電解原理及其應(yīng)用

1、電解原理及其應(yīng)用 一、學(xué)習(xí)指導(dǎo)(一)比較原電池和電解池原電池電解池一般組成條件兩種活潑性不同的電極材料金屬或石墨均可作電極兩電極用導(dǎo)線連接(或直接接觸)外接直流電源兩電極插在電解質(zhì)溶液中(或閉合回路)兩電極插在同一電解質(zhì)溶液中(或熔融狀態(tài))e電極確定的依據(jù)、方法和名稱電極材料活潑性差異與外電源的連接方式負(fù)極較活潑金屬陽極與電源正極相接e正極較不活潑材料e陰極與電源負(fù)極相接電極反應(yīng)負(fù)極 正極(氧化) (還原) 陽極 陰極(氧化) (還原)能量轉(zhuǎn)化形式化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能電能轉(zhuǎn)為化學(xué)能 實(shí)例裝置通電電極方程式()Fe2eFe2()2H2eH2(陽)2Cl2eCl2(陰)2H2eH2電池總反應(yīng)Fe2HFe

2、2H22HCl H2Cl2電池作用氧化和還原反應(yīng)分在兩極進(jìn) 行，形成電流加快了電子轉(zhuǎn)移外電源猶如“電子泵”使通常難以進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)變成可能；使通常能進(jìn)行的反應(yīng)變得更加容易.(二)放電規(guī)律(1)原電池的正極和電解池中的陰極本身均不放電.不論其材料活潑性如何,不參與電極反應(yīng),故受到保護(hù).(2)原電池的負(fù)極、電解池的陽極為非惰性電極時,一般是電極本身即金屬放電.(3)電解池中若陽極為惰性電極,由溶液中的離子放電.一般離子的放電次序如下:陰離子在陽極放電順序: SO42、NO3、OH、Cl、Br、I、S2 失電子能力依次增強(qiáng)陽離子在陰極放電順序 K、Ca2、Na、Mg2、Al3、Zn2、Fe2、H

3、、Cu2、Ag 得電子能力依次增強(qiáng)(三)各類酸、堿、鹽溶液電解產(chǎn)物、溶液pH變化等情況小結(jié)(用惰性電極)電解液(實(shí)例)電極產(chǎn)物相當(dāng)于電解何物pH值變化為恢復(fù)可加入的物質(zhì)陽極 陰極含氧酸(H2SO4)O2 H2 H2O減小 H2O可溶性強(qiáng)堿(NaOH)O2 H2增大活潑金屬含氧酸鹽(Na2SO4)O2 H2由鹽種類定無氧酸(HCl)Cl2 H2 電 解 質(zhì)本身增大HCl不活潑金屬無氧酸鹽(CuCl2)Cl2 Cu/CuCl2活潑金屬無氧酸鹽(NaCl)Cl2 H2 水 和 電解質(zhì)增大HCl不活潑金屬含氧酸鹽(CuSO4)O2 Cu減小CuO思考1: 電解一段時間，為了恢原到電解前的溶液,如何確定

4、所加入物質(zhì)的種類?(惰性電極)分析 隨著電解的進(jìn)行,電解液或是濃度改變,或是溶質(zhì)的種類改變,或是兩者均有變化.為了恢復(fù)到原溶液,既要考慮“質(zhì)”又要考慮“量”.電 解例如:電解CuSO4溶液：2H2O2CuSO4 2CuO22H2SO4思路一 抓住溶液的變化若加入CuO、Cu(OH)2，均能與H2SO4反應(yīng)生成CuSO4.方程式如下: CuOH2SO4CuSO4H2O Cu(OH)2H2SO4CuSO42H2O比較、消耗的H2SO4、生成的CuSO4、H2O即可知道:加入1mol Cu(OH)2能與1mol H2SO4反應(yīng)能生成1mol CuSO4和2H2O.不符合電解時的相關(guān)物質(zhì)的比例.若改加

5、CuO，則很合適.思路二 抓住兩極產(chǎn)物.“合二為一”.原理 電解時電解質(zhì)溶液減少的質(zhì)量即為兩極上產(chǎn)物的質(zhì)量和，符合守恒原理,但直接通入或加入所得的產(chǎn)物,可能有的根本不反應(yīng),即使有的反應(yīng)又有其它產(chǎn)物,如電解食鹽水,若再通入H2和Cl2,則Cl2與NaOH反應(yīng)生成NaCl和NaClO，H2與NaOH根本不反應(yīng)。何況一般只允許加入一種物質(zhì)。從守恒角度考慮，電解CuSO4溶液，陰極析出Cu,陽極生成O2，H元素的質(zhì)量并未減少。因而當(dāng)加入Cu(OH)2時，從元素種類的守恒考慮就不符合，更不必考慮量是否符合了.故可將兩極產(chǎn)物中元素合為一種化合物.思考2 如何確定所加物質(zhì)的量?(惰性電極)分析 由于兩極上通

6、過的電子數(shù)相等,故陰、陽兩極產(chǎn)物的物質(zhì)的量間一定滿足確定的關(guān)系.因而加入物與其也有一定關(guān)系.例如 電解含0.4mol CuSO4溶液一段時間后，陽極上生成2.24L氣體(S.T.P),則應(yīng)加入CuO多少克？(用惰性電極) (四)電解原理的一般應(yīng)用1.電解飽和食鹽水 氯堿工業(yè)1) 實(shí)驗(yàn)裝置及原理 電極材料:陽極(石墨)、陰極(鐵)電極反應(yīng) 陰極(Fe) 2H2eH2（放電能力 H Na）電 解陽極(C) Cl2eCl2 （放電能力ClOH） 電解總方程:2NaCl2H2O 2NaOH H2 Cl2 陰極產(chǎn)物 陽極產(chǎn)物 陰極區(qū)產(chǎn)物 想一想:兩材料能否交換?為什么?（提示）不能互換，F(xiàn)e若作陰極材料

7、，電極不參加反應(yīng)；若作陽極材料，電極參加反應(yīng)被氧化.電極反應(yīng)為：陰極(C) 2H2eH2陽極(Fe) Fe2eFe2這樣得不到Cl22）工業(yè)生產(chǎn)流程食鹽水凈化 電解 電解液處理(1)食鹽水的凈化食鹽水中除含Na、Cl-以外，還含有SO42、Ca2、Mg2需除去. SO42、Ca2、Mg2 加BaCl2過量 Ca2、Mg2(Ba2) BaSO4 加Na2CO3過量 (CaSO4微溶) CaCO3 Mg2CO32- BaCO3 NaOH足量 (MgCO3微溶) Mg(OH)2 CO32、OH 加HCl調(diào)節(jié)PH7 CO2 NaCl溶液裝置-離子交換膜法電解槽構(gòu)造：陽極：金屬鈦網(wǎng)，有鈦、釕的氧化物涂層

8、，保證陽極不被氧化。陰極：碳鋼網(wǎng)，涂有鎳涂層陽離子交換膜允許Na+、H2O分子通過，Cl-、OH-、氣體分子通不過。電火花其目的為：防止H2、CL2混合電火花下反應(yīng)爆炸 H2Cl2 2HCl 防止防止Cl2進(jìn)入陰極區(qū)與NaOH反應(yīng)，影響燒堿的質(zhì)量和產(chǎn)量。Cl22NaOHNaClNaClOH2O(3)電解液的處理 NaCl結(jié)晶NaOH(溶解度較大) 加熱NaCl(溶解度較小) 蒸發(fā) 工業(yè)用 濃堿溶液 精制固體 2.電解H2O 電極材料:Pt 加入Na2SO4的作用:增強(qiáng)溶液的導(dǎo)電能力 想一想:還能加入哪些合適的物質(zhì)? NaCl合適嗎？電 解 電解方程式:2H2O 2H2O2 電解水的作用:制取H

9、2或O2.在電力富余的國家或地區(qū),可用于工業(yè)制法.科學(xué)家正在努力尋找有效合適的催化劑,促使H2O分解,開發(fā)利用氫能源.利用兩極 管中所得氣體的體積比.氣體的性質(zhì)來確定水的組成.3.活潑金屬的冶煉:電解活潑金屬的氧化物、堿或鹽(熔融狀態(tài)),制取活潑金屬.電 解 陽極石墨，陰極Fe、C等金屬.電 解 如:2NaCl(熔融) 2NaCl2Al2O3 4Al3O2(加入Na3AlF6以降低Al2O3熔點(diǎn)，)如：鋁的冶煉1000成為共熔體、節(jié)約能源Al2O3熔點(diǎn)很高2045冰晶石(Na3AlF6)作熔劑電離 Al2O3（熔融） 2Al33O2電極方程式陽極（C） 4Al3+12e 4Al電解陰極（Fe）

10、 6O212e 3O2電解方程式 2Al2O3 4Al3O2陽極副反應(yīng) CO2 CO2 需補(bǔ)充碳塊4.精煉銅用電解方法將粗銅中的雜質(zhì)除去,獲得精銅. 裝置:陽極:粗銅(含雜質(zhì):Zn、Fe、Ni、Ag、Au) 陰極:精銅(純凈物) 電解液:CuSO4溶液 電極反應(yīng)式： 陽極:Cu2eCu2 Fe2eFe2,Ni2eNi 比銅活潑的 Zn、Fe、Ni先被氧化，以 Zn2+、Fe2+、Ni2+形式進(jìn)入溶液中。 不活潑金屬Ag、Au落入“陽極泥”中 陰極:Cu22eCu 活潑金屬離子Fe2、Ni2不放電，留在溶液中,故可在陰極獲得高純度的Cu.5.電鍍用電解法在某金屬(鍍件)表面鍍上一薄層其它金屬(鍍

11、層金屬) 電鍍槽:陽極鍍層金屬 電極反應(yīng):MneMn 陰極鍍件 電極反應(yīng):MnnM 電解液:含鍍層金屬陽離子的鹽溶液 實(shí)例:鐵鍍鋅 裝置: 注意:為使放電順序Zn2H,故必須調(diào)節(jié)溶液的pH值,同時增大Zn2濃度.二、典型例題及點(diǎn)撥例1 用下圖裝置進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)(a、b、c、d均為鉑電極),供選擇的有4組電解液,要滿足下列要求: 組A槽B槽1NaOHCuSO42AgNO3CuCl23Na2SO4AgNO34NaClAgNO3 工作一段時間后A槽pH值上升,B槽的pH下降. b、c兩極上反應(yīng)的離子的物質(zhì)的量相等 (1)應(yīng)選擇的電解質(zhì)是上述四組中的第_組(2)該組電解過程中各電極上的電極反應(yīng)為a極_

12、b極_c極_ d極_(3)當(dāng)b極上析出7.1g電解產(chǎn)物時,a極上析出產(chǎn)物的質(zhì)量為_g;若B槽電解質(zhì)溶液500mL，且忽略電解前后電解液的體積變化，則此時B槽中的H比電解前增加了_mol/L.例2 用惰性電極電解1L 4mol/L CuSO4溶液時,在電路通過0.5mol電子,又將電源與電極反接,后又通過1mol電子,求此時溶液中H. 鞏固練習(xí)一. 選擇1B用兩根碳棒為電極，電解氯化鈉、溴化鈉、碘化鈉的混和溶液（假設(shè)三者濃度相等），一開始兩極上的產(chǎn)物為（ ）A.碘和氫氣 B.氯氣和氫氣 C.氧氣和氫氣 D.溴氣和氫氣2C如圖所示：x、y為電源的兩個極， 通電一段時間后發(fā)現(xiàn)a極的質(zhì)量增加，b極有無

13、色無味的氣體放出.則下列情況符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)的為（ ）a、b兩極x極z溶液A均為惰性電極正極AgNO3溶液B均為惰性電極負(fù)極CuCl2溶液Ca為鋅、b為石墨正極AgNO2溶液Da為鋅、b為石墨負(fù)極CuSO4溶液3B. 以Pt作電極,用電源串聯(lián)電解分裝在兩個燒杯里的200mL 0.3mol/L NaCl溶液和300mL 0.1mol/L的AgNO3溶液,過一段時間后取出電極,將兩杯混合,則混合溶液的pH值( ) A.7 B.7 C.7 D.74C.用石墨作電極電解3mol/L KCl和0.5mol/L Al2(SO4)3的混合溶液時，下列圖象合理的是 ( )5B.當(dāng)兩塊鉑金屬片插入100g 10%

14、CuSO4溶液后,通電一段時間,在陽極析出0.16g物質(zhì)時, 剩余的CuSO4溶液中CuSO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是( ) A.8.46% B.8.36% C.8.73% D.9.02%6C.用惰性電極電解500mL含KNO3和Cu(NO3)2的混合液，一段時間后，在兩極上均生成 11.2L(S.T.P)氣體.則原溶液中Cu2的物質(zhì)的量濃度為( ) A.0.5mol/L B.1mol/L C.2mol/L D.無法確定7B如圖所示，a、b、c、d均為石墨電極通電一段時間后，各電極上的生成物的物質(zhì)的量之比依次為4：1：2：2，則甲、乙兩池中的電解質(zhì)是（ ）A、AgNO3 ,KBr B、CuSO4 ，NaN

15、O3 C、稀H2SO4,Cu(NO3)2 D、NaOH,稀鹽酸8B電解池中盛有飽和的Na2SO4溶液，用惰性電極和直流電源進(jìn)行電解，當(dāng)溫度不變時，溶液電解一段時間后，下列敘述正確的是 （ ） A.Na2SO4溶液濃度增大有晶體析出B.Na2SO4溶液濃度不變有晶體析出C.Na2SO4溶液的酸性增強(qiáng)，pH值減小D.Na2SO4溶液中的OH保持不變9C.在25時,用兩個鉑電極電解一定量的飽和Na2SO4溶液。通電一段時間后，在陰極逸出a mol氣體,同時有Wg Na2SO4·10H2O晶體析出，若溫度不變，此時母液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為( ) A. B. C. D.10C.按下列左圖的裝置進(jìn)

16、行實(shí)驗(yàn)，若右圖的X軸表示流入陰極的電子的量，則Y軸可表示下述那些變化：AgNO3a棒的質(zhì)量b棒的質(zhì)量溶液的pH值。（ ） AgNO3溶液A. B. C. D.二. 填空11A采用惰性電極從NO3、SO42-、H、Cu2、Ba2、Ag、Cl-某離子中，選出適當(dāng)?shù)碾x子組成電解質(zhì)，對其溶液進(jìn)行電解：（1） 兩極分別放出H2和O2，電解質(zhì)的化學(xué)式是_.（2） 陰極析出金屬，陽極放出O2，電解質(zhì)的化學(xué)式是_.（3） 兩極分別放出氣體，且體積比為1:1，電解質(zhì)的化學(xué)式是_.12B用碳棒作電極，電解下列水溶液：Na2SO4溶液AgNO3溶液KCL溶液CuCl2溶液。（1） 通過相同電量時，陰極產(chǎn)生的氣體的物質(zhì)的量相同的是_。（2） 通過相同電量時，產(chǎn)生的氣體總的物質(zhì)的量由多到少排列順序是_。三.計(jì)算13B.將含0.4mol CuSO4和0.4mol NaCl的水溶液1L，用惰性電極電解一段時間后，在一個電極上得到0.3mol銅,求在另一個電極上析出氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積14C. 稱取某金屬R的氧化物（RO）16g,使其恰好溶于稀硫酸H2SO4后，配成250ml溶液，取該溶液50ml，以鉑電極進(jìn)行電解，當(dāng)X剛好電解完全時，某一電極增重2.56g。求：（