2023版高中化学人教版选择性必修1 第四章 化学反应与电能 第二节 电解池

第二节电解池

1.电解池(1)电解池的构成条件①直流电源;②两个电极(阴极、阳极);③电解质溶液或熔融电解质;④形成闭合

回路。(2)电解池的工作原理①电极名称和电极反应式(以惰性电极电解CuCl2溶液为例)1|电解原理

②电子流向和离子移动方向导线上(外电路)电子从电源的负极流出,经导线流向电解池的阴极。电解池

的阳极上产生的电子经导线流入电源的正极。溶液中(内电路)阴离子移向阳极,

阳离子移向阴极。2.电解规律(1)阳极产物的判断①活性电极(除Au、Pt以外的金属材料)作阳极,电极材料失电子,生成金属阳离子。②惰性电极(Pt、Au、石墨等)作阳极,要依据阴离子的放电顺序加以判断。阴离

子的放电顺序:S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。S2-、I-、Br-、Cl-放电,产物一般分别是S、I2、Br2、Cl2;若OH-放电,则得到O2。(2)阴极产物的判断无论是惰性电极还是活性电极都不参与阴极反应,发生反应的是溶液中的阳离

子。阳离子放电顺序:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+。若金属阳离子(Fe3+除外)放电,一般得到相应金属单质;若H+放电,则得到H2。特别提醒

放电顺序本质遵循氧化还原反应的“优先规律”,即得(失)电子能力

强的离子先放电。

1.电解饱和食盐水(1)电极反应阳极:2Cl--2e-

Cl2↑(氧化反应);阴极:2H2O+2e-

H2↑+2OH-(还原反应)。检验阳极产物的方法:用湿润的KI-淀粉试纸靠近阳极,若试纸变蓝,证明生成

了Cl2。电解时向食盐水中滴加酚酞溶液,阴极附近溶液变红,说明该电极附近的

产物有NaOH。(2)电解方程式化学方程式:2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑;离子方程式:2Cl-+2H2O

2OH-+H2↑+Cl2↑。2|电解原理的应用

①阳离子交换膜的作用:阻止OH-进入阳极室与Cl2发生副反应2NaOH+Cl2

NaCl+NaClO+H2O;防止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。②a、b、c、d口加入或分离出的物质分别是饱和食盐水、稀NaOH溶液、淡盐

水、浓NaOH溶液;X、Y分别为Cl2、H2。(3)阳离子交换膜法电解饱和食盐水示意图应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的加工工艺称为电

镀。如电镀铜:阳极反应:Cu-2e-

Cu2+;阴极反应:Cu2++2e-

Cu。特别提醒

电镀过程中的“一多,一少,一不变”:“一多”指阴极上有镀层金属

沉积;“一少”指阳极上有镀层金属溶解;“一不变”指电镀液(电解质溶液)的浓

度不变。2.电镀(1)电解精炼铜①电极材料:阳极为粗铜(含锌、铁、镍、银等杂质),阴极为纯铜。②电解质溶液:含Cu2+的盐溶液。③电极反应式:阳极:Zn-2e-

Zn2+、Fe-2e-

Fe2+、Ni-2e-

Ni2+、Cu-2e-

Cu2+;阴极:Cu2++2e-

Cu。④阳极泥的形成:粗铜中不活泼的杂质(金属活动性顺序中位于铜之后的银、金

等)在阳极难以失去电子,当阳极上的铜失去电子变成离子后,它们以金属单质的

形式沉积于电解槽的底部,成为阳极泥。特别提醒

电解精炼铜过程中的“两不等”:电解质溶液浓度在电解前后不相

等;阴极增加的质量和阳极减少的质量不相等。3.电冶金冶炼钠:2NaCl(熔融)

2Na+Cl2↑;2Cl--2e-

Cl2↑(阳极),2Na++2e-

2Na(阴极)。冶炼镁:MgCl2(熔融)

Mg+Cl2↑;2Cl--2e-

Cl2↑(阳极),Mg2++2e-

Mg(阴极)。冶炼铝:2Al2O3(熔融)

4Al+3O2↑;6O2--12e-

3O2↑(阳极),4Al3++12e-

4Al(阴极)。(2)利用电解法冶炼活泼金属1.用石墨作电极电解CuCl2溶液,阴极逸出的气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝

色,这种说法对吗?提示:不对。Cl2在阳极生成,可使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色。2.电解H2SO4溶液时,H+放电,溶液的pH逐渐增大,这种说法对吗?提示:不对。电解H2SO4溶液,实际是电解水,pH减小。3.电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料,这种说法对吗?提示:不对。金属材料Pt和Au都是惰性电极,阴、阳两极都可用,也可用较活泼金

属Zn、Fe等作阴极。4.可以分别电解熔融的MgO和AlCl3来冶炼Mg和Al,这种说法对吗?提示:不对。MgO熔点高,熔融需要的能量高,可电解熔融MgCl2冶炼Mg;AlCl3是共

价化合物,熔融时不导电,可电解熔融Al2O3来冶炼Al。知识辨析

1.电解水型

H2SO4溶液NaOH溶液Na2SO4溶液阳极反应式2H2O-4e-

O2↑+4H+4OH--4e-

O2↑+2H2O2H2O-4e-

O2↑+4H+阴极反应式4H++4e-

2H2↑4H2O+4e-

2H2↑+4OH-pH变化减小增大不变复原加入物质H2O1用惰性电极电解电解质溶液的类型特别提醒

电解水型的电解质溶液为不饱和溶液时才符合上述规律。2.电解电解质型

HCl溶液CuCl2溶液阳极反应式2Cl--2e-

Cl2↑阴极反应式2H++2e-

H2↑Cu2++2e-

CupH变化增大—复原加入物质HClCuCl2

NaCl溶液CuSO4溶液阳极反应式2Cl--2e-

Cl2↑2H2O-4e-

O2↑+4H+阴极反应式2H2O+2e-

H2↑+2OH-2Cu2++4e-

2CupH变化增大减小复原加入物质HClCuO或CuCO33.电解质和水都发生电解型特别提醒

惰性电极电解电解质溶液后要恢复原电解质溶液的浓度,需加适量的

某物质时,遵循“少什么加什么,少多少加多少”的原则,所加物质可以是阴极产

物与阳极产物的化合物。

典例为了加深对电解规律的理解,某同学做了以下探究,要求由H+、Cu2+、Na+、S

、Cl-5种离子两两组成电解质,按下列要求进行电解:(1)以碳棒为电极,电解过程中电解质质量减少,水的质量不变,则采用的电解质是

(任写一种,填化学式,下同);若要恢复到电解前的状态,应加入的物

质是

。(2)以碳棒为电极,电解过程中电解质质量不变,水的质量减少,则采用的电解质是

(任写一种,填化学式,下同);若要恢复到电解前的状态,应加入的物

质是

。(3)以碳棒为阳极、铁棒为阴极,电解过程中电解质和水的质量都减少,则电解质

是

(任写一种,填化学式,下同);若要恢复到电解前的状态,应加入的

物质是

。思路点拨首先根据题目要求分析参与反应的阴离子和阳离子,然后确定电解

质。解析

(1)以碳棒为电极,电解过程中电解质质量减少,水的质量不变,则电解质可

以是HCl或CuCl2。(2)实质上是电解水,H+、OH-分别在两极上放电,电解质可以是Na2SO4或H2SO4。(3)若电解质是CuSO4,2CuSO4+2H2O

2H2SO4+2Cu+O2↑,要恢复到电解前的状态,可加入CuO;若电解质是NaCl,2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑,要恢复到电解前的状态,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.电极材料若阳极是金属(Au、Pt除外),则金属一定被氧化(一般情况下,Fe被氧化为Fe2+,

但具体应结合背景信息)。例如,采用如图装置制取具有广泛用途的K2FeO4,则结

合电解质溶液为KOH浓溶液可知阳极反应式为Fe-6e-+8OH-

Fe

+4H2O。

2电解池中电极反应式书写时的关注点 若电解质溶液呈碱性,一般用OH-或H2O来配平电荷与原子数;若电解质溶液

呈酸性,一般用H+或H2O来配平电荷与原子数。如图所示用石墨作电极电解HNO3

溶液,b极有NO生成,则b极的电极反应式为N

+4H++3e-

NO↑+2H2O。

2.电解质溶液的酸碱性3.电解质状态若电解质是熔融态金属氧化物或盐,一般为金属的冶炼。例如:电解熔融氧

化铝制取金属铝。特别提醒

①书写电解池中的电极反应式时,如果实际放电的离子来自弱电解质

的电离,应用弱电解质的化学式表示,在书写总反应的离子方程式时,也要使用弱电解质的化学式。如电解水时,阳极反应式为2H2O-4e-

O2↑+4H+。②要确保两极电子转移数目相等才能将两极的电极反应式相加得总反应式,且总

反应式中应注明条件“电解”。

典例离子液体为非水体系。由有机阳离子、Al2C

和AlC

组成的离子液体作电解液时,可在钢制品上电镀铝。钢制品应接电源的

极,已知电镀过程

中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应,阴极反应式为

。思路点拨明确电极反应类型,根据题目信息分析该电极的反应物与生成物,结

合介质类型书写电极反应式。解析

在钢制品上电镀铝,故钢制品作阴极,与电源负极相连。由于电镀过程中

不产生其他阳离子且有机阳离子不参与电极反应,Al元素在熔融盐中以Al2C

和AlC

形式存在,则电镀过程中阴极反应式为4Al2C

+3e-

Al+7AlC

。答案负4Al2C

+3e-

Al+7AlC

目前电解除磷装置多采用铁板或铝板作为电极,电极板浸没在水溶液中,阳

极在直流电源作用下电解产生Fe2+或Al3+,Fe2+可进一步氧化生成Fe3+,这些离子能

与污水中的P

反应生成难溶性化合物,然后通过固液分离被去除。此外,在不同pH条件下,部分金属离子会与污水中的OH-反应生成铁或铝的羟基化合物及沉

淀物,污水中的P

会吸附在这些沉淀物的表面并随其一起被去除。同时,阴极生成的H2在污水中会产生气浮现象,使污水中的颗粒物漂浮到表面而得以去除。

目前国内已有不少关于电解除磷装置的研究,但由于其短时间内处理的污水量有限及存在的其他一些技术问题限制了其在生活污水处理装置末端上的连续应用。证据推理与模型认知、科学探究与创新意识——探究电解原理的应用

问题1根据材料分析电解除磷时为什么将铝板或铁板作阳极?提示

阳极在直流电源作用下电解产生Fe2+或Al3+,提供能与磷酸根离子结合生成

沉淀的阳离子。

问题2分别用铁和石墨作电极,利用如图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液pH为9~10,CN-与阳极产生的ClO-反应生成无污染的气体。思考

在该装置中铁应该作什么电极,石墨作什么电极?

提示

阳极产生ClO-,电极反应为Cl-+2OH--2e-

ClO-+H2O,所以石墨作阳极,铁作阴极。

问题3结合所学知识并查阅资料,分析电解法除去废水中的磷元素,可能会面临哪些技术难题?提示

金属阳极易发生钝化现象,导致通过稳压电解系统的电流逐渐减小,进而

影响电解除磷的效率;电解过程中溶出较多Fe3+会