内容正文:
第3节 电能转化为化学能
——电解
第1课时 电解的原理
优化探究
第1章 化学反应与能量变化
[课程标准要求] 1.体会化学能与电能相互转化的探究过程。2.了解电解池的工作原理,能设计简单的电解池。3.能写出电解池的电极反应和总反应方程式。
任务一 电解的原理
任务二 电解规律及电解池电极反应的书写
课时作业 巩固提升
任务一 电解的原理
1.电解装置图
2.原理
在电场作用下,熔融氯化钠中的Na+移向与电源负极相连的 电极,发生的反应为 ,为 反应;Cl-移向与电源正极相连的 电极,发生的反应为 ,为 反应;电解熔融氯化钠制备金属钠的总反应为
。
铁
2Na++2e-===2Na
还原
石墨
2Cl--2e-===Cl2↑
氧化
2NaCl2Na+Cl2↑
3.基本概念
(1)电解:将直流电通过熔融电解质或电解质溶液,在两个电极上分别发生
反应和 反应的过程。
(2)电解池
①定义:将 能转化为 能的装置。
②构成条件: 电源、固体电极材料、 溶液或熔融
。
氧化
还原
电
化学
直流
电解质
电解质
(3)电极
阳极——发生 反应的电极(与电源 相连);
阴极——发生 反应的电极(与电源 相连)。
氧化
正极
还原
负极
4.电解池的工作原理
接通电路后,电源、金属导线、阴极和阳极与电解质溶液形成闭合回路
(如图所示)。
(1)电流方向:电源正极―→金属导线―→阳极―→电解质溶液―→阴极―→金属导线―→电源负极。
(2)电子、离子移动方向:在电解质溶液中,阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动;在外电路中,电子由阳极―→正极,负极―→阴极。
特别提醒 (1)电解质溶液导电实际上是电解过程,发生氧化还原反应,是化学变化。
(2)金属导电是因为在电场作用下,自由电子发生定向移动,是物理变化。
5.阴极和阳极的快速判断方法
1.电解池是把电能转化为化学能的装置。( )
2.电解池中阴离子向阴极移动,发生还原反应,阳离子向阳极移动,发生氧化反应。( )
3.在电解池中,电子从阳极流入电源正极。( )
4.电解质溶液的导电实验发生化学变化。( )
√
×
√
√
1.电解池能否使用交流电源?
提示:不能。电解池必须具有稳定的阴、阳极。
2.如图所示是电解稀盐酸的装置,其中c、d为石墨电极。回答下列问题:
(1)a电极为 ,b电极为 。
(2)c电极为 ,电极反应为 ,发生了 反应。
d电极为 ,电极反应为 ,发生了 反应。
(3)电解过程中,氢离子向 (填“阴”或“阳”,下同)极移动,氯离子向
极移动。电解总反应为 。
正极
负极
阳极
2Cl--2e-===Cl2↑
氧化
阴极
2H++2e-===H2↑
还原
阴
阳
2HClH2↑+Cl2↑
原电池和电解池的比较
比较 原电池 电解池
定义 将_________________的装置 将_________________的装置
能量转化 _____能→_____能 _____能→_______能
装置特征 无电源,两极材料活性不同 有电源,两极材料可相同,也可不同
化学能转化为电能
电能转化为化学能
化学
电
电
化学
比较 原电池 电解池
形成条件 ①自发的氧化还原反应;
②电极和电极反应物;
③离子导体;
④形成闭合回路 ①两电极连接直流电源;
②电极插入离子导体;
③形成闭合回路
电极名称 负极:电子_______的电极;
正极:电子_______的电极 阳极:与电源_______相连的电极;
阴极:与电源_______相连的电极
电极反
应类型 负极: _______反应;
正极: _______反应 阳极: _______反应;
阴极: _______反应
流出
流入
正极
负极
氧化
还原
氧化
还原
比较 原电池 电解池
电子流向 ______________ 电源负极→阴极;
_______→电源正极
离子的移
动方向 阳离子向_______移动;阴离子向_______移动 阳离子向_______移动;阴离子向_______移动
电池反应 都是氧化还原反应
负极→正极
阳极
正极
负极
阴极
阳极
1.下列关于电解池工作原理的说法错误的是( )
A.电解池是一种将电能转化成化学能的装置
B.电解池中发生的反应是非自发的氧化还原反应
C.电解池工作时,阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应
D.与原电池不同,电解池放电时,电极本身不会参加电极反应
D
电解池放电时,电极本身可能会参加电极反应,电极本身是否参与电极反应与其材料有关。
2.在某电解质溶液里,用M和N作电极,通电一段时间后,发现M极质量减
小,N极质量增大,下列叙述符合这一情况的是( )
A.电解质溶液是稀硫酸
B.金属M是阳极,金属N是阴极
C.M和N都是石墨电极
D.M是阴极,N是阳极
B
电解稀硫酸溶液,阳极发生氧化反应,质量会减小,即M极质量减小,阴极发生还原反应放出氢气,N极质量不变,故A不符合题意;由题意可知,M极溶解,则发生氧化反应,为阳极,N极质量增大,溶液中的金属阳离子得电子在N极上析出,发生还原反应,N为阴极,故B符合题意,D不符合题意;如果M和N均是石墨电极,M极质量不会减小,故C不符合题意。
3.如图所示装置中属于电解池的是 (填序号)。
③⑥
任务二 电解规律及电解池电极反应的书写
1.电极反应规律
(1)阴极:无论是惰性电极还是活性电极都不参与电极反应,发生反应的是溶液中的阳离子。阳离子放电顺序:Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)
>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。
(2)阳极:溶液中还原性强的阴离子失去电子被氧化,或者电极材料本身失去电子被氧化而溶入溶液中,其放电顺序:活泼金属阳极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子>F-。
特别提醒 活性电极一般指Pt、Au以外的金属电极。
2.如图所示为某电解池示意图,请根据下列要求回答相关问题,并总结电解的相关规律。
(1)a、b均为石墨惰性电极
c H2SO4 NaOH Na2SO4
阳极
反应 2H2O-4e-===O2↑+4H+ 4OH--4e-===O2↑+
2H2O 2H2O-4e-===O2↑+4H+
阴极
反应 4H++4e-===2H2↑ 4H2O+4e-===2H2↑+4OH-
总反应
2H2OO2↑+2H2↑
c H2SO4 NaOH Na2SO4
电解过程中,电极
附近溶液的pH 阳极区:
;
阴极区:
阳极区:
;
阴极区:
阳极区:
;
阴极区:
pH变化
复原物质 加入H2O
pH不断减小
pH不断增大
pH不断减小
pH不断增大
pH不断减小
pH不断增大
减小
增大
不变
(2)a、b均为石墨惰性电极
c HCl CuCl2
阳极反应
阴极反应
总反应
pH变化 略微增大
复原物质 加入 加入
2Cl--2e-===Cl2↑
2H++2e-===H2↑
Cu2++2e-===Cu
2Cl-+2H+Cl2↑+H2↑
2Cl-+Cu2+Cl2↑+Cu
增大
HCl
CuCl2
(3)a、b均为石墨惰性电极
c NaCl CuSO4
阳极反应
阴极反应
总反应
__________________
____________
2Cl--2e-===Cl2↑
2H2O-4e-===O2↑+4H+
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
2Cu2++4e-===2Cu
2H2O+2Cl-Cl2↑+
H2↑+2OH-
2H2O+2Cu2+2Cu+
O2↑+4H+
c NaCl CuSO4
电解过程
中,电极
附近溶液
的pH 阳极区:
;
阴极区: 阳极区: ;
阴极区:__________________
pH变化
复原物质 加入 加入________________
一开始不变,后来增大
pH不断增大
pH不断减小
一开始几乎不变,后
来pH不断减小
增大
减小
HCl
CuO或CuCO3
(4)a、b均为Cu电极
c H2SO4 CuSO4
阳极反应
阴极反应
总反应 无
Cu-2e-===Cu2+
Cu-2e-===Cu2+
2H++2e-===H2↑
Cu2++2e-===Cu
2H++CuH2↑+Cu2+
(5)a、b均为Fe电极
c NaCl CuSO4
阳极反应
阴极反应
总反应
Fe-2e-===Fe2+
Fe-2e-===Fe2+
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
Cu2++2e-===Cu
2H2O+FeH2↑+Fe(OH)2
Fe+Cu2+Cu+Fe2+
1.电解池中发生的反应是自发进行的。( )
2.用惰性电极电解一定浓度的CuSO4溶液一段时间后,加入CuO一定可以恢复到电解前的浓度。( )
×
×
为了加深对电解规律的理解,某同学做了以下探究,要求从H+、Cu2+、
Na+、S、Cl-这5种离子中两两组成电解质,按下列要求进行电解:
(1)以碳棒为电极,电解过程中电解质质量减少,水量不变,则采用的电解质是 。若要恢复到电解前的状态,应加入的物质是 。
(1)以碳棒为电极,电解过程中电解质质量减少,水量不变,则阳离子只能为H+、Cu2+,阴离子只能是Cl-,其电解质分别是HCl、CuCl2。
HCl、CuCl2
HCl、CuCl2
(2)以碳棒为电极,电解过程中电解质质量不变,水量减少,则采用的电解质是 。若要恢复到电解前的状态,应加入的物质是 。
(2)实质上是电解水,H+、OH-分别在两极上放电,其电解质是Na2SO4、H2SO4。
Na2SO4、H2SO4
H2O
(3)以碳棒为阳极,铁棒为阴极,电解过程中电解质和水量都减少,则电解质是 。若要恢复到电解前的状态,应加入的物质是 。
(3)若电解质是CuSO4,2CuSO4+2H2O
2H2SO4+2Cu+O2↑,若恢复到原状态,可加入CuO,也可加入CuCO3;若电解质是NaCl,2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,要恢复到原状态可通入HCl。
CuSO4、NaCl
CuO或CuCO3、HCl
电解池中电极反应书写的步骤及关键点
关键点1:书写电解池中电极反应时,强电解质以实际放电的离子表示,弱电解质写成化学式。
关键点2:电极反应的书写首先根据题干要求及信息写出反应物和反应产物,然后根据“阴(极)得(e-)阳(极)失(e-)”加上得失电子数目,最后根据电解质溶液酸碱性补上H+、OH-或H2O,依据电荷守恒配平。
关键点3:酸性溶液中不能出现OH-,碱性溶液中不能出现H+。
关键点4:要确保两极得失电子数目相等,且总反应注明条件“通电”。
1.用惰性电极电解下列各组中的三种溶液,电解过程中,溶液中pH依次为减小、不变、增大的是( )
A.HCl、HNO3、K2SO4
B.AgNO3、CuCl2、Cu(NO3)2
C.CaCl2、KOH、NaNO3
D.CuSO4、Na2SO4、KCl
D
电解HCl溶液时生成氯气和氢气(电解本身),电解HNO3溶液时生成氢气和氧气(电解水型),电解K2SO4溶液时生成氢气和氧气(电解水型),溶液的pH依次为增大、减小、不变,故A不符合题意;电解AgNO3溶液会生成硝酸、银和氧气,溶液的pH减小;氯化铜溶液呈酸性,电解CuCl2溶液会生成铜和氯气,电解后浓度减小,铜离子水解程度减弱,溶液的pH增大;电解Cu(NO3)2溶液会生成铜、硝酸和氧气,溶液的pH减小,故B不符合题意;电解CaCl2溶液时生成氢氧化钙、氯气和氢气,电解KOH溶液时生成氢气和氧气(电解水型),电解NaNO3溶液时生成氢气和氧气(电解水型),溶液的pH依次为增大、增大、不变,故C不符合题意;电解CuSO4溶液时生成铜、氧气和硫酸,电解Na2SO4溶液生成氢气和氧气(电解水型),电解KCl溶液时会生成氢气、氯气和氢氧化钾,溶液的pH依次为减
小、不变、增大,故D符合题意。
2. (双选)对于下列实验,能正确描述其反应的离子方程式的是( )
A.电解CuSO4溶液的总反应(石墨作阳极、铁作阴极):
2Cu2++2H2O2Cu+4H++O2↑
B.用惰性电极电解CuCl2水溶液:2Cl-+Cu2++2H2OCu(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
C.用惰性电极电解饱和AlCl3溶液:2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH-
D.用惰性电极电解盐酸:2H++2Cl-++Cl2↑+H2↑
AD
根据电解时电极放电顺序,石墨作阳极,铁作阴极时,CuSO4溶液中的Cu2+得电子,水电离出的OH-失去电子生成水和氧气,所以离子方程式为2Cu2++2H2O2Cu+4H++O2↑,故A正确;根据电解时电极放电顺序,用惰性电极电解CuCl2水溶液时,溶液中的Cl-失去电子生成氯气,Cu2+得到电子生成铜,离子方程式为2Cl-+Cu2+Cu+Cl2↑,故B错误;根据电解时电极放电顺序,用惰性电极电解饱和AlCl3溶液时,溶液中水电离出的H+得到电子生成氢气,溶液中的Cl-失去电子生成氯气,离子方程式为2Al3++6Cl-
+6H2O3Cl2↑+3H2↑+2Al(OH)3↓,故C错误;根据电解时电极放电顺序,用惰性电极电解盐酸时,溶液中的Cl-失去电子生成氯气,盐酸电离出的H+得到电子生成氢气,离子方程式为2H++2Cl-Cl2↑+H2↑,故D正确。
3.在标准状况下,用铂电极电解硫酸铜溶液,当阴极产生12.8 g铜时,阳极放出的气体是( )
A.1.12 L H2 B.1.12 L O2
C.2.24 L H2 D.2.24 L O2
D
溶液中有Cu2+、H+(水)、S、OH-四种离子,得电子能力:Cu2+>H+(水),失电子能力:OH->S,阴极反应为2Cu2++4e-===2Cu,阳极反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+,总反应为2CuSO4+2H2O2Cu+2H2SO4+O2↑。n(Cu)==0.2 mol,n(O2)=0.1 mol,在标准状况下其体积为2.24 L,D正确。
课时作业 巩固提升
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[A组 基础落实]
题组一 电解原理
1.关于电解池的叙述中,不正确的是( )
A.电解池的阳极发生氧化反应
B.电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极
C.与电源正极相连的是电解池的阳极
D.参与电解的阳离子向阳极移动
9
10
D
电解池的阳极失电子发生氧化反应,A正确;电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极,B正确;与电源正极相连的是电解池的阳极,C正确;参与电解的阳离子向阴极移动,D错误。
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2.如图所示是电解CuCl2溶液的装置,其中c、d为石墨电极。则下列有关判断正确的是( )
A.a为负极、b为正极
B.a为阳极、b为阴极
C.电解过程中,d电极质量增加
D.电解过程中,氯离子浓度不变
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C
题组二 电解反应的书写与电解规律
3.用惰性电极电解物质的量浓度相同、体积比为3∶1的硫酸铜和氯化钠的混合溶液,不可能发生的反应有( )
A.2Cu2++2H2O2Cu+4H++O2↑
B.Cu2++2Cl-Cu+Cl2↑
C.2Cl-+2H2O2OH-+H2↑+Cl2↑
D.2H2O2H2↑+O2↑
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C
设混合溶液的体积为4 L,CuSO4和NaCl的物质的量浓度均为1 mol·L-1,溶液中硫酸铜和氯化钠的物质的量分别为3 mol和1 mol,根据转移电子守恒,第一阶段:阳极上氯离子放电,阴极上铜离子放电,电解方程式是Cu2++2Cl-Cu+Cl2↑,氯离子完全反应时,剩余2.5 mol铜离子;第二阶段:阳极上氢氧根离子放电,阴极上铜离子放电,电解方程式是2Cu2++2H2O2Cu+4H++O2↑;第三阶段:阳极上氢氧根离子放电,阴极上氢离子放电,电解方程式是2H2O2H2↑+O2↑。
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4.下列装置分别通电一段时间后,溶液的质量增加的是( )
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D
A池中总反应为2H2O2H2↑+O2↑,B池中总反应为CuCl2Cu+Cl2↑,A、B两池中溶液质量都减少;C池中,Cu作阳极,失去电子发生氧化反应生成Cu2+,溶液中的Cu2+在Fe电极(阴极)得到电子生成Cu,溶液的质量基本不变;D池中总反应为2Ag+Cu(NO3)22AgNO3+Cu,溶液的质量增加。
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5.用惰性电极电解等物质的量Na2SO4、AgNO3、KCl的混合液,最先从阴极和阳极上析出的物质分别是( )
A.H2和Cl2 B.Ag和Cl2
C.H2和O2 D.Ag和O2
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C
在等物质的量的Na2SO4、AgNO3、KCl的混合液中,首先生成AgCl沉淀,则实际电解Na2SO4和KNO3,相当于电解水,阴、阳极分别生成H2和O2,故C符合题意。
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6.用惰性电极电解下列溶液一段时间后,再加入一定量的某种物质(方括号内的物质),不能使溶液恢复到原来的成分和浓度的是( )
A.AgNO3溶液[AgOH(s)]
B.K2SO4溶液[H2O(l)]
C.KCl溶液[HCl(g)]
D.CuSO4溶液[CuCO3(s)]
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A
7.甲、乙两同学,均用惰性电极电解相同浓度的硫酸铜溶液,各通电一段时间后,甲、乙分别向所得的溶液中加入0.1 mol CuO和0.1 mol Cu(OH)2,都恰好使溶液恢复到电解前的浓度。则甲、乙在电解过程中转移的电子的物质的量之比为( )
A.1∶1 B.1∶2
C.1∶3 D.1∶4
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B
加入0.1 mol CuO后恢复到电解前的浓度,可知发生反应
2H2O+2CuSO42Cu+O2↑+2H2SO4 转移电子
2 mol 4 mol
0.1 mol 0.2 mol
故转移电子的总物质的量为0.2 mol;Cu(OH)2从组成上可看成CuO·H2O,加入0.1 mol Cu(OH)2后恰好恢复到电解前的浓度,即电解了0.1 mol硫酸铜,并电解了0.1 mol H2O,由电解的总反应式可知,
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2H2O+2CuSO42Cu+O2↑+2H2SO4 转移电子
2 mol 4 mol
0.1 mol 0.2 mol
2H2O2H2↑+O2↑ 转移电子
2 mol 4 mol
0.1 mol 0.2 mol
所以电解过程中共转移电子的物质的量为0.2 mol+0.2 mol=0.4 mol,则甲、乙在电解过程中转移的电子的物质的量之比为0.2 mol∶0.4 mol=1∶2,B正确。
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8.电解法制备H2O2的装置如图所示。下列说法正确的是( )
A.该装置工作时将化学能转化为电能
B.电极b与电源负极相连接
C.电解时a极电极反应:O2+2e-+2H+===H2O2
D.电解生成2 mol H2O2时,理论上有4 mol H+
从a极室通过质子交换膜进入b极室
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C
该装置为电解池,工作时将电能转化为化学能,故A错误;电极b上水转化为氧气,氧元素的化合价升高,发生氧化反应,作阳极,与电源正极相连接,故B错误;电解时a极上氧气得到电子转化为过氧化氢,发生的电极反应:O2+2e-+2H+===H2O2,故C正确;电解生成2 mol H2O2时,理论上有4 mol H+从b极室通过质子交换膜进入a极室,故D错误。
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[B组 培优训练]
9. (双选)为实现“碳达峰”,我国科学家设计二氧化碳熔盐捕获及电化学转化装置,其示意图如图所示:
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下列说法不正确的是( )
A.c为电源的正极,d为电解池的阳极
B.a极的电极反应为2C2-4e-===4CO2↑+O2↑
C.过程①中捕获CO2时碳的化合价未发生变化,过程②中捕获CO2时碳的化合价发生了变化
D.上述装置中总反应的化学方程式为CO2C+O2↑
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AC
a电极上由C2生成氧气,发生氧化反应,故a为阳极,b为正极,c为负极,
d为阴极,A错误;a极为阳极,其电极反应为2C2-4e-===4CO2↑+O2↑,B正确;过程①中捕获CO2时生成的C2的碳元素的化合价是+4价,过程②中捕获CO2时生成的的碳元素的化合价是+4价,碳的化合价均未发生变化,C错误;a电极生成氧气,d电极生成碳单质,电解的总反应的化学方程式为CO2C+O2↑,D正确。
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10.A、B、C为三种强电解质,它们在水中电离出的离子如表所示:
图1所示装置中,甲、乙、丙三个烧杯分别盛放足量的A溶液、足量的B溶液、足量的C溶液,电极均为石墨电极。
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阳离子 Na+、K+、Cu2+
阴离子 S、OH-
接通电源,经过一段时间后,测得乙中电极c质量增加。常温下各烧杯中溶液的pH与电解时间t的关系如图2所示。据此回答下列问题:
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(1)M为电源的 (填“正”或“负”)极,电极b上发生的电极反应为
。
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负
4OH--4e-===2H2O+O2↑
(1)乙中电极c质量增加,则c处发生的电极反应为Cu2++2e-===Cu,即电极c为阴极,由此可推出b为阳极,a为阴极,M为负极,N为正极。乙溶液中含Cu2+,而Cu2+只能和S结合,可以确定B为硫酸铜;由常温下各烧杯中溶液的pH与电解时间t的关系图,可以确定A为KOH或NaOH,C为Na2SO4或K2SO4;甲中为KOH或NaOH溶液,相当于电解H2O,阳极b处为阴离子OH-放电,即4OH--4e-===2H2O+O2↑。
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(2)写出乙烧杯中发生电解的总反应:
。
(2)乙烧杯中是电解 CuSO4溶液,总反应为2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4。
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2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4
(3)如果电解过程中B溶液中的金属离子全部析出,此时电解能否继续进
行,为什么? ,
。
(3)乙中铜全部析出后,电解质变为H2SO4,所以电解反应仍能继续进行。
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能
因为CuSO4溶液已转变为H2SO4溶液,反应变为电解水的反应
(4)若经过一段时间后,要使丙恢复到原来的状态,需要进行的操作是
。
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向丙烧杯中加入一定量的水
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