知识讲解_电解原理_提高

1 电解原理 【学习目标】 1、了解电解池的工作原理； 2、初步掌握一般电解反应产物的判断方法。 【要点梳理】 要点一、电解原理 1．定义：使电流通过电解质溶液（或熔融的电解质）而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫电解。 2．装置特点：电能转化为化学能。 3．形成条件：（1）与电源两个电极相连；（2）电解质溶液（或熔融的电解质）；（3）形成闭合回路。 4．阴阳极的判断及反应原理（以电解熔融 NaCl、CuCl2 溶液为例） 【高清课堂：电解原理#电解反应类型】 要点二、电解反应类型 1．只有电解质参加的反应（电解 CuCl2 溶液） 阳极：2Cl－－2e－＝Cl2↑（氧化反应） 阴极：Cu2++2e－＝Cu（还原反应） 总反应：CuCl2 Cu+Cl2↑ 2．只有水参加的反应（电解稀硫酸） 阳极：4OH--4e－=2H2O+O2↑ 阴极：2H++2e－=H2↑ 总反应：2H2O 2H2↑+O2↑ 3．水和电解质均参加的反应（电解饱和食盐水） 电解 电解2 阳极：2Cl--2e－=Cl2↑ 阴极：2H++2e－=H2↑ 总反应：2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH 4．电极参加的反应 阳极反应：Cu-2e－=Cu2+ 阴极反应：2H+-2e－=H2↑ 总反应：Cu+2H+ Cu2++H2↑ 要点三、电解时电极反应式的书写 1．看电极。 主要是看阳极是何类型的电极，若为活性电极，电极本身被氧化发生氧化反应。阴极一般不参与电极反应。 2．看离子。 搞清电解质溶液中存在哪些阴离子、阳离子，根据放电顺序书写电极反应式。 3．水溶液中始终有 H+和 OH－，放电顺序中 H+、OH－之后的离子一般不参与电极反应。 例如：电解 CuSO4（aq）的电极反应分析： 如图所示：（1）看电极。石墨作阳极，Fe 作阴极，所以两电极都不反应。 （2）看离子。 阳离子放电顺序：Cu2+＞H+，故 Cu2++2e－＝Cu 阴离子放电顺序：OH－＞SO42－，故 4OH－－4e－＝2H2O+O2↑ 总方程式为： 2Cu2++2H2O 2Cu+O2↑+4H+或 2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4 要点诠释：书写电极反应式的步骤一般分为四步： （1）列物质、标得失； （2）选离子、配电荷； （3）配个数、巧用水； （4）两式加、验总式。 电解 电解 电解 电解3 【典型例题】 类型一、电化学中电极及电极反应的判断 例 1 蓄电池在放电时起原电池的作用，在充电时起电解池的作用。下面是爱迪生蓄电池分别在充电和放电 时发生的反应： 　　 　　下列有关爱迪生蓄电池的推断错误的是： 　　A．放电时，Fe 是负极，NiO2 是正极 　　B．蓄电池的电极可以浸入某中酸性电解质溶液中 　　C．充电时，阴极上的电极反应为：Fe(OH)2+2e－=Fe+2OH－ 　　D．放电时，电解质溶液中的阴离子向正极方向移动 　　【答案】B、D。 【解析】蓄电池放电时起原电池作用，原电池的负极是较活泼的金属，A 正确。放电时，Fe 是原电池的负 极，Fe 失电子被氧化成 Fe2+离子。由于负极——Fe 的附近聚集较多的 Fe2+离子，电解质溶液中的阴离子向负极 移动，D 不正确。充电时蓄电池起电解池作用，充电时电源的负极应与蓄电池的负极（Fe，此时作为电解池的阴 极）相连接，发生还原反应：Fe(OH)2+2e－=Fe+2OH－。C 正确。该蓄电池的放电和充电时的电极反应分别是： 　　放电：负极　 Fe-2e－+ 2OH－=Fe(OH)2 　　正极　NiO2+2e-+2H2O=Ni(OH)2+2OH- 　　充电：阴极　 Fe(OH)2+2e－=Fe+2OH－ 　　阳极　Ni(OH)2-2e-+2OH-=NiO2+2H2O 　　可见反应是在碱性溶液中进行的，B 不正确。 举一反三： 【变式 1】右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 附近分别滴加石蕊溶液， 下列实验现象正确的是( ) A．逸出气体的体积：a 电极的小于 b 电极的 B．电极逸出无味气体，另一电极逸出刺激性气味气体 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 【答案】D 【解析】Na2SO4＝2Na＋＋SO42－，H2O H＋＋OH－，SO42－和 OH－移向 b 电极，Na＋和 H＋移向 a 电极， 在 b 电极 上：4OH－-4e－ ＝ 2H2O＋O2↑，在 a 电极上：4H＋＋4e－ ＝ 2H2↑，所以 a 电极产生的气体体积大于 b 电极；两种气体均为无色无味的气体；由于 a 电极上 H＋放电，所以 a 电极附近的 c(OH－)＞c(H＋)，滴加石蕊试 液 a 电极附近变蓝色，同理，b 电极附近变红色。 例 2 镍氢电池（NiMH）目前已经成为混合动力汽车的一种主要电池类型，NiMH 中的 M 表示金属或合金， 该电池在充电过程中的总反应方程式是：Ni(OH)2+M=NiOOH+MH 已知：6NiOOH+NH3+H2O+OH﹣=6 Ni(OH)2+NO2﹣ 下列说法正确的是（　　） A．NiMH 电池放电过程中，正极的电极反应式为：NiOOH+H2O+e﹣=Ni(OH)2+OH﹣ B．充电过程中 OH﹣离子从阳极向阴极迁移 C．充电过程中阴极的电极反应式：H2O+M+e﹣=MH+OH﹣，H2O 中的 H 被 M 还原 D．NiMH 电池中可以用 KOH 溶液、氨水等作为电解质溶液 【思路点拨】做对本题的关键是根据充电过程的总反应方程式能正确书写充电、放电时的电极反应式。 【答案】A 【解析】镍氢电池中主要为 KOH 作电解液。4 充电时，阳极反应：Ni(OH)2+OH﹣=NiOOH+H2O+e﹣、阴极反应：M+H2O+e﹣=MH+OH﹣，总反应： M+Ni(OH)2=MH+NiOOH； 放电时，正极：NiOOH+H2O+e﹣=Ni（OH）2+OH﹣，负极：MH+OH﹣=M+H2O+e﹣，总反应： MH+NiOOH=M+Ni(OH)2 以上式中 M 为储氢合金，MH 为吸附了氢原子的储氢合金。 A．正极的电极反应式为：NiOOH+H2O+e﹣═Ni(OH)2+OH﹣，故 A 正确； B．电解时阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，所以 OH﹣离子从阴极向阳极迁移，故 B 错误； C．H2O 中的 H 得电子，不是被 M 还原，故 C 错误； D．不能用氨水做电解质溶液，根据已知有氨气时容易发生副反应生成亚硝酸根，故 D 错误； 故选 A。 　　【总结升华】书写电极反应式的 3 个原则： （1）共存原则 因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同，所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。当电解质溶 液呈酸性时，不可能有 OH-参加反应；碱性溶液中 CO2 不可能存在，也不可能有 H+参加反应。 （2）得氧失氧原则 得氧时，在反应物中加 H2O(电解质为酸性时)或 OH-(电解质溶液为碱性或中性时)；失氧时，在反应物中加 H2O(电解质为碱性或中性时)或 H+(电解质为酸性时)。 （3）中性吸氧反应成碱原则 在中性电解质溶液中，通过金属吸氧所建立起来的原电池反应，其反应的最后产物是碱。 举一反三： 【高清课堂：电解原理#例 3】 【变式 1】如下图装置，A、B 中电极为多孔的惰性电极；C、D 为夹在湿的 Na2SO4 滤纸条上的铂夹；电源 有 a、b 两极。 若在 A、B 中充满 KOH 溶液后倒立于 KOH 溶液的水槽中。切断 K1，闭合 K2、K3 通直流电，则： （1）标出电源的正、负极，a 为______极，b 为_____极。 （2）在湿的 Na2SO4 滤纸条中心的 KMnO4 液滴，有什么现象__________。 （3）写出电极反应式：A 中____________，B 中__________。 （4）若电解一段时间，A、B 中均有气体包围电极。此时切断 K2、K3，闭合 K1，则电流表的指针是否移动 (填是或否)_________。 （5）若电流表指针不移动说明理由，若指针移动也说明理由___________。 【答案】（1）a 为负极，b 为正极 （2）紫色液滴向 D 处移动 （3）A 中：4OH——4e－=2H2O+O2↑ B 中：2H++2e－=H2↑ （4）是 5 （5）H2、O2、KOH 在 A、B 两极可以形成原电池 类型二、电解原理 例 3（2016 新课标 I）高锰酸钾（KMnO4）是一种常用氧化剂，主要用于化工、防腐及制药工业等。以软 锰矿（主要成分为 MnO2）为原料生产高锰酸钾的工艺路线如下： 回答下列问题： （1）原料软锰矿与氢氧化钾按 1∶1 的比例在“烘炒锅”中混配，混配前应将软锰矿粉碎，其作用是 ________。 （2）“平炉”中发生反应的化学方程式为________。 （3）“平炉”中需要加压，其目的是________。 （4）将 K2MnO4 转化为 KMnO4 的生产有两种工艺。 ①“CO2 歧化法”是传统工艺，即在 K2MnO4 溶液中通入 CO2 气体，使体系呈中性或弱酸性，K2MnO4 发生 歧化反应。反应中生成 KMnO4、MnO2 和________（写化学式）。 ②“电解法”为现代工艺，即电解 K2MnO4 水溶液。电解槽中阳极发生的电极反应为________，阴极逸出的 气体是________。 ③“电解法”和“CO2 歧化法”中，K2MnO4 的理论利用率之比为________。 （5）高锰酸钾纯度的测定：称取 1.0800 g 样品，溶解后定容于 100 mL 容量瓶中，摇匀。取浓度为 0.2000 mol·L－1 的 H2C2O4 标准溶液 20.00 mL，加入稀硫酸酸化，用 KMnO4 溶液平行滴定三次，平均消耗的体积为 24.48 mL。该样品的纯度为________（列出计算式即可，已知 2MnO4－+5H2C2O4+6H+==2Mn2++10CO2↑+8H2O）。 【思路点拨】本题结合化学工艺流程考查氧化还原反应、电解原理、滴定的相关计算等。工艺路线比较简单， 难度不大，做计算的时候要格外小心。 【答案】（1）增大反应物接触面积，加快反应速率，提高原料利用率 （2）2MnO2+O2+4KOH 2K2MnO4+2H2O （3）提高氧气的压强，加快反应速率，增加软锰矿转化率 （4）①KHCO3 ②MnO42－－e－==MnO4－ H2 ③3∶2 （5） 【解析】（1）将软锰矿粉碎可以增大反应物间的接触面积，加快反应速率，提高原料利用率。（2）从平炉中 出来的物质经水浸、沉降析出 K2MnO4，说明平炉中的 MnO2 被富氧空气氧化为 K2MnO4，根据氧化还原反应规 律和电子得失守恒完成反应的化学方程式为 2MnO2+O2+4KOH 2K2MnO4+2H2O。（3）平炉加压，可以增大 富氧空气的浓度，加快反应速率，提高 MnO2 的转化率。（4）①该反应为歧化反应，变价元素只有 Mn，根据电 子 守 恒 可 知 生 成 的 KMnO4 与 MnO2 的 物 质 的 量 之 比 为 2 ∶ 1 ， 配 平 反 应 方 程 式 得 3K2MnO4+4CO2+2H2O=2KMnO4+MnO2+4KHCO3，故另一产物为 KHCO3。②电解时阳极发生氧化反应，即 MnO42 －转化为 MnO4－；MnO42－－e－==MnO4－，放电顺序：H+＞K+，故阴极 H+放电生成 H2。③由以上分析可知，“CO2 歧化法”中，K2MnO4 只有 2／3 转化为 KMnO4，而“电解法”中 K2MnO4 的转化率为 100%；，故理论上两种方 法 K2MnO4 的利用率之比为 2∶3。（5）根据题给反应的离子方程式可知：2KMnO4～5H2C2O4，则样品的纯度为 △ △ 3 2 10020.00 10 0.2000 1585 24.48 100%1.0800 −× × × × × ×6 。 【总结升华】电解池与原电池最根本的区别是有无外加电源，有外加电源的装置是电解池。电解池中两极名 称为阴、阳极，阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应；而原电池中的两极名称为正、负极，一般不称为阴、阳 极。 举一反三： 【变式 1 】（2015 四川高考）用右图所示装置除去含 CN－、Cl－废水中的 CN－时，控制溶液 pH 为 9~10， 阳极产生的 ClO－将 CN－氧化为两种无污染的气体，下列说法不正确的是（ ） A．用石墨作阳极，铁作阴极 B．阳极的电极反应式为：Cl－ + 2OH－－2e－= ClO－ + H2O C．阴极的电极反应式为：2H2O + 2e－ = H2↑ + 2OH－ D．除去 CN－的反应：2CN－+ 5ClO－ + 2H+ = N2↑ + 2CO2↑ + 5Cl－+ H2O 【答案】D 【解析】A、阳极要产生 ClO－，则铁只能作阴极，不能作阳极，否则就是铁失电子，A 正确；B、阳极是 Cl－ 失电子产生 ClO－，电极反应式为：Cl－ + 2OH－－2e－= ClO－ + H2O，B 正确；C、阴极是 H+产生 H2，碱性溶 液，故阴极的电极反应式为：2H2O + 2e－ = H2↑ + 2OH－，C 正确；D、溶液为碱性，方程式应为 2CN－+5ClO－+ H2O =N2↑+2CO2↑+5Cl－+2OH－。故选 D。 【高清课堂：电解原理#例 1】 【变式 2】下图中能验证氯化钠溶液电解产物的装置是 【答案】D 【变式 3】如图电解池中装有硫酸铜溶液，选用不同材料的电极进行电解。下列叙述中正确的是 3 2 10020.00 10 0.2000 1585 24.48 100%1.0800 −× × × × × ×7 【 答 案 】 B 电极材料 阳极 阴极 通电后的变化 A 石墨 石墨 阴极质量增加，溶液的 pH 增大 B 铜 铜 阳极质量减小，阴极质量增加 C 铁 铁 两极的质量不发生变化 D 铂 铁 阴极质量增加，溶液的 pH 不变8 【巩固练习】 一、选择题 1．用惰性电极电解下列溶液，电解一段时间后，阴极质量增加，电解液的 pH 下降的是（　　）。 ①CuSO4　②BaCl2　③AgNO3　④H2SO4 A．①② B．①③ C．①④ D．②④ 2．如图所示，X、Y 分别是直流电源的两极，通电后发现 a 极板质量增加，b 极板处有无色、无臭气体放出。符 合这一情况的是下表中的（ ）。 a 极板 b 极板 X 电极 Z 溶液 A 锌 石墨 负极 CuSO4 B 石墨 石墨 负极 NaOH C 银 铁 正极 AgNO3 D 铜 石墨 负极 CuCl2 3．下图所示的电解池 I 和 II 中，a、b、c 和 d 均为 Pt 电极。电解过程中，电极 b 和 d 上没有气体逸出，但质量 均增大，且增重 b