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第2课时 电解原理的应用
电解原理的应用
1.氯碱工业。
(1)概念:用电解饱和氯化钠溶液的方法来制取氢氧化钠、氢气和氯气,并以它们为原料生产一系列化工产品的工业,称为氯碱工业。
(2)原理:
①通电前,氯化钠溶液中含有的离子是Na+、Cl-、H+、OH-。
通电时,移向阳极的离子是Cl-、OH- ,移向阴极的离子是Na+、H+。
②阳极反应式为2Cl--2e-══Cl2↑;
阴极反应式为2H++2e-══H2↑;
因H+放电,促进了水的电离,使阴极区溶液显碱性。
③电解的总反应式。
(3)氯碱工业生产流程。
①阳离子交换膜电解槽。
②阳离子交换膜的作用:只允许Na+等阳离子通过,不允许Cl-、OH-等阴离子及气体分子通过,可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合发生爆炸,也能避免氯气与阴极产生的氢氧化钠反应而影响氢氧化钠的产量和质量。
微解读1 氯碱工业规律的记忆口诀:氢气烧碱出阴极,氯气阳极相隔离。①因为阳极产物Cl2和阴极产物H2会发生反应,Cl2和NaOH会发生反应,因此工业上常用特殊的电解槽电解饱和食盐水,一般用阳离子交换膜将电解槽分隔成两部分,以避免电解产物之间发生反应。②阳极区Cl-放电生成Cl2,生成的Cl2少量溶于水会使阳极区呈酸性。
微思考1 工业上电解饱和食盐水时,若将离子交换膜电解槽中的阳离子交换膜去掉,对产品会有什么影响
提示:阳极产生的Cl2会扩散至阴极区,与阴极产物NaOH反应,降低产率,且使产品不纯。
微训练1 电解原理在化学工业中有广泛应用。如图表示一个电解池,电解液a是饱和NaCl溶液,X、Y都是石墨电极,通过导线与直流电源相连。实验开始时,同时在两边各滴入几滴酚酞溶液,则:
(1)电解池中X极上的电极反应式是 ,在X极附近观察到的现象是 。
2H2O+2e- ==== H2↑+2OH-
放出气体,溶液变红
(2)Y电极上的电极反应式是 ,检验该电极反应产物的方法是_____________________________________
。
2Cl--2e- ==== Cl2↑
把湿润的碘化钾淀粉试纸放在Y电极附近,
试纸变蓝
2.电镀。
电镀是一种利用 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。在铁钥匙上镀铜的工作示意图如图所示,据此回答问题:
(1)镀件(钥匙)作 阴 极,镀层金属(铜)作 阳 极,含有
镀层金属离子 (Cu2+)的溶液作电镀液。
(2)阳极上发生的电极反应为 Cu-2e- ==== Cu2+ ;阴极上发生的电极反应为 Cu2++2e- ==== Cu 。
微解读2
(1)电镀规律记忆口诀:镀层阳极待镀阴,镀层离子溶液跟。我与电解共原理,浓度不变要记真。(2)电镀特点:“1多、1少、1不变”。“1多”是指阴极上有镀层金属沉积,“1少”是指阳极上有镀层金属溶解,“1不变”是指电解质溶液的浓度不变。
微思考2 当上述电镀进行一段时间后,电镀液的浓度是如何变化的
提示:因阳极溶解的Cu和阴极析出的Cu的量相等,所以电镀液的浓度基本不变。
微判断1 (1)在铁制品上电镀锌时,铁制品应与电源的正极连接。( )
(2)用石墨作阳极,用硫酸铜溶液作电解质溶液,也能实现在镀件上电镀铜。( )
(3)电镀铜时,电解质溶液中c(Cu2+)一定保持不变。( )
×
√
×
3.电解精炼铜。
(1)利用电解原理进行电解精炼铜时,以粗铜作 阳 极,以纯铜作 阴 极,通常用 CuSO4溶液 作电解质溶液。
(2)粗铜中含有Zn、Fe、Ni、Ag、Au等杂质金属,其中
Zn、Fe、Ni、Cu 可在阳极放电变成相应的金属离子进入溶液中, Ag、Au 等金属则沉淀在阳极底部形成阳极泥。
写出阳极上发生的电极反应: Zn-2e- ==== Zn2+,Fe-2e- ==== Fe2+,Ni-2e- ==== Ni2+,Cu-2e- ==== Cu2+ ;
写出阴极上发生的电极反应: Cu2++2e- ==== Cu 。
微解读3 电解精炼过程中的“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。
微思考3 电解精炼铜时,当电解进行一段时间后,CuSO4溶液的浓度是如何变化的
提示:阳极除溶解Cu外,还溶解Zn、Fe、Ni等金属,而阴极只析出Cu,所以CuSO4溶液的浓度会减小。
4.电冶金。
电解法是冶炼金属的一种重要方法,利用电解法可以冶炼Na、Ca、Mg、Al等活泼金属。用直流电电解熔融NaCl制取金属钠的化学方程式为 2NaCl(熔融) 2Na+Cl2↑ 。阳极反应为 2Cl--2e- ==== Cl2↑ ;阴极反应为 Na++e- ==== Na 。
微思考4 工业生产金属镁和金属铝均采用电解法,制取Mg时电解的是熔融的MgCl2,而制取Al时电解的却是熔融的氧化铝,不是AlCl3,这是为什么
提示:MgCl2是离子化合物,在熔融状态下导电,而AlCl3是共价化合物,在熔融状态下不导电,氧化铝是离子化合物,熔融的氧化铝导电,故制取金属铝用的是熔融的氧化铝。
微判断2 (1)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。( )
(2)电解精炼铜时,粗铜作阳极,活泼性比铜弱的杂质金属成为阳极泥沉在阳极区。( )
(3)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变。
( )
(4)金属铜只能用热还原法冶炼,不能用电解法冶炼。( )
√
√
×
×
微训练2 1.火法炼铜得到的粗铜中含多种杂质(如锌、金、银等),其性能远不能达到电气工业的要求,工业上常使用电解精炼法将粗铜提纯。在电解精炼时( )。
A.粗铜接电源负极
B.纯铜作阳极
C.杂质都将以单质形式沉淀到池底
D.纯铜片质量增加2.56 g,电路通过电子为0.08 mol
答案:D
解析:电解精炼铜时,用粗铜作阳极,用纯铜作阴极,A项、B项不正确;锌比铜活泼,失电子变成锌离子进入溶液中,金、银不活泼,以单质形式沉淀到电解槽底部,C项不正确;阴极发生反应Cu2++2e-══Cu,m(Cu)=2.56 g,n(Cu)=0.04 mol,电路通过电子n(e-)=0.08 mol,D项正确。
2.铝合金(含Cu、Mg和Si等)用途广泛,利用电解原理处理铝合金废料可以实现铝的再生,从而使资源得到合理利用。下列说法正确的是( )。
A.阳极发生的反应为Al3++3e-══Al
B.在电解槽底部产生含Cu、Si的阳极泥
C.电解质溶液可以是Al2(SO4)3溶液
D.阳极和阴极的质量变化相等
答案:B
解析:在阳极,金属铝失电子生成铝离子,发生的反应为Al-3e-══Al3+,A项错误;铝失电子后,还原性弱的Cu和Si不失电子,沉积在电解槽底部成为阳极泥,B项正确;在阴极,Al3++3e-══Al,若电解质溶液是Al2(SO4)3溶液,则阴极上H+得电子生成H2,所以电解质应为铝盐的熔融态,C项错误;阳极除去Al转化为Al3+外,还有阳极泥生成,阴极只生成Al,所以阳极和阴极的质量变化不相等,D项错误。
一、电解原理的应用
问题探究
如图所示,思考下列问题:
1.甲池、乙池分别是原电池还是电解池
提示:有外接电源,甲池、乙池都是电解池。
2.若用导线替代外接电源,甲池、乙池分别是原电池还是电解池
提示:甲池符合原电池组成条件,乙池不符合原电池组成条件,甲池是原电池,充当电源,对乙池电解,乙池是电解池(也是电镀池)。
归纳总结
1.氯碱工业的生产过程。
2.电镀铜与精炼铜的比较。(电解质溶液均为CuSO4溶液)
比较项目 电镀铜 精炼铜
能量转化 电能转化为化学能 电能转化为化学能
阳极材料 纯铜 粗铜(含锌、银、
金等杂质)
阴极材料 镀件 纯铜
阳极反应 Cu-2e-===Cu2+ Zn-2e-===Zn2+
Cu-2e-===Cu2+等
阴极反应 Cu2++2e-===Cu Cu2++2e-===Cu
电解质溶液及其浓度变化 硫酸铜溶液浓度保持不变 反应后硫酸铜溶液中混有Zn2+等,Cu2+浓度减小
典例剖析
【例1】工业上处理含 的酸性工业废水常用以下方法:①往工业废水里加入适量的NaCl,搅拌均匀;②用Fe作电极进行电解,经过一段时间后有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀产生;③过滤回收沉淀,废水达到排放标准。
请回答下列问题。
(1)电解时的电极反应:阳极为 ,阴极为 。
(2)写出 转变成Cr3+的离子方程式: 。
(3)电解过程中Cr(OH)3、Fe(OH)3沉淀是怎样产生的
答案:(1)Fe-2e-══Fe2+ 2H++2e-══H2↑
(2)6Fe2++ +14H+══6Fe3++2Cr3++7H2O
(3)在阴极反应及 与Fe2+反应的过程中,消耗大量的H+,使溶液pH增大,促进Fe3+、Cr3+水解并最终转化为Fe(OH)3、Cr(OH)3沉淀。
解析:阴极:2H++2e-══H2↑,阳极:Fe-2e-══Fe2+,产生的Fe2+在向阴极移动的过程中与向阳极移动的 相遇,发生氧化还原反应:6Fe2++ +14H+══6Fe3++2Cr3++7H2O,使
转化为Cr3+,同时Fe2+也转化为Fe3+,在以上电解的阴极反应及Fe2+与 的氧化还原反应中消耗了大量的H+,溶液的pH不断增大,有利于Fe3+、Cr3+生成相应的Fe(OH)3、Cr(OH)3沉淀。
【拓展延伸】 能否用Cu电极来代替Fe电极 请简述理由。
答案:不能。若用Cu电极来代替Fe电极,产生的Cu2+不能将
转化为Cr3+,不能除去废水中的 。
学以致用
1.如图中的A为直流电源,B为浸透氯化钠饱和溶液和酚酞溶液的滤纸,C为电镀槽,接通电路后,发现B上的c点显红色。请回答下列问题:
(1)电源A的a为 极。
(2)滤纸B上发生的总反应方程式为 。
(3)欲在电镀槽中实现铁上镀锌,接通K点,使c、d两点短路,则电极e上发生的反应为 ,电极f上发生的反应为 ,槽中盛放的电镀液可以是
或 。
答案:(1)正
(2)2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH
(3)Zn-2e-══Zn2+ Zn2++2e-══Zn ZnSO4溶液 Zn(NO3)2溶液
解析:(1)根据c点显红色,则该极上发生的反应为2H++2e-══H2↑,即该极为阴极,与电源的负极相连,所以a是正极。
(2)滤纸B上发生的总反应方程式为2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH。
(3)c、d两点短路后,e为阳极,反应为Zn-2e-══Zn2+。欲实现铁上镀锌,则阴极反应为Zn2++2e-══Zn。电镀液用含镀层金属离子的电解质溶液,所以可用ZnSO4溶液或Zn(NO3)2溶液等。
2.高铁酸盐在能源环保领域有广泛用途。用镍(Ni)、铁作电极电解浓NaOH溶液制备高铁酸钠(Na2FeO4)的装置如图所示,回答下列问题:
(1)若离子交换膜为阴离子交换膜,则OH-自 (填“左”或“右”,下同)向 移动。
(2)电解一段时间后,撤去离子交换膜,混合后的溶液与原溶液比较,pH (填“增大”或“减小”)。
答案:(1)左 右 (2)减小
解析:(1)Fe为阳极,发生氧化反应,则其电极反应为Fe-6e-+8OH-══ +4H2O,若离子交换膜为阴离子交换膜,则OH-自左(阴极区)向右(阳极区)移动。(2)根据阳极电极反应可知随电解的进行,阳极区pH降低;阴极电极反应式为2H2O+2e-══H2↑+2OH-,阴极区pH增大;根据得失电子守恒可知,OH-消耗的多,生成的少,电解一段时间后,撤去离子交换膜,混合后的溶液与原溶液比较,pH减小。
特别提醒 离子交换膜是具有选择透过性能的高分子功能膜或分离膜,常运用于膜电解和电渗析等离子交换膜法技术中。它具有选择透过性好、分离效率高、能耗低、污染少等特点,在水处理、环保、化工、冶金等领域都有广泛应用。 离子交换膜的种类有阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜等。离子交换膜的作用:①隔离某些物质,防止阴极产物与阳极产物之间或电极产物与电解质溶液之间发生反应;②用于制备某些物质:通过离子定向移动使得阴极区或阳极区得到所制备的新物质;③对物质进行分离、提纯等。
二、电解的有关计算
问题探究
如下图,甲烧杯中盛有100 mL 0.50 mol·L-1 AgNO3溶液,乙烧杯中盛有100 mL 0.25 mol·L-1 CuCl2溶液,A、B、C、D均为质量相同的石墨电极,如果电解一段时间后,发现A极比C极的质量多1.9 g。
1.发现A极比C极的质量多,说明A极和C极上分别析出什么物质 说明E为电源的正极还是负极
提示:A极比C极的质量多,说明A极上有Ag析出,说明E是电源的负极,则C极为阴极,C极上有铜析出。
2.A极比C极的质量多1.9 g,则A极上析出单质的质量为多少 C极上析出单质的质量为多少
3.写出B极的电极反应式。计算B极析出气体的体积是多少 (标准状况)
提示:B极的电极反应式为4OH--4e-══O2↑+2H2O,
根据题意可知,该过程转移0.025 mol电子,
归纳总结
1.计算的原则。
(1)阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数。
(2)串联电路中通过各电解池的电子总数相等。
(3)电源输出的电子总数和电解池中转移的电子总数相等。
2.计算的方法。
(1)得失电子守恒法计算:用于串联电路、通过阴阳两极的电量相同等类型的计算,其依据是电路上转移的电子数相等。
(2)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计算。
(3)关系式计算:借得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁,建立计算所需的关系式。
电解计算时常用的定量关系为
4e-~4H+~4OH-~2H2~O2~2Cu~4Ag。
3.计算的步骤。
(1)正确书写电极反应式(要注意阳极材料)。
(2)当溶液中有多种离子共存时,要确定放电离子的先后顺序。
(3)最后根据得失电子守恒进行相关的计算。
典例剖析
【例2】 常温下用惰性电极电解200 mL 氯化钠、硫酸铜的混合溶液,所得气体的体积随时间变化如下图所示,根据图中信息回答下列问题。(气体体积已换算成标准状况下的体积,且忽略气体在水中的溶解和溶液体积的变化)
(1)曲线 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)表示阳极产生气体的变化。
(2)氯化钠的物质的量浓度为 ,硫酸铜的物质的量浓度为 。
答案:(1)Ⅱ (2)0.1 mol·L-1 0.1 mol·L-1
解析:(1)阴极上Cu2+首先放电,故开始时,阴极上无气体生成,故曲线Ⅱ表示阳极产生气体的变化。
【拓展延伸】 t2时所得溶液的pH是多少
学以致用
3.用惰性电极电解硫酸铜溶液。若阳极上产生气体的物质的量为0.01 mol,阴极无气体逸出,则阴极上析出铜的质量为
( )。
A.0.64 g B.1.28 g C.2.56 g D.5.12 g
答案:B
解析:用惰性电极电解硫酸铜溶液,在阳极产生的气体为氧气,由4OH--4e-══2H2O+O2↑知,产生0.01 mol的氧气转移0.04 mol电子,则根据Cu2++2e-══Cu可推出应析出0.02 mol的铜,其质量为1.28 g。
4.把物质的量均为0.1 mol的氯化铜和硫酸溶于水制成100 mL的混合溶液,用石墨作电极电解,并收集两电极所产生的气体,一段时间后发现两极收集到的气体在相同条件下体积相同。则下列描述正确的是( )。
A.电路中共转移0.6NA个电子
B.阳极得到的气体中O2的物质的量为0.2 mol
C.阴极质量增加3.2 g
D.电解后剩余溶液中硫酸的浓度为1 mol·L-1
答案:A
解析:根据放电顺序,阴离子为Cl->OH-> ,阳离子为Cu2+>H+,可知该电解过程分为两个阶段。第一阶段,电解CuCl2溶液,化学方程式为Cu2++2Cl- Cu+Cl2↑;第二阶段,电解H2O,化学方程式为2H2O 2H2↑+O2↑。阳极开始产生Cl2,后产生O2,阴极开始生成Cu,后产生H2,根据得失电子守恒: Cl2~2e-~Cu,2H2~4e-~O2,可知n(Cu2+)=n(Cl2)=0.1 mol, 2n(O2)=n(H2),又因为两极收集到的气体在相同条件下体积相同,即n(Cl2)+n(O2)=n(H2),所以n(H2)=0.2 mol,n(O2)=0.1 mol,则转移电子数为(0.1×2+0.2×2)NA=0.6NA,A正确、B错误;
阴极析出0.1 mol铜,即6.4 g,C错误;电解后溶液的体积未知,不能计算硫酸的浓度,D错误。
1.如图是氯碱工业中的电解装置,下列说法不正确的是( )。
A.电解总反应式为
2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑
B.阳极电极反应式:2Cl--2e-══Cl2↑
C.离子膜应为阳离子交换膜
D.每生成1 mol Cl2,此装置共转移电子4 mol
答案:D
解析:氯碱工业中电解饱和食盐水,得到氢氧化钠、氢气和氯气,A项正确;氯离子在阳极上失去电子被氧化生成氯气,B项正确;左侧阳极区食盐水浓度减小,钠离子浓度减小,则钠离子应透过离子膜向右移动,离子膜应为阳离子交换膜,C项正确;据2Cl--2e-Cl2↑,每生成1 mol氯气,应转移电子2 mol,D项错误。
2.关于镀铜和电解精炼铜,下列说法中正确的是( )。
A.都用粗铜作阳极、纯铜作阴极
B.电解质溶液的浓度都保持不变
C.阳极反应都只有Cu-2e-══Cu2+
D.阴极反应都只有Cu2++2e-══Cu
答案:D
解析:A项,电镀时镀件作阴极;B项,电解精炼铜时电解质溶液浓度改变;C项,电解精炼铜时,杂质中若有比铜活泼的金属如锌,则还会发生Zn-2e-══Zn2+的反应。
3.下列描述中,不符合生产实际的是( )。
A.电解熔融的氧化铝制取金属铝,用铁作阳极
B.电解法精炼粗铜,用纯铜作阴极
C.电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网作阴极
D.在镀件上电镀锌,用锌作阳极
答案:A
解析:电解池的阳极失电子发生氧化反应,阴极得电子发生还原反应。电解熔融的Al2O3制Al时,若用Fe作阳极,会发生反应Fe-2e-══Fe2+,Fe2+移动到阴极上发生反应Fe2++2e-══Fe,使得到的Al不纯。
4.某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器,用石墨作电极电解氯化钠饱和溶液,通电时,为使Cl2被完全吸收,制得有较强杀菌能力的消毒液,设计了如图的装置。下列对电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是( )。
A.a为正极,b为负极,NaClO和NaCl
B.a为负极,b为正极,NaClO和NaCl
C.c为阳极,d为阴极,HClO和NaCl
D.c为阴极,d为阳极,HClO和NaCl
答案:B
解析:用石墨作电极电解氯化钠饱和溶液时,在阳极上氯离子失电子生成氯气,在阴极上氢离子得电子生成氢气,为使Cl2被完全吸收,制得有较强杀菌能力的消毒液,所以一定要让氯气在d电极产生,所以d电极是阳极,c电极是阴极,故a为负极,b为正极,d极生成的Cl2与c极区的NaOH反应生成NaClO和NaCl。
5.某同学设计一个燃料电池(如下图所示)用于探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理,其中乙装置中X为阳离子交换膜。
根据要求回答相关问题:
(1)通入氢气的电极为 (填“正极”或“负极”),该电极反应式为 。
(2)石墨电极为 (填“阳极”或“阴极”),反应一段时间后,在乙装置中滴入酚酞溶液, (填“铁极”或“石墨极”)区的溶液先变红。
(3)如果粗铜中含有锌、银等杂质,丙装置中反应一段时间,硫酸铜溶液浓度将 (填“增大”“减小”或“不变”)。精铜电极上的电极反应式为 。
答案:(1)负极 H2+2OH--2e-══2H2O
(2)阳极 铁极
(3)减小 Cu2++2e-══Cu
解析:(1)通入氢气的电极为负极,电解质溶液呈碱性,该电极反应式为H2+2OH--2e-══2H2O。
(2)石墨电极与电源的正极连接,石墨电极为阳极,反应一段时间后,在乙装置中滴入酚酞溶液,溶液中的H+在阴极(Fe极)放电,破坏了附近的水的电离平衡,该区域的溶液显碱性,因此铁极的溶液先变红。
(3)粗铜中比铜活动性强的金属失去电子被氧化,溶液中的铜离子得到电子被还原,因此硫酸铜溶液浓度将减小;精铜电极上的电极反应式为Cu2++2e-══Cu。
6.如图所示,若电解5 min时,测得铜电极的质量增加2.16 g。试回答下列问题:
(1)电源中X极是 (填“正”或“负”)极。
(2)通电5 min时,B中共收集到224 mL(标准状况)气体,溶液体积为200 mL(电解前后溶液的体积变化忽略不计),则通电前c(CuSO4)= 。
(3)若A中KCl溶液的体积也是200 mL,电解后溶液中仍有Cl-,则电解后溶液的pH= (Kw=1.0×10-14)。
答案:(1)负 (2)0.025 mol·L-1 (3)13
解析:(1)铜电极质量增加,说明银在铜电极析出,则铜电极为阴极,X为负极。(2)C中铜电极质量增加2.16 g,即析出0.02 mol Ag,线路中通过0.02 mol电子;由4e-~O2可知,B中产生的O2只有0.005 mol,即112 mL;但B中共收集到224 mL气体,说明还有112 mL是H2,即Cu2+全部在阴极放电后,H+接着放电产生了112 mL H2,则通过0.01 mol电子时,Cu2+已被电解完;由2e-~Cu,可知n(Cu2+)=0.005 mol,则c(CuSO4)= =0.025 mol·L-1。(3)由e-~OH-知,A中生成0.02 mol OH-,则c(OH-)=0.1 mol·L-1, pH=13。第2课时 电解原理的应用
课后·训练提升
基础巩固
1.在给定条件下,下列选项所示的物质间转化,均能通过一步化学反应实现的是( )。
A.NaClCl2漂白粉
B.Cu2(OH)2CO3CuOCu(OH)2
C.MgCO3MgCl2溶液Mg
D.Fe3O4FeFeCl3
答案:A
解析:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,2Cl2+2Ca(OH)2CaCl2+Ca(ClO)2 +2H2O,A项正确。CuO与H2O不能直接化合生成Cu(OH)2,B项错误。电解MgCl2溶液时,阴极得不到Mg单质,C项错误。Fe与HCl反应生成FeCl2,D项错误。
2.用电解法制取KIO3的方法是以石墨和铁为电极电解KI溶液,电解反应方程式为KI+3H2OKIO3+3H2↑。下列说法中正确的是( )。
A.电解时石墨作阴极
B.电解时阳极上产生H2
C.电解过程中阴极溶液pH升高
D.阴极电极反应式:I--6e-+3H2OI+6H+
答案:C
解析:电解时,铁作阴极,石墨作阳极,若铁作阳极,则铁放电,A项错误;阳极发生氧化反应,I-失电子被氧化,电极反应为I--6e-+3H2OI+6H+,B、D两项错误;阴极上水放电,2H2O+2e-H2↑+2OH-,阴极溶液的pH升高,C项正确。
3.餐具表面镀银可达到增强抗腐蚀性、提升美观度等目的。下列关于铁表面镀银的说法不正确的是( )。
A.电路中每通过1 mol e-,阴极析出1 mol银
B.铁电极应与电源负极相连
C.阳极电极反应式为Ag-e-Ag+
D.电镀液需要不断更换
答案:D
解析:阴极发生反应:Ag++e-Ag,故电路中每通过1 mol e-析出1 mol银,故A正确;铁为镀件,应与电源负极相连,故B正确;阳极为镀层金属,电极反应式为Ag-e-Ag+,故C正确;电镀液浓度不变,不需要更换,故D错误。
4.如图是工业电解饱和食盐水的装置示意图,下列有关说法不正确的是( )。
A.装置中出口①处的物质是氯气,出口②处的物质是氢气
B.该离子交换膜只能让阳离子通过,不能让阴离子通过
C.装置中发生反应的离子方程式为2Cl-+2H+Cl2↑+H2↑
D.该装置将电能转化为化学能
答案:C
解析:由图看出①处为电解池阳极,产生氯气,②处为电解池阴极,产生氢气,A正确;该离子交换膜只能让阳离子通过,不能让阴离子通过,能防止氯气与碱反应,且在阴极区得到浓度较高的烧碱溶液,B正确;电解饱和食盐水有烧碱生成,装置中发生反应的离子方程式应为2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH-,C错误;电解装置是将电能转化为化学能的装置,D正确。
5.金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制备高纯度的镍,下列叙述正确的是(已知:氧化性Fe2+
A.阳极发生还原反应,其电极反应式:Ni2++2e-Ni
B.电解过程中,阳极质量的减少与阴极质量的增加相等
C.电解后,溶液中存在的金属阳离子只有Fe2+和Zn2+
D.电解后,电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt
答案:D
解析:阳极发生氧化反应,其电极反应式:Ni-2e-Ni2+,Fe-2e-Fe2+, Zn-2e-Zn2+,A项错误;电解过程中阳极失电子的有Fe、Zn、Ni;阴极析出的是镍,依据得失电子守恒,阳极质量的减少与阴极质量的增加不相等,B项错误;电解后,溶液中存在的金属阳离子有Fe2+、Zn2+、Ni2+,C项错误;粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,铜和铂不失电子,沉降在电解池底部形成阳极泥,电解后,电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt,D项正确。
6.渗析法是一种利用离子交换膜进行海水淡化的方法,其原理如图所示,电极均为惰性电极。已知海水中含Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、S等离子。下列叙述中正确的是( )。
A.X膜是阳离子交换膜
B.通电后,海水中阴离子往b电极处移动
C.通电后,b电极上产生无色气体,溶液中出现白色沉淀
D.通电后,a电极的电极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O
答案:C
解析:A项,X膜是阴离子交换膜,错误;B项,通电后,海水中阴离子往阳极(a电极)处移动,错误;C项,通电后,由于放电能力:H+>Mg2+>Ca2+,所以H+在阴极(b电极)上放电:2H++2e-H2↑,产生无色气体,由于破坏了附近水的电离平衡,在该区域c(OH-)增大,发生反应:Mg2++2OH-Mg(OH)2↓,所以溶液中还会出现白色沉淀,正确;D项,通电后,由于在溶液中的放电能力:Cl->OH-,所以在阳极发生反应:2Cl--2e-Cl2↑,错误。
7.三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和S可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述正确的是( )。
A.通电后中间隔室的S向正极迁移,正极区溶液pH增大
B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品
C.负极反应为2H2O-4e-O2↑+4H+,负极区溶液pH降低
D.当电路中通过1 mol电子的电量时,会有0.5 mol的O2生成
答案:B
解析:在负极区发生的电极反应为4H2O+4e-2H2↑+4OH-,在正极区发生的电极反应为2H2O-4e-O2↑+4H+,故正极区pH减小,A项错误;Na+移向负极区,生成NaOH,S移向正极区,生成H2SO4,B项正确;根据负极区电极反应可知C项错误;每通过1 mol 电子,有0.25 mol O2生成,D项错误。
8.研究发现,可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF2-CaO作电解质,利用图示装置获得金属钙,并以钙为还原剂还原二氧化钛制备金属钛。下列说法不正确的是( )。
A.由TiO2制得1 mol金属Ti,理论上外电路转移4 mol电子
B.阳极的电极反应式为2O2--4e-O2↑
C.在制备金属钛前后,整套装置中CaO的总量不会减少
D.装置中石墨电极需要定期更换
答案:B
解析:钙还原二氧化钛反应的化学方程式为2Ca+TiO2Ti+2CaO,由TiO2制得1 mol金属Ti,消耗2 mol Ca,电解池中阴极反应式为Ca2++2e-Ca,则生成2 mol Ca外电路中转移4 mol电子,故A正确;阳极上电极反应式为C+2O2--4e-CO2↑,故B错误;电解池总反应为2CaO+C2Ca+CO2↑,制备金属钛的反应为2Ca+TiO2Ti+2CaO,所以在制备金属Ti前后,CaO的总量不会减少,故C正确;阳极上电极反应式为C+2O2--4e-CO2↑,C不断被消耗,装置中石墨电极需要定期更换,故D正确。
9.工业上用Na2SO3溶液吸收硫酸工业尾气中的SO2,并通过电解方法实现吸收液的循环再生。其再生机理如图所示,下列有关说法中正确的是( )。
A.图中的b%B.Y应为直流电源的负极
C.电解过程中阴极区pH升高
D.S在电极上发生的反应为S+2OH--2e-S+H2O
答案:C
解析:根据阴、阳离子的移动方向知,阳离子向Pt(Ⅰ)电极移动,阴离子向Pt(Ⅱ)电极移动,因此Pt(Ⅰ)为阴极,Pt(Ⅱ)为阳极,所以X为直流电源的负极,Y为直流电源的正极,B项错误;Pt(Ⅰ)为阴极,阴极上氢离子得电子放出氢气,电极反应式为2HS-2e-2S+H2↑,所以Pt(Ⅰ)附近溶液的pH增大,C项正确;阳极上亚硫酸根离子失电子发生氧化反应,故电极反应式为S+H2O-2e-S+2H+,D项错误;阳极室中,出来的硫酸中不仅有加入的稀硫酸还有亚硫酸根离子被氧化生成的硫酸,所以b%>a%,A项错误。
10.某研究小组用微生物电池模拟淡化海水,同时做电解实验,实验装置如下图所示,C、D是铂电极。
(1)若A、B是惰性电极。
①写出D极的电极反应式: 。
②写出甲中总反应的离子方程式: 。
(2)若甲是铁片镀铜装置,A、B质量相同。当B和A的质量差为12.8 g时,C极产生的气体在标准状况下的体积是 L。
(3)苯酚的分子式为C6H6O。
①离子交换膜A为 (填“阴”或“阳”)离子交换膜。
②a极的电极反应式为 。
③理论上每消除1 mol苯酚,同时消除 mol N;当电路中转移1 mol电子时,模拟海水理论上除盐 g。
答案:(1)①2H2O+2e-H2↑+2OH-
②2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+
(2)1.12
(3)①阴 ②C6H6O-28e-+11H2O6CO2↑+28H+ ③5.6 58.5
解析:(1)①电极b有N2生成,则电极b为正极,电极a为负极,则电极D为阴极,阳离子H+和Na+移向电极D,H+优先得电子,故D极电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-。②甲装置为电解池,且A、B为惰性电极,电解质为CuSO4;阳离子Cu2+和H+移向阴极B反应,Cu2+优先得电子被还原为Cu,阴离子OH-和S移向阳极,OH-优先失电子被还原为O2,故甲中总反应的离子方程式为2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+。
(2)若甲是铁片镀铜装置,则阳极A为单质Cu,电极反应为Cu-2e-Cu2+,阴极B为镀件铁片,电极反应为Cu2++2e-Cu,当B和A的质量差为12.8 g时,电极A质量减小6.4 g,电极B质量增加6.4 g,通过电极反应可知,转移电子数为×2=0.2 mol,根据电荷守恒,电极C(阳极)将失去0.2 mol电子,根据电极C的电极反应2H2O-4e-O2↑+4H+,生成氧气为0.05 mol,体积为0.05 mol×22.4 L·mol-1=1.12 L。
(3)①左侧原电池中NaCl溶液转化为淡水,可知Na+移向正极b,Cl-移向负极a,所以离子交换膜A为阴离子交换膜。②电极a中反应物苯酚转化为CO2,a电极反应为C6H6O-28e-+11H2O6CO2↑+28H+。③根据a电极反应可知,每消除1 mol苯酚转移电子28 mol,b电极反应为2N+10e-+12H+N2↑+6H2O,转移28 mol电子时,消除N×2=5.6 mol;当电路中转移1 mol电子时,有1 mol Na+移向正极,1 mol Cl-移向负极,模拟海水理论上除去1 mol NaCl,即58.5 g NaCl。
能力提升
1.如图X为电源,Y为浸透饱和食盐水和酚酞溶液的滤纸,滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液,通电后Y中央的紫红色色斑向d端扩散。下列判断正确的是( )。
A.滤纸上d点附近会变为红色
B.Cu电极质量减小,Pt电极质量增大
C.烧杯中溶液的pH减小
D.烧杯中S向Cu电极定向移动
答案:C
解析:由题图可知,该装置为电解装置,由通电后Y中央的紫红色色斑向d端扩散知,d为阳极(Mn向阳极移动),b为电源的正极,a为电源的负极。Y为浸透饱和食盐水和酚酞溶液的滤纸,c点H+放电,则OH-浓度增大,所以滤纸上c点附近会变红色,A项错误;Cu电极上Cu2+得到电子生成Cu,Pt电极上OH-失去电子,故Cu电极质量增大,Pt电极质量不变,B项错误;Pt电极上OH-失去电子,故烧杯中溶液的pH减小,C项正确;Cu电极为阴极,Pt电极为阳极,烧杯中S向Pt电极定向移动,D项错误。
2.电解法处理酸性含铬废水(主要含有Cr2)时,以铁板作阴、阳极,处理过程中存在反应Cr2+6Fe2++14H+2Cr3++6Fe3++7H2O,最后Cr3+以Cr(OH)3形式除去。下列说法不正确的是( )。
A.阳极反应为Fe-2e-Fe2+
B.电解过程中溶液pH不会变化
C.过程中有Fe(OH)3沉淀生成
D.电路中每转移12 mol电子,最多有1 mol Cr2被还原
答案:B
解析:铁板作阳极,则阳极上Fe失电子,A项正确;电解过程中c(H+)减小,c(OH-)增大,所以pH变大,B项错误;溶液酸性减弱,pH增大,有Fe(OH)3沉淀生成,C项正确;电路中每转移12 mol电子,生成6 mol Fe2+,则有1 mol Cr2被还原,D项正确。
3.在500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中 c(N)=0.6 mol·L-1,用石墨作电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到2.24 L气体(标准状况下),假定电解后溶液体积仍为500 mL,下列说法错误的是( )。
A.原混合溶液中c(K+)为0.2 mol·L-1
B.上述电解过程中共转移0.4 mol电子
C.电解得到的Cu的物质的量为0.05 mol
D.电解后溶液中c(H+)为0.4 mol·L-1
答案:C
解析:石墨作电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液,阳极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑,阴极先后发生两个反应:Cu2++2e-Cu,2H++2e-H2↑。从阳极收集到2.24 L O2可知上述电解过程中共转移电子0.4 mol,B项正确。在阴极生成2.24 L H2的过程中转移0.2 mol电子,所以Cu2+共得到电子0.4 mol-0.2 mol=0.2 mol,电解前Cu2+的物质的量和电解得到的Cu的物质的量都为 0.1 mol,C项错误。根据电荷守恒,电解前:c(K+)+2c(Cu2+)=c(N),c(N)=0.6 mol·L-1,c(Cu2+)=0.2 mol·L-1,则c(K+)=0.2 mol·L-1,A项正确;电解后c(K+)+c(H+)=c(N),则c(H+)=0.6 mol·L-1-0.2 mol·L-1=0.4 mol·L-1,D项正确。
4.电浮选凝聚法是工业上采用的一种污水处理方法,如图是电解污水的实验装置示意图,实验用污水中主要含有可被吸附的悬浮物(不导电)。下列有关推断明显不合理的是( )。
A.阴极的电极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-
B.通电过程中烧杯内产生可以吸附悬浮物的Fe(OH)3
C.通电过程中会产生气泡,把悬浮物带到水面形成浮渣弃去
D.如果实验用污水导电性不良,可加入少量Na2SO4固体以增强导电性
答案:A
解析:A项中阴极反应是H2O电离出的H+得电子,电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑。
5.氯碱工业的一种节能新工艺是将电解池与燃料电池相结合,相关物料的传输与转化关系如图所示(电极未标出)。下列说法错误的是( )。
A.电解池的阴极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-
B.通入空气的电极为正极
C.电解池中产生2 mol Cl2时,理论上燃料电池中消耗0.5 mol O2
D.a、b、c的大小关系为c>a>b
答案:C
解析:题给电解池的阴极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,阳极反应式为2Cl--2e-Cl2↑,A项正确;题给燃料电池为氢氧燃料电池,通入空气的电极为正极,B项正确;由整个电路中得失电子守恒可知,电解池中产生2 mol Cl2,理论上转移4 mol电子,则燃料电池中消耗1 mol O2,C项错误;题给燃料电池的负极反应式为2H2+4OH--4e-4H2O,正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,所以a、b、c的大小关系为c>a>b,D项正确。
6.某小组同学设想用如图装置电解硫酸钾溶液来制取氧气、氢气、硫酸和氢氧化钾。
(1)X极与电源的 (填“正”或“负”)极相连,氢气从 (填“A”“B”“C”或“D”)口导出。
(2)离子交换膜只允许一类离子通过,则M为 (填“阴离子”或“阳离子”,下同)交换膜,N为 交换膜。
(3)若将制得的氢气、氧气和氢氧化钾溶液组合为氢氧燃料电池(石墨为电极),则电池负极的电极反应式为 。
(4)若在标准状况下,制得11.2 L氢气,则生成H2SO4的质量是 ,转移的电子数为 。
答案:(1)正 C
(2)阴离子 阳离子
(3)H2+2OH--2e-2H2O
(4)49 g 6.02×1023
解析:(1)(2)题图中左边加入含少量硫酸的水,暗示左边制硫酸,即H2O在阳极发生氧化反应,使左边溶液中H+ 增多,为了使溶液呈电中性,硫酸钾溶液中的S 通过M交换膜向左迁移,即M为阴离子交换膜,由此推知X为阳极,与电源正极相连,氧气从B出口导出,A出口流出硫酸;同理,右侧加入含KOH的水,说明右边制备KOH溶液,H2O在Y极发生还原反应,说明Y极为阴极,与电源负极相连,右边溶液中OH- 增多,硫酸钾溶液中K+向右迁移,N为阳离子交换膜。所以,氢气从C出口导出,D出口流出KOH溶液。(3)若将制得的氢气和氧气在氢氧化钾溶液中构成原电池,正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,负极反应式为2H2+4OH--4e-4H2O。(4)n(H2)=0.5 mol,2H++2e-H2↑,得电子为1 mol,X极的反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,根据电子守恒知,生成H+的物质的量为1 mol,故生成0.5 mol H2SO4,m(H2SO4)=49 g。
7.催化硝化法和电化学降解法可用于治理水中硝酸盐的污染。
(1)催化硝化法中,用H2将N还原为N2,一段时间后,溶液的碱性明显增强。则该反应离子方程式为 。
(2)电化学降解N的原理如图所示,电源正极为 (填“a”或“b”);若总反应为4N+4H+5O2↑+2N2↑+2H2O,则阴极反应式为 。
答案:(1)2N+5H2N2+2OH-+4H2O
(2)a 2N+12H++10e-N2↑+6H2O
解析:(1)用H2将N还原为N2,一段时间后,溶液的碱性明显增强,说明该反应中生成氢氧根离子,同时还生成水,所以反应方程式为2N+5H2N2+2OH-+4H2O。
(2)根据题图知,硝酸根离子得电子发生还原反应,则b为负极、a为正极,根据电解总反应式知,阴极上硝酸根离子得电子生成氮气和水,电极反应式为2N+12H++10e-N2↑+6H2O。
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