得到0.02 mol电子,产生0.01 mol氢气,总共相当于电解了0.01 mol CuO和0.01 mol水,故电解结束后,加入的物质可以是0.01 mol Cu(OH)2,质量为0.98 g。
9.(12分)电化学在生产、生活和科学研究中应用十分广泛,认识和研究化学能与电能相互转化的原理和规律具有重要意义。
Ⅰ.将K2MnO4溶液采用惰性电极隔膜法电解,可制得KMnO4,装置如图:
(1)电极a的电极反应式为___________________________。
解析:将K2MnO4溶液采用惰性电极隔膜法电解,可制得KMnO4,Mn元素的化合价升高,由题图信息可知,a极为阳极,Mn失电子发生氧化反应,b极为阴极,H2O得到电子发生还原反应产生氢气;电极a的电极反应式为Mn。
Mn
(2)K+的移动方向________(填“由a到b”或“由b到a”);产物D是____________。
解析:阳离子向阴极移动,所以移动方向为由a到b;b极为阴极,H2O得到电子发生还原反应产生氢气,电极反应式为2H2O+2e- 2OH-+H2↑,溶液中OH-浓度增大,K+通过阳离子交换膜转移到阴极区,所以D是浓KOH溶液。
由a到b
浓KOH溶液
Ⅱ.乙醇是一种重要的化工原料和新型燃料。回答下列问题(乙装置A、B均为惰性电极)。
(3)图中甲装置的负极反应式为___________________________________。
解析:由题图可知,甲池为燃料电池,左侧电极为燃料电池的负极,碱性条件下乙醇在负极失去电子发生氧化反应生成C和水,右侧电极为正极,水分子作用下氧气在正极得到电子发生还原反应生成OH-;甲装置的负极反应式为C2H5OH-12e-+16OH- 2C+11H2O。
C2H5OH-12e-+16OH- 2C+11H2O
(4)若利用丙装置在铁钥匙上镀锌,工作一段时间后,若丙池阴极增重26 g,乙池中装有500 mL 0.4 mol·L-1 CuSO4溶液,则乙池中产生气体的体积为________ L(标准状况),要使乙池中的溶液恢复原样应向溶液加入适量的____________(填化学式)。
解析:丙池为电解池,在电镀中,镀件作阴极,镀层金属作阳极,则丙池阴极反应为Zn2++2e- Zn,丙池阴极增重26 g,生成0.4 mol Zn,转移0.8 mol电子;乙池为电解CuSO4溶液的电解池,A电极为电解池的阳极,电极反应为2H2O-4e- 4H++O2↑;B电极为阴极,电极反应为Cu2++2e- Cu,乙池中装有500 mL 0.4 mol·L-1 CuSO4溶液,含有0.2 mol Cu2+,丙池阴极增重26 g时,电路中转移0.8 mol电子,故乙池中先电解CuSO4溶液,后电解水,阳极
8.96
Cu(OH)2
始终生成氧气,生成0.2 mol氧气,阴极先析出0.2 mol Cu,转移0.4 mol电子,后发生反应2H2O+2e- 2OH-+H2↑,生成0.2 mol氢气,气体总体积为0.4 mol×22.4 L·mol-1=8.96 L。乙池中依次发生反应:2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4、2H2O 2H2↑+O2↑,相当于溶液中减少了0.2 mol CuO和0.2 mol H2O,因Cu(OH)2可看作CuO·H2O,故加入0.2 mol Cu(OH)2即可使溶液恢复原样。
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本课结束第2课时　电解原理的应用
1.变化观念与平衡思想:通过对氯碱工业、电镀、电解精炼铜、电冶金等原理的分析,认识电能与化学能之间的能量转化。2.证据推理与模型认知:建立电解应用问题的分析思维模型和电解相关计算的思维模型,加深对电解原理的理解和应用。
知识点一　电解饱和食盐水
1.氯碱工业
烧碱、氯气都是重要的化工原料。习惯上把电解饱和食盐水的工业生产叫做氯碱工业。
2.电解饱和食盐水的原理
3.氯碱工业装置
工业生产中,电解饱和食盐水的反应在离子交换膜电解槽中进行。
(1)阳离子交换膜电解槽
(2)阳离子交换膜的作用:只允许Na+等阳离子通过,不允许Cl-、OH-等阴离子及气体分子通过,可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合发生爆炸,也能避免氯气与阴极产生的NaOH反应而影响NaOH的产量。
4.氯碱工业产品及其应用
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。(　×　)
(2)电解饱和食盐水阴极产生的气体可使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝。 (　×　)
(3)氯碱工业电解槽中滴入酚酞溶液,变成红色的区域为阳极区。(　×　)
(4)氯碱工业中,阳极区产生H2和NaOH。(　×　)
(5)利用电解饱和食盐水可制得“84”消毒液。 (　√　)
1.用石墨作电极,电解1 L 0.2 mol·L-1 NaCl溶液的装置如图,当电路中通过0.002 mol e-时,下列说法错误的是 (　B　)
A.滴有酚酞的NaCl溶液变为红色
B.通入44.8 mL HCl,可使电解质溶液恢复到电解前的状态
C.a试管中的气体体积略大于b试管中的
D.A电极的电极反应式仅为2H2O+2e-H2↑+2OH-
解析:电解1 L 0.2 mol·L-1 NaCl溶液,有碱生成,溶液显碱性,滴有酚酞的NaCl溶液变为红色,A正确;未注明是否为标准状况下的44.8 mL HCl气体体积,无法计算,B错误;a试管收集到H2,b试管收集到Cl2,理论上产生的气体在相同条件下,体积相同,但反应过程中生成OH-,OH-与Cl2反应,使b试管收集到的Cl2略小于a试管收集到的H2,C正确;B电极先发生反应:2Cl--2e-Cl2↑,Cl-完全放电后会发生反应:4OH--4e-O2↑+2H2O,A电极的电极反应式仅为2H2O+2e-H2↑+2OH-,D正确。
2.“84”消毒液是环境消毒液之一。某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器,用石墨作电极电解饱和食盐水,通电时,为使Cl2被完全吸收制得有较强杀菌能力的消毒液,设计了如图所示的装置。c、d都为石墨电极。
完成下列填空:
(1)a为电源的负(填“正”“负”“阴”或“阳”,下同)极,c为电解池的阳极。
(2)d电极的电极反应式:2H2O+2e-H2↑+2OH-,电解产生消毒液的总化学方程式为NaCl+H2ONaClO+H2↑。
解析:电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,该学生的目的是使Cl2被完全吸收制得NaClO溶液,即要让Cl2与NaOH溶液充分混合反应。所以应在下端产生Cl2,上端产生NaOH,则a为负极,b为正极,c为阳极,d为阴极,Cl2和NaOH溶液反应:Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O,故电解产生消毒液的总化学方程式为NaCl+H2ONaClO+H2↑。
知识点二　电镀　电冶金
1.电镀
(1)概念:利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加工工艺。
(2)目的:使金属增强抗腐蚀能力,增加表面硬度和美观。
(3)实例(在铁件上镀铜)
项目 材料 电极反应式
阴极 铁件(镀件) Cu2++2e-Cu
阳极 铜片(镀层金属) Cu-2e-Cu2+
电镀液 CuSO4溶液(含镀层金属阳离子的盐溶液)
(4)铜的电解精炼
①装置
②粗铜成分
粗铜除铜外还含有比铜活泼的Zn、Ni、Fe等和比铜不活泼的Au、Ag等。
③电极反应
2.电冶金
本质 使矿石中的金属离子获得电子变成金属单质的过程,将它们从其化合物中还原出来,如Mn++ne-M
适用 范围 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,如冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属
实例 电解熔融的氯化钠: 阳极反应:2Cl--2e-Cl2↑; 阴极反应:Na++e-Na; 总反应:2NaCl(熔融) 2Na+Cl2↑
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)在Fe上电镀Zn,应用Zn作阳极,用ZnSO4溶液作电镀液。 (　√　)
(2)电解精炼铜时,粗铜作阳极,活泼性比Cu弱的杂质金属成为阳极泥沉在阳极区。(　√　)
(3)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变。 (　×　)
(4)工业冶炼金属镁时,电解熔融态MgO。 (　×　)
(1)电解精炼过程中的“两不等”:电解质溶液浓度在电解前后不相等;阴极增加的质量和阳极减小的质量不相等。
(2)电镀过程中的“一多,一少,一不变”:“一多”指阴极上有镀层金属沉积;“一少”指阳极上有镀层金属溶解;“一不变”指电镀液(电解质溶液)的浓度不变。
1.关于电镀铜和电解精炼铜,下列说法中正确的是 (　D　)
A.都用粗铜作阳极、纯铜作阴极
B.电解液的成分都保持不变
C.阳极反应都只有Cu-2e-Cu2+
D.阴极反应都只有Cu2++2e-Cu
解析:镀铜时,纯铜作阳极,镀件作阴极,A错误;镀铜时,电解液中Cu2+浓度保持不变,电解精炼铜时,电解液中Cu2+浓度减小,B错误;由于粗铜中含有金属性强于铜的锌、铁等杂质,电解精炼铜时,活泼金属首先失去电子,所以还有其他阳极反应,C错误;阴极反应都只发生反应Cu2++2e-Cu,D正确。
2.工业上采用电解的方法来制备活泼金属铝。纯净的Al2O3熔点很高(约为2 045 ℃),在实际生产中,通过加入助熔剂冰晶石(Na3AlF6)的办法,使Al2O3在1 000 ℃左右就可与冰晶石形成熔融体。以下说法正确的是 (　C　)
A.电解过程中阳极反应式为Al3++3e-Al
B.电解过程中每产生6.4 g O2,反应所转移电子的物质的量为0.6 mol
C.若生产9 g铝时,阳极损失3.6 g石墨,则石墨被氧化为CO、CO2的物质的量之比为1︰2
D.加入冰晶石(Na3AlF6)的目的是增强电解液的导电性
解析:电解池中,阳极发生氧化反应,是O2-发生失电子的反应,电极反应式为2O2--4e-O2↑,故A错误;6.4 g O2的物质的量为=0.2 mol,电解池的阳极反应式为2O2--4e-O2↑,所以生成0.2 mol氧气转移0.8 mol电子,故B错误;9 g铝的物质的量为 mol,阴极反应式为Al3++3e-Al,则生产9 g铝转移1 mol电子,Al3+得到的电子总物质的量与石墨失去的电子总物质的量相等,设生成CO、CO2的物质的量分别为x、y,3.6 g石墨的物质的量为=0.3 mol,则x+y=0.3 mol,2x+4y=1 mol,解得x=0.1 mol,y=0.2 mol,即石墨被氧化为CO、CO2的物质的量之比为1︰2,故C正确;加入冰晶石(Na3AlF6)的主要目的是降低Al2O3的熔点,故D错误。
知识点三　电解的相关计算
1.三个计算原则
(1)阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数。
(2)串联电池中各电极上转移的电子数目相等。
(3)电源输出的电子总数和电解池中各电极上转移的电子数目相等。
2.三种常见计算方法
如以通过4 mol e-为桥梁可构建如下关系式:
4e-~　　　　
阳极产物　　　　　阴极产物
(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)
3.三种常见计算类型
(1)两极产物的定量计算。
(2)溶液pH的计算。
(3)根据转移电子的量求产物的量或根据产物的量求转移电子的量。
1.用惰性电极电解CuCl2和CuSO4的混合溶液(物质的量浓度均为0.1 mol·L-1)500 mL,当阴极析出4.8 g固体时,在阳极可得到标准状况下的气体体积为(　B　)
A.1.68 L　 B.1.4 L　
C.3.36 L　 D.2.24 L
解析:CuCl2和CuSO4的混合溶液,物质的量浓度均为0.1 mol·L-1,体积为500 mL,即溶液中的n(Cu2+)=0.1 mol,完全得电子时,析出固体质量为6.4 g,大于4.8 g,则阴极电极反应式为Cu2++2e-Cu,生成4.8 g Cu时,转移0.15 mol电子,阳极:2Cl--2e-Cl2↑,可生成n(Cl2)=0.05 mol,体积为1.12 L(标准状况下),即失去0.1 mol电子,则0.05 mol电子发生2H2O-4e-4H++O2↑,生成0.012 5 mol氧气,即0.28 L,生成气体合计1.4 L。
2.如图所示,若电解5 min时,测得铜电极的质量增加2.16 g。
试回答下列问题:
(1)电源中X极是负(填“正”或“负”)极。
(2)通电5 min时,B中共收集到224 mL(标准状况)气体,溶液体积为200 mL(电解前后溶液的体积变化忽略不计),则通电前c(CuSO4)=0.025 mol·L-1。
(3)若A中KCl溶液的体积也是200 mL,电解后溶液中仍有Cl-,则电解后溶液的pH=13(Kw=1.0×10-14)。
解析:(1)铜电极增重,说明银在铜电极析出,则铜电极为阴极,X为负极。(2)C中铜电极增重2.16 g,即析出0.02 mol Ag,线路中通过0.02 mol电子;由4e-~O2可知,B中产生的O2只有0.005 mol,即112 mL;但B中共收集到224 mL气体,说明还有112 mL是H2,即全部Cu2+在阴极放电后,H+接着放电产生了112 mL H2,则通过0.01 mol电子时,Cu2+已被电解完;由2e-~Cu,可知n(Cu2+)=0.005 mol,则c(CuSO4)==0.025 mol·L-1。(3)由e-~OH-知,A中生成0.02 mol OH-,则c(OH-)=0.1 mol·L-1,pH=13。
1.下列描述中不符合生产实际的是 (　A　)
A.电解熔融的Al2O3制取金属铝,用锌作阳极
B.电解法精炼粗铜,用纯铜作阴极
C.电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网作阴极
D.在镀件上电镀锌,用锌作阳极
解析:工业上电解熔融的Al2O3制取金属铝时,用石墨作阳极,若用锌作阳极,电极被损耗,不符合生产实际。
2.下列装置能实现铁棒上镀铜的是 (　D　)
解析:A为原电池,电池总反应方程式为Fe+2Fe3+3Fe2+,Fe为负极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+,错误;B为电解池,Fe为阳极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+,Cu为阴极,电极反应式为Cu2++2e-Cu,电解总反应方程式为Fe+Cu2+Fe2++Cu,错误;C装置中不发生反应,错误;D为电解池,Cu为阳极,电极反应式为Cu-2e-Cu2+,Fe为阴极,电极反应式为Cu2++2e-Cu,能实现铁棒上镀铜,正确。
3.在1 L K2SO4和CuSO4的混合溶液中c(S)=2.0 mol·L-1,用石墨电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到22.4 L(标准状况)气体,则原溶液中c(K+)为(　A　)
A.2.0 mol·L-1 B.1.5 mol·L-1
C.1.0 mol·L-1 D.0.5 mol·L-1
解析:阳极发生的反应:2H2O-4e-4H++O2↑,阴极发生的反应:Cu2++2e-Cu,2H2O+2e-H2↑+2OH-,两极均收集到22.4 L(标准状况)气体,即均生成1 mol的气体,根据得失电子守恒:2H2~4e-~O2、2Cu~4e-~O2,阳极上生成1 mol O2说明转移4 mol电子,而阴极上生成1 mol H2只得到2 mol电子,所以剩余2 mol电子由Cu2+获得,c(Cu2+)=1 mol·L-1,电解前根据电荷守恒:c(K+)+2c(Cu2+)=2c(S),c(K+)=(2.0×2-1×2) mol·L-1=2.0 mol·L-1。
4.电解是海水资源综合利用的重要手段。
(1)电解饱和食盐水的原理如图所示。
①电解饱和食盐水的化学方程式是2NaCl+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑。
②电极a接电源的正(填“正”或“负”)极。
③离子交换膜主要允许Na+(或Na+、H+)(填离子符号)通过。
(2)海水中有丰富的锂资源,我国科学家研发出利用太阳能从海水中提取金属锂的技术,提取原理如图所示:
①金属锂在电极A(填“A”或“B”)上生成。
②阳极产生两种气体单质,写出阳极的电极反应式:2Cl--2e-Cl2↑、2H2O-4e-O2↑+4H+。
解析:(1)①电解饱和食盐水生成氢气、氯气和氢氧化钠,化学方程式是2NaCl+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑。②电极a生成氯气,为阳极,连接电源的正极。③为防止氯气和OH-反应,离子交换膜是阳离子交换膜,主要允许阳离子,即Na+(或Na+、H+)通过。(2)①根据电子流向,电极A为阴极,发生还原反应,金属锂在电极A上生成。②海水中含有Cl-,阳极产生的两种气体单质应为氯气和氧气,阳极的电极反应为2Cl--2e-Cl2↑、2H2O-4e-O2↑+4H+。
(总分:45分)
1.(3分)用石墨电极电解饱和食盐水,下列分析错误的是 (　D　)
A.得电子能力:H+>Na+,故阴极得到H2
B.电解过程中Na+的物质的量不变
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
解析:得电子能力:H+>Na+,电解饱和食盐水时阴极发生反应:2H++2e-H2↑,故A正确;失电子能力:Cl->OH-,阳极发生反应:2Cl--2e-Cl2↑,故C正确;电解池中,总反应的化学方程式为2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2↑+H2↑,所以电解过程中Na+的物质的量不变且电解后溶液呈碱性,故B正确,D错误。
2.(3分)下列说法不正确的是 (　D　)
A.用如图1所示装置在铁制品表面镀铜,能达到实验目的
B.用如图1所示装置电镀后,可增加铁制品的抗腐蚀能力
C.用如图2所示装置电解精炼粗铜,不能达到实验目的
D.电解精炼粗铜后的电解液中存在:Cu2+、Zn2+、S、Fe2+、Ag+
解析:铜为镀层金属,与电源正极相连,铁制品为镀件,与电源负极相连,CuSO4溶液作电解质溶液,能达到实验目的,A正确;用题图1所示装置电镀后,铁制品表面覆盖一层铜,可增加铁制品的抗腐蚀能力,B正确;电解精炼粗铜时,粗铜作阳极,精铜作阴极,CuSO4溶液作电解质溶液,而题图2装置中粗铜作阴极,精铜作阳极,连接方式错误,故不能达到实验目的,C正确;电解精炼粗铜,由于Cu比Ag活泼,Ag不会在阳极放电,故电解精炼粗铜后的电解液中一定没有Ag+,D错误。
3.(3分)电解法将粗铜(含Zn、Fe、Ag、Pt等杂质)精炼纯铜的装置图如图所示,下列叙述中错误的是 (　C　)
A.a是粗铜,作阳极,发生氧化反应
B.电解时,b极上的电极反应为Cu2++2e-Cu
C.电解时,外电路每通过0.2 mol电子,阳极上减小的Cu为6.4 g
D.电解后,电解槽底部的阳极泥中含有少量Ag、Pt等金属
解析:电解精炼粗铜时,粗铜作阳极、纯铜作阴极,即a是粗铜,作阳极,发生氧化反应,A正确;精铜连接电源的负极,阴极发生还原反应,b极上的电极反应式为Cu2++2e-Cu,B正确;粗铜作阳极,阳极连接原电池正极,铜、铁、锌等失电子发生氧化反应,阳极反应式为Cu-2e-Cu2+、Fe-2e-Fe2+、Zn-2e-Zn2+,故电解时,外电路每通过0.2 mol电子,阳极上减小的Cu的质量不为6.4 g,C错误;电解后,电解槽底部会形成含有少量Ag、Pt等金属的阳极泥,D正确。
4.(3分)工业上用电解法精炼粗铅(主要杂质为Cu、Ag、Zn)的装置如下图。已知:H2SiF6为强酸,PbSiF6的电离方程式为PbSiF6Pb2++Si。下列说法正确的是 (　A　)
A.Y极材料为粗铅
B.通电过程中,溶液中c(Pb2+)不变
C.通电时,Si向X极移动
D.阳极泥的成分包括Cu、Ag和Zn
解析:电解法精炼粗铅时,粗铅作为阳极,与外接直流电源正极相连,放在Y极,A项正确;Zn比Pb活泼,通电过程中由于阳极上Zn先放电,阴极上Pb2+先得电子,所以阳极泥的成分不包括Zn,溶液中c(Pb2+)降低,B、D项错误;通电时,阴离子向阳极移动,故Si向Y极移动,C项错误。
5.(3分)用电解法可提纯含有某些含氧酸根离子杂质的粗KOH溶液,其工作原理如图所示。下列有关说法错误的是 (　A　)
A.纯净的KOH溶液从a出口导出
B.通电后阴极区附近溶液pH会增大
C.K+通过阳离子交换膜从阳极区移向阴极区
D.阳极的电极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑
解析:在右侧电极附近产生OH-,K+向右侧电极移动,所以纯净的KOH溶液从b出口导出,A错误;电解时,阴极电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,c(OH-)增大,溶液的pH增大,B正确;电解时阳离子向阴极移动,故K+通过阳离子交换膜从阳极区移向阴极区,C正确;电解除杂过程相当于电解水,阳极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑,D正确。
6. (3分)研究发现,可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF2-CaO作电解质,利用图示装置获得金属钙,并以钙为还原剂还原TiO2制备金属钛。下列说法不正确的是(　B　)
A.由TiO2制得1 mol金属Ti,理论上外电路转移4 mol电子
B.阳极的电极反应式为2O2--4e-O2↑
C.在制备金属钛前后,整套装置中CaO的总量不会减少
D.装置中石墨电极材料需要定期更换
解析:钙还原TiO2反应的化学方程式为2Ca+TiO2Ti+2CaO,由TiO2制得1 mol金属Ti,消耗2 mol Ca,电解池中阴极反应式为Ca2++2e-Ca,则生成2 mol Ca外电路中转移4 mol电子,A正确;阳极上电极反应式为C+2O2--4e-CO2↑,B错误;电解池总反应为2CaO+C2Ca+CO2↑,制备金属钛的反应为2Ca+TiO2Ti+2CaO,所以在制备金属Ti前后,CaO的总量不会减少,C正确;阳极电极反应式为C+2O2--4e-CO2↑,C不断被消耗,装置中石墨电极材料需要定期更换,D正确。
7.(3分)电解法可以对含亚硝酸盐(如NaNO2)的污水进行处理(工作原理如下图所示)。通电后,左极区产生浅绿色溶液,随后生成无色气体。已知阳离子交换膜只允许阳离子通过,阴离子交换膜只允许阴离子通过。下列说法不正确的是 (　C　)
A.阳极电极反应式为Fe-2e-Fe2+
B.阳极附近溶液中反应的离子方程式为6Fe2++2N+8H+6Fe3++N2↑+4H2O
C.该电解装置所使用的离子交换膜为阴离子交换膜
D.电解一段时间,产生的N2和H2的物质的量之比为1︰6
解析:左侧与正极相连的Fe电极为阳极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+,生成的Fe2+具有还原性,在阳极附近溶液中发生反应6Fe2++2N+8H+6Fe3++N2↑+4H2O,阴极上溶液中的H+发生还原反应生成H2,A、B正确;阳极区生成Fe3+,但出去的溶液为Na2SO4溶液,阴极区流出Fe2(SO4)3溶液,故Fe3+透过离子交换膜向右侧迁移,故离子交换膜是阳离子交换膜,C错误;根据反应中得失电子守恒得N2~6Fe2+~12e-~6H2,则产生的N2和H2的物质的量之比为1︰6,D正确。
8.(12分)回答下列问题。
(1)如图,装置Ⅰ为CO燃料电池(电解质溶液为KOH溶液),通过装置Ⅱ实现铁棒上镀铜。
①a处电极上发生的电极反应式是CO-2e-+4OH-C+2H2O。
②电镀结束后,装置Ⅰ中溶液的pH变小(填“变大”“变小”或“不变”)。
③在此过程中若装置Ⅱ中阴极质量变化12.8 g,则装置Ⅰ中理论上消耗CO 4.48 L(标准状况下)。
(2)若将装置Ⅱ改为精炼铜装置(粗铜含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质),电解质溶液为CuSO4溶液,则下列说法中正确的是D(填字母)。
A.电解过程中,阳极减少的质量与阴极增加的质量相等
B.装置Ⅱ左侧电极为粗铜,发生还原反应
C.CuSO4溶液的浓度保持不变
D.杂质中Ag、Pt、Au以单质的形式沉淀到池底
(3)若将装置Ⅱ中两极改为惰性电极,电解100 mL 0.1 mol·L-1的CuSO4溶液,通电一段时间后,阳极产生224 mL(标准状况)气体,电解结束后,若只加一种物质恰好恢复到电解前的浓度和酸碱性,该物质化学式是Cu(OH)2,加入的质量为0.98 g。
解析:(1)装置Ⅰ为CO燃料电池(电解质溶液为KOH溶液),通过装置Ⅱ实现铁棒上镀铜,故电解池中Fe电极为阴极,Cu电极为阳极,则装置Ⅰ中a处电极为负极,b处电极为正极,a侧通入的为CO,b侧通入的为氧气。①由分析得,a处电极为负极,电极反应式为CO-2e-+4OH-C+2H2O。②电镀结束后,装置Ⅰ中总反应为2CO+O2+4KOH2K2CO3+2H2O,溶液的OH-浓度降低,pH变小。③在此过程中若装置Ⅱ中阴极质量变化12.8 g,即生成0.2 mol Cu,转移0.4 mol e-,由数量关系CO~2e-得,装置Ⅰ中理论上消耗0.2 mol CO,标准状况下体积为4.48 L。(2)电解过程中,阳极为粗铜,粗铜中比Cu活泼的多种金属优先放电,然后Cu放电,阴极为纯铜,只有Cu2+得电子析出,故阳极减少的质量与阴极增加的质量不相等,CuSO4溶液的浓度减小,故A、C错误;装置Ⅱ左侧电极为阳极,电极材料为粗铜,发生氧化反应,故B错误;阳极为粗铜,比Cu活泼的多种金属如Zn、Fe等放电生成金属阳离子进入溶液,比铜活动性差的金属如Au、Ag、Pt等形成阳极泥,以单质的形式沉淀到池底,故D正确。(3)用惰性电极电解100 mL 0.1 mol·L-1的CuSO4溶液,n(CuSO4)=0.01 mol,阳极发生反应为4H2O-4e-O2↑+4H+,通电一段时间后,阳极产生224 mL(标准状况)气体,即氧气为0.01 mol,则转移0.04 mol电子,阴极上先发生反应:Cu2++2e-Cu,0.01 mol Cu2+得到0.02 mol电子,然后继续发生反应:2H++2e-H2↑,0.02 mol H+得到0.02 mol电子,产生0.01 mol氢气,总共相当于电解了0.01 mol CuO和0.01 mol水,故电解结束后,加入的物质可以是0.01 mol Cu(OH)2,质量为0.98 g。
9.(12分)电化学在生产、生活和科学研究中应用十分广泛,认识和研究化学能与电能相互转化的原理和规律具有重要意义。
Ⅰ.将K2MnO4溶液采用惰性电极隔膜法电解,可制得KMnO4,装置如图:
(1)电极a的电极反应式为Mn。
(2)K+的移动方向由a到b(填“由a到b”或“由b到a”);产物D是浓KOH溶液。
Ⅱ.乙醇是一种重要的化工原料和新型燃料。回答下列问题(乙装置A、B均为惰性电极)。
(3)图中甲装置的负极反应式为C2H5OH-12e-+16OH-2C+11H2O。
(4)若利用丙装置在铁钥匙上镀锌,工作一段时间后,若丙池阴极增重26 g,乙池中装有500 mL 0.4 mol·L-1 CuSO4溶液,则乙池中产生气体的体积为8.96 L(标准状况),要使乙池中的溶液恢复原样应向溶液加入适量的Cu(OH)2(填化学式)。
解析:(1)将K2MnO4溶液采用惰性电极隔膜法电解,可制得KMnO4,Mn元素的化合价升高,由题图信息可知,a极为阳极,Mn失电子发生氧化反应,b极为阴极,H2O得到电子发生还原反应产生氢气;电极a的电极反应式为Mn。(2)阳离子向阴极移动,所以移动方向为由a到b;b极为阴极,H2O得到电子发生还原反应产生氢气,电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑,溶液中OH-浓度增大,K+通过阳离子交换膜转移到阴极区,所以D是浓KOH溶液。(3)由题图可知,甲池为燃料电池,左侧电极为燃料电池的负极,碱性条件下乙醇在负极失去电子发生氧化反应生成C和水,右侧电极为正极,水分子作用下氧气在正极得到电子发生还原反应生成OH-;甲装置的负极反应式为C2H5OH-12e-+16OH-2C+11H2O。(4)丙池为电解池,在电镀中,镀件作阴极,镀层金属作阳极,则丙池阴极反应为Zn2++2e-Zn,丙池阴极增重26 g,生成0.4 mol Zn,转移0.8 mol电子;乙池为电解CuSO4溶液的电解池,A电极为电解池的阳极,电极反应为2H2O-4e-4H++O2↑;B电极为阴极,电极反应为Cu2++2e-Cu,乙池中装有500 mL 0.4 mol·L-1 CuSO4溶液,含有0.2 mol Cu2+,丙池阴极增重26 g时,电路中转移0.8 mol电子,故乙池中先电解CuSO4溶液,后电解水,阳极始终生成氧气,生成0.2 mol氧气,阴极先析出0.2 mol Cu,转移0.4 mol电子,后发生反应2H2O+2e-2OH-+H2↑,生成0.2 mol氢气,气体总体积为0.4 mol×22.4 L·mol-1=8.96 L。乙池中依次发生反应:2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4、2H2O 2H2↑+O2↑,相当于溶液中减少了0.2 mol CuO和0.2 mol H2O,因Cu(OH)2可看作CuO·H2O,故加入0.2 mol Cu(OH)2即可使溶液恢复原样。

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