电解原理及其应用（学案）

电解原理及其应用基础知识1.电解原理（1）构建电解池模型（以惰性电极电解氯化铜溶液为例）（2）电解池阴、阳极的判断方法（3）放电顺序①阳极放电顺序：活性电极＞S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根离子。惰性电极一般指Pt、Au、石墨等，惰性电极不参与电极反应；活性电极（除Au、Pt以外的金属材料作电极），电极材料失电子，生成金属阳离子。S2－、I－、Br－、Cl－放电，产物分别是S、I2、Br2、Cl2；若OH－放电，则得到H2O和O2。②阴极放电顺序：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)＞Al3＋＞Mg2＋。若金属阳离子（Fe3＋除外）放电，则得到相应金属单质；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。因氧化性、还原性强弱受外界因素（如试剂浓度、反应温度、溶液酸碱性等）的影响，放电顺序并非一成不变，具体应用时要结合试题情境加以分析。（4）惰性电极电解电解质溶液的产物判断2.电解原理的应用真题突破（一）物质制备1.（2021年广东卷16题）钴（Co）的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是（）A．工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B．生成1molCo，Ⅰ室溶液质量理论上减少16gC．移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变D．电解总反应：2Co2+＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2Co＋O2↑＋4H+【答案】D【解析】由装置图可知，水放电生成的H＋通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动，使Ⅱ室中H＋浓度增大，溶液pH减小，Ⅰ室中消耗H2O，H2SO4的浓度增大，pH减小，A项错误；阴极生成1molCo，阳极有1molH2O放电，则Ⅰ室溶液质量减少18g，B项错误；若移除离子交换膜，Cl—的放电能力强于H2O，Cl—会在阳极失去电子发生氧化反应生成Cl2，则移除离子交换膜，石墨电极的电极反应会发生变化，C项错误；电解的总反应的离子方程式为2Co2+＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2Co＋O2↑＋4H+，D项正确。2.（2020年山东卷）采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如下图所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是（）A．阳极反应为2H2O—4e—＝4H++O2↑B．电解一段时间后，阳极室的pH未变C．电解过程中，H+由a极区向b极区迁移D．电解一段时间后，a极生成的O2与b极反应的O2等量【答案】D【解析】a极析出氧气，氧元素的化合价升高，是电解池的阳极，所以阳极的反应式是2H2O—4e—＝4H++O2↑，A项正确；电解时阳极产生的H+通过质子交换膜移向阴极，所以电解一段时间后，阳极室的pH值不变，B项正确；H+通过质子交换膜由阳极（a极）移向阴极（b极），C项正确；电解时，阳极的反应为：2H2O—4e—＝4H++O2↑，阴极的反应为：O2+2e—+2H+＝H2O2，总反应为：O2+2H2O＝2H2O2，要消耗O2，即是a极生成的O2小于b极消耗的O2，D项错误。3.（2022年浙江卷）通过电解废旧锂电池中的LiMn2O4可获得难溶性的Li2CO3和MnO2，电解示意图如下（其中滤布的作用是阻挡固体颗粒，但离子可自由通过。电解过程中溶液的体积变化忽略不计）。下列说法不正确的是（）A．电极A为阴极，发生还原反应B．电极B的电极发应：2H2O+Mn2+—2e—＝MnO2+4H+C．电解一段时间后溶液中Mn2+浓度保持不变D．电解结束，可通过调节pH除去Mn2+，再加入Na2CO3溶液以获得Li2CO3【答案】C【解析】由电解示意图可知，电极A上LiMn2O4转化为Li+和Mn2+，锰元素的化合价降低，发生还原反应，电极A为阴极，A项正确；电极B上Mn2+转化为MnO2，锰元素化合价升高，失电子，电极B为阳极，电极反应式为：2H2O+Mn2+—2e—＝MnO2+4H+，B项正确；电极A为阴极，LiMn2O4得电子，电极反应式为：2LiMn2O4+6e—+16H+＝2Li++4Mn2++8H2O，依据得失电子守恒，电解池总反应为：2LiMn2O4+4H+＝2Li++Mn2++3MnO2+2H2O，反应生成了Mn2+，Mn2+浓度增大，C项错误；电解池总反应为：2LiMn2O4+4H+＝2Li++Mn2++3MnO2+2H2O，电解结束后，可通过调节溶液pH将Mn2+转化为沉淀除去，然后再加入Na2CO3溶液，从而获得Li2CO3，D项正确。4.（2021年八省联考江苏卷9题）利用电解法将CO2转化为CH4的原理如图所示。下列说法正确的是（）A．电解过程中，H＋由a极区向b极区迁移B．电极b上反应为：CO2＋8HCOeq\o\al(－,3)－8e－＝CH4＋8COeq\o\al(2－,3)＋2H2OC．电解过程中化学能转化为电能D．电解时Na2SO4溶液浓度保持不变【答案】A【解析】由a极生成O2可以判断电极a为阳极，电极b为阴极，阳离子向阴极移动，则H＋由a极区向b极区迁移，A项正确；电极b为阳极，放电时CO2转化为CH4，电极反应为CO2＋8HCOeq\o\al(－,3)＋8e－CH4＋8COeq\o\al(2－,3)＋2H2O，B项错误；电解过程中的能量转化形式是电能转化为化学能，C项错误；电解过程中，阳极消耗H2O，Na2SO4溶液的浓度增大，D项错误。（二）微粒迁移5.（2022年广东卷）以熔融盐为电解液，以含Cu、Mg和Si等的铝合金废料为阳极进行电解，实现Al的再生。该过程中（）A．阴极发生的反应为Mg—2e—＝Mg2+B．阴极上Al被氧化C．在电解槽底部产生含Cu的阳极泥 D．阳极和阴极的质量变化相等【答案】C【解析】根据电解原理可知，电解池中阳极发生氧化反应，主要反应为Al—3e—＝Al3+，同时相对活泼的Mg也会被氧化，反应式为Mg—2e—＝Mg2+，阴极发生的反应为Al3++3e—＝Al，因此A项、B项均错误。阳极材料中Cu和Si不参与氧化反应，在电解槽底部可形成阳极泥，C项正确；阳极消耗了Al和Mg，Cu和Si形成阳极泥，而阴极只有Al3+得电子生成Al，根据电子守恒及质量守恒可知，阳极与阴极的质量变化不相等，D项错误。6.（2014年新课标全国Ⅰ卷27题节选）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）：①写出阳极的电极反应式：________________________________________。②分析产品室可得到H3PO2的原因：___________________________________________。③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。该杂质产生的原因是____________________________________。【答案】①2H2O－4e－＝O2↑＋4H＋②阳极室的H＋通过阳膜扩散至产品室，原料室的H2POeq\o\al(－,2)通过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2③POeq\o\al(3－,4)H2POeq\o\al(－,2)或H3PO2在阳极被氧化【解析】①阳极发生氧化反应，在反应中H2O电离产生的OH－失去电子转化成O2，电极反应式为2H2O－4e－＝O2↑＋4H＋。②阳极室中H2O放电产生H＋，H＋通过阳膜进入产品室，原料室中的H2POeq\o\al(－,2)通过阴膜扩散至产品室，二者发生相互反应：H＋＋H2POeq\o\al(－,2)＝H3PO2，获得产品。③如果撤去阳膜，H2POeq\o\al(－,2)或H3PO2可能在阳极被氧化，生成POeq\o\al(3－,4)。（三）能量转化7.（2021年辽宁卷）如图，某液态金属储能电池放电时产生金属化合物Li3Bi。下列说法正确的是（）A．放电时，M电极反应为Ni—2e—＝Ni2+B．放电时，Li+由M电极向N电极移动C．充电时，M电极的质量减小D．充电时，N电极反应为Li3Bi+3e—＝3Li++Bi【答案】B【解析】由题干信息和电池结构分析可知，放电时M极为负极，由于Li比Ni更活泼，电极反应为：Li—e—＝Li+，A项错误；放电时离子导体中的阳离子向正极移动，因此Li+由M电极向N电极移动，B项正确；由二次电池的原理可知，充电时和放电时同一电极上发生的反应互为逆过程，M电极的电极反应为：Li++e—＝Li，故电极质量增大，C项错误；充电时，N电极反应为Li3Bi—3e—＝3Li++Bi，D项错误。8.（2022年广东卷）科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备（如图）。充电时电极a的反应为：NaTi2(PO4)3+2Na++2e—＝Na3Ti2(PO4)3。下列说法正确的是（）A．充电时电极b是阴极B．放电时NaCl溶液的pH减小C．放电时NaCl溶液的浓度增大D．每生成1molCl2，电极a质量理论上增加23g【答案】C【解析】由题中信息可知，充电时电极a上发生的反应为还原反应，因此电极a为阴极，则电极b为阳极，A项错误；充电时阳极反应为2Cl——2e—＝Cl2↑，放电时电极反应和充电时相反，两个电极上的反应均不涉及H+、OH—的变化，因此NaCl溶液的pH不变，B项错误；放电时，负极反应为生成Na+，正极反应为Cl2+2e—＝2Cl—，反应后Na+和Cl—浓度都增大，因此放电时NaCl溶液的浓度增大，C项正确；充电时阳极反应为2Cl——2e—＝Cl2↑，阴极反应为NaTi2(PO4)3+2Na++2e—＝Na3Ti2(PO4)3，由得失电子守恒可知，每生成1molCl2，电极a质量理论上增加23g·mol—1×2mol＝46g，D项错误。三、归纳总结1.分析电解原理的思维模型2.配平电极反应式的思路方法步骤1：运用电子守恒，配平变价物质的计量数和电子得失个数。步骤2：运用电荷守恒，配平H+或OH—等离子的计量数。步骤3：运用质量守恒配平其他物质的计量数，如H2O等。特别提醒：（1）书写电解池的电极反应式时，可以用实际放电的离子表示，但书写电解池的总反应时，H2O要写成分子式。如用惰性电极电解食盐水时，若考虑阴极实际放电的离子为H＋，阴极反应式可写作2H＋＋2e－＝H2↑，若考虑H＋来源于H2O，阴极反应式应写作2H2O＋2e－＝H2↑+2OH—。总反应式务必写作2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))2OH－＋H2↑＋Cl2↑。（2）运用电荷守恒配平离子时，要考虑溶液的酸碱性环境。若溶液为强酸性环境，应使用H＋调整电极反应式使两侧的电荷数相等；若溶液为强碱性环境，则使用OH－进行配平。以上两种情况下，先确定离子的种类，在确定离子在电极反应式中的位置（反应物中？还是生成物中？）。其他情况则先确定为在生成物中添加离子以调整电荷数，再判断所需离子的种类（H＋？还是OH－？）。还需要注意用多元酸酸式根离子调整电荷的情况。专项训练：1.（2021·河北卷16题节选）CO2在碱性介质中电还原为正丙醇（CH3CH2CH2OH）的电极反应方程式为。2.以铝材为阳极，电解H2SO4溶液，在铝材表面形成氧化膜阳极反应式：；阴极反应式：；总反应方程式：。3.用惰性电极电解饱和NaHSO4溶液可以制备过硫酸钠Na2S2O8。已知在阳极放电的离子主要为HSOeq\o\al(－,4)，则阳极反应式为。4.电化学干法氧化法脱除H2S的原理如图所示。阳极发生的电极反应为；阴极上COS发生的