2023版高中化學(xué)人教版選擇性必修1 第四章 化學(xué)反應(yīng)與電能 第二節(jié) 電解池

第二節(jié)電解池

1.電解池(1)電解池的構(gòu)成條件①直流電源;②兩個(gè)電極(陰極、陽極);③電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì);④形成閉合

回路。(2)電解池的工作原理①電極名稱和電極反應(yīng)式(以惰性電極電解CuCl2溶液為例)1|電解原理

②電子流向和離子移動(dòng)方向?qū)Ь€上(外電路)電子從電源的負(fù)極流出,經(jīng)導(dǎo)線流向電解池的陰極。電解池

的陽極上產(chǎn)生的電子經(jīng)導(dǎo)線流入電源的正極。溶液中(內(nèi)電路)陰離子移向陽極,

陽離子移向陰極。2.電解規(guī)律(1)陽極產(chǎn)物的判斷①活性電極(除Au、Pt以外的金屬材料)作陽極,電極材料失電子,生成金屬陽離子。②惰性電極(Pt、Au、石墨等)作陽極,要依據(jù)陰離子的放電順序加以判斷。陰離

子的放電順序:S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根離子。S2-、I-、Br-、Cl-放電,產(chǎn)物一般分別是S、I2、Br2、Cl2;若OH-放電,則得到O2。(2)陰極產(chǎn)物的判斷無論是惰性電極還是活性電極都不參與陰極反應(yīng),發(fā)生反應(yīng)的是溶液中的陽離

子。陽離子放電順序:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+。若金屬陽離子(Fe3+除外)放電,一般得到相應(yīng)金屬單質(zhì);若H+放電,則得到H2。特別提醒

放電順序本質(zhì)遵循氧化還原反應(yīng)的“優(yōu)先規(guī)律”,即得(失)電子能力

強(qiáng)的離子先放電。

1.電解飽和食鹽水(1)電極反應(yīng)陽極:2Cl--2e-

Cl2↑(氧化反應(yīng));陰極:2H2O+2e-

H2↑+2OH-(還原反應(yīng))。檢驗(yàn)陽極產(chǎn)物的方法:用濕潤的KI-淀粉試紙靠近陽極,若試紙變藍(lán),證明生成

了Cl2。電解時(shí)向食鹽水中滴加酚酞溶液,陰極附近溶液變紅,說明該電極附近的

產(chǎn)物有NaOH。(2)電解方程式化學(xué)方程式:2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑;離子方程式:2Cl-+2H2O

2OH-+H2↑+Cl2↑。2|電解原理的應(yīng)用

①陽離子交換膜的作用:阻止OH-進(jìn)入陽極室與Cl2發(fā)生副反應(yīng)2NaOH+Cl2

NaCl+NaClO+H2O;防止陽極產(chǎn)生的Cl2和陰極產(chǎn)生的H2混合發(fā)生爆炸。②a、b、c、d口加入或分離出的物質(zhì)分別是飽和食鹽水、稀NaOH溶液、淡鹽

水、濃NaOH溶液;X、Y分別為Cl2、H2。(3)陽離子交換膜法電解飽和食鹽水示意圖應(yīng)用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或合金的加工工藝稱為電

鍍。如電鍍銅:陽極反應(yīng):Cu-2e-

Cu2+;陰極反應(yīng):Cu2++2e-

Cu。特別提醒

電鍍過程中的“一多,一少,一不變”:“一多”指陰極上有鍍層金屬

沉積;“一少”指陽極上有鍍層金屬溶解;“一不變”指電鍍液(電解質(zhì)溶液)的濃

度不變。2.電鍍(1)電解精煉銅①電極材料:陽極為粗銅(含鋅、鐵、鎳、銀等雜質(zhì)),陰極為純銅。②電解質(zhì)溶液:含Cu2+的鹽溶液。③電極反應(yīng)式:陽極:Zn-2e-

Zn2+、Fe-2e-

Fe2+、Ni-2e-

Ni2+、Cu-2e-

Cu2+;陰極:Cu2++2e-

Cu。④陽極泥的形成:粗銅中不活潑的雜質(zhì)(金屬活動(dòng)性順序中位于銅之后的銀、金

等)在陽極難以失去電子,當(dāng)陽極上的銅失去電子變成離子后,它們以金屬單質(zhì)的

形式沉積于電解槽的底部,成為陽極泥。特別提醒

電解精煉銅過程中的“兩不等”:電解質(zhì)溶液濃度在電解前后不相

等;陰極增加的質(zhì)量和陽極減少的質(zhì)量不相等。3.電冶金冶煉鈉:2NaCl(熔融)

2Na+Cl2↑;2Cl--2e-

Cl2↑(陽極),2Na++2e-

2Na(陰極)。冶煉鎂:MgCl2(熔融)

Mg+Cl2↑;2Cl--2e-

Cl2↑(陽極),Mg2++2e-

Mg(陰極)。冶煉鋁:2Al2O3(熔融)

4Al+3O2↑;6O2--12e-

3O2↑(陽極),4Al3++12e-

4Al(陰極)。(2)利用電解法冶煉活潑金屬1.用石墨作電極電解CuCl2溶液,陰極逸出的氣體能使?jié)駶櫟牡矸鄣饣浽嚰堊兯{(lán)

色,這種說法對(duì)嗎?提示:不對(duì)。Cl2在陽極生成,可使?jié)駶櫟牡矸鄣饣浽嚰堊兯{(lán)色。2.電解H2SO4溶液時(shí),H+放電,溶液的pH逐漸增大,這種說法對(duì)嗎?提示:不對(duì)。電解H2SO4溶液,實(shí)際是電解水,pH減小。3.電解飽和食鹽水時(shí),兩個(gè)電極均不能用金屬材料,這種說法對(duì)嗎?提示:不對(duì)。金屬材料Pt和Au都是惰性電極,陰、陽兩極都可用,也可用較活潑金

屬Zn、Fe等作陰極。4.可以分別電解熔融的MgO和AlCl3來冶煉Mg和Al,這種說法對(duì)嗎?提示:不對(duì)。MgO熔點(diǎn)高,熔融需要的能量高,可電解熔融MgCl2冶煉Mg;AlCl3是共

價(jià)化合物,熔融時(shí)不導(dǎo)電,可電解熔融Al2O3來冶煉Al。知識(shí)辨析

1.電解水型

H2SO4溶液NaOH溶液Na2SO4溶液陽極反應(yīng)式2H2O-4e-

O2↑+4H+4OH--4e-

O2↑+2H2O2H2O-4e-

O2↑+4H+陰極反應(yīng)式4H++4e-

2H2↑4H2O+4e-

2H2↑+4OH-pH變化減小增大不變復(fù)原加入物質(zhì)H2O1用惰性電極電解電解質(zhì)溶液的類型特別提醒

電解水型的電解質(zhì)溶液為不飽和溶液時(shí)才符合上述規(guī)律。2.電解電解質(zhì)型

HCl溶液CuCl2溶液陽極反應(yīng)式2Cl--2e-

Cl2↑陰極反應(yīng)式2H++2e-

H2↑Cu2++2e-

CupH變化增大—復(fù)原加入物質(zhì)HClCuCl2

NaCl溶液CuSO4溶液陽極反應(yīng)式2Cl--2e-

Cl2↑2H2O-4e-

O2↑+4H+陰極反應(yīng)式2H2O+2e-

H2↑+2OH-2Cu2++4e-

2CupH變化增大減小復(fù)原加入物質(zhì)HClCuO或CuCO33.電解質(zhì)和水都發(fā)生電解型特別提醒

惰性電極電解電解質(zhì)溶液后要恢復(fù)原電解質(zhì)溶液的濃度,需加適量的

某物質(zhì)時(shí),遵循“少什么加什么,少多少加多少”的原則,所加物質(zhì)可以是陰極產(chǎn)

物與陽極產(chǎn)物的化合物。

典例為了加深對(duì)電解規(guī)律的理解,某同學(xué)做了以下探究,要求由H+、Cu2+、Na+、S

、Cl-5種離子兩兩組成電解質(zhì),按下列要求進(jìn)行電解:(1)以碳棒為電極,電解過程中電解質(zhì)質(zhì)量減少,水的質(zhì)量不變,則采用的電解質(zhì)是

(任寫一種,填化學(xué)式,下同);若要恢復(fù)到電解前的狀態(tài),應(yīng)加入的物

質(zhì)是

。(2)以碳棒為電極,電解過程中電解質(zhì)質(zhì)量不變,水的質(zhì)量減少,則采用的電解質(zhì)是

(任寫一種,填化學(xué)式,下同);若要恢復(fù)到電解前的狀態(tài),應(yīng)加入的物

質(zhì)是

。(3)以碳棒為陽極、鐵棒為陰極,電解過程中電解質(zhì)和水的質(zhì)量都減少,則電解質(zhì)

是

(任寫一種,填化學(xué)式,下同);若要恢復(fù)到電解前的狀態(tài),應(yīng)加入的

物質(zhì)是

。思路點(diǎn)撥首先根據(jù)題目要求分析參與反應(yīng)的陰離子和陽離子,然后確定電解

質(zhì)。解析

(1)以碳棒為電極,電解過程中電解質(zhì)質(zhì)量減少,水的質(zhì)量不變,則電解質(zhì)可

以是HCl或CuCl2。(2)實(shí)質(zhì)上是電解水,H+、OH-分別在兩極上放電,電解質(zhì)可以是Na2SO4或H2SO4。(3)若電解質(zhì)是CuSO4,2CuSO4+2H2O

2H2SO4+2Cu+O2↑,要恢復(fù)到電解前的狀態(tài),可加入CuO;若電解質(zhì)是NaCl,2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑,要恢復(fù)到電解前的狀態(tài),可通入HCl。答案

(1)HCl(或CuCl2)HCl(或CuCl2)(2)Na2SO4(或H2SO4)H2O(3)CuSO4(或NaCl)CuO(或HCl)1.電極材料若陽極是金屬(Au、Pt除外),則金屬一定被氧化(一般情況下,Fe被氧化為Fe2+,

但具體應(yīng)結(jié)合背景信息)。例如,采用如圖裝置制取具有廣泛用途的K2FeO4,則結(jié)

合電解質(zhì)溶液為KOH濃溶液可知陽極反應(yīng)式為Fe-6e-+8OH-

Fe

+4H2O。

2電解池中電極反應(yīng)式書寫時(shí)的關(guān)注點(diǎn)?若電解質(zhì)溶液呈堿性,一般用OH-或H2O來配平電荷與原子數(shù);若電解質(zhì)溶液

呈酸性,一般用H+或H2O來配平電荷與原子數(shù)。如圖所示用石墨作電極電解HNO3

溶液,b極有NO生成,則b極的電極反應(yīng)式為N

+4H++3e-

NO↑+2H2O。

2.電解質(zhì)溶液的酸堿性3.電解質(zhì)狀態(tài)若電解質(zhì)是熔融態(tài)金屬氧化物或鹽,一般為金屬的冶煉。例如:電解熔融氧

化鋁制取金屬鋁。特別提醒

①書寫電解池中的電極反應(yīng)式時(shí),如果實(shí)際放電的離子來自弱電解質(zhì)

的電離,應(yīng)用弱電解質(zhì)的化學(xué)式表示,在書寫總反應(yīng)的離子方程式時(shí),也要使用弱電解質(zhì)的化學(xué)式。如電解水時(shí),陽極反應(yīng)式為2H2O-4e-

O2↑+4H+。②要確保兩極電子轉(zhuǎn)移數(shù)目相等才能將兩極的電極反應(yīng)式相加得總反應(yīng)式,且總

反應(yīng)式中應(yīng)注明條件“電解”。

典例離子液體為非水體系。由有機(jī)陽離子、Al2C

和AlC

組成的離子液體作電解液時(shí),可在鋼制品上電鍍鋁。鋼制品應(yīng)接電源的

極,已知電鍍過程

中不產(chǎn)生其他離子且有機(jī)陽離子不參與電極反應(yīng),陰極反應(yīng)式為

。思路點(diǎn)撥明確電極反應(yīng)類型,根據(jù)題目信息分析該電極的反應(yīng)物與生成物,結(jié)

合介質(zhì)類型書寫電極反應(yīng)式。解析

在鋼制品上電鍍鋁,故鋼制品作陰極,與電源負(fù)極相連。由于電鍍過程中

不產(chǎn)生其他陽離子且有機(jī)陽離子不參與電極反應(yīng),Al元素在熔融鹽中以Al2C

和AlC

形式存在,則電鍍過程中陰極反應(yīng)式為4Al2C

+3e-

Al+7AlC

。答案負(fù)4Al2C

+3e-

Al+7AlC

目前電解除磷裝置多采用鐵板或鋁板作為電極,電極板浸沒在水溶液中,陽

極在直流電源作用下電解產(chǎn)生Fe2+或Al3+,Fe2+可進(jìn)一步氧化生成Fe3+,這些離子能

與污水中的P

反應(yīng)生成難溶性化合物,然后通過固液分離被去除。此外,在不同pH條件下,部分金屬離子會(huì)與污水中的OH-反應(yīng)生成鐵或鋁的羥基化合物及沉

淀物,污水中的P

會(huì)吸附在這些沉淀物的表面并隨其一起被去除。同時(shí),陰極生成的H2在污水中會(huì)產(chǎn)生氣浮現(xiàn)象,使污水中的顆粒物漂浮到表面而得以去除。

目前國內(nèi)已有不少關(guān)于電解除磷裝置的研究,但由于其短時(shí)間內(nèi)處理的污水量有限及存在的其他一些技術(shù)問題限制了其在生活污水處理裝置末端上的連續(xù)應(yīng)用。證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)——探究電解原理的應(yīng)用

問題1根據(jù)材料分析電解除磷時(shí)為什么將鋁板或鐵板作陽極?提示

陽極在直流電源作用下電解產(chǎn)生Fe2+或Al3+,提供能與磷酸根離子結(jié)合生成

沉淀的陽離子。

問題2分別用鐵和石墨作電極,利用如圖所示裝置除去含CN-、Cl-廢水中的CN-時(shí),控制溶液pH為9~10,CN-與陽極產(chǎn)生的ClO-反應(yīng)生成無污染的氣體。思考

在該裝置中鐵應(yīng)該作什么電極,石墨作什么電極?

提示

陽極產(chǎn)生ClO-,電極反應(yīng)為Cl-+2OH--2e-

ClO-+H2O,所以石墨作陽極,鐵作陰極。

問題3結(jié)合所學(xué)知識(shí)并查閱資料,分析電解法除去廢水中的磷元素,可能會(huì)面臨哪些技術(shù)難題?提示

金屬陽極易發(fā)生鈍化現(xiàn)象,導(dǎo)致通過穩(wěn)壓電解系統(tǒng)的電流逐漸減小,進(jìn)而

影響電解除磷的效率;電解過程中溶出較多Fe3+會(huì)