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电解池
电解池 金属的电化学腐蚀与防护
一、电解的原理
1.电解定义
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.能量转化形式
电能转化为化学能。
3.电解池
(1)构成条件
①有与电源相连的两个电极。
②电解质溶液(或熔融盐)。
③形成闭合回路。
(2)电极名称及电极反应式(如图)
(3)电子和离子的移动方向
特别提醒 电解时,在外电路中有电子通过,而在溶液中是依靠离子定向移动形成电流,即电子本身不会通过电解质溶液。
4.分析电解过程的思维程序
(1)首先判断阴、阳极,分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。
(2)再分析电解质水溶液的组成,找全离子并分阴、阳两组(不要忘记水溶液中的H+和OH-)。
(3)然后排出阴、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。
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、最重要的放电顺序是:
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)分析电极反应,判断电极产物,写出电极反应式,要注意遵循原子守恒和电荷守恒。
(5)最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式。
互动思考
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(用惰性电极电解)
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阴极:
4H++4e-===2H2↑
H2O
2H2O
O2↑+2H2↑
增大
减小
加H2O
强碱(如NaOH)
增大
加H2O
活泼金属的含氧酸盐(如KNO3、Na2SO4)
不变
加H2O
(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。
答案 不一定,如用惰性电极电解饱和Na2SO4溶液,一段时间后会析出Na2SO4·10H2O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。
(2)用惰性电极电解饱和Na2SO4溶液,一段时间后,析出wgNa2SO4·10H2O晶体,阴极上放出ag气体,则饱和Na2SO4溶液的质量分数为__________。
答案
×100%
解析 2H2O
2H2↑+O2↑
mol
mol
被电解的水的质量为9ag
被电解的水与wg晶体组成该温度下的饱和溶液
其质量分数为
×100%=
×100%。
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
2HCl
H2↑+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
CuCl2
Cu+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++2H2O
2Cu+O2↑+4H+
生成新电解质
减小
加CuO或CuCO3
(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?
答案 放H2生碱型实质是水电离出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。
(2)①上表3中要使电解后的NaCl溶液复原,滴加盐酸可以吗?
②上表4中要使电解后的CuSO4溶液复原,加入Cu(OH)2固体可以吗?
答案 电解质溶液的复原应遵循“从溶液中析出什么补什么”的原则,即从溶液中析出哪种元素的原子,则应按比例补入哪些原子。
①电解NaCl溶液时析出的是等物质的量的Cl2和H2,所以应通入氯化气体,加入盐酸会引入过多的水。
②a.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。
b.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。
题组一 突破电极反应式、电解方程式的书写
1.按要求书写电极反应式和总方程式
(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____________________________________________________________________;
总反应化学方程式______________________________________________________________。
(4)用铁作电极电解NaOH溶液
阳极反应式___________________________________________________________________;
阴极反应式___________________________________________________________________;
总反应离子方程式_____________________________________________________________。
(5)用铜作电极电解盐酸溶液
阳极反应式___________________________________________________________________;
阴极反应式____________________________________________________________________;
总反应离子方程式______________________________________________________________。
(6)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______________________________________________________________。
(7)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___________________________________________________________________;
总反应离子方程式______________________________________________________________。
(8)用Al单质作阳极,石墨作阴极,电解NaHCO3溶液
阳极反应式___________________________________________________________________;
阴极反应式___________________________________________________________________。
(9)用惰性电极电解熔融MgCl2
阳极反应式____________________________________________________________________;
阴极反应式___________________________________________________________________;
总反应离子方程式______________________________________________________________。
答案
(1)4OH--4e-===O2↑+2H2O
4Ag++4e-===4Ag
4Ag++2H2O
4Ag+O2↑+4H+
(2)2Cl--2e-===Cl2↑
2H++2e-===H2↑
Mg2++2Cl-+2H2O
Mg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(3)Fe-2e-===Fe2+
2H++2e-===H2↑
Fe+2H2O
Fe(OH)2↓+H2↑
(4)Fe-2e-+2OH-===Fe(OH)2
2H++2e-===H2↑
Fe+2H2O
Fe(OH)2+H2↑
(5)Cu-2e-===Cu2+
2H++2e-===H2↑
Cu+2H+
Cu2++H2↑
(6)2Al-6e-+8OH-===2AlO
+4H2O 6H2O+6e-===3H2↑+6OH-或6H++6e-===3H2↑
2Al+2H2O+2OH-
2AlO
+3H2↑
(7)2Al-6e-+3H2O===Al2O3+6H+
6H++6e-===3H2↑
2Al+3H2O
Al2O3+3H2↑
(8)2Al+6HCO
-6e-===2Al(OH)3↓+6CO2↑
6H++6e-===3H2↑
(9)2Cl--2e-===Cl2↑
Mg2++2e-===Mg
Mg2++2Cl-
Mg+Cl2↑
1.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+)。
(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。
2.规避“三个”失分点
(1)书写电解池中电极反应式时,要以实际放电的离子表示,但书写总电解反应方程式时,弱电解质要写成分子式。
(2)要确保两极电子转移数目相同,且应注明条件“电解”。
(3)电解水溶液时,应注意放电顺序中H+、OH-之后的离子一般不参与放电。
题组二 电解原理和电解规律的考查
2.右图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置。
通电后在石墨电极a和b附近分别滴加几滴石蕊溶液。
下列实验现象描述正确的是( )
A.逸出气体的体积,a电极的小于b电极的
B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气体
C.a电极附近呈红色,b电极附近呈蓝色
D.a电极附近呈蓝色,b电极附近呈红色
答案 D
解析 SO
、OH-移向b极,在b极OH-放电,产生O2,b极附近c(H+)>c(OH-),石蕊溶液变红。
Na+、H+移向a极,在a极H+放电产生H2,a极附近c(OH-)>c(H+),石蕊溶液变蓝。
所以产生的气体体积a电极的大于b电极的;两种气体均为无色无味的气体。
A、B、C均错。
3.用惰性电极电解一定浓度的CuSO4溶液,通电一段时间后,向所得的溶液中加入0.1molCu(OH)2后恰好恢复到电解前的浓度和pH。
则下列说法正确的是( )
A.电解过程中阴极没有气体生成
B.电解过程中转移的电子的物质的量为0.4mol
C.原CuSO4溶液的浓度为0.1mol·L-1
D.电解过程中阳极收集到的气体体积为1.12L(标况下)
答案 B
解析 由2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑知,如CuSO4未电解完,加CuO即可复原,而加入Cu(OH)2相当于加入CuO·H2O,故CuSO4电解完后,还电解了部分水。
电解析出了0.1molCu,转移电子0.2mol,而电解0.1molH2O转移电子0.2mol,故转移的电子的总物质的量为0.4mol。
二、电解原理的应用
1.电解饱和食盐水
(1)电极反应
阳极反应式:
2Cl--2e-===Cl2↑(氧化反应)
阴极反应式:
2H++2e-===H2↑(还原反应)
(2)总反应方程式
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
离子反应方程式:
2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑
(3)应用:
氯碱工业制烧碱、氯气和氢气。
2.电镀
右图为金属表面镀银的工作示意图,据此回答下列问题:
(1)镀件作阴极,镀层金属银作阳极。
(2)电解质溶液是AgNO3溶液等含镀层金属阳离子的盐溶液。
(3)电极反应:
阳极:
Ag-e-===Ag+;
阴极:
Ag++e-===Ag。
(4)特点:
阳极溶解,阴极沉积,电镀液的浓度不变。
3.电解精炼铜
(1)电极材料:
阳极为粗铜;阴极为纯铜。
(2)电解质溶液:
含Cu2+的盐溶液。
(3)电极反应:
阳极:
Zn-2e-===Zn2+、Fe-2e-===Fe2+、Ni-2e-===Ni2+、Cu-2e-===Cu2+;
阴极:
Cu2++2e-===Cu。
4.电冶金
利用电解熔融盐的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
(1)冶炼钠
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
电极反应:
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑;阴极:
2Na++2e-===2Na。
(2)冶炼铝
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
电极反应:
阳极:
6O2--12e-===3O2↑;阴极:
4Al3++12e-===4Al。
互动思考
1.
(1)电解氯化钠溶液时,如何用简便的方法检验产物?
答案 阳极产物Cl2可以用淀粉KI试纸检验,阴极产物H2可以通过点燃检验,NaOH可以用酚酞试剂检验。
(2)氯碱工业在生产过程中必须把阳极室和阴极室用离子交换膜隔开,原因是什么?
答案 防止H2和Cl2混合爆炸,防止Cl2与溶液中的NaOH反应。
2.电解精炼铜时,阳极泥是怎样形成的?
答案 粗铜中往往含有锌、铁、镍、银、金等多种金属杂质,当含杂质的铜在阳极不断溶解时,金属活动性位于铜之前的金属杂质,如Zn、Fe、Ni等也会同时失去电子,但是它们的阳离子比铜离子难以还原,所以它们并不能在阴极析出,而只能以离子的形式留在电解液里。
金属活动性位于铜之后的银、金等杂质,因为失去电子的能力比铜弱,难以在阳极失去电子变成阳离子而溶解,所以当阳极的铜等失去电子变成阳离子溶解之后,它们以金属单质的形式沉积在电解槽底部,形成阳极泥。
题组一 电解原理的“常规”应用
1.利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产上的应用。
下列说法正确的是( )
A.氯碱工业中,X电极上反应式是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;电解精炼铜时阳极粗铜溶解,阴极Cu2+放电析出Cu,由于粗铜中含有锌、铁、镍等杂质,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。
题组二 电解原理的“不寻常”应用
(一)电解原理在“环境治理”中的不寻常应用
2.用NaOH溶液吸收烟气中的SO2,将所得的Na2SO3溶液进行电解,可循环再生NaOH,同时得到H2SO4,其原理如下图所示(电极材料为石墨)。
(1)图中a极要连接电源的________(填“正”或“负”)极,C口流出的物质是________。
(2)SO
放电的电极反应式为____________。
(3)电解过程中阴极区碱性明显增强,用平衡移动原理解释原因________。
答案
(1)负 硫酸
(2)SO
-2e-+H2O===SO
+2H+
(3)H2OH++OH-,在阴极H+放电生成H2,c(H+)减小,水的电离平衡正向移动,碱性增强
解析 根据Na+、SO
的移向判断阴、阳极。
Na+移向阴极区,a应接电源负极,b应接电源正极,其电极反应式分别为
阳极:
SO
-2e-+H2O===SO
+2H+
阴极:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
所以从C口流出的是H2SO4,在阴极区,由于H+放电,破坏水的电离平衡,c(H+)减小,c(OH-)增大,生成NaOH,碱性增强,从B口流出的是浓度较大的NaOH溶液。
(二)电解原理在“物质制备”中的不寻常应用
3.根据2CrO
+2H+⇌Cr2O7
+H2O设计图示装置(均为惰性电极)电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7,图中右侧电极连接电源的______极,其电极反应式为________________________________________________________________________。
答案 正极 4OH--4e-===O2↑+2H2O
解析 根据NaOH溶液浓度的变化及Na+交换膜,左侧为阴极区域,右侧为阳极区域,电极反应式为
阴极:
4H2O+4e-===2H2↑+4OH-
阳极:
4OH--4e-===O2↑+2H2O
在阳极区域:
2CrO
+2H+⇌Cr2O7
+H2O。
三、应对电化学定量计算的三种方法
1.计算类型
原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算、产物的量与电量关系的计算等。
2.三种方法
(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关系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:
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。
提示 在电化学计算中,还常利用Q=I·t和Q=n(e-)×NA×1.60×10-19C来计算电路中通过的电量。
题组一 根据总反应式,建立等量关系进行计算
1.两个惰性电极插入500mLAgNO3溶液中,通电电解。
当电解液的pH从6.0变为3.0时(设电解过程中阴极没有H2放出,且电解液在电解前后体积变化可以忽略不计),电极上析出银的质量最大为( )
A.27mgB.54mgC.106mgD.216mg
答案 B
解析 首先结合离子放电顺序,弄清楚两极的反应:
阳极4OH--4e-===O2↑+2H2O;阴极4Ag++4e-===4Ag,电解的总反应式为4AgNO3+2H2O
4Ag+O2↑+4HNO3。
由电解的总反应式可知,电解过程中生成的n(Ag)=n(HNO3)=n(H+)=(10-3mol·L-1-10-6mol·L-1)×0.5L≈5×10-4mol,m(Ag)=5×10-4mol×108g·mol-1=0.054g=54mg。
2.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-1B.2×10-3mol·L-1
C.1×10-3mol·L-1D.1×10-7mol·L-1
答案 A
解析 根据2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑,得:
n(H+)=2n(H2SO4)=2n(Cu)=2×
=0.002mol,c(H+)=
=4×10-3mol·L-1。
题组二 根据电子守恒,突破电解分阶段计算
3.500mLKNO3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这个事实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。
题组三 根据电极现象,利用
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