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第二节　电解池
第2课时　电解原理的应用
课前·基础认知
一、氯碱工业
1.概念:用电解饱和氯化钠溶液的方法来制取氢氧化钠、氢气和氯气,并以它们为原料生产一系列化工产品的工业,称为氯碱工业。
2.原理:
(1)通电前,氯化钠溶液中含有的离子是Na+、Cl-、H+、OH-。
通电时,移向阳极的离子是Cl-、OH-,移向阴极的离子是
Na+、H+。
(2)阳极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑;阴极反应式为2H++2e-===H2↑。
因H+放电,促进了水的电离,使阴极区溶液显碱性。
(3)电解的总反应式。
化学方程式为2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH;
离子方程式为2Cl-+2H2O H2↑+Cl2↑+2OH-。
3.氯碱工业生产流程。
(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氢氧化钠反应而影响氢氧化钠的产量和质量。
微解读1氯碱工业规律的记忆口诀:氢气烧碱出阴极,氯气阳极相隔离。①因为阳极产物Cl2和阴极产物H2会发生反应,Cl2和NaOH会发生反应,因此工业上常用特殊的电解槽电解饱和食盐水,一般用阳离子交换膜将电解槽分隔成两部分,以避免电解产物之间发生反应。②阳极区Cl-放电生成Cl2,生成的Cl2少量溶于水会使阳极区呈酸性。
微思考1工业上电解饱和食盐水时,若将电解槽中的阳离子交换膜去掉,对产品会有什么影响
提示:阳极产生的Cl2会扩散至阴极区,与阴极产物NaOH反应,降低产率,且使产品不纯。
微训练1电解原理在化学工业中有广泛应用。如图表示一个电解池,电解液a是饱和NaCl溶液,X、Y都是石墨电极,通过导线与直流电源相连。实验开始时,同时在两边各滴入几滴酚酞溶液,则:
(1)电解池中X极上的电极反应是　　　　　　　,在X极附近观察到的现象是　　　　　　　　　　　　。
(2)Y电极上的电极反应是　　　　　　　,检验该电极反应产物的方法是
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
2H++2e-═H2↑
放出气体,溶液变红
2Cl--2e-═Cl2↑　
把湿润的碘化钾淀粉试纸放在Y电极附近,试纸变蓝
二、电镀
1.电镀的概念: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。电镀可以使金属更加美观耐用,抗腐蚀性能增强。
2.某电镀铜实验装置(电镀池)如图所示。
(1)铜片为 镀层 金属,与直流电源的 正极 相连,作阳极;铁件为待镀 金属,与直流电源的 负极 相连,作阴极;CuSO4溶液为
电镀液 ,含有镀层金属离子。
(2)阳极反应式为Cu-2e-═Cu2+;阴极反应式为Cu2++2e-═Cu。
(3)可观察到的现象是铁件表面 镀一层红色的铜 ,铜片
不断溶解 。
(4)CuSO4溶液浓度的变化是 基本不变 。
3.电镀的特点是阳极参与电极反应,电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH等保持不变。
微解读2 (1)电镀规律记忆口诀:镀层阳极待镀阴,镀层离子溶液跟。我与电解共原理,浓度不变要记真。(2)电镀特点:“1多、1少、1不变”。“1多”是指阴极上有镀层金属沉积,“1少”是指阳极上有镀层金属溶解,“1不变”是指电解质溶液的浓度不变。
微判断1(1)在铁制品上电镀锌时,铁制品应与电源的正极连接。
(　　)
(2)用石墨作阳极,用硫酸铜溶液作电解质溶液,也能实现在镀件上电镀铜。(　　)
√
×
三、电解精炼铜
1.利用电解原理进行电解精炼铜时,以粗铜作阳极,以纯铜作阴极,通常用CuSO4溶液作电解质溶液。
2.粗铜中含有Zn、Fe、Ni、Ag、Au等杂质金属,其中
Zn、Fe、Ni、Cu可在阳极放电变成相应的金属离子进入溶液中,Ag、Au等金属则沉淀在阳极底部形成阳极泥。
写出阳极上发生的电极反应:Zn-2e-===Zn2+,Fe-2e-===Fe2+, Ni-2e-===Ni2+,Cu-2e-===Cu2+;
写出阴极上发生的电极反应:Cu2++2e-===Cu。
微思考3电解精炼铜时,当电解进行一段时间后,CuSO4溶液的浓度是如何变化的
提示:阳极除溶解Cu外,还溶解Zn、Fe、Ni等金属,而阴极只析出Cu,所以CuSO4溶液的浓度会减小。
四、电冶金
电解法是冶炼金属的一种重要方法,利用电解法可以冶炼Na、Ca、Mg、Al等活泼金属。用直流电电解熔融NaCl制取金属
钠的化学方程式为2NaCl(熔融) 2Na+Cl2↑。阳极反应为2Cl--2e-===Cl2↑;阴极反应为 Na++e-===Na 。
电解熔融氯化钠装置示意图
微思考4工业生产金属镁和金属铝均采用电解法,制取Mg时电解的是熔融的MgCl2,而制取Al时电解的却是熔融的氧化铝,不是AlCl3,这是为什么
提示:MgCl2是离子化合物,在熔融状态下导电,而AlCl3是共价化合物,在熔融状态下不导电,氧化铝是离子化合物,熔融的氧化铝导电,故制取金属铝用的是熔融的氧化铝。
微判断2(1)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。
(　　)
(2)电解冶炼镁、铝时,通常电解熔融的MgCl2和AlCl3。(　　)
(3)金属铜只能用热还原法冶炼,不能用电解法冶炼。(　　)
√
×
×
微训练2 1.火法炼铜得到的粗铜中含多种杂质(如锌、金、银等),其性能远不能达到电气工业的要求,工业上常使用电解精炼法将粗铜提纯。在电解精炼时(　　)。
A.粗铜接电源负极
B.纯铜作阳极
C.杂质都将以单质形式沉淀到池底
D.纯铜片质量增加2.56 g,电路通过电子为0.08 mol
D
解析:电解精炼铜时,用粗铜作阳极,用纯铜作阴极,A项、B项不正确。锌比铜活泼,失电子变成锌离子进入溶液中,金、银不活泼,以单质形式沉淀到电解槽底部,C项不正确。阴极发生反应Cu2++2e-===Cu,m(Cu)=2.56 g,n(Cu)=0.04 mol,电路通过电子n(e-)=0.08 mol,D项正确。
2.用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,电解质溶液一般为H2SO4-H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是(　　)。
A.待加工铝制品为阳极
B.可选用不锈钢网作为阴极
C.阴极的电极反应式:Al3++3e-===Al
D.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动
C
解析:根据电解原理可知,铝制品表面要形成氧化膜,Al元素化合价升高,失电子,因此铝制品为阳极,A项正确。阴极仅作导体,可选用不锈钢网,且不锈钢网接触面积大,能增加电解效率,B项正确。阴极应为酸性溶液中的H+得电子生成氢气,C项错误。电解时,溶液中的阴离子移向阳极,D项正确。
课堂·重难突破
一、电解原理的应用
问题探究
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。
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;阳极为Ag-e-═Ag+,阴极为Ag++e-═Ag。
4.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。
归纳总结
1.氯碱工业的生产过程。
2.电镀铜与精炼铜的比较。(电解质溶液均为CuSO4溶液)
比较项目 电镀铜 精炼铜
能量转化 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
电解质溶液及其浓度变化 硫酸铜溶液浓度保持不变 反应后硫酸铜溶液中混有Zn2+等,Cu2+浓度减小
典型例题
【例1】 如图所示,甲、乙为相互串联的两个电解池。
(1)甲池若是电解原理精炼铜的装置,则A极为　　　极,电极材料是　　　　,电极反应式为　　　　　　　　　　　　,电解质溶液可以是　 。
阴
纯铜
Cu2++2e-═Cu　
CuSO4溶液
(2)乙池中铁极的电极反应为　　　　　　　　　。
(3)若将乙池中的石墨电极改为银电极,则乙池为　　　　装置,电解一段时间后,电解质溶液的浓度　 。
电镀
Ag++e-═Ag　
基本不变
解析:(1)由题图可知,甲池中A极为阴极,B极为阳极,在电解精炼铜时,粗铜作阳极,纯铜作阴极,故A为纯铜,电极反应式为Cu2++2e-═Cu。电解质溶液应为含有Cu2+的盐溶液,如CuSO4溶液等。(2)由题图可知,乙池中铁极作阴极,石墨作阳极,故铁极的电极反应式为Ag++e-═Ag。(3)若将乙池中的石墨电极改为银电极,则乙池为电镀池,电镀过程中电解质溶液的浓度基本不变。
【例2】 工业上处理含 的酸性工业废水常用以下方法:①往工业废水里加入适量的NaCl,搅拌均匀;②用Fe作电极进行电解,经过一段时间后有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀产生;③过滤回收沉淀,废水达到排放标准。
请回答下列问题。
(1)电解时的电极反应:阳极为　　　　　　　　　,阴极为　　　　　　　　　。
(2)写出 转变成Cr3+的离子方程式:
　。
Fe-2e-═Fe2+
2H++2e-═H2↑
(3)电解过程中Cr(OH)3、Fe(OH)3沉淀是怎样产生的
【拓展延伸】 能否用Cu电极来代替Fe电极 请简述理由。
答案:不能。若用Cu电极来代替Fe电极,产生的Cu2+不能将
二、电解的有关计算
问题探究
如下图,甲烧杯中盛有100 mL 0.50 mol·L-1 AgNO3溶液,乙烧杯中盛有100 mL 0.25 mol·L-1 CuCl2溶液,A、B、C、D均为质量相同的石墨电极, EF为电源,如果电解一段时间后,发现A极比C极的质量多1.9 g。
1.发现A极比C极的质量多,说明A极和C极上分别析出什么物质 说明E为电源的正极还是负极
提示:A极比C极的质量多,说明A极上有Ag析出,说明E是电源的负极,则C极为阴极,C极上有铜析出。
2.A极比C极的质量多1.9 g,则A极上析出单质的质量为多少 C极上析出单质的质量为多少
3.写出B极的电极反应式。计算B极放出气体的体积是多少 (标准状况)
归纳总结
1.计算的原则。
(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.计算的方法。
(1)得失电子守恒法计算:用于串联电路、通过阴阳两极的电量相同等类型的计算,其依据是电路上转移的电子数相等。
(2)总反应式计算:先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列比例式计算。
(3)关系式计算:借得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁,建立计算所需的关系式。
电解计算时常用的定量关系为4e-~4H+~4OH-~2H2~O2~2Cu~4Ag。
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。
典型例题
【例3】 常温下用惰性电极电解200 mL 氯化钠、硫酸铜的混合溶液,所得气体的体积随时间变化如下图所示,根据图中信息回答下列问题。(气体体积已换算成标准状况下的体积,且忽略气体在水中的溶解和溶液体积的变化)
(1)曲线　　　　(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)表示阳极产生气体的变化。
(2)氯化钠的物质的量浓度为　　　　　　,硫酸铜的物质的量浓度为　　　 　　。
Ⅱ
0.1 mol·L-1
0.1 mol·L-1
解析:(1)阴极上Cu2+首先放电,故开始时,阴极上无气体生成,故曲线Ⅱ表示阳极产生气体的变化。
(2)反应开始到t1时间内阳极发生的反应为2Cl--2e-===Cl2↑,
Cu2++2e-===Cu,2H++2e-===H2↑,阳极上依次发生反应2Cl--2e-===Cl2↑,4OH--4e-===O2↑+2H2O,由图可知V(H2)=0.672 L, V(Cl2)=0.224 L,V(O2)=0.448 L,由得失电子守恒可知
【拓展延伸】 t2时所得溶液的pH是多少
成果验收站　
1.如图是氯碱工业中的电解装置,下列说法不正确的是(　　)。
A.电解总反应式为2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
B.阳极电极反应式:2Cl--2e-===Cl2↑
C.离子膜应为阳离子交换膜
D.每生成1 mol Cl2,此装置共转移电子
4 mol
D
解析:氯碱工业中电解饱和食盐水,得到氢氧化钠、氢气和氯气,A项正确。氯离子在阳极上失去电子被氧化生成氯气,B项正确。左侧阳极区食盐水浓度减小,钠离子浓度减小,则钠离子应透过离子膜向右移动,离子膜应为阳离子交换膜,C项正确。据2Cl--2e-═Cl2↑,每生成1 mol氯气,应转移电子2 mol,D项错误。
2.关于镀铜和电解精炼铜,下列说法中正确的是(　　)。
A.都用粗铜作阳极、纯铜作阴极
B.电解质溶液的浓度都保持不变
C.阳极反应都只有Cu-2e-===Cu2+
D.阴极反应都只有Cu2++2e-===Cu
解析:A项,电镀时镀件作阴极。B项,电解精炼铜时电解质溶液浓度改变。C项,电解精炼铜时,杂质中若有比铜活泼的金属如锌,则还会发生Zn-2e-═Zn2+的反应。
D
3.一种清洁、低成本的三步法氯碱工艺工作原理的示意图如下,下列说法错误的是(　　)。
A.第一步中阳极的电极反应式为Na0.44MnO2-xe-═
Na0.44-xMnO2+xNa+
B.与传统氯碱工艺相比,该方法不需要使用离子交换膜
C.第二步中正极质量每增加4.6 g,负极质量减少21.6 g
D.理论上每消耗0.1 mol O2,产生4.48 L Cl2(标准状况下)
答案:C
解析:第一步为电解池,阳极为与电池正极相连接的电极,电极反应为Na0.44MnO2-xe-═Na0.44-xMnO2+xNa+,A项正确。传统氯碱工艺需要使用离子交换膜,B项正确。第二步为原电池,正极得到电子电极反应为Na0.44-xMnO2+xNa++xe-═Na0.44MnO2,负极电极反应为Ag+Cl--e-═AgCl,正极增加的为Na+,负极生成的为AgCl沉淀,质量增大,C项错误。第一步为电解池阴极消耗氧气,电极反应为O2+4e-+2H2O═4OH-,则理论上每消耗0.1 mol O2转移0.4 mol e-;又第三步为电解池,阳极反应为2Cl--2e-═Cl2↑,所以生成氯气0.2 mol,即产生4.48 L Cl2(标准状况下),D项正确。
4.[高考链接](2024 ·福建卷)一种兼具合成功能的新型锂电池工作原理如图。电解质为含Li+有机溶液。放电过程中产生(CF3SO2)2NLi,充电过程中电解LiCl产生Cl2。下列说法正确的是(　　)。
A.交换膜为阴离子交换膜
B.电解质溶液可替换为LiCl水溶液
C.理论上每生成1 mol Cl2,需消耗2 mol Li
D.放电时总反应:6Li+N2+4CF3SO2Cl═2(CF3SO2)2NLi+4LiCl
D
解析:放电过程中负极Li失电子生成Li+,Li+通过阳离子交换膜进入左侧生成(CF3SO2)2NLi,故A项错误;Li性质活泼,能与水反应,故电解质溶液不能为LiCl水溶液,故B项错误。充电过程中,氯离子失电子发生氧化反应生成氯气,电极反应为2Cl--2e-═Cl2↑,阴极锂离子得电子生成Li,电极反应式为Li++e-═Li,则理论上每生成1 mol Cl2,需生成2 mol Li,故C项错误。放电过程中氮气得电子生成Li3N,Li3N后转化为(CF3SO2)2NLi和LiCl,负极锂失电子生成锂离子,故总反应为6Li+N2+4CF3SO2Cl═2(CF3SO2)2NLi+4LiCl,故D项正确。
C
解析:在电解时,与电源正极相连的电极为阳极,与电源负极相连的电极为阴极。根据图示可知:在电解时,在A(阳极)上Mn2+失去电子变为Mn3+,电极反应式为Mn2+-e-═Mn3+,发生氧化反应;在B(阴极上),溶液中的H+得到电子被还原产生H2,电极反应式为2H++2e-═H2↑,结合总反应判断溶液中c(H+)的变化。Mn2+在石墨A处失去电子生成Mn3+(氧化反应),故石墨A为阳极,A项正确。石墨B为阴极,发生还原反应,溶液中H+得电子生成H2,电极反应式为2H++2e-═H2↑,B项正确。结合题中信息可知,处理1 mol FeS2生成16 mol H+(来自反应

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