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- 2021-05-13 发布
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高考化学电化学辅导讲义
授课主题
电解池原理及应用
教学目的
1、 掌握原电池的原理,并能在实际题型中正确分析。
2、 能够熟练的书写电解池的电极方程式,记住离子放电顺序。
3、 熟悉常见的电解池原理实际应用
教学重难点
电极方程式的书写
教学内容
一、本节知识点讲解一(电解池工作原理)
1.电解原理
电解:①定义:使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。
②特点。A.电解是最强有力的氧化还原手段,是不可逆(填“可逆”或“不可逆”)的。
B.从本质上看,电解质溶液的导电过程就是电解质溶液的电解过程。
2.电解的定义
使电流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做电解。电解时使用的电离必须是直流电。在电解过程中,电能转化成化学能。
3.电解池
(1)电解池的定义
将电能转化为化学能的装置叫做电解池,电解池又叫做电解槽。
(2)电解池的构造
①直流电源;②两个固体电极;③电解质溶液或熔融电解质;④形成闭合回路。
(3)工作原理(以惰性电极电解氯化铜为例)。
A.实验装置:
B.电池总反应:CuCl2Cl2↑+Cu。
C.电解池中离子的定向移动:阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。
(4)电解池工作原理
通电时电子从电源的负极出发,流向电解池的阴极,在该电极上,阳离子获得电子发生还原反应;与此同时,阴离子在阳极上失去电子发生氧化反应,失去的电子再从电解池的阳极流向电源的正极,从而在两部分导体中形成闭合回路。
由上述分析可知:电解质溶液的导电过程必须有阴阳离子参加反应,电解质溶液的导电过程就是电解质溶液的电解过程。
(5)电解池与原电池比较
电解池
原电池
原理
电能转化为化学能
化学能转化为电能
构成
阴极、阳极、电解质溶液、电源
正极、负极、电解质溶液、盐桥
电极反应
阳极发生氧化反应
阴极发生还原反应
负极发生氧化反应
正极发生还原反应
反应是否自发
非自发的氧化还原反应
自发的氧化还原反应
4.电解时阴、阳两极物质的放电顺序
(1)阳极物质的放电顺序
①首先要看电极材料;
②如果阳极材料是活性电极(金属活动性顺序中银以前的金属,包括银),则电解时电极材料失电子,电极不断消耗。溶液中的阴离子不能失电子。
③如果是惰性电极(如Pt、Au、石墨等),应根据溶液中阴离子的放电(失电子)顺序加以判断。阴离子的放电顺序为S2->I->Br->Cl->SO32->OH->含氧酸根离子(SO、NO等)>F-。
即:活性阳极(金属)>无氧酸根离子>OH->含氧酸根离子>F-。
(2)阴极物质的放电顺序
阴极物质的放电顺序与电极材料无关,直接根据溶液中阳离子的放电(得电子)顺序进行判断。阳离子的放电顺序为Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+(H+浓度较大时,由酸提供)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(H+浓度较小时,由水电离提供)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+,即在水溶液中,活泼金属的阳离子(K+、Ca2+、Na+、Mg
2+、Al3+等)不可能放电析出金属。
特别提示
①离子放电顺序还与离子浓度有关。如果离子浓度相差悬殊的情况下,离子浓度大的有可能先放电。H+的放电能力大于Fe2+、Zn2+,但在电解浓度大的硫酸亚铁或硫酸锌溶液时,由于溶液中c(Fe2+)或c(Zn2+)≫c(H+),则先在阴极上放电的是Fe2+或Zn2+。因此,阴极上的主要产物则为Fe和Zn,工业上镀锌就是利用这个原理。
②最常用、最重要的放电顺序是:
阳极:M(金属电极)>Cl->OH-,阴极:Ag+>Cu2+>H+。
③最常见的电极产物:阳极有Mn+、Cl2、O2;阴极有Ag、Cu、H2
1.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[1][来源:1ZXXK]
阴极:4H++4e-===2H2↑[来源:学+科+网]
H2O[来源:Z#xx#k.Com][来源:Zxxk.Com]
2H2OO2↑+2H2↑[来源:学。科。网Z。X。X。K][来源:学+科+网Z+X+X+K][来源:Z,xx,k.Com]
增大[来源:Z|xx|k.Com]
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
(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
阳极:
盐
CuCl2
加CuCl2
不活泼金属的无氧酸盐(如CuCl2),除氟化物外
2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:Cu2++2e-===Cu
Cu+Cl2↑
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
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?
(5)通过以上分析,电解质溶液复原应遵循什么原则?
2.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?
例题解析
【例题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
【例题2】工业上用电解法处理含镍酸性废水并得到单质Ni的原理如图所示。下列说法不正确的是( )
已知:①Ni2+在弱酸性溶液中发生水解 ②氧化性:Ni2+(高浓度)>H+>Ni2+(低浓度)
A.碳棒上发生的电极反应:4OH--4e-===O2↑+2H2O
B.电解过程中,B室中NaCl溶液的物质的量浓度将不断减小
C.为了提高Ni的产率,电解过程中需要控制废水pH
D.若将图中阳离子膜去掉,将A、B两室合并,则电解反应总方程式发生改变
巩固练习
【练习1】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.阴极的反应式是:H2O+2eˉ=H2+O2ˉ、CO2+2eˉ=CO+O2ˉ
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
【练习2】电解硫酸钠溶液生产硫酸和烧碱的装置如图所示,其中阴极和阳极均为惰性电极。测得同温同压下,气体甲与气体乙的体积比约为1∶2,下列有关说法正确的是
(说明:阳离子交换膜只允许阳离子通过,阴离子交换膜只允许阴离子通过)
A.a电极反应式为2H++2e-===H2↑
B.产物丙为硫酸
C.d为阴离子交换膜
D.Na2SO4溶液浓度增大
【练习3】用惰性电极电解足量的下列溶液,一段时间后停止电解,向溶液中加入一定质量的另一种物质(括号内),能使溶液完全复原的是( )
A.CuCl2( H2O) B. NaOH(Na2O) C.CuSO4( CuO) D. NaCl( NaOH)
本知识点小结
四、当堂检测
1、在固态金属氧化物电解池中,高温共电解H2OCO2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
2、某模拟“人工树叶”电化学实验装置如图所示,该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料(C3H8O)。下列说法正确的是( )
A.该装置将化学能转化为光能和电能
B.该装置工作时,H+从b极区向a极区迁移
C.每生成1 mol O2,有44 g CO2被还原
D.a 电极的反应为3CO2+18H+-18e-===C3H8O+5H2O
3、用下图所示装置除去含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
五、家庭作业
1、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SO42-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SO42-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2 H2O-4e–=O2+4H+,负极区溶液pH降低
D.当电路中通过1mol电子的电量时,会有0.5mol的O2生成。
2、500mLKNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO3-)为6.0mol•L-1,用石墨电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收到22.4L气体(标准状况),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4mol/L
B.电解后加入1molCu(OH)2可使溶液复原
C.电解后溶液中c(H+)为8mol/L
D.原溶液中c(Cu2+)为1mol/L
3、如下图所示,其中甲池的总反应式为2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O。下列说法正确的是( )
A.甲池是电能转化为化学能的装置,乙、丙池是化学能转化为电能的装置
B.甲池通入CH3OH的电极反应式为CH3OH-6e-+2H2O=CO32-+8H+
C.反应一段时间后.向乙池中加入一定量Cu(OH)2固体能使CuSO4溶液恢复到原浓度
D.甲池中消耗280mL(标准伏况下)O2,此时丙池中理论上最多产生1.45g固体