高中化学微专题-专题四 电解原理及其应用

专题四 电解池的工作原理及其应用 知识点1    电解池的构成及工作原理 1.电解和电解池 (1)电解：在电流作用下，电解质在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。 (2)电解池：将电能转化为化学能的装置。 (3)电解池的构成 ①有与电源相连的两个电极。 ②电解质溶液(或熔融电解质)。 ③形成闭合回路。 2.电解池的工作原理 (1)电极名称及电极反应式(以电解CuCl2溶液为例) 电解总反应的离子方程式：Cu2++2Cl-Cu+Cl2↑。 (2)电极名称的判断 ①阴极：与电源负极相连，得到电子，发生还原反应。 ②阳极：与电源正极相连，失去电子，发生氧化反应。 注意：金属活动性顺序中银以前的金属(含银)作电极时，由于金属本身可以参与阳极反应，称为活性电极(如Zn、Fe、Cu、Ag等)；金属活动性顺序中银以后的金属或非金属作电极时，称为惰性电极，主要有铂(Pt)、石墨等。 (3)电子和离子的移动方向 ①电子：从电源负极流出后，流向电解池阴极；从电解池的阳极流出后流向电源的正极。 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。 注意：电解时，在外电路中有电子通过，而在溶液中是靠离子移动导电，即电子不通过电解质溶液，简单概括为“电子不下水，离子不上线”。 (4)电解池的工作原理图解 3.电解池中电极反应式的书写 注意：①阴极不管是什么材料，电极本身都不反应，一定是溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电。②最常用、最重要的放电顺序为阳极：Cl->OH-；阴极：Ag+>Cu2+>H+。③电解水溶液时，K+～Al3+不可能在阴极放电，即不可能用电解水溶液的方法得到K、Ca、Na、Mg、Al等金属。 4.利用惰性电极电解电解质溶液的四种类型 类型 电解质(水溶液) 电极反应式 总化学(或离子)方程式 电解质溶液浓度 溶液pH 电解质溶液复原 电解水型 含氧酸(如H2SO4) 阳极：2H2O-4e-=O2↑+4H+ 阴极：4H++4e-=2H2↑ 2H2OO2↑+2H2↑ 增大 减小 加H2O 强碱(如NaOH) 阳极：4OH--4e-=O2↑+2H2O 阴极：4H2O+4e-=2H2↑+4OH- 2H2OO2↑+2H2↑ 增大 增大 加H2O 活泼金属的含氧酸盐(如KNO3、Na2SO4) 阳极：4OH--4e-=O2↑+2H2O 阴极：4H++4e-=2H2↑ 2H2OO2↑+2H2↑ 增大 不变 加H2O 电解电解质型 无氧酸(如HCl，除HF外) 阳极：2Cl--2e-=Cl2↑ 阴极：2H++2e-=H2↑ 2HClCl2↑+H2↑ 减小 增大 通入HCl 气体 不活泼金属的无氧酸盐(如CuCl2，氟化物除外) 阳极：2Cl--2e-=Cl2↑ 阴极：Cu2++2e-=Cu CuCl2Cu+Cl2↑ 减小 — 加CuCl2 放H2生碱型 活泼金属的无氧酸盐(如NaCl) 阳极：2Cl--2e-=Cl2↑ 阴极：2H2O+2e-=H2↑+2OH- 2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH- 生成新 电解质 增大 通入HCl气体 放O2生酸型 不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4) 阳极：2H2O-4e-=O2↑+4H+ 阴极：2Cu2++4e-=2Cu 2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+ 生成新 电解质 减小 加CuO或CuCO3 知识点2    电解原理的应用 1.氯碱工业 (1)电极反应 阳极：2Cl--2e-=Cl2↑(氧化反应) 阴极：2H++2e-=H2↑(还原反应) (2)总反应式 ①化学方程式：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。 ②离子方程式：2Cl-+2H2O2OH-+H2↑+Cl2↑。 (3)氯碱工业制烧碱、氢气和氯气图解 装置 离子交换膜电解槽 阳极 钛网(涂有钛、钌等氧化物涂层) 阴极 碳钢网 阳离子 交换膜 ①只允许阳离子通过，能阻止阴离子和气体通过 ②将电解槽隔成阳极室和阴极室 2.电镀与电解精炼 电镀 电解精炼铜 示意图 电极反应 阳极 Cu-2e-=Cu2+ Zn-2e-=Zn2+，Cu-2e-=Cu2+等 阴极 Cu2++2e-=Cu Cu2++2e-=Cu 电解质溶液的浓度变化 CuSO4溶液的浓度不变 CuSO4溶液的浓度略变小 3.电冶金 电解总反应方程式 电极反应式 冶炼钠 2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑ 阳极：2Cl--2e-=Cl2↑， 阴极：2Na++2e-=2Na 冶炼镁 MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑ 阳极：2Cl--2e-=Cl2↑， 阴极：Mg2++2e-=Mg 冶炼铝 2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑ 阳极：6O2--12e-=3O2↑， 阴极：4Al3++12e-=4Al 1．某科研小组用碱性甲烷燃料电池制备，其工作原理如图所示(已知电解装置的电极材料分别为金属钴和不锈钢)： 下列有关说法错误的是 A．N电极为不锈钢 B．电极n处电极反应式为： C．电解一段时间后，N极区溶液增大 D．膜a、膜c均为阳离子交换膜 2．用间接电解法对NO进行无害化处理，其原理如图所示。下列说法正确的是 A．工作时电解池中H+从左室移向右室 B．阳极电极反应式为2 + 2H++ 2e-= + 2H2O C．理论上每处理lmolNO，电解池中产生32g O2 D．吸收塔中反应的离子方程式为2NO + 2+ 2H2O = N2+ 4 3．我国科学家以CO2和辛胺为原料实现了甲酸盐和辛腈的高选择性合成，装置工作原理如图(以KOH溶液为电解液，隔膜a只允许OH-自由通过)。下列说法正确的是 A．m为直流电源正极 B．In/In2O3-x电极上发生的反应为CO2＋2e-＋H2O=HCOO-＋OH- C．若Ni2P电极上生成1molCH3(CH2)6CN，理论上电路中转移2mole- D．工作一段时间后，左右两室溶液的pH均保持不变 4．科技工作者开发以乙醇为原料制备DDE()的电解装置如图所示。下列说法错误的是 A．电源的电极电势：a>b B．阳极电极反应式为：C2H5OH+Cl--2e-=C2H5OCl+H+ C．乙醛为该转化过程的催化剂 D．每产生1mol DDE，电路中通过2mol e- 5．1，5—戊二胺()是生物法制备尼龙材料的重要原料，利用双极膜(BPM)电渗析产碱技术可将生物发酵液中的1，5—戊二胺硫酸盐(含和SO)转换为1，5—戊二胺，实现无害化提取，工作原理如图所示。下列说法错误的是 A．a极的电势比b极的低 B．m膜为阳离子交换膜，n膜为阴离子交换膜 C．电解过程中，H2SO4极室溶液的pH逐渐减小 D．b极区每生成11.2L气体(标准状况)，理论上可生成2mol1，5—戊二胺 6．利用电渗析法再生钠碱循环脱硫中的吸收液，并获取高浓度的，工作原理如图所示。已知双极膜在电流作用下可将水解离，膜两侧分别得到和。下列说法正确的是 A．双极膜右侧得到的是 B．再生吸收液从N室流出 C．相同条件下，阳极和阴极产生的气体体积比为2∶1 D．M室中SO、HSO分别与发生反应可得高浓度 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 参考答案： 1．B 【分析】根据图示，M电极所在为阳极室，M电极为阳极，N电极为阴极，则碱性甲烷燃料电池中m电极为正极，n电极为负极；据此分析作答。 【详解】A．该装置用于制备Co(H2PO2)2，M电极为阳极，则M电极为金属Co，M电极的电极反应为Co-2e-=Co2+，N电极为不锈钢，A正确； B．n电极为碱性甲烷燃料电池的负极，n电极通入CH4，电极反应式为CH4-8e-+10OH-=+7H2O，B错误； C．N电极为阴极，N电极电极反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，电解一段时间后，N极区碱性增强，溶液的pH增大，C正确； D．阳极室中的Co2+通过膜a进入产品室，膜a为阳离子交换膜，原料室中通过膜b进入产品室，膜b为阴离子交换膜，则原料室中Na+通过膜c进入阴极室，膜c为阳离子交换膜，D正确； 答案选B。 2．D 【分析】从图示中，可知在吸收塔中NO变成了N2，N的化合价降低，变成了，S的化合价从＋3升高到了＋4，化合价升高。在电解池中，变成了，S的化合价从＋4降低到＋3，得到电子，电极Ⅰ为阴极，而在电极Ⅱ附近有氧气生成，为H2O失去电子生成O2，为阳极。 【详解】A．电极Ⅰ为阴极，电极Ⅱ为阳极，工作时电解池中H+从右室移向左室，移向阴极，选项A错误； B．阳极上H2O失去电子生成O2，电极反应式为2H2O- 4e-=4H++O2↑,选项B错误； C．理论上每处理lmolNO，NO转化为N2,转移2mol e-，电解池中同样转移2mol e-，故产生0.5mol32g /mol=16gO2，选项C错误； D．吸收塔中NO变N2，变成了，C中的离子方程式满足电子守恒、电荷守恒、原子守恒，反应的离子方程式为2NO + 2+ 2H2O = N2+ 4，选项D正确； 答案选D。 3．B 【分析】根据图中In/In2O3-x电极上CO2→HCOO-可知，CO2发生得电子的还原反应，In/In2O3-x电极为阴极，阴极反应为CO2+2e-+H2O═HCOO-+OH-，则Ni2P电极为阳极，辛胺在阳极上发生失电子的氧化反应生成辛腈，电极反应为CH3(CH2)6CH2NH2+4OH--4e-=CH3(CH2)6CN+4H2O，阴极与外加电源的负极相接，阳极与外加电源的正极相接，据此分析解答。 【详解】A．In/In2O3-x电极为阴极，与电源负极相连，则m为直流电源负极，故A错误； B．In/In2O3-x电极上CO2→HCOO-可知，CO2发生得电子的还原反应，阴极反应为CO2+2e-+H2O═HCOO-+OH-，故B正确； C．Ni2P电极为阳极，电极反应为CH3(CH2)6CH2NH2+4OH--4e-=CH3(CH2)6CN+4H2O，生成1molCH3(CH2)6CN，理论上电路中转移4mole-，故C错误； D．阴极电极反应为2CO2+4e-+2H2O═2HCOO-+2OH-，阳极电极反应为CH3(CH2)6CH2NH2+4OH--4e-=CH3(CH2)6CN+4H2O，OH-被消耗，工作一段时间后，左右两室溶液的pH减小，故D错误； 故选：B。 4．C 【详解】A．电解池阳极连接电源正极，阴极连接电源负极；右侧电极的电极反应为2H++2e-=H2，则右侧点击为阴极，故左侧电极为阳极，a为正极，b为负极，电极电势a＞b，A正确； B．左侧电极为阳极，电极反应式为：C2H5OH+Cl--2e-=C2H5OCl+H+，B正确； C．由图可知，C2H5OCl先转化为CH3CHO，CH3CHO再和C2H5OH反应生成水和DDE，则CH3CHO为中间产物，C错误； D．由图可知，产生1mol DDE需要消耗1mol CH3CHO，而1mol CH3CH2OH转化为1mol CH3CHO需要转移2mol e-，每产生1mol DDE，电路中通过2mol e-，D正确； 故选C。 5．D 【分析】根据题意，将生物发酵液中的1，5—戊二胺硫酸盐转换为1，5—戊二胺，实现无害化提取，则生物发酵液中SO应通过n膜进入H2SO4溶液，应通过m膜进入产品室，与BPM表面产生的OH-生成水和产品。 【详解】A．据分析，阳离子朝a极运动，a极是阴极，则b极是阳极，故a极的电势比b极的低，A正确； B．据分析，m膜为阳离子交换膜，n膜为阴离子交换膜，B正确； C．据分析，电解过程中SO进入H2SO4极室，生成H2SO4，pH逐渐减小，C正确； D．据分析，b极区是阳极区，电渗析过程生成O2，每生成11.2L气体(标准状况)转移电子=2mol，而生成结合2molH+，故理论上可生成1mol1，5—戊二胺，D错误； 故选D。 6．BD 【分析】根据图1钠碱循环脱硫示意可知，Na2SO3吸收SO2得到NaHSO3溶液从pH>8变成pH<6，则图2中要再生吸收液，NaHSO3需要转化为Na2SO3；M室亚硫酸根和亚硫酸氢根与H+结合生成高浓度SO2；N室NaHSO3与OH-生成Na2SO3。 【详解】A．在电解池中，阳离子向阴极方向迁移，阴离子向阳极方向迁移，因此，双极膜右侧得到的是H+，左侧得到，A错误； B．据分析可知，N室的亚硫酸氢根离子与其右侧迁移进来的氢氧根离子发生反应生成亚硫酸根离子，从而实现再生，因此，再生吸收液从N室流出，B正确； C．阳极发生的电极反应是2H2O-4e-=O2↑+4H+，阴极发生的电极反应是4H2O+4e-=4OH-+2H2↑，则根据得失电子数相等，相同条件下，阳极和阴极产生的气体体积比为1∶2，C错误； D．据分析，M室中SO、HSO分别与双极膜解离出的发生反应，得高浓度，D正确； 综上所述，本题选BD。 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $$