电解的原理.docx
《电解的原理.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电解的原理.docx(40页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
电解的原理
电解的原理
1.电解和电解池
(1)电解:
在电流作用下,电解质在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。
(2)电解池:
电能转化为化学能的装置。
(3)电解池的构成
①有与电源相连的两个电极。
②电解质溶液(或熔融电解质)。
③形成闭合回路。
2.电解池的工作原理
(1)电极名称及电极反应式(电解CuCl2溶液为例)
总反应式:
CuCl2
Cu+Cl2↑
(2)电子和离子的移动方向
①电子:
从电源负极流出后,流向电解池阴极;从电解池的阳极流出后流向电源的正极。
②离子:
阳离子移向电解池的阴极,阴离子移向电解池的阳极。
3.阴阳两极上放电顺序
(1)阴极:
(与电极材料无关)。
氧化性强的先放电,放电顺序:
(2)阳极:
若是活性电极作阳极,则活性电极首先失电子,发生氧化反应。
若是惰性电极作阳极,放电顺序为
注意 ①阴极不管是什么材料,电极本身都不反应,一定是溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电。
②最常用、最重要的放电顺序为阳极:
Cl->OH-;阴极:
Ag+>Cu2+>H+。
③电解水溶液时,K+~Al3+不可能在阴极放电,即不可能用电解水溶液的方法得到K、Ca、Na、Mg、Al等金属。
4.用惰性电极电解电解质溶液的规律
类型
实例
电极反应特点或反应式
电解产物
溶液pH变化
溶液复原
电解水型
含氧酸
H2SO4
溶液中的H+和OH-分别在阴阳两极放电:
阴极:
____________
阳极:
____________
H2
O2
强碱
NaOH
活泼金属的含氧酸盐
KNO3
电解电解质型
无氧酸(氢氟酸除外)
HCl
电解质电离的阴阳离子分别在两极放电:
阳极:
____________
H2 Cl2
不活泼金属的无氧酸盐
CuCl2
Cu Cl2
放氢生碱型
活泼金属的无氧酸盐
NaCl
阴极水电离的H+放电,阳极电解质电离的阴离子放电
阴极:
___
阳极:
___
放氧生酸性
不活泼金属的含氧酸盐
AgNO3
阳极水电离的OH-放电,阴极电解质的阳离子放电
阴极:
____________
Ag阳极:
_____
答案 4H++4e-===2H2↑ 4OH--4e-===2H2O+O2↑ 减小 增大 不变 水 2Cl--2e-===Cl2↑ 增大 HCl CuCl2 H2(或H2、NaOH) Cl2 增大 HCl Ag++e-===Ag O2 减小 Ag2O
(1)电解质溶液的导电过程就是电解质溶液被电解的过程(√)
(2)某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现(√)
(3)直流电源跟电解池连接后,电子从电源负极流向电解池阳极(×)
(4)电解稀硫酸制H2、O2时,可用不活泼的铜作阳极(×)
(5)电解CuCl2溶液,阴极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色(×)
(6)电解盐酸、硫酸等溶液,H+放电,溶液的pH均增大(×)
1.根据金属活动性顺序表,Cu和稀H2SO4不反应,怎样根据电化学的原理实现Cu和稀H2SO4反应产生H2?
答案 Cu作阳极,C作阴极,稀H2SO4作电解质溶液,通入直流电就可以实现该反应。
电解反应式为阳极:
Cu-2e-===Cu2+,阴极:
2H++2e-===H2↑。
总反应式:
Cu+2H+
Cu2++H2↑。
2.若用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后,需加入98gCu(OH)2固体,才能使电解质溶液复原,则这段时间,整个电路中转移的电子数为____________。
答案 4NA
解析 方法一:
98gCu(OH)2的物质的量为1mol,相当于电解了1mol的CuSO4后,又电解了1mol的水,所以转移的电子数为2NA+2NA=4NA。
方法二:
可以认为整个电路中转移的电子数与Cu(OH)2的O2-失电子数相等,共4NA。
题组一 电解规律及电极产物的判断
1.用惰性电极电解下列各组中的三种电解质溶液,在电解的过程中,溶液的pH依次为升高、不变、降低的是( )
A.AgNO3 CuCl2 Cu(NO3)2B.KCl Na2SO4 CuSO4
C.CaCl2 KOH NaNO3D.HCl HNO3 K2SO4
答案 B
解析 由电解电解质溶液的四种类型可知:
类型
化学物质
pH变化
放O2生酸型
CuSO4、AgNO3、Cu(NO3)2
降低
放H2生碱型
KCl、CaCl2
升高
电解电解质型
CuCl2
HCl
升高
电解H2O型
NaNO3、Na2SO4、K2SO4
不变
KOH
升高
HNO3
降低
2.(2018·天津市实验中学高三模拟)以石墨为电极,电解KI溶液(含有少量的酚酞和淀粉)。
下列说法错误的是( )
A.阴极附近溶液呈红色B.阴极逸出气体
C.阳极附近溶液呈蓝色D.溶液的pH变小
答案 D
解析 以石墨为电极,电解KI溶液,发生的反应为2KI+2H2O
2KOH+H2↑+I2(类似于电解饱和食盐水),阴极产物是H2和KOH,阳极产物是I2。
由于溶液中含有少量的酚酞和淀粉,所以阳极附近的溶液会变蓝(淀粉遇碘变蓝),阴极附近的溶液会变红(溶液呈碱性),A、B、C正确;由于电解产物有KOH生成,所以溶液的pH逐渐增大,D错误。
3.用石墨作电极,电解稀Na2SO4溶液的装置如图所示,通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴石蕊溶液。
下列有关叙述正确的是( )
A.逸出气体的体积:
A电极<B电极
B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气味气体
C.A电极附近呈红色,B电极附近呈蓝色
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到同一烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
答案 D
解析 SO
、OH-移向B电极,在B电极OH-放电,产生O2,B电极附近c(H+)>c(OH-),石蕊溶液变红,Na+、H+移向A电极,在A电极H+放电产生H2,A电极附近c(OH-)>c(H+),石蕊溶液变蓝,C项错误、D项正确;A电极产生的气体体积大于B电极,A项错误;两种气体均为无色无味的气体,B项错误。
题组二 电子守恒在电化学计算中的应用
4.(2018·宜昌调研)以铅蓄电池为电源,石墨为电极电解CuSO4溶液,装置如下图。
若一段时间后Y电极上有6.4g红色物质析出,停止电解。
下列说法正确的是( )
A.a为铅蓄电池的负极
B.电解过程中SO
向右侧移动
C.电解结束时,左侧溶液质量增重8g
D.铅蓄电池工作时,正极电极反应式为:
PbSO4+2e-===Pb+SO
答案 C
解析 Y极有Cu析出,发生还原反应,Y极为阴极,故b为负极,a为正极,A错误;电解过程中阴离子向阳极移动,B错误;阴极反应式为Cu2++2e-===Cu,阳极反应式为4OH--4e-===O2↑+2H2O,当有6.4gCu析出时,转移0.2mole-,左侧生成1.6gO2,同时有0.1mol(9.6g)SO
进入左侧,则左侧质量净增加9.6g-1.6g=8g,C正确;铅蓄电池的负极是Pb,正极是PbO2,正极反应式为PbO2+2e-+4H++SO
===PbSO4+2H2O,D错误。
5.500mLKNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO
)=0.6mol·L-1,用石墨作电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到2.24L气体(标准状况下),假定电解后溶液体积仍为500mL,下列说法正确的是( )
A.原混合溶液中c(K+)为0.2mol·L-1
B.上述电解过程中共转移0.2mol电子
C.电解得到的Cu的物质的量为0.05mol
D.电解后溶液中c(H+)为0.2mol·L-1
答案 A
解析 石墨作电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液,阳极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑,阴极先后发生两个反应:
Cu2++2e-===Cu,2H++2e-===H2↑。
从收集到O2为2.24L可推知上述电解过程中共转移0.4mol电子,而在生成2.24LH2的过程中转移0.2mol电子,所以Cu2+共得到0.4mol-0.2mol=0.2mol电子,电解前Cu2+的物质的量和电解得到的Cu的物质的量都为0.1mol。
电解前后分别有以下守恒关系:
c(K+)+2c(Cu2+)=c(NO
),c(K+)+c(H+)=c(NO
),不难算出:
电解前c(K+)=0.2mol·L-1,电解后c(H+)=0.4mol·L-1。
电化学综合计算的三种常用方法
(1)根据总反应式计算
先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列出比例式计算。
(2)根据电子守恒计算
①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。
②用于混合溶液中电解的分阶段计算。
(3)根据关系式计算
根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。
如以通过4mole-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)
该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值,熟记电极反应式,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。
题组三 电极反应式的书写与判断
6.按要求书写电极反应式和总反应方程式:
(1)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式:
______________________________________________________________;
阴极反应式:
______________________________________________________________;
总反应离子方程式:
________________________________________________________。
(2)用Al作电极电解NaOH溶液
阳极反应式:
______________________________________________________________;
阴极反应式:
______________________________________________________________;
总反应离子方程式:
________________________________________________________。
(3)以铝材为阳极,电解H2SO4溶液,铝材表面形成氧化膜
阳极反应式:
______________________________________________________________;
阴极反应式:
______________________________________________________________;
总反应方程式:
____________________________________________________________。
(4)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
组成的离子液体作电解液时,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,阴极反应式为____________________________。
若改用AlCl3水溶液作电解液,则阴极产物为________。
答案
(1)2Cl--2e-===Cl2↑ Mg2++2H2O+2e-===H2↑+Mg(OH)2↓ Mg2++2Cl-+2H2O
Mg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(2)2Al-6e-+8OH-===2AlO
+4H2O 6H2O+6e-===3H2↑+6OH-(或6H++6e-===3H2↑) 2Al+2H2O+2OH-
2AlO
+3H2↑
(3)2Al-6e-+3H2O===Al2O3+6H+ 6H++6e-===3H2↑ 2Al+3H2O
Al2O3+3H2↑
(4)负 4Al2Cl
+3e-===Al+7AlCl
H2
解析 (4)电镀时,镀件作阴极,即钢制品作阴极,接电源负极,根据阴极生成Al可知反应式为4Al2Cl
+3e-===Al+7AlCl
。
若改用AlCl3水溶液作电解液,阴极反应为2H++2e-===H2↑,产物为H2。
7.整合有效信息书写电极反应
(1)硫化氢的转化是资源利用和环境保护的重要研究课题。
由硫化氢获得硫单质有多种方法。
将用烧碱吸收H2S后所得的溶液加入如图所示的电解池的阳极区进行电解。
电解过程中阳极区发生如下反应:
S2--2e-===S (n-1)S+S2-===S
①写出电解时阴极的电极反应式:
____________________________________________。
②电解后阳极区的溶液用稀硫酸酸化得到硫单质,其离子方程式可写成____________。
(2)电解NO制备NH4NO3,其工作原理如图所示,为使电解产物全部转化为NH4NO3,需补充物质A,A是____________,说明理由:
____________________________________。
答案
(1)①2H2O+2e-===H2↑+2OH- ②S
+2H+===(n-1)S↓+H2S↑
(2)NH3 根据总反应:
8NO+7H2O
3NH4NO3+2HNO3,电解产生的HNO3多,应补充NH3
解析
(1)①电解时,阴极区溶液中的阳离子放电,即水溶液中的H+放电生成H2。
②由题给反应可知,阳极区生成了S
,S
可以理解为(n-1)S+S2-,加入稀硫酸生成S单质和H2S气体。
(2)根据电解NO制备NH4NO3的工作原理示意图知:
阴极反应式为3NO+15e-+18H+===3NH
+3H2O,阳极反应式为5NO-15e-+10H2O===5NO
+20H+,总反应式为8NO+7H2O
3NH4NO3+2HNO3,为了使电解产生的HNO3全部转化为NH4NO3,应补充NH3。
做到“三看”,正确书写电极反应式
(1)一看电极材料,若是金属(Au、Pt除外)作阳极,金属一定被电解(注:
Fe生成Fe2+而不是生成Fe3+)。
(2)二看介质,介质是否参与电极反应。
(3)三看电解质状态,若是熔融状态,就是金属的电冶炼。
考点二 电解原理的应用
1.氯碱工业
阳极反应式:
2Cl--2e-===Cl2↑(氧化反应)
阴极反应式:
2H++2e-===H2↑(还原反应)
总反应方程式:
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
2.电镀与电解精炼
电镀
电解精炼铜
示意图
电极反应
阳极
Cu-2e-===Cu2+
Zn-2e-===Zn2+,Cu-2e-===Cu2+
阴极
Cu2++2e-===Cu
Cu2++2e-===Cu
电解质溶液的浓度变化
CuSO4溶液的浓度不变
CuSO4溶液的浓度变小
3.电冶金
电解冶炼
冶炼钠
冶炼铝
电极反应
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:
2Na++2e-===2Na
阳极:
6O2--12e-===3O2↑
阴极:
4Al3++12e-===4Al
总反应
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
(1)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(√)
(2)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料(×)
(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)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3,也可以电解MgO和AlCl3(×)
(5)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料(√)
(6)用Zn作阳极,Fe作阴极,ZnCl2作电解质溶液,由于放电顺序H+>Zn2+,不可能在铁上镀锌(×)
题组一 电解原理的常规应用
1.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制得高纯度的镍。
下列叙述中正确的是(已知:
氧化性Fe2+<Ni2+<Cu2+)( )
A.阳极发生还原反应,其电极反应式为Ni2++2e-===Ni
B.电解过程中,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量相等
C.电解后,溶液中存在的阳离子只有Fe2+和Zn2+
D.电解后,电解槽底部的阳极泥中有Cu和Pt
答案 D
解析 电解时,阳极Zn、Fe、Ni失去电子,发生氧化反应,A项错误;因氧化性Ni2+>Fe2+>Zn2+,故阴极反应式为Ni2++2e-===Ni,可见,阳极质量减少是因为Zn、Fe、Ni溶解,而阴极质量增加是因为Ni析出,B项错误;电解后溶液中的阳离子除Fe2+和Zn2+外,还有Ni2+和H+,C项错误。
2.利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产中的应用。
下列说法正确的是( )
A.氯碱工业中,X电极上的反应式是4OH--4e-===2H2O+O2↑
B.电解精炼铜时,Z溶液中的Cu2+浓度不变
C.在铁片上镀铜时,Y是纯铜
D.制取金属镁时,Z是熔融的氯化镁
答案 D
解析 氯碱工业中阳极是Cl-放电生成Cl2;电解精炼铜时阳极上粗铜溶解,阴极上Cu2+放电析出Cu,由于粗铜中含有锌、铁、镍等杂质,电解质溶液中Cu2+浓度变小;铁片上镀铜时,阴极应该是铁片,阳极是纯铜。
3.(2017·全国卷Ⅱ,11)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.待加工铝质工件为阳极
B.可选用不锈钢网作为阴极
C.阴极的电极反应式为Al3++3e-===Al
D.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动
答案 C
解析 A项,根据电解原理可知,Al要形成氧化膜,化合价升高失电子,因此铝为阳极,正确;B项,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,正确;C项,阴极应为氢离子得电子生成氢气,错误;D项,电解时,阴离子移向阳极,正确。
题组二 应用电解原理制备新物质
4.高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型绿色水处理剂。
工业上可用电解浓NaOH溶液制备Na2FeO4,其工作原理如图所示,两端隔室中离子不能进入中间隔室。
下列说法错误的是( )
A.阳极反应式:
Fe-6e-+8OH-===FeO
+4H2O
B.甲溶液可循环利用
C.离子交换膜a是阴离子交换膜
D.当电路中通过2mol电子的电量时,会有1molH2生成
答案 C
解析 A项,阳极发生氧化反应,电极反应式:
Fe-6e-+8OH-===FeO
+4H2O,正确;B项,阴极发生还原反应,水电离出的氢离子放电生成氢气和氢氧根,甲溶液为浓的氢氧化钠溶液,可循环利用,正确;C项,电解池中阳离子向阴极移动,通过离子交换膜a的是Na+,故a为阳离子交换膜,错误;D项,阴极发生还原反应,水电离出的氢离子放电生成氢气和氢氧根,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,当电路中通过2mol电子的电量时,会有1molH2生成,正确。
5.用惰性电极电解法制备硼酸[H3BO3或B(OH)3]的工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子和阴离子通过)。
下列有关说法正确的是( )
A.阴极与阳极产生的气体体积比为1∶2
B.b极的电极反应式为2H2O-2e-===O2↑+4H+
C.产品室中发生的反应是B(OH)3+OH-===B(OH)
D.每增加1molH3BO3产品,NaOH溶液增重22g
答案 D
解析 由图可知,b电极为阳极,电解时阳极上水失电子生成O2和H+,a电极为阴极,电解时阴极上水得电子生成H2和OH-,原料室中的钠离子通过阳膜进入a极室,溶液中c(NaOH)增大,原料室中B(OH)
通过阴膜进入产品室,b极室中氢离子通过阳膜进入产品室,B(OH)
、H+发生反应生成H3BO3;a、b电极反应式分别为2H2O+2e-===H2↑+2OH-、2H2O-4e-===O2↑+4H+,理论上每生成1mol产品,b极生成1molH+、a极生成0.5molH2。
6.(2018·太原质检)采用电化学法还原CO2是一种使CO2资源化的方法。
下图是利用此法制备ZnC2O4的示意图(电解液不参与反应)。
下列说法中正确的是( )
A.Zn与电源的负极相连
B.ZnC2O4在交换膜右侧生成
C.电解的总反应为2CO2+Zn
ZnC2O4
D.通入11.2LCO2时,转移0.5mol电子
答案 C
解析 电解过程中Zn被氧化,作阳极,所以Zn与电源的正极相连,A错误;Zn2+透过阳离子交换膜到达左侧与生成的C2O
形成ZnC2O4,B错误;没有给出气体所处的温度和压强,D错误。
题组三 应用电解原理治理污染
7.某些无公害免农药果园利用如图所示电解装置,进行果品的安全生产,解决了农药残留所造成的生态及健康危害问题。
下列说法正确的是( )
A.a为直流电源的负极,与之相连的电极为阴极
B.离子交换膜为阴离子交换膜
C.“酸性水”具有强氧化性,能够杀菌
D.阴极反应式为H2O+2e-===H2↑+O2-
答案 C
解析 由“碱性水”可推知b为直流电源的负极,a为直流电源的正极,A项错误;右侧生成OH-,K+穿过离子交换膜移到右侧,即该离子交换膜为阳离子交换膜,B项错误;阳极反应为2Cl--2e-===Cl2↑,Cl2+H2O===HCl+HClO,故“酸性水”中含HClO,具有强氧化性,能杀菌,C项正确;水溶液中不可能存在O2-,D项错误。
8.(2019·重庆调研)用铁和石墨作电极电解酸性废水,可将废水中的PO
以FePO4(不溶于水)的形式除去,其装置如图所示。
下列说法中正确的是( )
A.若X、Y电极材料连接反了,则仍可将废水中的PO
除去
B.X极为石墨,该电极上发生氧化反应
C.电解过程中Y极周围溶液的pH减小
D.电解时废水中会发生反应:
4Fe2++O2+4H++4PO
===4FePO4↓+2H2O
答案 D
解析 根据题意分析,X电极材料为铁,Y电极材料为石墨,若X、Y电极材料连接反了,铁就不能失电子变为离子,也就不能生成FePO4,A项错误;Y电极材料为石墨,该电极发生还原反应,B项错误;电解过程中Y极上发生的反应为O2+4e-+4H+===2H2O,氢离子浓度减小,溶液的pH变大,C项错误;铁在阳极失电子变为Fe2+,通入的氧气把Fe2+氧化为Fe3+,Fe3+与PO
反应生成FePO4,D项正确。
9.SO2和NOx是主要大气污染物,利用下图装置可同时吸收SO2和NO。
下列有关说法错误的是( )
A.a极为直流电源的负极,与其相连的电极发生还原反应
B.阴极得到2mol电子时,通过阳离子交换膜的H+为2mol
C.吸收池中发生反应的离子方程式为:
2NO+2S2O
+2H2O===N2+4HSO
D.阳极发生的反应式为SO2+2e-+2H2O===SO
+4H+
答案 D
解析 A项,阴极发生还原反应,亚硫酸氢根离子得电子生成硫代硫酸根离子,a是直流电源的负极,正确;B项,阴极发生还原反应,电极反应式为:
2HSO
+2e-+