第四章 化学反应与电能
第二节 电解池
第1课时 电解原理
基础过关练
题组一 电解池的构成与工作原理
1.(经典题)某同学为了使反应HCl+Ag AgCl+H2↑能进行,设计了下列四个实验,如图所示,你认为可行的方案是 ( )
2.用石墨电极电解CuCl2溶液(如图所示)。下列分析正确的是 ( )
A.a端是直流电源的负极
B.通电使CuCl2发生电离
C.阳极上发生的反应为
Cu2++2e- Cu
D.通电一段时间后,在阴极附近观察到黄绿色气体
题组二 电解规律
3.为探究电解过程中离子的放电规律,某研究小组进行下列实验:
序号 阳极 材料 阴极 材料 熔融电解质或 电解质溶液 阳极氧 化产物 阴极还 原产物
① 石墨 石墨 熔融NaCl Cl2 Na
② 石墨 石墨 0.1 mol·L-1 NaCl溶液 Cl2 H2
③ 石墨 石墨 0.2 mol·L-1 CuSO4溶液 O2 Cu
④ 铜 石墨 0.2 mol·L-1 CuSO4溶液 Cu2+ Cu
⑤ 石墨 石墨 0.1 mol·L-1 CuCl2溶液 Cl2 Cu
下列说法不正确的是 ( )
A.对比②⑤知,阴极上离子放电顺序:Cu2+>H+>Na+
B.对比③⑤知,阳极上离子放电顺序:Cl->OH->S
C.对比③④知,阳极是铜时,会先于溶液中的离子放电
D.对比①⑤知,电解得到金属只能用熔融态,不能用水溶液
4.(易错题)某学习小组用如图所示装置进行相关电解实验,下列说法正确的是 ( )
A.该装置中电子移动方向:电源负极→石墨1→X溶液→石墨2→电源正极
B.若X是Na2SO4,电解一段时间后,向U形管两端滴入酚酞试剂,只有石墨1电极附近的溶液呈红色
C.若X是AgNO3,电解一段时间后,电解液的氧化性减弱
D.若X是NaOH,石墨2的电极反应式为2H2O-4e- 4H++O2↑
能力提升练
题组一 串联装置分析
1.(经典题)如图所示,甲池的总反应式为N2H4+O2 N2+2H2O,下列说法正确的是 ( )
A.该装置工作时,乙池中石墨电极上有红色固体析出
B.甲池中负极反应为N2H4-4e- N2+4H+
C.甲池和乙池中溶液的pH均减小
D.当甲池中消耗0.1 mol N2H4时,乙池中理论上最多产生6.4 g固体
2.如图所示的电解装置,通电一段时间后,发现C端变为蓝色。下列说法正确的是 ( )
A.F为电源负极
B.甲池中铁电极反应:Fe-2e- Fe2+
C.电子流向:E→D→C→Fe
D.通电一段时间后,乙池中出现蓝色沉淀
题组二 与电解相关的计算
3.在500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中,c(N)=0.8 mol/L,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。下列说法正确的是 ( )
A.上述电解过程中共转移0.2 mol电子
B.原混合溶液中c(K+)为0.4 mol/L
C.原溶液中Cu(NO3)2的物质的量为0.05 mol
D.电解后溶液中c(H+)为0.2 mol/L
4.如图所示的装置中,若通直流电5 min时,铜电极质量增加21.6 g,试回答下列问题:
(1)若电源为碱性乙醇燃料电池,则电极X的电极反应式为 。
(2)pH变化:A ,B ,C 。(填“增大”“减小”或“不变”)
(3)若A中KCl足量且溶液的体积是200 mL,电解后,溶液中OH-的物质的量浓度为 mol·L-1(假设电解前后溶液的体积无变化)。
(4)通电5 min时,B中共收集到2 240 mL气体(标准状况),溶液体积为200 mL,则通电前CuSO4溶液的物质的量浓度为 (设电解前后溶液体积无变化);若要使B装置溶液恢复到电解前的状态,需要加入的物质以及相应的物质的量正确的是 。
A.0.05 mol CuO
B.0.05 mol CuO和0.025 mol H2O
C.0.05 mol Cu(OH)2
D.0.05 mol CuCO3和0.05 mol H2O
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.C 2.A 3.D 4.B
1.C Ag与盐酸不能自发反应,所以要使反应HCl+Ag AgCl+H2↑能进行,应该设计成电解池,Ag失电子发生氧化反应,Ag作阳极,氢离子得电子发生还原反应,电解质溶液中氢离子放电,则符合条件的是C。
2.A 通过图中离子的移动方向(破题关键)可判断连接a的为阴极,连接b的为阳极,故a端为直流电源的负极,b端为直流电源的正极,A项正确;CuCl2在水溶液中就能发生电离,而不是通电的结果,B项错误;阳极发生氧化反应,即2Cl--2e- Cl2↑,在阳极附近可观察到黄绿色气体,阴极发生还原反应,析出Cu,C、D项错误。
3.D 据②得H+的氧化性强于Na+,据⑤得Cu2+的氧化性强于H+,阴极上得电子能力强(氧化性强)的离子优先放电,所以对比②⑤可知,阴极上离子放电顺序是Cu2+>H+>Na+,A正确;据③得阳极上离子放电顺序是OH->S,据⑤知阳极上离子放电顺序是Cl->OH-,所以阳极上离子放电顺序是Cl->OH->S,B正确;电解池的阳极若是金属电极,则金属电极本身失电子,发生氧化反应,对比③④可知,阳极是铜时,会先于溶液中的离子放电,C正确;电解得到金属不一定只能用熔融态,电解氯化铜溶液可得到金属铜,D错误。
4.B 电子不能经过电解质溶液或熔融电解质(易错点),装置中电子移动方向:电源负极→阴极(石墨1),阳极(石墨2)→电源正极,A错误;若X是Na2SO4,则阴极(石墨1)上电极反应为4H2O+4e- 2H2↑+4OH-,阳极(石墨2)上电极反应为2H2O-4e- O2↑+4H+,电解一段时间后,向U形管两端滴入酚酞,只有石墨1电极附近的溶液呈红色,B正确;X是AgNO3,根据电解总反应4Ag++2H2O 4Ag↓+O2↑+4H+可知,电解一段时间后电解液由AgNO3溶液变为HNO3(具有强氧化性)和AgNO3的混合液,电解液的氧化性增强,C错误;若X是NaOH,石墨2为阳极,阳极上OH-放电,电极反应式为4OH--4e- 2H2O+O2↑,D错误。
能力提升练
1.C 2.D 3.B
1.C 题图中甲池为燃料电池,乙池为电解池;甲池中通氧气的一极为正极,石墨电极与正极相连,则石墨电极为阳极,阳极H2O中OH-放电生成O2,A错误;甲池中负极为通N2H4的一极,电解质溶液为KOH溶液,则电极反应为N2H4-4e-+4OH- N2+4H2O,B错误;甲池的总反应为N2H4+O2 N2+2H2O,反应生成水,使KOH溶液浓度降低,则pH减小,乙池的总反应为2CuSO4+2H2O 2H2SO4+2Cu+O2↑,生成H2SO4,溶液pH减小,C正确;当甲池中消耗0.1 mol N2H4时,转移电子0.4 mol,乙池中理论上最多产生0.2 mol Cu,质量为12.8 g,D错误。
2.D 通电一段时间后,发现C端变为蓝色,即C端电极反应为2I--2e- I2,C为阳极、D为阴极,则E为电源负极、F为电源正极,A错误;甲池中铁电极为阴极,电极反应为Ag++e- Ag,B错误;电子不能通过电解质溶液,不会沿D→C移动,C错误;乙池中铜极失电子形成Cu2+,石墨电极的电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-,故通电一段时间后,出现蓝色Cu(OH)2沉淀,D正确。
3.B 电解硝酸钾和硝酸铜混合溶液时,阳极上OH-放电生成O2,阴极上Cu2+先放电生成Cu,当Cu2+完全析出时,H+放电生成H2,通电一段时间后,两极气体的物质的量均为2.24 L÷22.4 L/mol=0.1 mol;每生成0.1 mol O2转移0.4 mol电子,每生成0.1 mol H2转移0.2 mol电子,每生成1 mol Cu转移2 mol电子,根据得失电子守恒得n(Cu2+)==0.1 mol,则原溶液中Cu(NO3)2的物质的量为0.1 mol,Cu2+的物质的量浓度为0.1 mol÷0.5 L=0.2 mol/L,根据电荷守恒得K+浓度为0.8 mol·L-1-0.2 mol·L-1×2=0.4 mol·L-1,当电解硝酸铜溶液时生成氢离子,电解硝酸钾溶液实质上是电解水,电解后H+的浓度==0.4 mol·L-1,故B正确。
反思升华 (1)首先看阳极材料,若为惰性电极,溶液中的阴离子被氧化;若为活性电极,则被氧化的是电极本身。(2)若溶液中的阴、阳离子有多种,要根据离子放电顺序判断什么离子先放电,什么离子后放电,最终确定电极产物。
4.答案 (1)C2H5OH+16OH--12e- 2C+11H2O
(2)增大 减小 不变
(3)1
(4)0.25 mol·L-1 CD
解析 C装置中铜电极质量增加21.6 g,说明铜极上有金属析出,即溶液中的银离子被还原生成银单质,所以铜为阴极,则X为负极,Y为正极。
(1)若电源为碱性乙醇燃料电池,X为负极,乙醇在负极上发生氧化反应,则电极X的电极反应式为C2H5OH+16OH--12e- 2C+11H2O。
(2)A装置是电解KCl溶液,阴极放出氢气,阳极放出氯气,溶液中氢氧根离子浓度增大,溶液pH增大;B装置是电解CuSO4和K2SO4的混合溶液,溶液中氢离子浓度增大,溶液pH减小;C装置是电解AgNO3溶液,Ag电极为阳极,Ag本身放电,阴极析出Ag单质,溶液pH不变,因此A、B、C三个装置中溶液pH分别增大、减小、不变。
(3)C装置中铜电极上生成21.6 g银单质,物质的量为0.2 mol,转移0.2 mol电子,A装置中总反应为2KCl+2H2O Cl2↑+H2↑+2KOH,根据得失电子守恒可知,转移0.2 mol电子时生成0.2 mol KOH,则n(OH-)=0.2 mol,溶液中OH-的物质的量浓度为=1 mol·L-1。
(4)通电5 min时,B中共收集到2 240 mL气体(标准状况),气体物质的量为0.1 mol,B装置中阳极上生成氧气,由(3)知转移电子的物质的量为0.2 mol,则生成氧气的物质的量为0.05 mol,阴极上得到氢气的物质的量为0.05 mol,再根据得失电子守恒,铜离子得到电子的物质的量是0.2 mol-0.05 mol×2=0.1 mol,则溶液中铜离子的物质的量为0.05 mol,溶液体积为200 mL,则通电前CuSO4溶液的物质的量浓度为=0.25 mol·L-1;电解过程中得到0.05 mol Cu、0.05 mol H2、0.05 mol O2,若要使B装置溶液恢复到电解前的状态,需要加入的物质以及相应的物质的量要与电解过程中从体系中析出的物质相当,加入0.05 mol Cu(OH)2相当于加入0.05 mol CuO和0.05 mol H2O,可使B装置溶液恢复到电解前的状态,C正确;加入0.05 mol CuCO3和0.05 mol H2O相当于加入0.05 mol CuO和0.05 mol H2O,可使B装置溶液恢复到电解前的状态,D正确。
10(共24张PPT)
第二节 电解池
知识点 1 电解原理
必备知识 清单破
1.电解池:将电能转化为化学能的装置。
特别提醒 电解是一种强氧化还原手段,可实现非自发的氧化还原反应。
(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、熔融电解质或固态离子导体;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)
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。
3.用惰性电极电解电解质溶液的类型【详见定点1】
4.电解池中电极的判断及电极反应式书写的关注点【详见定点2】
知识点 2 电解原理的应用
1.电解饱和食盐水(氯碱工业)
(1)电解原理示意图
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。
(2)电极反应与电解总反应方程式
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。
化学方程式:2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑;离子方程式:2Cl-+2H2O 2OH-+H2↑+Cl2↑。
2.电镀
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。如金
属制品表面电镀铜:
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。
3.电解精炼铜
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。
4.电冶金
利用电解法可冶炼钾、钙、钠、镁、铝等活泼金属。
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)。
特别提醒 冶炼铝时,通常电解熔融的Al2O3,常利用冰晶石(Na3AlF6)作助熔剂。
5.电化学计算的基本方法和技巧【详见定点3】
知识辨析
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
2.电解H2SO4溶液时,H+放电,溶液的pH逐渐增大,这种说法对吗
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
4.电解精炼铜时,阳极和阴极转移电子的物质的量相同,其质量变化也相同,这种说法对吗
5.可以分别电解熔融的MgO和AlCl3来冶炼Mg和Al,这种说法对吗
一语破的
1.不对。Cl2在阳极生成,可使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色。
2.不对。电解H2SO4溶液,实际是电解水,pH减小。
3.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.不对。虽然电解时阳极和阴极转移电子的物质的量相同,但阳极开始是比Cu活泼的金属失
电子,后来才是Cu失电子,而阴极始终是Cu2+得电子,故阳极减少的质量和阴极增加的质量不
相等。
5.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。
关键能力 定点破
定点 1 用惰性电极电解电解质溶液
1.电解类型及规律
电解 类型 实例 阳极反应式 阴极反应式 pH变化 电解质溶液的变化 电解后复原应加入物质
电解 水型 H2SO4溶液 2H2O-4e- O2↑+ 4H+ 4H++4e- 2H2↑ 减小 浓度增大(饱和溶 液除外) H2O
NaOH溶液 4OH--4e- O2↑+ 2H2O 4H2O+4e- 2H2↑ +4OH- 增大 KNO3溶液 2H2O-4e- O2↑+ 4H+ 不变 电解类型 实例 阳极反应式 阴极反应式 pH变化 电解质溶液的变化 电解后复原应加入物质
电解电解质型 盐酸 2Cl--2e-
Cl2↑ 2H++2e-
H2↑ 增大 浓度减小 HCl
Cu2++2e-
Cu 增大 CuCl2溶液 CuCl2
放氢生碱型 NaCl溶液 2Cl--2e-
Cl2↑ 2H2O+2e-
H2↑+2OH- 增大 生成新电解质 HCl
放氧生酸型 CuSO4溶液 2H2O-4e-
O2↑+4H+ 2Cu2++4e-
2Cu 减小 生成新电解质 CuO或CuCO3
特别提醒 电解质溶液复原时,不仅要求溶质的种类不变,还要注意溶质的浓度也不变,复原
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和阳极产物的化
合物。
2.电解后电解质溶液pH的变化
(1)电解过程中,既产生H2,又产生O2,实质是电解水,溶液浓度增大(饱和溶液除外),因而原溶液
若呈酸性,则pH变小;原溶液若呈碱性,则pH变大;原溶液若呈中性,则pH不变。
(2)电解过程中,产生H2(不产生O2),溶液中OH-浓度增大,pH变大。
(3)电解过程中,产生O2(不产生H2),溶液中H+浓度增大,pH变小。
定点 2 电解池中电极的判断及电极反应式书写的关注点
1.电解池中阴、阳极的判断
2.电极反应式书写的关注点
(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)电解质溶液的酸碱性
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。
(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要确保两电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 (1)在强酸性溶液中通入二氧化碳,用惰性电极进行电解可制得乙烯,其原理如图所示:
阴极电极反应式为 ,该装置中使用的是 (填
“阴”或“阳”)离子交换膜。
(2)CH4和CO2都是比较稳定的分子,科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化,其原理
如图所示:
①阴极上的反应式为 。
②阳极上生成乙烯(C2H4)和乙烷(C2H6)的反应式分别为 和
。
思路点拨 电解池中阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应。结合题目信息,分析氧化剂、
还原产物、还原剂、氧化产物,然后结合电解质性质,书写电极反应式。
解析 (1)b电极为阴极,CO2在阴极得电子,电极反应式为2CO2+12H++12e- C2H4+4H2O;阴
极需要补充H+,阳极区的H+通过离子交换膜移向阴极,该装置中使用的是阳离子交换膜。
(2)①二氧化碳在阴极发生还原反应生成CO,固体电解质可传导O2-,则阴极上电极反应式为
CO2+2e- CO+O2-。
②阳极上发生氧化反应,生成乙烯(C2H4)和乙烷(C2H6)的电极反应式为2CH4-4e-+2O2- C2H4
+2H2O、2CH4-2e-+O2- C2H6+H2O。
答案 (1)2CO2+12H++12e- C2H4+4H2O 阳
(2)①CO2+2e- CO+O2-
②2CH4-4e-+2O2- C2H4+2H2O 2CH4-2e-+O2- C2H6+H2O
原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算,溶液的pH计算,相对原子质量的计算
等。通常有下列三种方法。
定点 3 电化学计算的基本方法和技巧
1.根据得失电子守恒计算
①用于串联电路中阴、阳两极产物或正、负两极产物的量的计算,其依据是电路中转移的电
子数相等。②用于混合溶液中电解的分阶段计算。
2.根据总反应式计算
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.根据关系式计算
运用得失电子守恒建立已知量与未知量之间的关系式。如以通过4 mol e-为桥梁可构建
电极产物间如下关系式:
熟记电极反应式,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。
典例 500 mL KCl和Cu(NO3)2的混合溶液中c(Cu2+)=0.2 mol·L-1,用石墨作电极电解此溶液,通
电一段时间后,两电极均收集到5.6 L(标准状况下)气体,假设电解后溶液的体积仍为500 mL,
下列说法正确的是 ( )
A.原混合溶液中c(Cl-)=0.3 mol·L-1
B.上述电解过程中共转移0.5 mol电子
C.电解得到的无色气体与有色气体的体积比为3∶7
D.阳极收集到的气体为Cl2和O2
思路点拨 根据溶液中的离子和放电顺序可写出阴极和阳极的电极反应式,并确定两极分别
收集到的5.6 L气体的成分,结合得失电子守恒进行计算。
D
解析 阳极Cl-先放电,然后是H2O电离出的OH-放电,即2Cl--2e- Cl2↑,2H2O-4e- O2↑+
4H+;阴极Cu2+先放电,然后H+放电,即Cu2++2e- Cu,2H++2e- H2↑。结合两极均收集到
5.6 L(标准状况下)气体,则阴极收集到0.25 mol H2,原混合溶液中n(Cu2+)=0.2 mol·L-1×0.5 L=
0.1 mol,Cu2+放电共转移0.2 mol电子,生成H2时转移0.5 mol电子,故阴极共转移电子0.2 mol+
0.5 mol=0.7 mol。设阳极生成Cl2、O2分别为x mol和y mol,则x+y=0.25,2x+4y=0.7,解得x=0.15,
Y=0.1。根据Cl原子守恒,原混合溶液中含0.3 mol Cl-,c(Cl-)= =0.6 mol·L-1,A错误;电解过程
中共转移0.7 mol电子,B错误;电解时得到的无色气体为H2和O2,物质的量为0.25 mol+0.1 mol=
0.35 mol,有色气体为Cl2,物质的量为0.15 mol,则无色气体与有色气体的体积比为0.35 mol∶
0.15 mol=7∶3,C错误;由上述分析可知,D正确。第四章 化学反应与电能
第二节 电解池
第2课时 电解原理的应用
基础过关练
题组一 氯碱工业
1.氯碱工业能耗大,通过如图改进的设计可大幅降低能耗,下列说法不正确的是 ( )
A.电极A接电源正极,发生氧化反应
B.电极B的电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-
C.应选用阳离子交换膜,在右室获得浓度较高的NaOH溶液
D.改进设计中通过提高电极B上反应物的氧化性来降低电解电压,减少能耗
2.回答下列问题:
(1)请用下图所示仪器设计一个电解饱和食盐水并测定电解时产生的氢气的体积和检验氯气的氧化性的实验装置。
①所选仪器在连接时,各接口的顺序是(填各接口的字母):A→ ,F→ ;B→ ,E→ 。
②实验时,装置中的石墨电极接电源的 极,电极反应式为 ;铁电极接电源的 极,电极反应式为 ;此电解过程的总化学方程式为 。
(2)如图为氯碱工业电解饱和氯化钠溶液的装置示意图。
①逸出的气体E是 ;流出的物质G是 。
②该电解池中阳离子交换膜的作用是 。
题组二 电解精炼与电镀
3.如图是模拟铁制品镀铜工艺的装置,下列说法正确的是 ( )
A.a电极上发生还原反应
B.b电极为铜
C.电解质溶液可以是CuSO4溶液
D.电镀过程中,溶液中Cu2+浓度不断减小
4.如图所示,甲、乙为相互串联的两个电解池。
回答下列问题:
(1)甲池若为电解精炼铜的装置,则A极为 (填“阴”或“阳”)极,电极材料是 ,电极反应式为 ,电解质溶液可以是 。
(2)乙池中铁电极的电极反应式为 。
(3)若将乙池中的石墨电极改为银电极,则乙池为 装置,电解一段时间后,AgNO3的浓度 (填“增大”“减小”或“不变”)。
题组三 电冶金
5.用石墨作阳极,钛网作阴极,熔融CaF2-CaO作电解质,利用如图所示装置获得金属钙,并以钙为还原剂还原TiO2制备金属Ti。下列叙述正确的是 ( )
A.该电池工作过程中,O2-向阴极移动
B.将熔融CaF2-CaO换成Ca(NO3)2溶液也可以达到相同目的
C.TiO2在阴极放电
D.制备金属钛前后CaO的量不变
6.工业上采用电解的方法来制备活泼金属铝。纯净的氧化铝熔点很高(约为2 045 ℃),在实际生产中,通过加入助熔剂冰晶石(Na3AlF6)的方法,使Al2O3在1 000 ℃左右就可与冰晶石形成熔融体。以下说法正确的是 ( )
A.电解过程中阳极反应式为Al3++3e- Al
B.电解过程中每产生6.4 g O2,反应所转移电子的物质的量为0.6 mol
C.若生产9 g铝时,阳极损失3.6 g石墨,则石墨被氧化为CO、CO2的物质的量之比为1∶2
D.加入冰晶石Na3AlF6目的是增强电解质的导电性
7.(经典题)某研究性学习小组用如图所示装置进行实验,探究原电池、电解池和电解制备钴的工作原理。一段时间后装置甲的两极均有气体产生,且X极处溶液逐渐变成紫红色;停止实验,观察到铁电极明显变细,电解液仍然澄清。
查阅资料:高铁酸根离子(Fe)在溶液中呈紫红色。
请根据实验现象及所查资料,回答下列问题:
(1)上述装置中,发生还原反应的电极有 (填字母)。
A.X(Fe) B.Y(C) C.Co D.Zn
(2)丙池中的S (填“从左向右”“从右向左”或“不”)移动。
(3)反应过程中,X极处发生的电极反应为4OH--4e- 2H2O+O2↑和 。
(4)一段时间后,若X极质量减小1.12 g,Y电极收集到2.24 L气体(标准状况下),则在标准状况下X极收集到气体为 mL。
(5)乙池是电解制备金属钴的装置,理论上Ⅰ室中n(H+) (填“变大”“变小”或“不变”),该电解池总反应的化学方程式是 。
能力提升练
题组一 利用电解原理制备物质
1.一种清洁、低成本的三步法氯碱工艺工作原理的示意图如下,下列说法错误的是 ( )
A.第一步中阳极的电极反应式为Na0.44MnO2-xe- Na0.44-xMnO2+xNa+
B.与传统氯碱工艺相比,该方法不需要使用离子交换膜
C.第二步中正极质量每增加4.6 g,负极质量减少21.6 g
D.理论上每消耗0.1 mol O2,产生4.48 L Cl2(标准状况下)
2.(教材深研拓展)2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是一种重要的化工原料,可用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-,并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是 ( )
A.a为电源正极
B.双极膜中间层中H2O解离的OH-在外电场的作用下移向铅电极
C.制得1 mol FDCA,理论上消耗2 mol
D.阴极区的电极反应为-6e-+2H2O+6H+
题组二 利用电解原理减少污染
3.电化学降解法可用于治理水中硝酸盐的污染,其原理如图所示,下列说法不正确的是 ( )
A.Pt电极为电解池的阴极
B.电解时,质子从Pt电极转移到Ag-Pt电极
C.电解池的总反应为2H2O+4N 2N2↑+5O2↑+4OH-
D.当质子交换膜右室电解液的质量减少7.2 g时,电子转移数目为4NA(设NA为阿伏加德罗常数的值)
4.煤在直接燃烧前要进行脱硫处理。采用电解法脱硫的基本原理如图所示,利用电极反应将Mn2+转化为Mn3+,Mn3+再将煤中的含硫物质(主要是FeS2)氧化为Fe3+和S:
FeS2+15Mn3++8H2O Fe3++15Mn2++2S+16H+。
已知:两电极为完全相同的惰性电极。
回答下列问题:
(1)M为电源的 (填“正极”或“负极”)。
(2)电解池工作时,观察到R电极上有无色气体产生,写出电极反应式: 。
(3)电解池工作时,混合液中S的物质的量 (填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)电解过程中,混合溶液中的pH将 (填“变大”“变小”或“不变”),理由是 。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.B 3.C 5.D 6.C
1.B 电极A上是氯离子变为氯气,氯元素化合价升高,电极A是电解池的阳极,因此电极A接电源正极,发生氧化反应,A正确;电极B为阴极,通入氧气,氧气得电子,其电极反应式为O2+2H2O+4e- 4OH-,B错误;溶液呈电中性,阳极区的Na+通过阳离子交换膜进入阴极区,在右室获得浓度较高的NaOH溶液,C正确;氧气的氧化性比水电离出的H+的氧化性强,在阴极较容易得电子,可降低电解电压,减少能耗,D正确。
2.答案 (1)①G H D C ②正 2Cl--2e- Cl2↑ 负 2H++2e- H2↑ 2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑
(2)①H2 NaOH溶液 ②避免阳极产物Cl2与阴极产物H2、NaOH发生反应
解析 (1)①所选用的各仪器接口顺序为A接G,F接H,用量筒测量排出的水量,以测定产生氢气的体积;B接D,E接C,生成的Cl2在洗气瓶里氧化KI,以证明其氧化性,剩余的Cl2通入烧杯中,借助NaOH溶液吸收,防止污染大气。②根据电解饱和食盐水阳极所发生的反应:2Cl--2e- Cl2↑,为防止电极被腐蚀,实验中一般选用石墨作阳极,故石墨电极接电源的正极;阴极是水电离出的H+被还原:2H++2e- H2↑,阴极通常使用铁电极,电解的总化学方程式为2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑。
3.C 题图装置为模拟铁制品镀铜工艺的装置,与直流电源正极相连的a电极为铜,与负极相连的b电极为铁制品,电解质溶液为可溶性铜盐溶液,电镀过程中,溶液中铜离子浓度不变。
4.答案 (1)阴 纯铜 Cu2++2e- Cu CuSO4溶液(答案合理即可) (2)Ag++e- Ag (3)电镀 不变
解析 (1)由题图可知,甲池中A极为阴极,B极为阳极,在电解精炼铜时,粗铜作阳极,纯铜作阴极,故A为纯铜,电极反应式为Cu2++2e- Cu;电解质溶液应为含有Cu2+的可溶性盐溶液,如CuSO4溶液。(2)由题图可知,乙池中铁作阴极,石墨作阳极,故铁电极的电极反应式为Ag++e- Ag。(3)若将乙池中的石墨电极改为银电极,则乙池为电镀装置,且电镀过程中AgNO3的浓度不变。
5.D 由题图可知,石墨为阳极,电极反应式为C+2-4e- CO2↑,O2-向阳极移动,钛网作阴极,电极反应式为2Ca2++4e- 2Ca,然后发生反应2Ca+TiO2 Ti+2CaO,则制备金属钛前后CaO的总量不变,A、C错误,D正确;将熔融CaF2-CaO换成Ca(NO3)2溶液,阴极上H+放电(易错点),无法得到金属Ca,B错误。
6.C 在电解池中,阳极发生氧化反应,电极反应式为2O2--4e- O2↑,A错误;6.4 g O2的物质的量为=0.2 mol,转移0.8 mol电子,B错误;9 g铝的物质的量为= mol,阴极反应式为Al3++3e- Al,则生产9 g铝转移电子1 mol,设生成CO、CO2的物质的量分别为x、y,3.6 g石墨的物质的量为=0.3 mol,根据原子守恒得x+y=0.3 mol,根据得失电子守恒得2x+4y=1 mol,解得x=0.1 mol,y=0.2 mol,即石墨被氧化为CO、CO2的物质的量之比为1∶2,C正确;加入冰晶石(Na3AlF6)的主要目的是降低氧化铝的熔点,D错误。
7.答案 (1)BC (2)从右向左 (3)Fe-6e-+8OH- Fe+4H2O (4)448 (5)不变 2CoCl2+2H2O 2Co+O2↑+4HCl
解析 结合题图,首先确定丙池为原电池。
(2)在原电池中,阴离子向负极移动,S会向Zn电极方向移动,即从右向左移动。
(3)X极为阳极,发生氧化反应,由“铁电极明显变细”“X极处溶液逐渐变成紫红色”可知,Fe参与电极反应,有Fe生成,电极反应为Fe-6e-+8OH- Fe+4H2O。
(4)根据题意可知,消耗的n(Fe)==0.02 mol,n(H2)==0.1 mol,在整个电路中电子转移数目相等,4n(O2)+6n(Fe)=2n(H2),即4n(O2)+6×0.02 mol=2×0.1 mol,解得n(O2)=0.02 mol,标准状况下V(O2)=0.02 mol×22.4 L/mol=0.448 L=448 mL。
(5)乙池中石墨为阳极,阳极的电极反应式为2H2O-4e- 4H++O2↑,氢离子经过阳离子交换膜由Ⅰ室进入Ⅱ室,所以理论上Ⅰ室中n(H+)不变;该电解池的阳极反应式为2H2O-4e- 4H++O2↑,阴极反应式为Co2++2e- Co,则总反应为2CoCl2+2H2O 2Co+O2↑+4HCl。
能力提升练
1.C 2.C 3.A
1.C 第一步中阳极发生氧化反应,其电极反应式为Na0.44MnO2-xe- Na0.44-xMnO2+xNa+,A正确;该方法不需要使用离子交换膜,传统氯碱工艺需要,B正确;第二步为原电池,根据题图中的物质转化可知,Na0.44-xMnO2为正极,正极发生还原反应,正极的电极反应式为Na0.44-xMnO2+xNa++xe- Na0.44MnO2,Ag为负极,负极发生氧化反应,负极的电极反应式为Ag+Cl--e- AgCl↓,负极质量增加,C错误;第一步阴极消耗氧气,电极反应式为O2+4e-+2H2O 4OH-,理论上每消耗0.1 mol O2转移0.4 mol e-,第三步产生Cl2,其阳极的电极反应式为2Cl--2e- Cl2↑,转移0.4 mol e-生成氯气的物质的量为0.2 mol,即标准状况下产生4.48 L Cl2,D正确。
2.C 铅电极附近醛基被还原为羟基,发生还原反应,为阴极,因此a为电源的负极,A项错误;双极膜中间层中H2O解离的OH-在外电场的作用下移向阳极(催化电极),B项错误;制得1 mol FDCA,阳极消耗1 mol ,阴极也消耗1 mol ,共消耗2 mol ,C项正确;电解池中与电源负极相连的为阴极,阴极发生得电子的还原反应,D项错误。
教材溯源
电有机合成
许多有机化学反应包含电子的转移,使这些反应在电解池中进行时称为电有机合成。与其他有机合成相比,电有机合成的优点是反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等。
3.A Ag-Pt电极上N被还原为N2,则Ag-Pt电极为阴极,Pt电极为阳极,A错误;电解时,阳离子从阳极移向阴极,所以质子从Pt电极转移到Ag-Pt电极,B正确;电解池的总反应为2H2O+4N 2N2↑+5O2↑+4OH-,C正确;每生成2 mol N2(质量为56 g)转移20 mol电子,同时有20 mol H+(质量为20 g)进入阴极室,即右室电解液质量减少56 g-20 g=36 g,右室电解液的质量减少7.2 g时,转移电子的物质的量为 mol=4 mol,数目为4NA,D正确。
4.答案 (1)正极 (2)2H++2e- H2↑ (3)变大 (4)变小 根据反应FeS2+15Mn3++8H2O Fe3++15Mn2++2S+16H+可知,生成1 mol Fe3+时,消耗15 mol Mn3+,生成16 mol H+,Mn3+由阳极电极反应Mn2+-e- Mn3+生成,根据得失电子守恒,阳极生成15 mol Mn3+时阴极消耗15 mol H+,因此总体来看,电解过程中H+浓度增大,混合溶液pH变小
解析 (1)根据题图可知,电解时P电极上Mn2+失去电子变为Mn3+,则P电极为阳极,与P相连的M为电源正极。
(2)R为电解池的阴极,阴极发生得电子的还原反应,电极反应式为2H++2e- H2↑。
(3)根据反应FeS2+15Mn3++8H2O Fe3++15Mn2++2S+16H+可知,电解过程中S的物质的量不断增大。
题型解读 电解原理及应用是高频考点,该类试题往往与生产、生活及新科技等相联系,常以流程图为载体呈现,一般主要考查阴、阳极的判断、电极反应式的书写、溶液离子浓度变化及相关计算等。
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