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《电解原理及其应用》知识速查
电解池
1.电解
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。在此过程中,电能转化为化学能。
2.电解池
(1)概念:电解池是把电能转化为化学能的装置。
(2)电解池的构成条件:
①有与电源相连的两个电极。
②两个电极插入电解质溶液(或熔融电解质)中。
③形成闭合回路。
(3)电极名称及电极反应式(以电解CuCl2溶液为例):
总反应方程式:CuCl2$ \stackrel {电解} {=} $Cu+Cl2↑。
(4)电解池中电子和离子的移动:
①电子:从电源负极流出后,流向电解池阴极;从电解池的阳极流向电源的正极。
②离子:阳离子移向电解池的阴极,阴离子移向电解池的阳极。
惰性电极电解电解质溶液的四种类型
类型 | 电解质 类型 | 电极反应式 及总反应式 | 电解质溶 液浓度 | 溶液 pH | 复原 |
电解水型 | 含氧酸,如H2SO4 | 阴极:4H++4e-=2H2↑ 阳极:4OH--4e-=2H2O+O2↑ 总反应式:2H2O$ \stackrel {电解} {=} $2H2↑+O2↑ | 增大 | 减小 | 加水 |
可溶性强碱, 如NaOH | 增大 | ||||
活泼金属 含氧酸盐,如KNO3 | 不变 | ||||
电解 电解 质型 | 无氧酸,如HCl | 阴极:2H++2e-=H2↑ 阳极:2Cl--2e-=Cl2↑ 总反应式:2HCl$ \stackrel {电解} {=} $H2↑+Cl2↑ | 减小 | 增大 | 通HCl气体 |
不活泼金属无氧酸盐,如CuCl2 | 阴极:Cu2++2e-=Cu 阳极:2Cl--2e-=Cl2↑ 总反应式:CuCl2$ \stackrel {电解} {=} $Cu+Cl2↑ | 加CuCl2 | |||
放H2 生碱 型 | 活泼金属无氧酸盐,如NaCl | 阴极:2H++2e-=H2↑ 阳极:2Cl--2e-=Cl2↑ 总反应式:2NaCl+2H2O$ \stackrel {电解} {=} $2NaOH+H2+Cl2↑ | 增大 | 通HCl气体 | |
放O2 生酸 型 | 不活泼金属含氧酸盐,如 CuSO4 | 阴极:2Cu2++4e-=2Cu 阳极:4OH--4e-=2H2O+O2↑ 总反应式:2CuSO4+2H2O$ \stackrel {电解} {=} $2Cu+2H2SO4+O2↑ | 减小 | 加Cu或CuCO3 |
电解方程式书写的步骤和注意事项
(1)方法步骤
①首先判断阴、阳极,分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。
②再分析电解质水溶液的组成,找全离子并分阴、阳两组(勿忘水溶液中的H+和OH-)。
③然后排出阴、阳两极的放电顺序。
阴极:阳离子放电顺序:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+[水溶液中Al3+、Mg2+、Na+、Ca2+、K+不放电,另外,阴极不管是什么材料,电极本身不反应,一定是溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电]。
阳极:活泼电极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子(水溶液中含氧酸根离子不放电)>F-。
④分析电极反应,判断电极产物,写出电极反应式,要注意遵循原子守恒和电荷守恒。
⑤最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式。
(2)注意问题
①书写电解池中电极反应式时,要以实际放电的离子表示,但书写总电解反应方程式时,弱电解质要写成分子式。
②要确保两极电子转移数目相同,且注明条件“电解”。
③注意题目信息中提示的离子的放电,如电解法制取KMnO4等。
电解原理的应用
(1)氯碱工业(制烧碱、氢气和氯气)
阳极(石墨):2Cl--2e-=Cl2↑(氧化反应)
阴极(铁或石墨):2H++2e-=H2↑(还原反应)
总反应:2NaCl+2H2O$ \stackrel {电解} {=} $2NaOH+Cl2↑+H2↑
(2) 电解精炼铜
①装置
②原理
③电解质溶液浓度减小,比铜不活泼的金属在阳极形成阳极泥。
(3)电镀铜
①装置
②原理
③电解质溶液浓度基本不变
(4)冶炼金属
利用电解熔融盐(或氧化物)的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
总方程式 | 阳极、阴极反应式 | |
冶炼钠 | 2NaCl(熔融)$ \stackrel {电解} {=} $2Na+Cl2↑ | 2Cl--2e-=Cl2↑、2Na++2e-=2Na |
冶炼镁 | MgCl2(熔融)$ \stackrel {电解} {=} $Mg+Cl2↑ | 2Cl--2e-=Cl2↑、Mg2++2e-=Mg |
冶炼铝 | 2Al2O3(熔融)$ \stackrel {电解} {=} $4Al+3O2↑ | 6O2--12e-=3O2↑、4Al3++12e-=4Al |
(5)电解原理应用时注意事项
①阳离子交换膜(以电解NaCl溶液为例),只允许阳离子(Na+)通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过,这样既能防止H2和Cl2混合爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO影响烧碱质量。
②电解或电镀时,电极质量减少的电极必为金属电极——阳极;电极质量增加的电极必为阴极,即溶液中的金属阳离子得电子变成金属吸附在阴极上。
③电解精炼铜,粗铜中含有的Zn、Fe、Ni等活泼金属失去电子,变成金属阳离子进入溶液,其活泼性小于铜的杂质以阳极泥的形式沉积。电解过程中电解质溶液中的Cu2+浓度会逐渐减小。
④电镀时,阳极(镀层金属)失去电子的数目跟阴极镀层金属离子得到电子的数目相等,因此电镀液的浓度保持不变。
电化学有关计算的类型和方法技巧
(1)计算类型
原电池和电解池的计算主要包括以下几个方面:
①根据直流电源提供的电量求产物的量(析出固体的质量、产生气体的体积等);
②溶液pH的计算;
③相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算;
④产物的量与电荷量关系的计算。
(2)解题方法
①根据得失电子守恒法计算
用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。
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出比例式计算。
③根据关系式计算
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。串联电路中各电极得失电子数相等,即电路中通过的电量(电子总数)相等。
如以通过4 mol e-为桥梁可构建如下关系式:
该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值,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。
特别提醒:在电化学计算中,还常利用Q=I·t和Q=n(e-)×NA×1.60×10-19 C来计算电路中通过的电量。