电解池的工作原理及应用.pdf

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1、1 考点过关（下）考点15 电解池的工作原理及应用 电化学是氧化还原反应知识的应用和延伸，电化学原理及其应用是高中化学重要内容, 电化学包括原电 池、电解池以及金属的腐蚀与防护。电化学考查的问题一般为原电池正、负极的判断、电极反应式的书写 及电子转移数目、电子或电流的流向、离子在电解质溶液中的移动方向等考查电化学知识在STS 中的应 用是目前最受欢迎的一种题型，既能体现化学的实用性，又能体现化学命题的时代性与新颖性，使试题在 考查电化学知识的同时，又能较好地考查分析问题、灵活解答问题的能力。对本部分知识的考查仍以选择 题为主，在非选择题中可能与工业生产、环境保护、新科技、新能源知识相结合进行命

2、题。电化学的命题 点侧重于考查对基础知识的综合应用能力，题型既源于教材，又高于教材，对于电解原理及其应用的考查 角度多种多样且方式灵活多变。正确区别原电池、电解池和电镀池的不同，掌握原电池、电解规律的应用 及有关电解的方法技巧是必考的内容之一，其知识要点是两个原理（原电池原理、 电解原理），一个规律 （电 解规律），两个应用（原电池原理的应用和电解原理的应用），一类计算（电解的计算）。 电解是将电能转化为化学能的一种重要方法。使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极上引起氧化还原 反应的过程叫做电解。把电能转变为化学能的装置叫做电解池或电解槽。非自发的氧化还原反应在有外接 电源时可能被设计为电解池。

3、电解池装置常由直流电源、两个电极、导线及电解质溶液( 或熔融电解质 ) 形 成闭合回路构成，多池相连无外接电源时，两极活泼性差异小的池为电解池。电解电解质溶液时，在阴阳 两极上首先发生放电反应的离子分别是溶液里最容易放电的阳离子和最容易放电的阴离子。 阴离子失去电子或阳离子得到电子的过程叫放电。离子的放电顺序取决于离子本身的性质即离子得失 电子的能力，另外也与离子的浓度及电极材料有关。阴极上放电的总是溶液中的阳离子，与电极材料无关。 氧化性强的先放电，放电顺序是： 若是活性电极作阳极，则活性电极首先失电子，发生氧化反应。若是惰性电极作阳极，则仅是溶液中 的阴离子放电，常见离子的放电顺序是： 一

4、般情况下，离子按上述顺序放电，但如果离子浓度相差十分悬殊，离子浓度大的也可以先放电。如 理论上 H 的放电能力大于 Fe 2、Zn2，但在电解浓度大的硫酸亚铁或硫酸锌溶液中，由于溶液中 c(Fe 2) 或 2 c(Zn 2) c(H ) ，则先在阴极上放电的是 Fe 2或 Zn2 ，因此阴极上的主要产物为Fe或 Zn；但在水溶液中， Al 3、Mg2 、Na 等是不会在阴极上放电的。 【例 1】下列有关电化学的示意图中正确的是( ) 电解后，如果只产生H2不产生 O2，则溶液pH变大；如果只产生O2不产生 H2，则溶液pH变小；如果既 产生 O2又产生 H2，若原溶液呈酸性则pH减小，若原溶液

5、呈碱性则pH增大，若原溶液呈中性则pH不变；如 果既无 O2产生也无H2产生，则溶液的pH均趋于 7。酸、碱、盐溶液的电解规律( 惰性电极作阳极) ： 电解规律电解质溶液类型实例 电解水型含氧酸、强碱和活泼金属含氧酸盐溶液NaOH 溶液、 H2SO4溶液 电解电解质型 无氧酸、不活泼金属无氧酸盐溶液(HF、 氟化物除外 ) HCl、CuCl2溶液 放 H2生碱型活泼金属无氧酸盐溶液(F 除外 ) NaCl 溶液 放 O2生酸型不活泼金属含氧酸盐溶液CuSO 4溶液 电解后有关电解质溶液恢复原态的问题应该用质量守恒法分析。一般是加入阳极产物和阴极产物的化 合物，但也有特殊情况，如用惰性电极电解C

6、uSO4溶液， Cu 2完全放电之前，可加入 CuO或 CuCO 3复原，而 Cu 2完全放电之后，应加入 Cu(OH)2或 Cu2(OH)2CO3复原。 【例 2】用下图所示装置除去含CN 、Cl废水中的 CN 时，控制溶液 pH为 910，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=ClOH 2O 3 C.阴极的电极反应式为2H2O 2e =H2 2OH D.除去 CN 的反应： 2CN 5ClO2H=N 2 2CO2 5Cl H 2O 电解饱和食盐水的方法来制取NaOH 、Cl2、H2

7、，通电前，氯化钠溶液中含有的离子：Na 、Cl、H、 OH ，通电时Na 、H 移向阴极， H 放电， Cl、OH 移向阳极， Cl 放电。阴极因 H 放电，导致水的电离平衡 向右移动，致使生成NaOH 。工业上习惯把电解饱和食盐水叫做氯碱工业。 阳极反应式2Cl 2e=Cl 2( 氧化反应 ) 阴极反应式2H 2e=H 2( 还原反应 ) 化学方程式 2NaCl2H2O= 电解 H2 Cl2 2NaOH 离子方程式 2Cl 2H 2O= 电解 H2 Cl2 2OH 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方法叫电镀。电镀时，一般都是用含有镀 层金属离子的电解质溶液作电镀液，把镀层

8、金属浸入电镀液中与直流电源的正极相连，作为阳极，待镀金 属制品与直流电源的负极相连，作阴极。电镀特点是阳极本身参与电极反应，电镀过程中相关离子的浓度、 溶液 pH等保持不变。如铁片上镀银如图所示： 粗铜中往往含有铁、锌、银、金等多种杂质，常用电解的方法进行精炼。其电解池的构成是用粗铜作 阳极，用纯铜作阴极，用CuSO4溶液作电解质溶液。电解精炼铜的原理是粗铜中比铜活泼的金属Zn、Fe 等 失去电子，产生的阳离子残留在溶液中，不比铜活泼的金属Ag、Au等以金属单质的形式沉积在电解池的底 部，形成阳极泥，粗铜中的铜在纯铜上析出。电解精炼中，比需要精炼的金属活泼的杂质溶解，而不比需 要精炼的金属活泼

9、的杂质会沉积( 如精炼镍时Cu也会沉积 ) 。 金属冶炼的本质是使矿石中的金属离子获得电子，从它们的化合物中还原出来，即 M nne=M 。电解 4 法用于冶炼K 、Na、 Mg 、Al 等较活泼的金属，但不能电解其盐溶液，应电解其熔融态。如电解熔融的氯化 钠可制取金属钠：2NaCl( 熔融 )= 电解 2NaCl2。 【例 3】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Fe 2Ni2Cu2)( ) A.阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni 22e=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.

10、电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe 2和 Zn2 D.电解后，电解槽底部的阳极泥中有Cu和 Pt，没有 Zn、Fe、Ni 隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类：阳离子交换膜，简称阳膜，只允 许阳离子通过，即允许H 和其他阳离子通过，不允许阴离子通过；阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离 子通过，不允许阳离子通过；质子交换膜，只允许H 通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。隔膜能将两 极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应，能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成 闭合回路的作用。在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或避免产物因 发生

11、反应而造成危险。 【例 4】 双隔膜电解池的结构示意图如图所示,利用该装置可以电解硫酸钠溶液以制取硫酸和氢氧化钠,并得 到氢气和氧气。对该装置及其原理判断正确的是( ) A.a 气体为氢气 ,b 气体为氧气 B.A 溶液为氢氧化钠,B 溶液为硫酸 C.c 隔膜为阳离子交换膜,d 隔膜为阴离子交换膜 D.该电解总反应的化学方程式可以表示为2Na2SO4+6H2O2H2SO4+4NaOH+O2+2H2 5 【考点练习】 1下面列出了电解不同物质的电极反应式，其中错误的是( ) A用石墨电极电解饱和食盐水的阴极反应式：Na e=Na B用铜电极电解CuSO4溶液的阳极反应式：Cu 2e =Cu2 C

12、用石墨电极电解熔融NaCl 的阴极反应式：Na e =Na D用石墨电极电解NaOH溶液的阳极反应式：4OH 4e=2H 2OO2 2若在铜片上镀银时，下列叙述正确的是( ) 将铜片接在电源的正极上将银片接在电源的正极上在铜上发生的反应是：Ag e=Ag 在银 片上发生的反应是：4OH 4e=O 2 2H2O 需用硫酸铜溶液为电镀液需用硝酸银溶液为电镀液 AB C D 3取一张用饱和NaCl 溶液浸湿的pH试纸，两根铅笔芯作电极，接通直流电源，一段时间后，发现a 电极 与试纸接触处出现一个双色同心圆，内圆为白色，外圆呈浅红色。则下列说法错误的是 ( ) Ab 电极是阴极Ba 电极与电源的正极相

13、连接 C电解过程中，水是氧化剂Db 电极附近溶液的pH变小 4. 将如图所示实验装置的K闭合，下列判断正确的是( ) A.Cu 电极上发生还原反应B.电子沿 ZnabCu 路径流动 C.片刻后甲池中c(SO 2 4) 增大 D.片刻后可观察到滤纸b 点变红色 6 5. 电解法处理酸性含铬废水( 主要含有Cr2O 2 7) 时，以铁板作阴、阳极，处理过程中存在反应Cr2O 2 76Fe 2 14H =2Cr36Fe37H 2O，最后 Cr 3以 Cr(OH) 3形式除去。下列说法不正确的是( ) A.阳极反应为Fe2e =Fe2B.电解过程中溶液 pH不会变化 C.过程中有Fe(OH)3沉淀生成

14、D.电路中每转移12 mol 电子，最多有1 mol Cr 2O 2 7被还原 6. 下图所示装置中，甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100g5.00%的 NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和 100g10.00%的 K2SO4溶液，电极均为石墨电极。 接通电源，经过一段时间后，测得丙中K2SO4的质量分数为10.47%，乙中 c 电极质量增加。据此回答问题： (1) 电源的 N端为 _极。 (2) 电极 b上发生的电极反应式为_ 。 (3) 列式计算电极b 上生成的气体在标准状况下的体积：_。 (4) 电极 c 的质量变化是_g。 7. 下图是离子交换膜法电解食盐水的示意图，图中的离子交换膜只

15、允许阳离子通过。 请回答下列问题： (1) 写出电解饱和食盐水的离子方程式：_ 。 (2) 离子交换膜的作用为_、_。 (3) 精制饱和食盐水从图中_( 选填“ a”、“ b”、“ c”或“ d”，下同) 位置补充，氢氧化钠溶液从 图中 _位置流出。 (4) 电解时用盐酸控制阳极区溶液的pH在 23，用化学平衡移动原理解释盐酸的作用： _ 。 8. 电解的应用比较广泛，回答下列问题： (1) 由下列物质冶炼相应金属时采用电解法的是_( 填字母，下同) 。 a.Fe2O3b.NaClc.Cu2S d.Al2O3 7 (2)CuSO4溶液为电解质溶液进行粗铜( 含 Al 、 Zn、 Ag、 Pt、

16、 Au等杂质 ) 的电解精炼， 下列说法正确的是_。 a. 电能全部转化为化学能b. 粗铜接电源正极， 发生氧化反应c. 溶液中 Cu 2向阳极移动 d. 利用阳极泥可回收 Ag、Pt、Au等金属 e. 若阳极质量减少64 g，则转移电子数为2NA个 f.SO 2 4的物质的量浓度不变( 不考虑溶液 体积变化 ) (3) 如图为电解精炼银的示意图，_( 填“a”或“ b”) 极为含有杂质的粗银，若b 极有少量红棕色气 体生成，则生成该气体的电极反应式为_ 。 (4)利用如图装置电解制备LiOH， 两电极区电解液分别为LiOH 和 LiCl溶液。 B极区电解液为_( 填 化学式 ) 溶液，阳极电

17、极反应式为_，电解过程中Li 向_ ( 填“A”或“ B”) 电极迁移。 (5) 离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系，由有机阳离子、Al2Cl 7和 AlCl 4组成的离子液体作电解液时， 可在钢制品上电镀铝。钢制品应接电源的_极，已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参 与电极反应，阴极电极反应式为_。若改用AlCl3水溶液作电解液，则阴极产物为 _。 参考答案 1.【解析】食盐水中存在Na 和 H两种阳离子， 根据放电顺序， 阴极 H放电，电极反应式为 2H 2e=H 2。 【答案】 A 2. 【解析】铜片上镀银，铜片作阴极，接电源负极，错；银片作阳极，接电源正极，正确；铜电极上，

18、Ag 得电子析出，正确；银片是阳极，失电子变成 Ag 落入电解液，错；需用 AgNO3作电镀液，正确， 错。正确的为。【答案】 B 3. 【解析】由试纸变色可知，a 电极产生Cl2，应为电解池的阳极，与电源正极相连，则b 为阴极。 D项中 b 8 电极上 H 放电，附近 OH 浓度增大， pH变大。 【答案】 D 5. 【解析】电解时用铁作阳极，失去电子生成Fe 2，Fe2 将废水中的Cr2O 2 7还原为 Cr 3，A项正确；阴极反 应式为 2H 2e =H2，溶液的pH变大， B项错误；电解过程中H 在阴极放电， Fe2 还原 Cr2O 2 7时也消耗 H ，使溶液的pH升高， Fe 3转

19、化为 Fe(OH) 3沉淀， C项正确；根据电极反应式Fe 2e =Fe2，可知每转 移 12 mol e 生成 6 mol Fe2，6 mol Fe2可还原 1 mol Cr 2O 2 7，D项正确。【答案】 B 6. 【解析】由题中信息c 的电极质量增加知：c 极上析出铜，故 c 为阴极， d 为阳极， e 为阴极， f 为阳极。 (1)N 为正极， M为负极， a 为阴极， b 为阳极。 (2) 甲烧杯中b 极上发生反应为4OH 4e=2H 2OO2。(3) 电解 K2SO4溶液实际上是电解水，设电解水的质量为m， 则 100 g10.00% (100 gm) 10.47%， 解得m4.

20、5 g，即 0.25 mol H 2O，每电解2 mol H2O转移 4 mol 电子，故整个装置发生电极反应转移0.5 mol电子，产 生 O2的体积为VnVm 0.5 mol 4 22.4 L mol 12.8 L 。(4)c 极上析出铜的质量为 0.5 mol 2 64 gmol 116 g 。 【答案】 (1) 正(2)4OH 4e=2H 2O O2(3) 水减少的质量： 100 g1 10.00% 10.47% 4.5 g ，生成O2的体 积： 4.5 g 18 gmol 1 1 222.4 L mol 12.8 L(4)16 7. 【解析】 (1) 电解饱和食盐水时，溶液中的Cl

21、在阳极失电子，发生氧化反应生成 Cl2，H 在阴极得电子生 成 H2， 使阴极区溶液中水的电离平衡向电离方向移动，c(OH ) 增大，电解离子方程式为 2Cl 2H 2O= 电解 Cl2 H2 2OH 。(2) 离子交换膜只允许H 通过，不能使阴离子和 Cl2、H2分子通过，阻止OH 进入阳极室与 Cl2反应， 阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。(3) 随着电解的进行，NaCl 不断消耗， 所以应 及时补充，精制饱和食盐水从阳极区的a 位置补充。由于阴极H 不断放电，附近的溶液显碱性， NaOH 溶液 从图 d 位置流出，水不断消耗，故b 口不断加入水，从c 口流出的是稀NaC

22、l 溶液。 (4) 在阳极区加盐酸， 增大c(HCl) ，抑制 Cl2H2HClO，减少 Cl2在水中的溶解，有利于Cl2逸出。 【答案】(1)2Cl 2H2O= 电解 2OH H2 Cl2(2) 阻止OH 进入阳极室，与Cl2发生反应，Cl2 2NaOH=NaCl NaClOH2O 阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸(3)a d (4)Cl2与水反 应： Cl2H2HClO，增大 HCl 的浓度使平衡逆向移动，减少Cl2在水中的溶解，有利于Cl2逸出 9 64 g 包括 Al 、Zn 及 Cu ，故当阳极质量减少64 g ，电子转移数目不等于2NA个。 (3) 电解精炼银与电解

23、精炼 铜原理相似。电解精炼银装置中，含有杂质的粗银作阳极，电解池的阳极与电源的正极相连，则该装置中a 极为杂质的粗银。该电解池的b 极为阴极， 阴极上有红棕色气体，则知 NO 3被还原为NO2，电极反应式为NO 3 2H e=NO 2 H2O 。(4) 根据电解装置图，两电极区电解液分别为LiOH 和 LiCl溶液， B区产生 H2，电 极反应式为2H 2e=H 2，剩余OH 与 Li结合生成 LiOH，所以 B极区电解液为LiOH 溶液， B电极为阴 极，则 A电极为阳极，阳极区电解液为LiCl溶液，电极反应式为2Cl 2e =Cl 2，电解过程中Li 向 B 电极迁移。 (5) 在钢制品上电镀铝，故钢制品作阴极，与电源负极相连。由于电镀过程中“不产生其他阳离 子且有机阳离子不参与电极反应”，Al 元素在熔融盐中以Al2Cl 7和 AlCl 4形式存在，则电镀过程中负极电 极反应式为4Al2Cl 73e =Al7AlCl 4。水溶液中得电子能力Al 3H，故阴极上的电极反应式为 2H 2e =H2。 【答案】(1)bd (2)bdf (3)a NO 3 2H e =NO 2 H2O(或 NO 3 4H 3e= =NO 2H 2O 、 2NO O2=2NO2) (4) LiOH 2Cl 2e =Cl 2B (5) 负4Al2Cl 73e =Al7AlCl 4H2