1、1电解池原理及应用【明确考纲】1、 根 据 化 学 高 考 考 纲 ， 本 节 对 学 生 的 能 力 要 求 有 ：理 解 电 解 池 的 构 成 、 工 作 原 理 以 及 应 用 ；能 准 确 判 断 电 解 池 阴 阳 极 ， 并 能 书 写 对 应 电 极 反 应 和 总反应方程式；了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。2、 以 上 各 部 分 知 识 与 技 能 的 综 合 应 用 。【课前真题】1. (2018全国卷，13)最近我国科学家设计了一种 CO2H 2S 协同转化装置，实现对天然气中 CO2和 H2S 的高效去除。示意图如下所示，其中电极分
2、别为 ZnO石墨烯(石墨烯包裹的 ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：EDTA-Fe 2 e =EDTA-Fe32EDTA-Fe 3 H 2S=2H S2EDTA-Fe 2该装置工作时，下列叙述错误的是( )A阴极的电极反应：CO 22H 2e =COH 2OB协同转化总反应：CO 2H 2S=COH 2OSC石墨烯上的电势比 ZnO石墨烯上的低D若采用 Fe3 /Fe2 取代 EDTA-Fe3 /EDTA-Fe2 ，溶液需为酸性【答案】 C【解析】由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则 ZnO石墨烯电极为阴极。阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯
3、上的电势比ZnO石墨烯上的高，C 项错误；由题图可知，电解时阴极反应式为CO22H 2e =COH 2O，A 项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2H 2S=COH 2OS，B 项正确；Fe 3 、Fe 2 只能存在于酸性溶液中，D 项正确.22016天津理综，10(5)化工生产的副产氢也是氢气的来源。电解法制取有广泛用途的 Na2FeO4，同时获得氢气：Fe2H 2O2OH FeO 3H 2，工作原理如= = = = =通 电 24图 1 所示。装置通电后，铁电极附近生成紫红色 FeO ，镍电极有气泡产生。若氢氧化钠24溶液浓度过高，铁电极区会产生红褐色物质。已知：Na 2FeO
4、4只在强碱性条件下稳定，易被H2还原。电解一段时间后， c(OH )降低的区域在_(填“阴极室”或“阳极室”)。电解过程中，须将阴极产生的气体及时排出，其原因为2_。 c(Na2FeO4)随初始 c(NaOH)的变化如图 2，任选 M、N 两点中的一点，分析 c(Na2FeO4)低于最高值的原因：_。【答案】 阳极室 防止 Na2FeO4与 H2反应使产率降低 M 点： c(OH )低，Na2FeO4稳定性差，且反应慢或 N 点： c(OH )过高，铁电极上有 Fe(OH)3(或 Fe2O3)生成，使 Na2FeO4产率降低【解析】根据题意，镍电极有气泡产生是 H 得电子生成 H2，发生还原反
5、应，则铁电极上OH 被消耗且无补充，溶液中的 OH 减少，因此电解一段时间后， c(OH )降低的区域在阳极室。H 2具有还原性，根据题意：Na 2FeO4只在强碱性条件下稳定，易被 H2还原。因此，电解过程中，需将阴极产生的气体及时排出，防止 Na2FeO4与 H2反应使产率降低。根据题意 Na2FeO4只在强碱性条件下稳定，在 M 点： c(OH )低，Na 2FeO4稳定性差，且反应慢；在 N 点： c(OH )过高，铁电极上有 Fe(OH)3生成，使 Na2FeO4产率降低。课堂精讲【考点归类】电解原理的理解与应用，多池串联分析，电化学腐蚀与防护题型一 电解原理的理解与应用核心知识必备
6、：1.构建电解池模型，类比分析电解基本原理构建如图电解 CuCl2溶液模型，通过类比模型，结合氧化还原反应知识(如：化合价的变化、得失电子情况等)，能迅速判断电解池的阴、阳极，弄清楚外电路中电子的移动情况和内电路中离子的移动情况，准确判断离子的放电顺序并书写电极反应式和电解总反应式，掌握电解基本原理。2.注意放电顺序：阳极产物的判断首先看电极，如果是活性电极作阳极，则电极材料失电子，电极溶解(注意：铁作阳极溶解生成 Fe2 ，而不是 Fe3 )；如果是惰性电极，则需看溶液中阴离子的失电子能力，阴离子放电顺序为 S2 I Br Cl OH (水)含氧酸根F 。 阴 极 产 物 的 判 断 直 接
7、 根 据 阳 离 子 的 放 电 顺 序 进 行 判 断 ： Ag Hg2 Fe3 Cu2 H Pb2 Fe2Zn2 H (水)Al 3 Mg2 Na 。【典例剖析】1. (2016全国卷，11)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 SO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( )24A通电后中间隔室的 SO 离子向正极迁移，正极区溶液 pH 增24大B该法在处理含 Na2SO4废水时可以得到 NaOH 和 H2SO4产品3C负极反应为 2H2O4e =O24
8、H ，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【答案】B 【解析】电解池中阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，即 SO 离子向正极区移动，24Na 向负极区移动，正极区水电离的 OH 发生氧化反应生成氧气，H 留在正极区，该极得到 H2SO4产品，溶液 pH 减小，负极区水电离的 H 发生还原反应生成氢气，OH 留在负极区，该极得到 NaOH 产品，溶液 pH 增大，故 A、C 项错误，B 正确；该电解池相当于电解水，根据电解水的方程式可计算出当电路中通过 1mol 电子的电量时，会有 0.25mol 的 O2生成，D错误。【点拨】 “六点
9、”突破电解应用题(1)分清阴、阳极，与电源正极相连的为阳极，与电源负极相连的为阴极，两极的反应为“阳氧阴还” 。(2)剖析离子移向，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极。(3)注意放电顺序。(4)书写电极反应式，注意得失电子守恒。(5)正确判断产物【变式 1】H 3BO3可以通过电解 NaB(OH)4溶液的方法制备，其工作原理如图，下列叙述错误的是( )AM 室发生的电极反应式为 2H2O4e =O24H BN 室中： a% b%Cb 膜为阴膜，产品室发生反应的化学原理为强酸制弱酸D.理论上每生成 1 mol 产品，阴极室可生成标准状况下 5.6 L 气体答案 D题型二 多池串联核心知识必备：【典例
10、剖析】2如下图所示，其中甲池的总反应式为2CH3OH3O 24KOH= =2K2CO36H 2O。下列说法正确的是( )4A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 CH3OH6e 2H 2O=CO 8H 23C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(标准状况下)O 2，此时丙池中理论上最多产生 1.45g 固体【答案】D 【解析】甲池为原电池，作为电源，乙池、丙池为两个电解池。根据原电池的形成条件知，通入 CH3OH 的一极为负极，通入 O2的一极为正极，所以石
11、墨、Pt(左)作阳极，Ag、Pt(右)作阴极；B 项，负极反应：CH 3OH6e 8OH =CO 6H 2O；C 项，应加入 CuO 或23CuCO3；D 项，丙池中：MgCl 22H 2O Mg(OH)2Cl 2H 2，消耗= = = = =通 电 0.0125molO2，转移 0.05mol 电子，生成 0.025molMg(OH)2，其质量为 1.45g。【变式 2】已知 H2O2是一种弱酸，在强碱溶液中主要以 HO 的形式存在。已知：AlH 2O2 2碱性燃料电池的总反应为 2Al3NaHO 2=2NaAlO2NaOHH 2O。以 AlH2O2燃料电池电解尿素CO(NH 2)2的碱性溶
12、液制备氢气(电解池中隔膜仅阻止气体通过，c、d 均为惰性电极)。下列说法不正确的是( )A电极 a 发生的反应为 Al4OH 3e =AlO 2H 2O 2B电极 b 是正极，且反应后该电极区的 pH 增大C电解过程中，电子的流向为 abcdD电解时，消耗 2.7 g Al，则产生标准状况下的氮气 1.12 L答案 C题型三 电化学腐蚀与防护核心知识必备：【典例剖析】3. (2017全国卷)支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示，其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的5是( )A通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零B通电后外电路电子被强制从高
13、硅铸铁流向钢管桩C高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流D通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整【答案】C 【解析】钢管桩接电源的负极，高硅铸铁接电源的正极，通电后，外电路中的电子从负极流向钢管桩(阴极)，从高硅铸铁(阳极)流向正极， A、B 正确；C 项，题给信息高硅铸铁为“惰性辅助阳极”不损耗，错误。【变式 3】我国多条高压直流电线路的瓷绝缘子出现铁帽腐蚀现象，在铁帽上加锌环能有效防止铁帽的腐蚀，防护原理如图所示。下列说法错误的是( )A通电时，锌环是阳极，发生氧化反应B通电时，阴极上的电极反应为 2H2O2e H 22OH C断电时，锌环上的电极反应为 Zn2 2e ZnD断电时
14、，仍能防止铁帽被腐蚀【答案】C【课后巩固】1.用如图装置研究电化学原理，下列分析中错误的是( )电极材料连接a b分析K1K2 石墨 铁 模拟铁的吸氧腐蚀K1K2 锌 铁 模拟钢铁防护中牺牲阳极的阴极保护法K1K3 石墨 铁 模拟电解饱和食盐水K1K3 铁 石墨 模拟钢铁防护中外加电流的阴极保护法【答案】 D2.一种生物电化学方法脱除水体中 NH 的原理如图所示，下列说法正确的是( ) 4A装置工作时，化学能转变为电能 B装置工作时，a 极周围溶液 pH 降低6C装置内工作温度越高，NH 脱除率一定越大 4D电极 b 上发生的反应之一是：2NO 2e =N23O 2 3【答案】 B3.工业上利
15、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：Ni 2 在弱酸性溶液中发生水解氧化性：Ni 2 (高浓度)H Ni2 (低浓度)A.碳棒上发生的电极反应：4OH 4e =O22H 2O B.电解过程中，B 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的 pHD.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【答案】B 4.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
16、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Da 电极的反应为 3CO218H 18e =C3H8O5H 2O【答案】 B5.(2018北京，12)验证牺牲阳极的阴极保护法，实验如下(烧杯内均为经过酸化的3%NaCl 溶液)。 在 Fe 表面生成蓝色沉淀 试管内无明显变化 试管内生成蓝色沉淀下列说法不正确的是( )A对比，可以判定 Zn 保护了 FeB对比，K 3Fe(CN)6可能将 Fe 氧化C验证 Zn 保护 Fe 时不能用的方法D将 Zn 换成 Cu，用的方法可判断 Fe 比 Cu 活泼7【答案】 D6.用粗硅作原料，熔融盐电解法制
17、取硅烷原理如图。下列叙述正确的是( )A电源的 B 极为负极B可选用石英代替粗硅C电解时，熔融盐中 Li 向粗硅移动D阳极反应：Si4H 4e =SiH4【答案】 D7工业上氟气可作为火箭燃料中的氧化剂，氟单质的制备通常采用电解氧化法，已知：KFHF= =KHF2，电解熔融的氟氢化钾(KHF 2)和无水氟化氢的混合物制备 F2的装置如图所示，下列说法错误的是( )A钢电极与电源的负极相连B电解过程中需不断补充的 X 是 KFC阴极室与阳极室必须隔开D氟氢化钾在氟化氢中可以电离【答案】 B8.图甲是 CO2电催化还原为碳氢化合物(C xHy)的工作原理示意图，用某钾盐水溶液作电解液；图乙是用 H
18、2还原 CO2制备甲醇的工作原理示意图，用硫酸作电解质溶液。下列说法中不正确的是( )A图甲中铜片作阴极，K 向铜片电极移动B若图甲中 CxHy为 C2H4，则生成 1 mol C2H4的同时生成 3 mol O2C图乙中 H2SO4的作用是增强溶液的导电性D图乙中正极发生的电极反应为 CO25e 6H =CH3OHH 2O【答案】 D9.电浮选凝聚法处理酸性污水的工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )8A铁电极的电极反应式为 Fe2e =Fe2B通入甲烷的石墨电极的电极反应式为 CH 44CO 8e =5CO22H 2O23C为了增强污水的导电能力，可向污水中加入适量工业用食盐D若左池石
19、墨电极产生 44.8 L(标准状况)气体，则消耗 1.0 mol 甲烷【答案】 D10.肼(分子式为 N2H4，又称联氨)具有可燃性，在氧气中完全燃烧生成氮气，可用作燃料电池的燃料。由题图信息可知下列叙述不正确的是( )A甲为原电池，乙为电解池Bb 电极的电极反应式为 O24e =2O2Cd 电极的电极反应式为 Cu2 2e =CuDc 电极质量变化 128 g 时，理论消耗标准状况下的空气约为 112 L【答案】 B11.由于存在同种电解质溶液的浓度差而产生电动势的电池称为浓差电池。利用浓差电池电解硫酸钠溶液可以制得氧气、氢气、硫酸和氢氧化钠，其装置如下图所示(左侧是浓差电池，右侧是电解池，
20、a、b 电极均为石墨电极)。下列说法正确的是( )9A电池放电过程中，Cu(1)电极上的电极反应为 Cu2 2e =CuBa 电极的电极反应为 2H2O4e =O24H Cc、d 离子交换膜依次为阴离子交换膜和阳离子交换膜D电池从开始工作到停止放电，电解池理论上可制得 160 g 氢氧化钠【答案】 D12.铈元素（Ce）是镧系金属中自然丰度最高的一种，常见价态有+3、+4，铈的合金耐高温，可以用来制造喷气推进器零件。（1）雾霾中含有大量的污染物 NO，可以被含 Ce4+的溶液吸收。当生成 NO2 、NO 3 的物质的量之比为 1:1 时，该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为_。（2）采用电解
21、法可将上述吸收液中的 NO2转化为无毒物质，同时再生 Ce4+，其原理如右图所示。Ce 4+从电解槽的_口流出。 （填字母序号）每消耗 1 mol NO2 ，阴极区 H+减少_mol。【答案】 （1）2:1 （2）a 412.H3PO2也可用电渗析法制备。 “四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：写出阳极的电极反应式： 。分析产品室可得到 H3PO2的原因： 。早期采用“三室电渗析法”制备 H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用 H3PO2稀溶液代替。并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。 其缺点是产品中混有 杂质。该杂质产生的
22、原因是： 。【答案】 2H 2O4e =O24H 阳极室的 H 穿过阳膜扩散至产品室，原料室的 H2PO 穿过阴膜扩散至产品室，二者反 2应生成 H3PO2PO H 2PO 或 H3PO2在阳极被氧化34 2【解析】阳极发生氧化反应，在反应中 OH 失去电子，电极反应为 2H2O4e =O24H 。H 2O 放电产生 H ，H 进入产品室，原料室的 H2PO 穿过阴膜扩散至产品室，二者发生反 2应：H H 2PO H3PO2。 2如果撤去阳膜，H 2PO 或 H3PO2可能被氧化。 210t13.电镀行业产生的酸性含铬废水对环境有污染，其中所含的 Cr(VI)是主要污染物，可采用多种方法处理将
23、其除去。查阅资料可知： 在酸性环境下，Cr（VI）通常以 Cr2O72-的形式存在，Cr 2O72-+H2O 2CrO42-+2H+ Cr2O72-的氧化能力强于 CrO42- 常温下，部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的 pH 如下表：阳离子 Fe3+ Fe2+ Cr3+开始沉淀的 pH 1.9 7.0 4.3沉淀完全的 pH 3.2 9.0 5.6I腐蚀电池法（1）向酸性含铬废水中投放废铁屑和焦炭，利用原电池原理还原 Cr(VI)。下列关于焦炭的说法正确的是 （填字母序号） 。A. 作原电池的正极 B. 在反应中作还原剂 C. 表面可能有气泡产生II电解还原法向酸性含铬废水中加入适量 Na
24、Cl 固体，以 Fe 为电极电解，经过一段时间，有 Cr(OH)3和 Fe(OH)3沉淀生成排出，从而使废水中铬含量低于排放标准。装置如下左图所示。（2）A 极连接电源的 极，A 极上的电极反应式是 。（3）电解开始时，B 极上主要发生的电极反应为 2H+2e-=H2，此外还有少量 Cr2O72-在 B极上直接放电，该反应的电极反应式为 。（4）电解过程中，溶液的 pH 不同时，通电时间（ t）与溶液中 Cr 元素去除率的关系如上右图所示。由图知，电解还原法应采取的最佳 pH 范围为 。a. 2 4 b. 4 6 c. 6 10 解释曲线 I 和曲线 IV 去除率低的原因： 。H2 H2酸性含
25、 Cr(VI)废水A BH2几乎不含 Cr(VI)废水铁板H2H2 H211【答案】 （1）AC （2）正 Fe 2e - Fe2+（3）Cr 2O72- + 6e- + 14H+ 2Cr3+ + 7 H2O （4）B 曲线 I 的 pH 较小，此时 Cr(IV)被还原生成的 Cr3+难以生成 Cr(OH)3沉淀，仍以 Cr3+存在于溶液中，导致去除率较低；曲线 IV 的 pH 较大，铬元素主要以 CrO42-存在，其氧化能力弱于 Cr2O72-，Cr(IV)难以被还原继而生成沉淀，导致去除率较低14(1)电化学沉解法可用于治理水中硝酸盐的污染。电化学降解 NO 的原理如图，电源正极为_(填“
26、A”或“B”)，阴极反应式为 3_。(2)如图是一种用电解原理来制备 H2O2，并用产生的 H2O2处理废氨水的装置。为了不影响 H2O2的产量，需要向废氨水中加入适量 HNO3调节溶液的 pH 约为 5，则所得溶液中 c(NH )_(填“” “”或“”) c(NO )。 4 3IrRu 惰性电极吸附 O2生成 H2O2，其电极反应式为_。理论上电路中每转移 3 mol e ，最多可以处理废氨水中溶质(以 NH3计)的质量是_g。(3)电解法也可以利用 KHCO3使 K2CO3溶液再生。其原理如图所示，KHCO3应进入_(填“阴极”或“阳极”)室。简述再生K2CO3的原理 【答案】 (1)A 2NO 12H 10e =N26H 2O 3(2) O 22H 2e =H2O2 17(3)阴极 水电离出 H 在阴极得电子生成 H2，使水的平衡正移，产生的 OH 和 HCO 反应 3生成 CO ，使得 K2CO3再生23
