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1、第19讲电解原理及应用1.电解原理电解原理(1)相关概念使电流通过电解质溶液电解质溶液(或熔融电解质或熔融电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫电解。将电能转化为化学能化学能的装置叫电解池。(2)电解池的构成条件直流电源直流电源,两个电极,电解质(熔融态或溶液),闭合回路。(3)电解池的工作原理以电解CuCl2溶液为例教材研读教材研读名师点睛名师点睛(1)电解质溶液导电时一定发生化学反应,因为电解质溶液导电的过程即电解的过程,电解池的两极分别发生氧化反应、还原反应,有新物质生成。金属导电是物理变化。(2)原电池和电解池中,阴、阳离子一定在电解质(熔融态或溶液)中移动,电子一定在导线中移
2、动。可简记为“离子不上岸,电子不下水”。阳极(放电顺序:Cl-OH-):2Cl-2e-Cl2(氧化反应)阴极(放电顺序:H+Na+):2H+2e-H2(还原反应)总反应:2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl22.电解原理的应用电解原理的应用(1)氯碱工业电解饱和食盐水离子方程式:2Cl-+2H2O2OH-+H2+Cl2(2)电镀和电解精炼铜(3)电冶金a.原理:利用电解原理使矿石中的金属离子获得电子,从它们的化合物中还原出来。b.适用范围:制取活泼金属单质,如电解NaCl、MgCl2、Al2O3制取Na、Mg、Al,化学方程式分别为:2NaCl(熔融熔融)2Na+Cl2,MgCl2(熔融
3、熔融)Mg+Cl2,2Al2O3(熔融熔融)4Al+3O2。自测自测1判断正误,正确的划“”,错误的划“”。(1)电解是将电能转化为化学能()(2)电解质溶液导电是化学变化,金属导电是物理变化()(3)电解池的阳极和原电池的正极都发生氧化反应()(4)要使用惰性电极电解后的NaCl溶液复原,可以滴加盐酸()(5)要使用惰性电极电解后的CuSO4溶液复原,可以加入Cu(OH)2固体()(6)电解NaCl溶液的阳极反应一定是2Cl-2e-Cl2()自测自测2如图表示一个电解池,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是惰性电极,a是饱和NaCl溶液,
4、实验开始时,同时在两边各滴入几滴酚酞,则:电解池中X极上的电极反应式是,在X极附近观察到的现象是。Y电极上的电极反应式是,检验该电极反应产物的方法是。(2)若用电解法精炼粗铜,电解液a选用CuSO4溶液,则:X电极的材料是,电极反应式是。Y电极的材料是,电极反应式是(说明:杂质发生的电极反应不必写出)。当电路中有0.04mol电子通过时,阴极增重g。答案答案(1)2H+2e-H2有气泡产生,溶液变红2Cl-2e-Cl2将湿润的淀粉-KI试纸置于c口处,试纸变蓝(2)纯铜Cu2+2e-Cu粗铜Cu-2e-Cu2+1.28解析解析(1)电解池中X极是阴极,发生还原反应,电极反应式为2H+2e-H2
5、,可以看到电极上有气泡产生,且由于H+放电使X极附近溶液中OH-浓度增大,使酚酞溶液变红。Y电极上Cl-放电,电极反应式为2Cl-2e-Cl2。(2)电解精炼铜时,阳极用粗铜,阴极用纯铜。电路中通过2mol电子时,阴极析出1mol铜,故当电路中通过0.04mol电子时,析出0.02molCu,阴极增重1.28g。考点突破考点突破考点一电解池阴、阳极的判断与电极反应式的书写考点一电解池阴、阳极的判断与电极反应式的书写考点三原电池与电解池的组合装置考点三原电池与电解池的组合装置考点二电解规律及有关电化学的计算考点二电解规律及有关电化学的计算1.阴、阳极的判断方法阴、阳极的判断方法(1)根据电源的正
6、负极、离子移动的方向、发生反应的类型判断考点一电解池阴、阳极的判断与电极反应式的书写考点一电解池阴、阳极的判断与电极反应式的书写(2)依据电极质量变化判断一般,电极质量减轻的是阳极,电极质量增加的是阴极。(3)依据电极产物判断产生Cl2或O2的电极是阳极,产生H2的电极是阴极。(4)依据溶液变化判断如果电解某中性溶液(如NaCl、Na2SO4)时某极附近溶液能使酚酞呈红色,则它是阴极(H+放电,OH-浓度增大)。2.电解时电极产物的判断电解时电极产物的判断3.电极反应式的书写电极反应式的书写(1)首先判断阴、阳极,分析电极材料,阳极为活性电极时,电极材料放电。(2)再分析溶液中的离子种类,根据
7、离子放电顺序,分析电极反应并判断电极产物,写出电极反应式。(3)电解水溶液时,应注意放电顺序中H+(水)、OH-之后的离子一般不参与放电。4.电解总方程式的书写电解总方程式的书写(1)必须在连接号上标明通电或电解。(2)若只是电解质被电解,电解总方程式中只写电解质及电解产物。如电解CuCl2溶液:CuCl2Cu+Cl2。(3)若只有水被电解,只写水及电解产物即可。如电解稀硫酸、NaOH溶液、Na2SO4溶液时,电解总方程式应写为2H2O2H2+O2。(4)若电解质、水同时被电解,则都要写进电解总方程式。如电解饱和食盐水:2NaCl+2H2OH2+Cl2+2NaOH。典例典例1用电解氧化法可以在
8、铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,电解质溶液一般为H2SO4-H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是()A.待加工铝质工件为阳极B.可选用不锈钢网作为阴极C.阴极的电极反应式为:Al3+3e-AlD.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动C答案答案C根据信息知Al应作阳极,电极反应式为2Al-6e-+3H2OAl2O3+6H+,而阴极电极反应式为6H+6e-3H2,故C错。1-1电解尿素CO(NH2)2的碱性溶液制氢气的装置示意图如下:电解池中隔膜仅阻止气体通过,阴、阳两极均为惰性电极。(1)A极为,电极反应式为。(2)B极为,电极反应式为。答案答案(1)阳极CO(NH2)2+8OH-6e-N2+
9、C+6H2O(2)阴极6H2O+6e-3H2+6OH-(或6H+6e-3H2)23O解析解析在该装置中H2O电离出的H+在阴极上得电子生成H2,所以B极为阴极,A极为阳极,阳极的电极反应式为CO(NH2)2-6e-+8OH-N2+C +6H2O。23O1-2用惰性电极电解NaCl和CuSO4的混合溶液,电解过程中两极均有两种单质产生,写出电极反应式。(1)阳极电极反应:。(2)阴极电极反应:。答案答案(1)2Cl-2e-Cl2、4OH-4e-2H2O+O2(2)Cu2+2e-Cu、2H+2e-H2解析解析该混合溶液中的阴离子有Cl-、S、OH-,放电顺序为Cl-OH-S;阳离子有Na+、Cu2
10、+、H+,放电顺序为Cu2+H+Na+,结合题中“两极均有两种单质产生”可知,Cl-、OH-、Cu2+、H+均参与了放电。24O24O1.用惰性电极电解电解质溶液用惰性电极电解电解质溶液考点二电解规律及有关电化学的计算考点二电解规律及有关电化学的计算注意注意电解水型的电解质溶液为稀溶液时才符合上述规律。电路中通过的电量(电子总数)相等。通常存在下列物质的量关系:H2Cl2O2Cu2Ag2H+2OH-2e-122.有关电化学的计算有关电化学的计算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,根据电荷量求产物的量或根据产物的量求电荷量等。常用的计算方法可概括为下列三种:根据得失电子守
11、恒法计算:用于串联电路中阴、阳两极产物,正、负两极产物的定量计算,其依据是得失电子守恒。根据总反应计算:先写出电极反应式,再写出总反应式,最后列比例式计算。根据关系式计算:根据得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁,确定计算所需的关系式。串联电路中各电极得失电子数相等,即典例典例2(2017北京西城期末,16)某同学使用石墨电极,在不同电压(x)下电解pH=1的FeCl2溶液,实验记录如下(a、b代表电压数值):序号电压/V阳极现象检验阳极产物xa电极附近出现黄色,有气泡产生有Fe3+、有Cl2axb电极附近出现黄色,无气泡产生有Fe3+、无Cl2bx0无明显变化无Fe3+、无Cl2下列
12、说法中,不正确的是()A.中阳极附近的溶液可使KI淀粉试纸变蓝B.中出现黄色可能是因为Fe2+有还原性,在阳极放电产生Fe3+C.由中阳极现象可知,该电压下Cl-在阳极不放电D.根据表中电压与阳极现象及产物的对应,可以看出离子是否放电与电压有关C答案答案CA项,中阳极上有氯气生成,氯气能够氧化KI生成碘,从而使淀粉变蓝;B项,由推测,Fe3+产生的原因可能是Fe2+在阳极放电;C项,中无Cl2产生可能是Cl-放电产生的Cl2被Fe2+还原重新生成了Cl-;D项,由表中信息可以看出离子是否放电与电压有关。2-1500mLKNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(N)=0.6molL-1,用石墨作
13、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0.2molL-1B.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0.05molD.电解后溶液中c(H+)为0.2molL-13OA答案答案A用石墨作电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液,阳极反应式为4OH-4e-2H2O+O2,阴极依次发生反应:Cu2+2e-Cu和2H+2e-H2。生成0.1molO2转移0.4mol电子,而生成0.1molH2转移0.2mol电子,所以Cu2+共得到0.4mol-0.2m
14、ol=0.2mol电子,则电解前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(N),c(K+)+c(H+)=c(N),不难算出:电解前c(K+)=0.2molL-1,电解后c(H+)=0.4molL-1。3O3O2-2在如图所示的装置中,若通直流电5min时,铜电极质量增加2.16g。试回答下列问题。(1)电源中X电极为直流电源的极。(2)pH变化:A:,B:,C:(填“增大”“减小”或“不变”)。(3)通电5min时,B中共收集224mL(标准状况下)气体,溶液体积为200mL,则通电前CuSO4的物质的量浓度为
15、(设电解前后溶液体积无变化)。(4)若A中KCl足量且溶液的体积也是200mL,电解后恢复至室温,溶液的pH为(设电解前后溶液体积无变化)。答案答案(1)负(2)增大减小不变(3)0.025molL-1(4)13解析解析(1)由铜电极质量增加可知其为阴极,则银电极为阳极,Y为正极,X为负极。(2)电解KCl溶液生成KOH,溶液pH增大;电解CuSO4和K2SO4的混合溶液生成H2SO4,溶液pH减小;C为电镀银的装置,电解质溶液浓度不变,pH不变。(3)通电5min时,铜电极上析出0.02molAg,则电路中通过0.02mol电子。B中阳极发生反应4OH-4e-O2+2H2O,若转移0.02m
16、ol电子,则产生112mLO2,故B中还收集到112mLH2,由阴极反应Cu2+2e-Cu、2H+2e-H2可知,n(Cu2+)=mol=0.005mol,则c(CuSO4)=c(Cu2+)=0.025molL-1。(4)通电5min时,A中生成0.02molKOH,c(OH-)=0.02mol0.2L=0.1molL-1,pH=13。3112 100.02222.420.005mol0.2L将原电池和电解池结合在一起,或几个电解池串联在一起,综合考查化学反应中的能量变化、氧化还原反应、化学实验和化学计算等知识,是高考试卷中电化学部分的重要题型。解答该类试题时原电池和电解池的判断是关键,各电极
17、上转移的电子数相等是数据处理的法宝。1.多池串联装置中原电池和电解池的判断多池串联装置中原电池和电解池的判断(1)直接判断如装置中存在燃料电池、铅蓄电池时,其他装置为电解池。如图:A为原电池,B为电解池。考点三原电池与电解池的组合装置考点三原电池与电解池的组合装置(2)根据电极材料和电解质溶液判断一般,原电池的两个电极活泼性不同且至少有一极能和电解质溶液发生自发的氧化还原反应。如图:B为原电池,A为电解池。(3)根据电极反应现象判断在某些装置中根据电极反应现象可判断电极,并由此确定电解池和原电池。如图:若C极溶解,D极上析出Cu,B极附近溶液变红,A极上放出黄绿色气体,则甲是电解池,乙是原电池
18、。2.组合装置中的有关计算组合装置中的有关计算原电池和电解池组合装置的有关计算的根本依据是得失电子守恒,分析时要注意两点:串联电路中电流处处相等;并联电路中总电流等于各支路电流之和。如下图所示,装置甲是原电池,乙是电解池,若电路中有0.2mol电子转移,则Zn极溶解6.5g,Cu极上析出H22.24L(标准状况),Pt极上析出Cl20.1mol,C极上析出Cu6.4g。甲池中H+被还原,溶液pH变大;乙池中是电解CuCl2,由于Cu2+浓度减小使溶液pH微弱增大,电解后再加入适量CuCl2固体可使溶液复原。典例典例3以酸性氢氧燃料电池为电源进行电解的实验装置如图所示。下列说法正确的是()A.燃
19、料电池工作时,正极反应为O2+2H2O+4e-4OH-B.a极是铁,b极是铜时,b极逐渐溶解,a极上有铜析出C.a、b两极若是石墨,在相同条件下a极产生的气体与电池中消耗的H2体积相等D.a极是粗铜,b极是纯铜时,a极逐渐溶解,b极上有铜析出D答案答案DA项,燃料电池中采用酸性电解质,无OH-生成,正极反应应为O2+4H+4e-2H2O;B项,铁为活性电极,作阳极时其本身失电子而逐渐溶解;C项,a、b两极若是石墨,a极上产生的O2与电池中消耗的O2体积相等;D项,粗铜为阳极,铜及比铜活泼的金属失电子形成离子进入溶液中,铜离子在b极上得电子析出铜。3-1新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料,两
20、电极上分别通入CH4和O2,电解质溶液为KOH溶液。某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源,进行饱和氯化钠溶液的电解实验,如图所示。回答下列问题:(1)甲烷燃料电池正极、负极的电极反应式分别为、;(2)闭合开关K后,a、b电极上均有气体产生,其中b电极上得到的是,电解氯化钠溶液的总反应方程式为;(3)若每个电池中甲烷通入量均为1L(标准状况),且反应完全,则理论上通过电解池的电量为(法拉第常数F=9.65104Cmol-1,列式计算),最多能产生的氯气体积为L(标准状况)。答案答案(1)2O2+4H2O+8e-8OH-CH4+10OH-8e-C+7H2O(2)H22NaCl+2H2O2Na
21、OH+H2+Cl2(3)89.65104Cmol-1=3.45104C4解析解析(1)碱性甲烷燃料电池的正极反应式为2O2+4H2O+8e-8OH-,负极反应式为CH4+10OH-8e-C+7H2O。(2)甲烷燃料电池中通入CH4的一极为负极,则b电极为阴极,产生的气体为氢气。(3)1mol甲烷被氧化失去电子8mol,电路中通过的电量为89.65104C,所以1L甲烷完全反应,通过电解池的电量为89.65104C=3.45104C;由关系式CH48e-4Cl2可计算出标准状况下最多能产生氯气的体积为4L。23O11L22.4L mol23O122.43-2甲醇是一种重要的化工原料和新型燃料,下
22、图是甲醇燃料电池工作的示意图,其中A、B、D均为石墨电极,C为铜电极。工作一段时间后,断开K,此时A、B两极上产生的气体体积相同。(1)甲中负极的电极反应式为。(2)乙中A极析出的气体在标准状况下的体积为。(3)丙装置溶液中金属阳离子的物质的量与转移电子的物质的量的关系如下图,则图中表示的是的变化;反应结束后,要使丙装置中金属阳离子恰好完全沉淀,需要mL5.0molL-1NaOH溶液。答案答案(1)CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O(2)2.24L(3)Fe2+280解析解析(1)通CH3OH的一极为负极,电极反应式为CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O。(2)设乙中A极析出气体amol,则B极:Cu2+2e-Cu0.1mol0.2mol2H+2e-H22amolamolA极:4OH-4e-2H2O+O24amolamol23O23O则0.2mol+2amol=4amol解得a=0.1所以A极析出的气体在标准状况下的体积为2.24L。(3)分析可知,代表Fe3+的变化,代表Fe2+的变化,代表Cu2+的变化,反应结束后溶液中n(Cu2+)=0.2mol,n(Fe2+)=0.5mol,需要NaOH的物质的量为0.2mol2+0.5mol2=1.4mol,V(NaOH)=0.28L,即280mL。11.4mol5.0mol L
高考化学一轮复习 第19讲 电解原理及应用课件
