1、第10讲 电解池的工作原理及应用,-2-,-3-,基础梳理,感悟选考,对点训练,1.电解原理 (1)电解: 在直流电的作用下,在两电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程叫做电解。电解可以使许多在通常条件下不能发生的反应得以进行,如电解氯化钠溶液可得氢气和氯气。 (2)电解池: 将电能转化为化学能的装置叫做电解池。电解池由直流电源、固体电极材料以及电解质溶液或熔融电解质组成。,-4-,基础梳理,感悟选考,对点训练,(3)阴、阳极的判断:,-5-,基础梳理,感悟选考,对点训练,(4)电解时电极产物的判断: 阳极产物的判断: 首先看电极,如果是活性电极(在金属活动性顺序中排在Ag以前的金属作电极材料
2、),则电极材料失电子,电极被溶解,溶液中的阴离子不能失电子。如果是惰性电极(Pt、Au、石墨等),则要再看溶液中离子的失电子能力,此时根据阴离子放电顺序加以判断。 阴离子放电顺序:S2-I-Br-Cl-OH-。 阴极产物的判断: 直接根据阳离子放电顺序进行判断,阳离子放电顺序:Ag+Cu2+H+Fe2+Zn2+。 注意:电解装置必须有外接直流电源。,-6-,基础梳理,感悟选考,对点训练,(5)电解质溶液电解规律(采用惰性电极): 用惰性电极(如石墨和Pt电极)电解酸、碱、盐的水溶液时,主要有三种电解形式:电解水、电解电解质本身、电解电解质和水。其规律如下: 电解强碱、含氧酸、活泼金属的含氧酸盐
3、等水溶液,实际上为电解水。如电解NaOH溶液、H2SO4溶液、Na2SO4溶液等。 电解无氧酸(除氢氟酸外)、不活泼金属的无氧酸盐等水溶液,实际上为电解溶质本身。如电解盐酸、CuCl2溶液等。 电解活泼金属的无氧酸盐、不活泼金属的含氧酸盐等水溶液,实际上为电解溶质和水。如电解NaCl溶液、CuSO4溶液等。,-7-,基础梳理,感悟选考,对点训练,(6)电解过程中电极附近溶液pH的变化: 电极区域: a.若阴极H+放电产生H2,阴极区域pH变大。 b.若阳极OH-放电产生O2,阳极区域pH变小。 电解质溶液中: a.若电解过程中,既产生H2,又产生O2,则原溶液呈酸性的pH变小,原溶液呈碱性的p
4、H变大,原溶液呈中性的pH不变(浓度变大)。 b.若电解过程中,无H2和O2产生,pH几乎不变。但有特殊情况,如电解CuCl2溶液,电解后,若不考虑Cl2的溶解,溶液的pH会变大(由于Cu2+水解)。 c.若电解过程中,只产生H2不产生O2,溶液pH变大。 d.若电解过程中,只产生O2不产生H2,溶液pH变小。,-8-,基础梳理,感悟选考,对点训练,2.电解原理的应用 (1)电解精炼铜: 粗铜 作阳极,精铜 作阴极,CuSO4(其他合理答案:均可) 溶液作电解质溶液。电解时,发生如下反应:阳极主要反应为Cu-2e- Cu2+,阴极反应为Cu2+2e- Cu。阳极泥中存在金、银等不活泼的贵重金属
5、,阴极得到精铜。 (2)电镀铜: 精铜作阳极 ,需要镀铜的金属制品作阴极 ,硫酸铜(或其他可溶性铜盐)溶液作电解质溶液,从理论上讲电镀时电解质溶液的组成、浓度和质量不发生变化。电极反应:阳极为Cu-2e- Cu2+,阴极为Cu2+2e- Cu。,-9-,基础梳理,感悟选考,对点训练,(3)氯碱工业: .原料的应用: 粗盐的成分:粗盐中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、 等杂质,不符合电解要求,因此粗盐水必须经过精制。 杂质的危害:Ca2+、Mg2+等金属离子在碱性环境中会生成沉淀,损坏离子交换膜;此外,杂质的存在会使得到的产品不纯。 除杂质的过程:,-10-,基础梳理,感悟选考,对点训练
6、,a.除杂质时所加试剂的顺序要求是:Na2CO3必须在加BaCl2之后,在过滤之后加入盐酸。 b.试剂加入顺序有多种选择:,-11-,基础梳理,感悟选考,对点训练,.反应原理:,在上述反应中,由于H+在阴极上得到电子而生成H2,破坏了附近的水的电离平衡,促进了水继续电离,结果阴极区溶液里OH-的浓度增大而呈碱性。 总反应:2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2+H2 。 (4)电解冶炼: 电解熔融电解质可获得活泼金属。如:K、Ca、Na、Mg、Al等金属可通过电解其熔融的氯化物或氧化物制得。在电解池的阴极上活泼金属的阳离子得电子生成金属单质。,-12-,基础梳理,感悟选考,对点训练,3.原电
7、池与电解池的区别与联系,-13-,基础梳理,感悟选考,对点训练,-14-,基础梳理,感悟选考,对点训练,难点释疑 如何解决原电池和电解池的计算问题?,提示: 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测定的计算、根据电荷量求产物的量与根据产物的量求电荷量的计算等。不论哪类计算,均可概括为下列三种方法: (1)根据电子守恒法计算:用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、有关电荷量的计算等,其依据是串联电路中各电极上转移的电子数相等。 (2)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比例式进行计算。 (3)根据关系式计算:
8、借得失电子守恒关系建立已知量物质与未知量物质之间的关系式。 如:2H2O22Cl22Cu4Ag4H+4OH-4e-。,-15-,基础梳理,感悟选考,对点训练,1.(201711浙江选考)科学家发现,以H2O和N2为原料,熔融NaOH-KOH为电解质,纳米Fe2O3作催化剂,在250 和常压下可实现电化学合成氨。阴极区发生的变化可视为按两步进行,请补充完整。 电极反应式: 和2Fe+3H2O+N2 Fe2O3+2NH3。,答案,-16-,基础梳理,感悟选考,对点训练,2.(201610浙江选考)电解NaClO3水溶液可制备NaClO4。在电解过程中由于阴极上吸附氢气,会使电解电压升高,电解效率下
9、降。为抑制氢气的产生,可选择合适的物质(不引入杂质),写出该电解过程的总化学方程式 。,答案,-17-,基础梳理,感悟选考,对点训练,3.(201510浙江选考)单质Mg可以通过电解熔融MgCl2得到。不能用电解MgCl2溶液的方法制备Mg的理由是 。,答案,-18-,基础梳理,感悟选考,对点训练,1.(2018东阳中学月考)电解硫酸钠溶液联合生产硫酸和烧碱溶液的装置如下图所示,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12,以下说法正确的是( )A.a极与电源的负极相连 B.产物丁为硫酸 C.离子交换膜d为阴离子交换膜(允许阴离子通过),答案,-19-,基础梳理,
10、感悟选考,对点训练,2.宁波镇海至骆驼的387路公交车上首次使用了油电混合动力公交车。作为该车关键部件的镍氢电池,具有比能量高、寿命长,可以进行大电流充放电的特点。下图是某油电混合动力汽车镍氢电池的充放电原理示意图,图中M表示储氢金属,其总反应式为NiOOH+MH Ni(OH)2+M。,-20-,基础梳理,感悟选考,对点训练,根据上述信息回答下列问题: (1)当发电机工作时,镍氢电池中 能转化为 能。 (2)图中甲极是镍氢电池的 (填“正”或“负”)极,该极充电时的电极反应式为 。 (3)用此镍氢电池分别电解以下两种溶液,假如电路中转移了0.02 mol电子,且电解池的电极均为惰性电极。 电解
11、M(NO3)x溶液时某一电极增加了a g M,则金属M的相对原子质量为 (用含a、x的表达式表示)。 电解含有0.01 mol CuSO4和0.01 mol NaCl的混合溶液100 mL,阳极产生的气体在标准状况下的体积是 ;将电解后的溶液加水稀释至1 L,此时溶液的pH= 。,答案,解析,-21-,基础梳理,感悟选考,对点训练,3. 研究证实,CO2可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇,则生成甲醇的反应发生在 极,该电极反应式是 。,答案,解析,-22-,一,二,一、忽视电解反应的反常情况【易错题1】 下列对电解实质的分析正确的是( ) A.用惰性电极电解MgSO4溶液,MgSO4没有参与反应
12、 B.用Cu作电极电解饱和Na2SO4溶液,每放出1 mol氢气,则电解1 mol H2O C.用惰性电极电解饱和Na2SO4溶液,每放出1 mol氢气,则电解2 mol H2O D.用惰性电极电解NaCl溶液,在阴极区可获得NaOH溶液 错因剖析:本题极易忽视电池反应的反常情况,认为电极上电解质电离出的离子未发生放电反应,电解质就不发生反应,从而错选A。,-23-,一,二,正确解答电解MgSO4溶液,阴极水电离出的H+放电,使c(OH-)增大,与向阴极迁移的Mg2+发生反应生成Mg(OH)2沉淀,A不正确;B项中电解反应方程式为Cu+2H2O Cu(OH)2+H2,B错误;D项中,阴极水电离
13、出的H+放电,产生的OH-与阳极迁移过来的Na+构成NaOH。 答案D 纠错笔记电解质不参加电极反应,是否就不参加电池反应?如果电极反应的产物在电解质溶液中发生迁移时能与电解质溶液中的某离子发生反应,则电解质也要参加电池反应。,-24-,一,二,二、忽视电解反应中H2O参与反应的情况 【易错题2】用惰性电极电解一定浓度的硫酸铜溶液,通电一段时间后,向所得溶液中加入0.1 mol Cu(OH)2后,恰好恢复电解前的浓度和pH,则电解过程中转移电子的物质的量为( ) A.0.1 mol B.0.2 mol C.0.3 mol D.0.4 mol,错因剖析本题极易忽视溶液中的水参加反应,认为加入0.
14、1 mol Cu(OH)2,说明电解过程中消耗了0.1 mol Cu2+,依据Cu2+2e- Cu判断转移电子的物质的量为0.2 mol,于是错选B。 正确解答这是一条不合常规思维的题目。加入Cu(OH)2,仅从H2SO4CuSO4角度看,水的生成会使CuSO4浓度降低,但最终结果却是浓度不变,说明电解过程中,还会发生如下反应:2H2O 2H2+O2。,-25-,一,二,由题意知,转移的电子应包括电解0.1 mol Cu2+和第二阶段电解0.1 mol H2O转移的电子。,-26-,一,二,0.1 mol 0.2 mol 所以转移电子的物质的量为0.4 mol。 答案:D,-27-,一,二,纠
15、错笔记电解后要恢复溶液原有电解质的浓度和性质,常采用的方法是:让阴、阳极的产物发生化合反应,然后将反应的产物加入电解后的电解质溶液中,发生反应后所得的溶液,便与原有电解质溶液的浓度和性质相同。如果我们由加入的物质反推电解的实质,一般应先将加入的物质分解成单质;然后将单质分放在阴极和阳极上,由此确定发生的电极反应;再根据电解质的组成和守恒原理,确定电极产物的物质的量关系;最后由各物质的量的关系,确定电子转移的数目。也可采用假设法,如在本题中即假设阴极只有Cu2+得电子,则阴极得到O2,电解后只需加入CuO便可恢复电解质溶液的原有性质。现在加入的是Cu(OH)2,相当于加入CuO和H2O,说明还发
16、生了电解水的反应。可按下面方法快速计算:,-28-,2,3,4,1,5,6,7,1.(2018缙云中学月考)一种新型太阳能光电化学电池,贮能时电解质溶液中的离子在两极发生如下图所示的转化。 下列说法正确的是( )A.贮能时,电能转变为化学能和光能 B.贮能和放电时,电子在导线中流向相同 C.贮能时,氢离子由a极区迁移至b极区,答案,解析,-29-,2,3,4,1,5,6,7,2.(2018江山中学月考)一种Cu-Li可充电电池的工作原理如图所示,其中非水系电解液和水系电解液被锂离子固体电解质陶瓷片(LISICON)隔开。下列说法正确的是 ( ),A.陶瓷片允许水分子通过 B.电池放电时,N极上
17、发生氧化反应 C.电池充电时,接线柱B应与外接直流电源的负极相连 D.电池充电时,阴极的电极反应式为Li+e- Li,答案,解析,-30-,2,3,4,1,5,6,7,3.(2018北仑中学段考)下列有关化学概念或原理的论述中,正确的是( ) A.电解饱和食盐水的过程中,水的电离平衡正向移动 B.钢铁在潮湿的空气中比在干燥的空气中更容易生锈,能用平衡移动原理解释 C.任何一个氧化还原反应都可以设计为电池并输出电能 D.可逆反应的平衡常数越大,反应速率、反应物的转化率就越大,答案,解析,-31-,2,3,4,1,5,6,7,4.(2018平湖中学月考)在一定条件下,用石墨电极电解0.5 molL
18、-1 CuSO4溶液(含H2SO4),监测到阳极附近pH随时间变化的关系如下图所示。下列说法不正确的是( ),A.ab段,通电瞬间,阳离子向阴极移动 B.电解过程中,阳极发生的电极反应是2H2O-4e- O2+4H+,C.bc段,H+向阴极的移动速率大于其在阳极的生成速率 D.bc段,pH下降过程中,阴极发生的主要电极反应是Cu2+2e- Cu,答案,解析,-32-,2,3,4,1,5,6,7,5.(2018绍兴选考适应性考试)工业生产中产生的SO2废气可用如图方法获得H2SO4。写出电解的阳极反应式: 。,答案,-33-,2,3,4,1,5,6,7,6.(2018嘉兴二模)工业上可以通过电解NO制备NH4NO3,原理如图所示。写出电解过程中阳极的电极反应式: 。,答案,解析,-34-,2,3,4,1,5,6,7,7.(2018温州选考二模)在催化剂作用下,以NaOH溶液为电解液,将甲烷气体通入石墨复合电极,电解产生甲醇。写出阳极反应的电极反应式: 。,答案,解析,
