第三单元电解池的工作原理及应用金属的腐蚀与防护 一 电解原理 b 1 电解与电解池 2 电解池工作原理示意图 3 分析电解过程的思维程序 1 首先判断阴 阳极 分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极 2 再分析电解质水溶液的组成 找全离子并分阴 阳两组 不要忘记水溶液中的H 和OH 3 然后排出阴 阳两极的放电顺序阴极 阳离子放电顺序 Ag Fe3 Cu2 H 酸 Fe2 Zn2 H 水 Al3 Mg2 Na Ca2 K 阳极 活泼电极 S2 I Br Cl OH 含氧酸根离子 微点拨 阴极不管是什么材料 电极本身都不反应 一定是溶液 或熔融电解质 中的阳离子放电 最常用 最重要的放电顺序是阳极 Cl OH 阴极 Ag Cu2 H 电解水溶液时 K Al3 不可能在阴极放电 即不可能用电解水溶液的方法得到K Ca Na Mg Al等金属 4 分析电极反应 判断电极产物 写出电极反应式 要注意遵循原子守恒和电荷守恒 5 最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式 二 惰性电极电解电解质溶液的类型 b 4H 4e 2H2 4OH 4e 2H2O O2 增大 加水 减小 加水 不变 加水 2H 2e H2 2Cl 2e Cl2 增大 通HCl Cu2 2e Cu 2Cl 2e Cl2 加CuCl2 2H 2e H2 2Cl 2e Cl2 增大 通HCl 2Cu2 4e 2Cu 4OH 4e 2H2O O2 减小 加CuO CuCO3 典例精析 典例 2018 全国卷 最近我国科学家设计了一种CO2 H2S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 Fe2 e EDTA Fe3 2EDTA Fe3 H2S 2H S 2EDTA Fe2 该装置工作时 下列叙述错误的是 A 阴极的电极反应 CO2 2H 2e CO H2OB 协同转化总反应 CO2 H2S CO H2O SC 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 解题思路 解析 选C 根据图中的物质转化方式可知 该电解池的左侧电极上发生还原反应为阴极 右侧电极上发生氧化反应为阳极 故该电池的阴极的电极反应式为CO2 2H 2e CO H2O A正确 将电解池阴 阳极电极的反应式相加即可得到协同转化的总反应式 CO2 H2S CO H2O S B正确 由于石墨烯为阳极 与电源的正极相连 石墨烯上的电势高 C不正确 若采用Fe3 Fe2 取代EDTA Fe3 EDTA Fe2 若溶液呈碱性 则会使溶液中形成沉淀 减少Fe3 Fe2 的含量 故溶液应呈酸性 强化训练 1 思维诊断 正确的打 错误的打 1 用铜作电极电解CuSO4溶液的方程式为2Cu2 2H2O2Cu O2 4H 提示 铜作电极电解CuSO4溶液时 阳极上Cu失去电子生成Cu2 不会得到O2 电解 2 电解NaCl溶液得到22 4LH2 标准状况下 理论上需要转移NA个电子 提示 电解NaCl溶液的阴极反应 2H 2e H2 产生标准状况下22 4LH2 可转移2NA个电子 3 电解质溶液通电后 电解质溶液发生了电离 阴 阳离子分别向两极移动 提示 电解质受热或受水分子的作用就发生电离无需通电 4 电解后的CuSO4溶液复原 可加入Cu OH 2固体 提示 若通电一段时间 CuSO4未电解完 即Cu2 未全部放电 使溶液复原应加入CuO 加入Cu OH 2会使溶液的浓度减小 若Cu2 全部放电 又继续通电一段时间 此时电解水 要使溶液复原应加入Cu OH 2或Cu2 OH 2CO3 若只加入CuO 此时浓度偏大 2 用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密 耐腐蚀的氧化膜 电解质溶液一般为H2SO4 H2C2O4混合溶液 下列叙述错误的是 A 待加工铝质工件为阳极B 可选用不锈钢网作为阴极C 阴极的电极反应式为Al3 3e AlD 硫酸根离子在电解过程中向阳极移动 解析 选C 题目用电解氧化法在铝制品表面形成致密 耐腐蚀的氧化膜 即Al的化合价要升高 失电子 发生氧化反应 因此铝为阳极 故A项正确 阴极材料的选择不会对电解有影响 因此可以选择不锈钢网 且不锈钢网的接触面积大 能提高电解效率 故B项正确 阴极应为溶液中H 得电子生成氢气 电极反应式为2H 2e H2 故C项错误 电解时 阴离子在电解池中移向阳极 故D项正确 3 如图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置 通电后在石墨电极a和b附近分别滴加几滴石蕊溶液 下列实验现象描述正确的是世纪金榜导学号 A 逸出气体的体积 a电极的小于b电极的B 一电极逸出无味气体 另一电极逸出刺激性气体C a电极附近呈红色 b电极附近呈蓝色D a电极附近呈蓝色 b电极附近呈红色 解析 选D b极OH 放电产生O2 b极附近c H c OH 石蕊溶液变红 在a极H 放电产生H2 a极附近c OH c H 石蕊溶液变蓝 所以产生的气体体积a电极的大于b电极的 两种气体均为无色无味的气体 A B C错误 D正确 4 用指定材料作电极来电解一定浓度的溶液甲 然后加入物质乙能使溶液恢复为溶液甲原来的浓度 则合适的组合是 解析 选B A项中相当于电解的是水 应加入水才能恢复原来状态 错误 B项中相当于电解的是水 加入水后可以恢复原来状态 正确 C项中相当于电解的是HCl 但加入盐酸的同时 也引入了水 不可能恢复原来状态 错误 D项中阳极铜失电子 Cu2 在阴极得电子 加入Cu OH 2 不可能恢复原来状态 错误 5 2016 北京高考 用石墨电极完成下列电解实验 下列对实验现象的解释或推测不合理的是 世纪金榜导学号A a d处 2H2O 2e H2 2OH B b处 2Cl 2e Cl2 C c处发生了反应 Fe 2e Fe2 D 根据实验一的原理 实验二中m处能析出铜 解析 选B a d处试纸变蓝 说明溶液显碱性 是溶液中的氢离子得到电子生成氢气 氢氧根离子剩余造成的 故A正确 b处变红 局部褪色 说明是溶液中的氢氧根和氯离子同时放电 分别产生氧气和氯气 氢离子浓度增大 酸性增强 氯气与水反应生成的次氯酸具有漂白性 故B错误 c处为阳极 铁失去电子生成亚铁离子 故C正确 实验一中a c形成电解池 d b形成电解池 所以实验二中相当于形成三个电解池 一个球两面为不同的两极 m为电解池的阴极 另一球朝m的一面为阳极 n的背面 相当于电镀 即m上有铜析出 故D项正确 加固训练 用碳棒作电极 在Na Cu2 Cl 等离子中选出适当离子组成电解质 电解其溶液 写出符合条件的一种电解质的化学式 1 当阴极放出H2 阳极放出O2时 电解质是 2 当阴极析出金属 阳极放出O2时 电解质是 3 当阴极放出H2 阳极放出Cl2时 电解质是 4 通过电子的物质的量与阴极析出的金属的物质的量 阳极析出的气体的物质的量之比为4 2 1时 电解质的化学式是 解析 阴极放H2生成碱 阳极放O2生成酸 所以 1 实质是电解水 故电解质是活泼金属的含氧酸盐 即Na2SO4 2 实质是放氧生酸型 即电解质是不活泼金属的含氧酸盐 即CuSO4 3 实质是放氢生碱型 或电解盐酸 但本题不符合题意 即NaCl 4 阳极析出的气体是O2 1molO2转移4mol电子 故金属是 2价 即为铜 故电解质是CuSO4 答案 1 Na2SO4 2 CuSO4 3 NaCl 4 CuSO4 归纳总结 1 常见电解反应类型 惰性电极 1 区 活泼金属含氧酸盐 实质电解水 2 区 不活泼金属无氧酸盐 实质电解盐 3 对角线A 放氧生酸型 不活泼金属含氧酸盐 4 对角线B 放氢生碱型 活泼金属无氧酸盐 2 电解池中阴极和阳极的特征 3 电极反应式的书写步骤及方法 1 判 判断阴 阳极 2 看 阳极要看清电极材料 对于铁 铝 铜 银等活泼电极 则阳极金属电极失电子变成阳离子进入溶液 Fe变成Fe2 阴离子不失电子 如果是惰性电极 Pt Au 石墨等 材料 应是溶液中的阴离子失电子 3 分 将离子分成阳离子组 阴离子组 注意 水溶液中一定不要丢掉H OH 阳离子向阴极移动 在阴极得电子 阴离子向阳极移动 在阳极失电子 根据得失电子能力对离子排序 得电子能力 Ag Fe3 Cu2 H 失电子能力 S2 I Br Cl OH 含氧酸根 4 写 由放电顺序及信息确定放电产物和电极反应 5 平 依据质量守恒 电荷守恒进行配平 4 充电电池电极反应式的书写 1 充电电池充电时的连接方式 2 可充电电池电极反应式的书写方法 书写可充电电池电极反应式 一般都是先书写放电的电极反应式 书写电极反应式时 一般要遵守三步 第一 先标出原电池总反应式中电子转移的方向和数目 指出参与负极和正极反应的物质 第二 写出负极反应式 书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存 第三 在电子守恒的基础上 总反应式减去负极反应式即得正极反应式 充电的电极反应与放电的电极反应过程相反 充电的阳极反应为放电时正极反应的逆过程 充电的阴极反应为放电时负极反应的逆过程 以上方法可总结为 简单电极先写出 复杂反应相减得 负极颠倒得阴极 正极颠倒得阳极 考点2 电解原理的应用1 电解饱和食盐水 b 1 原理 2 装置 2 电解精炼铜 b 微点拨 电解精炼铜时 阳极质量减小 阴极质量增加 溶液中的Cu2 浓度减小 3 电镀 b 右图为金属表面镀银的工作示意图 据此回答下列问题 1 镀件作 极 镀层金属银作 极 2 电解质溶液是 AgNO3溶液等含镀层金属阳离子的盐溶 液 阴 阳 3 电极反应阳极 Ag e Ag 阴极 Ag e Ag 4 特点 极溶解 极沉积 电镀液的浓度 阳 阴 不变 4 电冶金 b 利用电解熔融盐的方法来冶炼活泼金属Na Ca Mg Al等 1 冶炼钠2NaCl 熔融 2Na Cl2 电极反应 阳极 2Cl 2e Cl2 阴极 2Na 2e 2Na 2 冶炼铝2Al2O3 熔融 4Al 3O2 电极反应 阳极 6O2 12e 3O2 阴极 4Al3 12e 4Al 典例精析 典例 1 2019 浙江4月学考真题节选 以铂阳极和石墨阴极设计电解池 通过电解NH4HSO4溶液产生 NH4 2S2O8 再与水反应得到H2O2 其中生成的NH4HSO4可以循环使用 阳极的电极反应式是 制备H2O2的总反应方程式是 2 2019 全国卷 节选 环戊二烯可用于制备二茂铁 Fe C5H5 2 结构简式为 后者广泛应用于航天 化工等领域中 二茂铁的电化学制备原理如下图所示 其中电解液为溶解有溴化钠 电解质 和环戊二烯的DMF溶液 DMF为惰性有机溶剂 该电解池的阳极为 总反应为 电解制备需要在无水条件下进行 原因为 解析 1 电解池使用惰性电极 阳极本身不参与反应 阳极吸引H 或 离子 并放电生成S2 因而电极反应式为2H 2e S2 2H 或2 2e S2 通过电解NH4HSO4溶液产生 NH4 2S2O8和H2 由题中信息可知 生成的NH4HSO4可以循环使用 说明 NH4 2S2O8与水反应除了生成H2O2 还有NH4HSO4生成 因而总反应中只有水作反应物 产物为H2O2和H2 故总反应方程式为2H2OH2O2 H2 2 由原理图可知 Fe电极的铁生成Fe2 发生氧化反应 Fe电极为电解池的阳极 由图可知有H2生成 电解池的总反应为Fe 2 H2 中间物Na能与水反应 且水会电解生成OH 与Fe2 反应生成Fe OH 2 故电解制备需要在无水条件下进行 答案 1 2H 2e S2 2H 或2 2e S2 2H2OH2O2 H2 2 Fe电极Fe 2 H2 Fe 2C5H6 Fe C5H5 2 H2 水会阻碍中间物Na的生成 水会电解生成OH 进一步与Fe2 反应生成Fe OH 2 强化训练 1 思维诊断 正确的打 错误的打 1 电镀铜和电解精炼铜时 电解质溶液中的c Cu2 均保持不变 提示