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- 2021-04-15 发布
电化学→电解池及其应用
【学识静思一】
1. 定义
电解池是把 转化为 的装置。其中与电源 相连的电极称为阳极,与电源 相连的电极称为阴极。
2. 阳极材料
(1)惰性电极:由石墨、Pt等导体构成,只起导电作用。
(2)活泼电极:与外电源的正极相连的金属电极(如铁或铜),参与反应。
3. 电极反应
(1)阳极(与外电源的 极相连)反应:发生 电子的 反应;阴极(与外电源的 极相连)反应:发生 电子的 反应。
(2)电子和离子的流向
①电子从电源 极流向电解池的 极;从电解池的 极流向电源的 极。
②阳离子移向电解池的 极;阴离子移向电解池的 极。(电子不会进入电解质溶液中,电解质溶液中起导电作用的是 )
以电解氯化铜为例(以石墨作电极):
电解氯化铜溶液的实验装置
电极反应
阳极:2Cl--2e-Cl2↑
阴极:Cu2++2e-Cu
总反应式:CuCl2Cu+Cl2↑
4. 电极放电顺序
阴、阳两极的放电顺序
阴极:阳离子放电顺序:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。
阳极:活泼电极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。
5. 用惰性电极电解:用分析电解过程的思维程序分析电解下列物质的过程,并总结电解规律((1)电解水型
电解质(水溶液)
电极方程式
电解物质
总化学方程式
电解质浓度
溶液pH
溶液复原
含氧酸(如H2SO4)
阳极:4OH--4e-===O2↑+2H2O
H2O
2H2OO2↑+2H2↑
增大
减小
加H2O
阴极:4H++4e-===2H2↑
强碱(如NaOH)
增大
加H2O
活泼金属的
含氧酸盐
(如KNO3、
Na2SO4)
不变
加H2O
(2)电解电解质型
电解质(水溶液)
电极方程式
电解物质
总化学方程式
电解质浓度
溶液pH
溶液复原
无氧酸(如HCl),除HF外
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:2H++2e-===H2↑
酸
2HClH2↑+Cl2↑
减小
增大
通入HCl气体
不活泼金属的无氧酸盐(如CuCl2),除氟化物外
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:Cu2++2e-===Cu
盐
CuCl2Cu+Cl2↑
加CuCl2固体
(3)放H2生碱型
电解质(水溶液)
电极方程式
电解物质
总化学方程式
电解质浓度
溶液pH
溶液复原
活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:2H++2e-===H2↑
水和盐
2Cl-+2H2O Cl2↑+H2↑+2OH-
生成新电解质
增大
通入HCl气体
(4)放O2生酸型
电解质
(水溶液)
电极方程式
电解物质
总化学方程式
电解质浓度
溶液pH
溶液复原
不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)
阳极:4OH--4e-===2H2O+O2↑
阴极:2Cu2++4e-===2Cu
水和盐
2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+
生成新电解质
减小
加CuO或CuCO3
6. 有隔膜的惰性电极电解
(2014·新课标Ⅰ卷)H3PO2也可用电渗析法制备,“四室电渗析法”工作原理如下图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)。
写出阳极的电极反应式: 。
(答案)2H2O-4e-O2↑+4H+
7.非惰性电极电解
1)电镀
【水溶液电镀】
(1)电镀是应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他 的过程。电镀是电解的一个重要应用。电镀时,一般都是用镀层金属的可溶性盐配成电镀液,把镀件作为 ,与电源的 极相连;镀层金属作 。
(2)特征:阳极本身溶解;电解液的总量、浓度、pH均不变。
(3)形成条件
①电解时,镀层金属作阳极。
②镀件作阴极。
③含镀层金属离子的电解质溶液作电镀液。
④外加直流电源。
【熔融下电镀】
Al在水溶液中是不能电镀的,但是
(2015·广东卷节选)
(1)电解制备Al(OH)3时,电极分别为Al片和石墨,电解总反应式为 。
(2)一种可超快充电的新型铝电池,充放电时AlC和Al2C两种离子在Al电极上相互转化,其他离子不参与电极反应,放电时负极Al的电极反应式为 。
(3)熔融有机电解质中只有AlCI4-和Al2CI7-,在钢上电镀铝,写出阴极和阳极的电极反应____________________________________________________________________
【答案】 (1)2Al+6H2O2Al(OH)3+3H2↑
(2)Al-3e-+7AlC4Al2C
2)电解精炼
粗铜的精炼Cu
阳极(粗铜):Cu-2e-Cu2+
阴极(精铜):Cu2++2e-Cu
①在电解精炼铜时,用 作阳极,用 作阴极,电解液用 。整个电解过程中铜盐的浓度基本保持 。
②粗铜中往往含有锌、铁、镍、银、金等多种杂质,当含杂质的铜在阳极不断溶解时,位于金属活动性顺序铜以前的金属杂质如Zn、Fe、Ni
等,也会同时失去电子;而位于金属活动性顺序铜之后的银、金等杂质,因为给出电子的能力比铜弱,它们以金属单质的形式沉积在电解槽底,形成阳极泥(阳极泥可作为提炼金、银等贵重金属的原料)。
3) 电解电解质
根据金属活动顺序表,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↑。
【初试规窍】
1.①电解水型电解一段时间后,其电解质的浓度一定增大吗?举例说明。
②用惰性电极电解饱和Na2SO4溶液,一段时间后,析出w g Na2SO4·10 H2O晶体,阴极上放出a g气体,则饱和Na2SO4溶液的质量分数为__________。
2.要使电解后的NaCl溶液复原,滴加盐酸可以吗?
答案 不可以,电解NaCl溶液时析出的是等物质的量的Cl2和H2,所以应通入氯化氢气体,加入盐酸会引入过多的水。
3.①电解过程中放H2生碱型和放O2生酸型的实质是什么?在放H2生碱型的电解中,若滴入酚酞试液,哪一极附近溶液变红?
②要使电解后的CuSO4溶液复原,加入Cu(OH)2固体可以吗?
③若用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后,需加入98 g Cu(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多少?
答案1. 不一定,如用惰性电极电解饱和Na2SO4溶液,一段时间后会析出Na2SO4·10 H2O晶体,剩余溶液仍为该温度下的饱和溶液,此时浓度保持不变。答案 ×100%
答案2. 放H2生碱型实质是水电离出的H+在阴极上放电,破坏了阴极附近水的电离平衡,使OH-浓度增大,若滴入酚酞试液,阴极附近溶液变红;放O2生酸型的实质是水电离出的OH-在阳极上放电,破坏了阳极附近水的电离平衡,使H+浓度增大。
答案2. 应具体情况具体分析,若通电一段时间,CuSO4未电解完(即Cu2+未全部放电),使溶液复原应加入CuO,而加入Cu(OH)2会使溶液的浓度减小;若Cu2+全部放电,又继续通电一段时间(此时电解水),要使溶液复原应加入Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3,若只加入CuO,此时浓度偏大。
答案2. 4NA
【组题试练】
【组题一】(1)用惰性电极电解AgNO3溶液
阳极反应式: ;阴极反应式: ;
总反应离子方程式: 。
(2)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: 。
(3)用铁作电极电解NaCl溶液
阳极反应式: ;阴极反应式: ;
总反应离子方程式: 。
(4)用铜作电极电解盐酸
阳极反应式: ;阴极反应式: ;
总反应离子方程式: 。
(5) 用惰性电极电解下列溶液:ALCI3阳极:________________________________
阴极:_________________________总反应__________________________________
ALCI3:KCI=1:1阳极_____________________阴极______________________________
总反应________________________________________________________
(6).根据金属活动顺序表,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?
【组题二】1.(2016·北京理综,12,6分)用石墨电极完成下列电解实验。
实验一
实验二
装置
现象
a、d处试纸变蓝;b处变红,局部褪色;c处无明显变化
两个石墨电极附近有气泡产生;n处有气泡产生;……
下列对实验现象的解释或推测不合理的是( )
A.a、d处:2H2O+2e-===H2↑+2OH-
B.b处:2Cl--2e-===Cl2↑
C.c处发生了反应:Fe-2e-===Fe2+
D.根据实验一的原理,实验二中m处能析出铜
2.(2015·四川理综,4,6分)用右图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液pH为9~10,阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体。下列说法不正确 的是( )
A.用石墨作阳极,铁作阴极
B.阳极的电极反应式:Cl-+2OH--2e-===ClO-+H2O
C.阴极的电极反应式:2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.除去CN-的反应:2CN-+5ClO-+2H+===N2↑+2CO2↑+5Cl-+H2O
3.(2013·北京卷)用石墨电极电解CuCl2溶液(如右图)。下列分析正确的是( )
A. a端是直流电源的负极
B. 通电使CuCl2发生电离
C. 阳极上发生的反应:Cu2++2e-Cu
D. 通电一段时间后,在阴极附近观察到黄绿色气体
4.(2015·江苏化学,10,2分)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是( )
A.反应CH4+H2O3H2+CO,每消耗1 mol CH4转移12 mol电子
B.电极A上H2参与的电极反应为:H2+2OH--2e-===2H2O
C.电池工作时,CO向电极B移动
D.电极B上发生的电极反应为:O2+2CO2+4e-===2CO
【变式】1 (2016·安徽安庆第一中学)利用下图所示装置进行下列实验,下表中对应叙述正确的是( )
A
X为硫酸氢钠,Y为石墨
K与M连接时;K与N连接时
一段时间后溶液的pH均增大
B
X为氯化钠,Y为石墨
K与M连接时;K与N连接时
石墨电极反应均为4OH--4e-2H2O+O2↑
C
X为硫酸氢钠,Y为锌
K与M连接时;K与N连接时
铁电极反应均为2H++2e-H2↑
D
X为氯化钠,Y为锌
K与M连接时;K与N连接时
铁电极的保护方法均为牺牲阳极的阴极保护法
【例题2】 (2014·广东卷)某同学组装了如下图所示的电化学装置,电极Ⅰ为Al,其他均为Cu,则( )
A. 电流方向:电极Ⅳ→Ⓖ→电极Ⅰ
B. 电极Ⅰ发生还原反应
C. 电极Ⅱ逐渐溶解
D. 电极Ⅲ的电极反应式:Cu2++2e-Cu
【变式】2 按下图装置进行实验,下列描述正确的是(N装置中两个电极均为石墨棒)( )
A. C1上发生还原反应
B. M装置中S移向Cu电极
C. 工作一段时间后装置M和装置N中溶液pH都变大
D. Cu电极与C2电极上的电极反应相同
【例题3】 用石墨作电极电解CuSO4溶液。通电一段时间后,欲使电解液恢复到起始状态,应向溶液中加入适量的( )
A. CuSO4 B. H2O C. CuO D. CuSO4·5H2O
【组题一答案】 (1)2H2O-4e-O2↑+4H+ 4Ag++4e-4Ag 4Ag++2H2O4Ag+O2↑+4H+
(2)2Cl--2e-Cl2↑ 2H2O+2e-2OH-+H2↑ Mg2++2Cl-+2H2OMg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(3)Fe-2e-Fe2+ 2H2O+2e-2OH-+H2↑ Fe+2H2OFe(OH)2↓+H2↑
(4)Cu-2e-Cu2+ 2H++2e-H2↑ Cu+2H+Cu2++H2↑
(6) 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↑。
【组题二答案】1.B 2.D 3.A 4.D 【变式1答案】 C【例2答案】 A【变式2答案】 D【例3答案】 C
【冷静归纳】
电解后原电解质溶液浓度的恢复
1,需加适量的某物质,该物质可以是阴极与阳极产物的化合物。例如惰性电极电解CuSO4溶液,要恢复原溶液的浓度,可向电解后的溶液中加入CuO,也可以加入CuCO3,但不能加入Cu(OH)2,因为Cu(OH)2与生成的H2SO4反应后使水量增加。使电解后的溶液恢复原状的方法:先让析出的产物(气体或沉淀)恰好完全反应,再将其化合物投入电解后的溶液中即可。如:
①NaCl溶液:通HCl气体(不能加盐酸);
②AgNO3溶液:加Ag2O固体(不能加AgOH);
③CuCl2溶液:加CuCl2固体;
④KNO3溶液:加H2O;
⑤CuSO4溶液:加CuO或CuCO3[不能加Cu2O、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3]。
2. 如果过量电解 则电解 出什么物质就加入什么物质
①NaCl溶液:有H2和CL2还有H2和O2,就加盐酸
②AgNO3溶液:加AgOH;
CuSO4溶液:加Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3]。
【实践出真知】
1.(1)工业上用电解饱和食盐水的方法制取烧碱和氢气、氯气。右图是电解饱和食盐水装置的一部分,请将装置补充完整,并标出阴、阳极和通电时溶液中离子移动的方向。
阴极反应式为 ;反应类型为 (填“氧化反应”或“还原反应”),总反应式为 。
(2)电解所用的盐水需精制。除去有影响的离子Ca2+、Mg2+、N、S[c(S)>c(Ca2+)]。精制流程如下(淡盐水和溶液A来自电解池):
①盐泥a除泥沙外,还含有的物质是 。
②过程Ⅰ中将N转化为N2的离子方程式是 。
③BaSO4的溶解度比BaCO3的小,过程Ⅱ中除去的离子有 。
【答案】 (1)
2H++2e―H2↑ 还原反应
2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑
(2)①Mg(OH)2
②2N+3Cl2+8OH-N2↑+6Cl-+8H2O
③S、Ca2+
2. (2015·四川绵阳模拟)传感器可以检测空气中SO2的含量,传感器工作原理如下图所示。下列叙述正确的是( )
A. b为电源的正极
B. 负极反应式:Ag-e-+Cl-AgCl
C. 当电路中转移5×10-5 mol电子时,进入传感器的SO2为1.12 mL
D. 阴极的电极反应式: 2HS+2H++2e-S2+2H2O
【答案】 D
3.(2015·安徽合肥六校联考)LiOH是制备锂离子电池的材料,可由电解法制备。工业上利用下图装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。下列说法正确的是( )
A. B极区电解液为LiOH溶液
B. 电极每产生22.4 L气体,电路中转移2 mol e-
C. 电解过程中Li+迁移入B电极区、OH-迁移入A电极区
D. 电解池中总反应式为2HCl2H2↑+Cl2↑
【答案】 A
4. (2015·广东肇庆模拟)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,利用右图装置获得金属钙,并以钙为还原剂还原二氧化钛制备金属钛。下列说法正确的是( )
A. 将熔融CaF2-CaO换成Ca(NO3)2溶液也可以达到相同目的
B. 阳极的电极反应式:C+2O2--4e-CO2↑
C. 在制备金属钛前后,整套装置中CaO的总量减少
D. 若用铅蓄电池作该装置的供电电源,“+”接线柱应连接Pb电极
【答案】 B
【高考通透】
1.(2016·新课标全国Ⅰ,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离子向正极迁移,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2H2O-4e-===O2+4H+,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
2.(2015·四川理综,4,6分)用右图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液pH为9~10,阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体。下列说法不正确 的是( )
A.用石墨作阳极,铁作阴极
B.阳极的电极反应式:Cl-+2OH--2e-===ClO-+H2O
C.阴极的电极反应式:2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.除去CN-的反应:2CN-+5ClO-+2H+===N2↑+2CO2↑+5Cl-+H2O
3.(2015·浙江理综,11,6分)在固态金属氧化物电解池中,高温共电解H2O、CO2混合气体制备H2和CO是一种新的能源利用方式,基本原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.X是电源的负极
B.阴极的电极反应式是:H2O+2e-===H2+O2-、CO2+2e-===CO+O2-
C.总反应可表示为:H2O+CO2H2+CO+O2
D.阴、阳两极生成的气体的物质的量之比是1∶1
4.(2014·广东理综,11,4分)某同学组装了如图所示的电化学装置,电极Ⅰ为Al,其他均为Cu,则( )
A.电流方向:电极Ⅳ→Ⓐ→电极Ⅰ B.电极Ⅰ发生还原反应
C.电极Ⅱ逐渐溶解 D.电极Ⅲ的电极反应:Cu2++2e-===Cu
5.(2015·重庆理综,11,14分)我国古代青铜器工艺精湛,有很高的艺术价值和历史价值。但出土的青铜器大多受到环境腐蚀,故对其进行修复和防护具有重要意义。
(1)原子序数为29的铜元素位于元素周期表中第________周期。
(2)某青铜器中Sn、Pb的质量分别为119 g、20.7 g,则该青铜器中Sn和Pb原子的数目之比为________。
(3)研究发现,腐蚀严重的青铜器表面大都存在CuCl。关于CuCl
在青铜器腐蚀过程中的催化作用,下列叙述正确的是________。
A.降低了反应的活化能 B.增大了反应的速率
C.降低了反应的焓变 D.增大了反应的平衡常数
(4)采用“局部封闭法”可以防止青铜器进一步被腐蚀。如将糊状Ag2O涂在被腐蚀部位,Ag2O与有害组分CuCl发生复分解反应,该化学方程式为________________________。
(5)如图为青铜器在潮湿环境中发生电化学腐蚀的原理示意图。
①腐蚀过程中,负极是________(填图中字母“a”或“b”或“c”);
②环境中的Cl-扩散到孔口,并与正极反应产物和负极反应产物作用生成多孔粉状锈Cu2(OH)3Cl,其离子方程式为__________________________________;
③若生成4.29 g Cu2(OH)3Cl,则理论上耗氧体积为________L(标准状况)。
6.(2014·安徽理综,28,14分)某研究小组为探究弱酸性条件
下铁发生电化学腐蚀类型的影响因素,将混合均匀的新制铁
粉和碳粉置于锥形瓶底部,塞上瓶塞(如图1)。从胶头滴管
中滴入几滴醋酸溶液,同时测量容器中的压强变化。
图1
(1)请完成以下实验设计表(表中不要留空格):
编号
实验目的
碳粉/g
铁粉/g
醋酸/%
①
为以下实验作参照
0.5
2.0
90.0
②
醋酸浓度的影响
0.5
36.0
③
0.2
2.0
90.0
(2)编号①实验测得容器中压强随时间变化如图2。t2
时,容器中压强明显小于起始压强,其原因是铁发生了________腐蚀,请在图3中用箭头标出发生该腐蚀时电子流动方向;此时,碳粉表面发生了________(填“氧化”或“还原”)反应,其电极反应式是____________________________________________。
(3)该小组对图2中0~t1时压强变大的原因提出了如下假设,请你完成假设二:假设一:发生析氢腐蚀产生了气体;
假设二:________________________________________________________;
……
(4)为验证假设一,某同学设计了检验收集的气体中是否含有H2的方案。请你再设计一个实验方案验证假设一,写出实验步骤和结论。
【高考答案】
1.B 2.D 3.D 4.A
5.答案 (1)四 (2)10∶1 (3)A、B (4)Ag2O+2CuCl===2AgCl+Cu2O
(5)①c ②2Cu2++ 3OH-+Cl-===Cu2(OH)3Cl↓ ③0.448
6..答案 (1)
编号
实验目的
碳粉/g
铁粉/g
醋酸/%
②
2.0
③
碳粉含量的影响
(2)吸氧
还原 2H2O+O2+4e-===4OH-(或4H++O2+4e-===2H2O)
(3)反应放热,温度升高
(4)实验步骤和结论(不要求写具体操作过程):
①药品用量和操作同编号①实验(多孔橡皮塞增加进、出导管);
②通入氩气排净瓶内空气;
③滴入醋酸溶液,同时测量瓶内压强变化(也可测温度变化,检验Fe2+等)。如果瓶内压强增大,假设一成立。否则假设一不成立。
(本题属于开放性试题,合理答案均给分)
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