电解原理及应用复习.docx
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电解原理及应用复习
精锐教育学科教师辅导讲义
学员编号:
年级:
高一课时数:
3
学员姓名:
辅导科目:
化学学科教师:
课题
电解原理及应用
教学目标
1.理解电解原理,初步掌握一般电解反应产物的判断方法
2.了解氯碱工业,电镀,冶金的原理
3.掌握电解电极方程式的书写。
重点、难点
电解原理及应用
考点及考试要求
电解池的电极判断、电解反应方程式、电解产物的检验、电镀、氯碱工业的应用以及有关电解的计算。
教学内容
[上次作业讲评]
[原电池工作原理的复习]
电解原理及应用
一、电解原理
1.电解:
使电流(外加直流电)通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫电解。
电解过程就是将电能转化为化学能的过程。
电解池:
借助电流引起氧化还原反应的装置,即把电能转化为化学能的装置叫电解池或电解槽
2.电解池的组成:
⑴阳极——与电源正极相连
阴极——与电源负极相连
隋性电极—只导电,不参与氧化还原反应(C/Pt/Au)
活性电极—既导电又参与氧化还原反应(Cu/Ag)
以电解氯化铜溶液为例:
问:
通电前和通电时分别发生了怎样的过程?
通电前:
CuCl2=Cu2++2Cl-H2O
H++OH-
通电中:
阳离子(Cu2+,H+)向阴极移动被还原;
阴离子(Cl-,OH-)向阳极移动被氧化
讲:
即在电极上分别发生了氧化还原反应,称电极反应。
简言之:
阳氧阴还
阳极:
2Cl--2e-=Cl2(氧化)
阴极:
Cu2++2e-=Cu(还原)
总电极方程式:
___________________
放电:
阴离子失去电子或阳离子得到电子的过程叫放电。
⑵形成条件:
①直流电源
②两个电极
③电解质溶液(或熔化的电解质)
④形成闭合回路
思考:
电解CuCl2水溶液为何阳极是Cl-放电而不是OH-放电,阴极放电的是Cu2+而不是H+?
3.离子的放电顺序
阴极:
(阳离子在阴极上的放电顺序(得e-))
Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+(指酸电离的)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+
阳极
(1)是惰性电极时:
阴离子在阳极上的放电顺序(失e-)
S2->SO32->I->Br->Cl->OH->NO3->SO42-(等含氧酸根离子)>F-(SO32-/MnO4->OH-)
(2)是活性电极时:
电极本身溶解放电。
说明:
①阴阳离子在两极上放电顺序复杂,与离子性质、溶液浓度、电流强度、电极材料等都有关,不应将放电顺序绝对化,以上仅是一般规律。
②电解过程中析出的物质的量(或析出物质的质量):
在电解若干串联电解池中的溶液时,各阴极或阳极所通过的电量相等,析出物质的量取决于电路中通过的电量。
[思考]:
放电能力弱于H+和OH–的物质在水溶液中放电吗?
答:
否,但亚铁离子浓度远大于氢离子浓度时,亚铁离子放电。
[思考]:
电解水时为了增强水的导电性常常需加入氢氧化钠或稀硫酸,为什么?
可以加食盐吗?
答:
练习:
电解碘化汞、硝酸铜、氯化锌、盐酸、硫酸、氢氧化钠、硫酸钠的电极方程式。
4.电解反应类型
⑴惰性电极:
(电极不参加反应)
①只有电解质参加的反应
例:
电解CuCl2溶液
阴极反应:
Cu2++2e-=Cu
阳极反应:
2Cl--2e-=Cl2↑
总反应:
CuCl2
Cu+Cl2↑
在电场作用下,CuCl2溶液中阳离子(Cu2+,H+)向阴极移动,阴离子(Cl-,OH-)向阳极移动。
Cu2+得电子能力大于H+,Cl-失电子能力大于OH-。
②只有水参加的反应:
例:
电解H2SO4溶液
阳极:
4OH--4e-=2H2O+O2↑
阴极:
2H++2e-=H2↑
总反应:
2H2O
2H2↑+O2↑
电解H2SO4溶液,相当于电解水,不断电解过程中H+浓度增大,H2SO4浓度增大,溶液pH值减小。
③水和电解质均参加反应。
例:
电解NaCl溶液
阳极:
2Cl--2e-=Cl2↑
阴极:
2H++2e-=H2↑
总反应:
2NaCl+2H2O
H2↑+Cl2↑+2NaOH
电解过程中H+得电子,破坏水的电离平衡,H2O
H++OH-,水的电离平衡向右移动,溶液pH值增大。
⑵电极参加反应[金属做阳极(除Pt外)]:
例:
金属作阳极时,金属失电子,而不是阴离子失电子。
在阳极,Cu失电子能力大于SO42-、OH-,因此电极Cu首先失电子:
阳极反应:
Cu-2e-=Cu2+
阴极反应:
2H+-2e-=H2↑
总反应:
Cu+2H+
Cu2++H2↑
从总反应看出不活泼的Cu将较活泼H置换出来,不符合金属活动顺序表,因此化学反应能不能发生没有严格界限,不能自发进行的反应,提供能量(如电解)也能进行。
二、电解规律:
1.电解规律:
(1)电解含氧酸、强碱溶液及活泼金属的含氧酸盐,实质上是电解水,电解水型。
(2)电解不活泼金属的含氧酸盐,阳极产生氧气,阴极析出不活泼金属,放氧生酸型。
练习:
电解硫酸铜方程式。
加入下列哪些物质可以恢复到硫酸铜原来的溶液:
氧化铜、氢氧化铜、铜、碳酸铜。
(3)电解不活泼金属无氧酸盐,实际上是电解电解质本身,分解电解质型。
(4)电解活泼金属(K/Ca/Na)的无氧酸盐,阴极产生氢气,阳极析出非金属,放氢生碱型。
2.电解中电极附近溶液pH值的变化。
(1)电极区域A.阴极H+放电产生H2,阴极区域pH变大。
B.阳极OH-放电产生O2,阳极区域pH变小。
(2)电解质溶液中A.电解过程中,既产生H2,又产生O2,则原溶液呈酸性的pH变小,原溶液呈碱性的pH变大,原溶液呈中性的pH不变(浓度变大)。
B.电解过程中,无H2和O2产生,pH几乎不变。
但电解CuCl2溶液时pH变大。
C.电解过程中,只产生H2,pH变大。
D.电解过程中,只产生O2,pH变小。
过渡:
如果把阳极换成铜棒,阳极发生的反应就是铜自身溶解,如果电解质是硫酸,阴极析出的是什么?
也是铜,这就是我们的铜的电解精炼法。
三、电解原理的应用
电解食盐水
电解Al2O3(熔融态)
电 镀
电解精炼
装置示意图
阴极反应
2H++2e-=H2↑
4Al3++12e-=4Al
Zn2++2e-=Zn
Cu2++2e-=Cu
(精铜)
阳极反应
2Cl--2e-=Cl2↑
6O2--12e-=3O2↑
Zn-2e-=Zn2+
Cu-2e-=Cu2+
(粗铜)
电解总反应
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
2Al2O3
4Al+3O2↑
—
—
说 明
(1)阴极室与阳极室应用隔膜分开。
(2)食盐水需经净化,除Mg2+、Ca2+、SO42-等离子。
(1)为降低Al2O3熔点,需加助熔剂(冰晶石)。
(2)阳极生成的O2与碳反应,生成CO2,需要定期更换石墨阳极。
电解生成的铝积存在槽底,定期汲出。
(3)实际过程复杂,上述反应仅是粗略的表示
(1)镀件必须作阴极。
(2)镀层金属作阳极。
(3)用含镀层阳离子的溶液作电镀液。
(1)粗铜作阳极,溶解下来。
(2)精铜作阴极。
说明:
金属冶炼
四、原电池和电解池的区别和联系
原电池
电解池
能量转化
化学能→电能
电能→化学能
反应特征
自发进行的氧化还原反应
非自发进行的氧化还原反应
电极名称
由电极本身决定
负极:
相对较活泼金属
正极:
相对不活泼金属
由电源决定
阴极:
与负极相连
阳极:
与正极相连
电极反应
负极:
氧化反应
正极:
还原反应
阴极:
还原反应
阳极:
氧化反应
装置特征
无电源,两极不同
有电源,两极可以相同,也可以不同
电子流动方向
负极→正极(沿导线)
电源负极→阴极(沿导线)
阳极→电源正极(沿导线)
溶液中离子流向
阳离子移向正极
阴离子移向负极
阳离子移向阴极
阴离子移向阳极
联 系
两者均发生氧化还原反应
说明:
电解池有两种连接方式:
串联、并联
五、例题分析
例1.如图所示右边的金属片发生氧化反应的是( )
例2.电解原理在化学工业中有广泛应用。
下图表示一个电解池,装有电解液a;X、Y是两块电极板,通过导线与直流电源相连。
请回答以下问题:
(1)若X、Y都是惰性电极,a是饱和NaCI溶液,实验开始时,同时在两边各滴入几滴酚酞试液,则:
①电解池中X极上的电极反应式为____________。
在X极附近观察到的现象是_____________。
②Y电极上的电极反应式为___________,检验该电极反应产物的方法是_______。
(2)如要用电解方法精炼粗铜,电解液a选用CuSO4溶液,则
①X电极的材料是____________,电极反应式为______________。
②Y电极的材料是____________,电极反应式为____________。
(说明:
杂质发生的电极反应不必写出)
分析与解答:
本题较好的考查了学生对电化学基础知识、电解的原理的考查,侧重基础知识点及其应用。
(1)①2H++2e-=H2↑ 放出气体,溶液变红
②2Cl--2e-=C12↑ 把湿润的碘化钾淀粉试纸放在Y电极附近,试纸变蓝色
(2)①纯铜Cu2++2e-=Cu
②粗铜Cu-2e-=Cu2+
例3.(上海市高考题,2002)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氯化钠溶液.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4—1的装置,则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是
图4—1
A.a为正极,b为负极:
NaClO和NaClB.a为负极,b为正极:
NaClO和NaClC.a为阳极,b为阴极:
HClO和NaClD.a为阴极,b为阳极:
HClO和NaCl
解析:
用石墨作电极时,在阳极上应是Cl-放电,2Cl--2e-====Cl2,在阴极上是水电离出的H+放电,2H++2e-====H2,水电离出的H+消耗后,产生的OH-与Cl2反应产生ClO-,则消毒液为NaCl和NaClO,如果Cl2在上端产生,则Cl2直接向外排出,不能与OH-反应,故Cl2应在下端产生,即b为电源的正极,与之相连的碳棒为阳极.
答案:
B
说明:
本题是对教材中电解饱和食盐水实验的应用,没有把阳极室和阴极室隔开,故可以产生具有消毒作用的NaClO,并且要求学生有解决实际问题的能力.
例4.将两个铂电极插入500mLCuSO4溶液中进行电解,通电一定时间后,某一电极增重0.064g(设电解时该电极无氢气析出,且不考虑水解和溶液体积变化),此时溶液中氢离子浓度约为( )
A.4×10-3mol/L
B.2×10-3mol/L
C.1×10-3mol/L
D.1×10-7mol/L
分析与解答:
根据电解规律可知阴极反应:
Cu2++2e-=Cu,增重0.064gCu,应是Cu的质量,根据总反应方程式:
2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4→4H+
2×64g 4mol
0.064g x
x=0.002mol
c(H+)=
=4×10-3mol/L
答案:
A
例5.某碱性蓄电池在充电和放电时发生的反应为:
Fe+NiO2+2H2O
Fe(OH)2+Ni(OH)2,下列说法中正确的是( )
A.放电时,负极上发生反应的物质是Fe
B.放电时,正极反应是:
NiO2+2e+2H+=Ni(OH)2
C.充电时,阴极反应是:
Ni(OH)2-2e+2OH-=NiO2+2H2O
D.充电时,阳极附近pH值减小
分析与解答:
根据原电池在放电时,负极发生氧化反应,正极发生还原反应,再根据元素化合价变化,可判断该电池负极发生反应的物质为Fe,正极为NiO2,此电池为碱性电池,在书写电极反应和总电池反应方程式时不能出现H+,故放电时的电极反应是:
负极:
Fe-2e-+2OH-=Fe(OH)2,正极:
NiO2+2e-+2H2O=Ni(OH)2+2OH-。
原电池充电时,发生电解反应,此时阴极反应为原电池负极反应的逆反应,阳极反应为原电池正极反应的逆反应,由此可判断正确选项应为A、D。
例6(春季高考题,2000)用两支惰性电极插入500mLAgNO3溶液中,通电电解.当电解液的pH从6.0变为3.0时(设电解时阴极没有H2析出,且电解液在电解前后体现变化可忽略),电极上析出Ag的质量大约是
A.27mgB.54mgC.108mgD.216mg
解析:
由电解反应的总方程式:
4AgNO3+2H2O
4Ag+O2↑+4HNO3
每增加1molH+,则电解池中通过1mole-,生成1molAg,电子守恒是破解此题的关键.
增加的H+:
2×10-3mol·L-1×0.5L-1×10-6mol·L-1×0.5L≈5×10-4mol
所以m(Ag)=5×10-4mol×108g·mol-1×103mg·g-1=54mg
答案:
B
例7.甲、乙两个容器中,分别加入0.1mol/LNaCl溶液与0.1mol/LAgNO3溶液后,以Pt为电极进行电解时,在A、B、C、D各电极上生成物的物质的量之比为:
__________。
分析与解答:
此装置相当于两个电解槽串联到一起,在整个电路中电子转移总数相等.首先判断各极是阳极还是阴极,即电极名称,再分析各极发生的反应A极(阴极)反应:
2H++2e-=H2↑,B极(阳极)反应:
2Cl--2e-=Cl2↑;C极(阴极)反应:
Ag++e-=Ag;D极(阳极)反应:
4OH--4e-=2H2O+O2↑,根据电子守恒法可知,若整个电路中有4mol电子转移,生成H2、Cl2、Ag、O2的物质的量分别为:
2mol、2mol、4mol、1mol因此各电极上生成物的物质的量之比为:
2:
2:
4:
1。
例8.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,将它们串联在一起电解一定时间,测得电极增重总和2.8克,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
分析与解答:
串联电路中,相同时间内各电极得或失的电子的物质的量相同,各电极上放出气体的物质的量之比为定值。
不必注意电极增重是多少。
只要判断出生成何种气体及生成该气体一定物质的量所得失电子的物质的量,就可以通过电子守恒,判断气体体积之比,第一个烧杯中放出Cl2,第二烧杯中放出Cl2和H2,第三烧杯中放出O2。
在有1mol电子转移下,分别是0.5mol,0.5mol,0.5mol和0.25mol。
所以共放出有色气体0.5+0.5=1(mol)(Cl2),无色气体0.5+0.25=0.75(mol)(O2和H2)答案:
C
例9.以等质量的铂棒和铜棒做电极,电解硫酸铜溶液,通电一段时间后,其中一极增加质量为ag,此时两极的质量差为
A.agB.2agC.
gD.无法判断
解答:
AB.①如果电解池中,Cu作阴极,Pt作阳极,本实验为电解硫酸铜溶液.Cu棒增重,而Pt棒的质量不变.因此二者的质量差为ag.
②如果电解池中,Cu作阳极,Cu是活泼电极,Cu棒本身参与此反应,即Cu-2e====Cu2+,因此Cu极减重.Pt作阴极,阴极受保护,阴极本身不参与反应,此时溶液中的Cu2+被还原而使阴极增重,即Cu2++2e====Cu,综合两极情况后,可得出阴极增加质量的数值应等于阳极铜棒失重的数值,因此两极质量相差2ag.
[作业]
1.在电解池中发生氧化反应的是()
A.正极B.负极C.阳极D.阴极
2.在原电池中发生还原反应的是()
A.阳极B.阴极C.正极D.负极
3.在铁制品上镀上锌,下列设计中正确的是()
A.锌作阳极,镀件作阴极B.铂作阴极,镀件作阳极
C.铁作阳极,镀件作阴极D.锌作阴极,镀件作阳极
4.下列关于电解和电镀的比较中,真确的是()
A.都使用惰性电极
B.都使用非惰性电极
C.都使用直流电极
D.在电解和电镀过程中,电解液和电镀液都含有跟负极和阳极相同的金属离子
5.左图是电解
溶液的装置,其中。
c、d为石墨电极。
则下列有关的判断正确的是()。
(A)a为负极、b为正极
(B)a为阳极、b为阴极
(C)电解过程中,d电极质量增加
(D)电解过程中,氯离子浓度不变
6.下图中能验证氯化钠溶液(含酚酞)电解产物的装置是()
7.实验室用铅蓄电池电解食盐水制取氯气,已知铅蓄电池放电时发生的反应:
负极Pb+SO
-2e-====PbSO4,正极PbO2+4H++SO
+2e-====PbSO4+2H2O.当制得Cl20.05mol时,电池内消耗硫酸的物质的量至少是
A.0.025molB.0.050molC.0.10molD.0.20mol
8.用惰性电极电解M(NO3)的水溶液,当阴极上增重ag时,在阳极上同时产生dL氧气(标准状况),由此可知M的相对原子质量为()
9.可以将反应Zn+Br2====ZnBr2设计成蓄电池,下列4个电极反应
①Br2+2e-====2Br- ②2Br--2e-====Br2 ③Zn-2e-====Zn2+ ④Zn2++2e-====Zn
其中表示充电时的阳极反应和放电时的负极反应的分别是
A.②和③B.②和①C.③和①D.④和①
10.实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取氯气,已知铅蓄电池放电时发生如下反应:
今若制得Cl2为0.050mol,这时电池内消耗的H2SO4的物质的量至少是()。
11.某二价金属的硝酸盐溶液600mL,其pH=6,用铂电极电解,若阳极产生标准状况下的气体672mL,阴极析出金属3.81g,且溶液的体积变化可忽略,则正确的判断是
A.金属的相对原子质量为24
B.金属的摩尔质量为63.5g
C.电解后溶液的pH约为6.7
D.电解后溶液的pH约为0.7
12.在水中加入等物质的量的Ag+、Pb2+、Na+、SO
、NO
、Cl-,该溶液放在用惰性材料做电极的电解槽中,通电片刻,则氧化产物与还原产物的质量比为
A.35.5∶10.8
B.16∶207
C.8∶1
D.108∶35.5
13.CuI是一种不溶于水的白色固体,它可由反应:
2Cu2++4I-====2CuI↓+I2而得到.现以石墨为阴极,以Cu为阳极电解KI溶液,通电前的电解液中加入少量酚酞和淀粉溶液.电解开始不久阴极区溶液呈红色,而阳极区溶液呈现蓝色,对这个现象的正确解释是
①阴极电极反应2H++2e-====H2↑使c(OH-)>c(H+);②阳极2Cu+4I--4e-====2CuI↓+2I2;I2遇淀粉变蓝;③阳极Cu-2e-====Cu2+,Cu2+显蓝色;④阳极2I--2e-====I2,I2遇淀粉变蓝
A.①②
B.①③
C.①④
D.③④
14.用石墨电极电解100mLH2SO4与CuSO4的混合液,通电40min后,两极均收集到2.24L气体,则原混合液中Cu2+的物质的量浓度为 ,通过电解槽的电流强度为 .
15.工业上为了除去含Cr2O
的酸性废水,采用下列方法处理:
①往工业废水中加入适量的食盐水(1~2)g/L;②以铁作为电极进行电解.经过上述处理后,溶液的pH不断升高,工业废水由酸性变为碱性,铬转变成难溶性的氢氧化铬而被除去,使废水中含铬量降到可排放的标准.
试回答:
(1)写出阴、阳两极的电极反应,在溶液中加入食盐的目的是什么?
(2)在水溶液中将Cr2O
还原成Cr3+的还原剂是溶液中哪种离子?
写出氧化还原反应的离子方程式.
(3)在废水的处理过程中,为什么溶液的pH不断升高?
(4)写出将Cr3+转化为沉淀的离子方程式.同时还有别的沉淀生成吗?
为什么?
16.(上海市高考题,1998)氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程如下:
依据上图完成下列填空:
(1)在电解过程中,与电源正极相连的电极上的电极反应式为 ,与电源负极相连的电极附近,溶液pH (选填“不变、升高或下降”).
(2)工业食盐含Ca2+、Mg2+等杂质,精制过程发生反应的离子方程式为 .
(3)如果粗盐中SO
含量较高,必须添加钡试剂除去SO
,该钡试剂可以是 (选填a、b、c)
a.Ba(OH)2
b.Ba(NO3)2
c.BaCl2
(4)为有效除去Ca2+、Mg2+、SO
,加入试剂的合理顺序为
a.先加NaOH,后加Na2CO3,再加钡试剂
b.先加NaOH,后加钡试剂,再加Na2CO3
c.先加钡试剂,后加NaOH,再加Na2CO3
(5)脱盐工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差异,通过 、冷却、 (填写操作名称),除去NaCl.
(6)在隔膜法电解食盐水时,电解槽分隔为阳极区和阴极区,防止Cl2与NaOH反应;采用无隔膜电解冷的食盐水时,Cl2与NaOH充分接触,产物仅是NaClO和H2,相应的离子方程式为 .
17.(08年上海高考)取一张用饱和NaCl溶液浸湿的pH试纸,两根铅笔芯作电极,接通直流电源,一段时间后,发现电极与试纸接触处出现一个双色同心圆,内圆为白色,外圆呈浅红色。
则下列说法错误的是
A.b电极是阴极B.a电极与电源的正极相连接
C.电解过程中,水是氧化剂D.b电极附近溶液的pH变小
18.(07年上海高考)某学生设计了一个“黑笔写红字”的趣味实验。
滤纸先用氯化钠、无色酚酞的混合液浸湿,然后平铺在一块铂片上,接通电源后,用铅笔在滤纸上写字,会出现红色字迹。
据此,下列叙述正确的是
A铅笔端作阳极,发生还原反应B铂片端作阴极,发生氧化反应
C铅笔端有少量的氯气产生Da点是负极,b点是正极
19、如下图所示,若电解5min时铜电极质量增加2.16g,试回答:
KCl溶液CuSO4溶液AgNO3溶液
K2SO4溶液
ABC
(1)电源电极X名称为_____________。
(2)pH变化:
A___________,B__________,C__________。
(3)通电5min时,B中共收集224mL气体(标况),溶液体积为200mL。
(设电解前后无体积变化)则通电前CuSO4溶液的物质的量浓度为__________。
(4)若A中KCl溶液的体积也是200mL
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