02 电解原理的应用归纳及相关题型的判断与计算-《中学生数理化》高考理化2025年4月刊

■宁夏固原市第一中学 李晓峰(正高级教师) 电解原理的应用是对电解原理的进一步深 化、延伸与拓展,高考中常出现阴阳极的判断、 产物的判断与计算、溶液pH的计算与判断及溶 液的复原等有关电解原理的考点,这里有必要 加以归纳整理,以提高此方面的学习效率。 一、电解原理的应用 1.电解饱和食盐水。 (1)氯碱工业的概念:烧碱、氯气都是重 要的化工原料,习惯上把电解饱和食盐水的 工业生产称为氯碱工业。 (2)电解饱和食盐水的原理。 装置图:如图1。 图1 通电前:氯化钠溶液中的离子有 Na+、 Cl-、H+、OH-。 通电时:Cl-、OH-移向阳极,Na+、H+移 向阴极。 电极反应:阳极反应为2Cl- -2e- 􀪅􀪅 Cl2↑(氧化反应);阴极反应为2H++2e-􀪅􀪅 H2↑(还原反应)。 化学方程式:2NaCl+2H2O 电解 􀪅􀪅2NaOH +H2↑+Cl2↑。 离子方程式:2Cl-+2H2O 电解 􀪅􀪅2OH-+ H2↑+Cl2↑。 (3)氯碱工业生产流程。 工业生产中,电解饱和食盐水的反应是 在有离子交换膜的电解槽中进行,阳离子交 换膜电解槽装置如图2所示。 图2 阳离子交换膜的作用:只允许 Na+ 等阳 离子通过,不允许Cl-、OH-等阴离子及气体 分子通过,这样既可以防止阴极产的氢气与 阳极产生的氯气混合发生爆炸,又可以避免 氯气与阴极产生的氢氧化钠溶液反应生成 NaClO而影响氢氧化钠溶液的产量和质量。 注意:阳极区Cl-放电生成Cl2,生成的Cl2 少 量溶于水会使阳极区呈酸性。 (4)氯碱工业产品及其应用。 ①氯碱工业产品 主 要 有:NaOH、Cl2、 H2、盐酸、含氯漂白剂。 ②电解饱和食盐水为原理的氯碱工业产 品在有机合成、造纸、玻璃、肥皂、纺织、印染、 农药、金属冶炼等领域中广泛应用。 图3 例 1 氯 碱 工 业以电解精制 饱 和 食盐水的方法 制 取 氯气、氢 气、烧 碱 和 氯的含氧酸盐 等 系 列 化 工 产 品。图 3 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允 许阳离子通过,请回答下列问题: (1)A为 极,X、Y分别是 、 。 (2)离子交换膜的作用为 。 (3)a、b、c、d处加入或取出的物质分别 是 、 、 、 。 答案:(1)阳 Cl2 H2 (2)既阻止OH-进入阳极室与Cl2 发生 8 知识篇 知识结构与拓展 高考理化 2025年4月 副反应2NaOH+Cl2 􀪅􀪅NaCl+NaClO+ H2O,又阻止阳极产生的Cl2 和阴极产生的 H2 混合发生爆炸 (3)饱和食盐水 稀的NaOH溶液 稀 的食盐水 浓NaOH溶液 点评:本题主要考查氯碱工业电解饱和 食盐水的原理及装置的理解与应用,交换膜 的作用及原料产物出入方向。 图4 例 2 电解法处 理含铬(六价铬)废水 的原理如图4所示,阳 极区溶液中的离子反 应是 Cr2O2-7 +6Fe2+ + 14H+􀪅􀪅2Cr3+ +6Fe3+ +7H2O。下列说法正确 的是( )。 A.电解槽中H+向阳极移动 B.阳极的电极反应式:Fe-3e-􀪅􀪅Fe3+ C.电解一段时间后,阴极区溶液的pH 升高 D.阳极的铁板可用石墨代替 解析:电解过程中,H+ 向阴极移动,A项 错误。阳极上Fe失电子生成Fe2+,Fe2+ 再发 生反应,B项错误。因左侧几乎不含六价铬, 则左侧为阳极,右侧为阴极,生成H2,说明H+ 放电,由于H+参与反应被消耗,pH升高,C项 正确。若石墨代替Fe,无法产生Fe2+,也无法 将Cr2O2-7 还原成Cr3+,D项错误。 答案:C 2.电镀。 (1)电镀的概念:利用电解原理在某些金 属表面镀上一层其他金属或合金的加工工艺 过程。 (2)电镀的主要目的:使金属增强抗腐蚀 能力,增加表面硬度和美观度。 (3)电镀池的构成(见图5)。 图5 阳极:将镀层金属浸入电镀液中并与直 流电源的正极相连作为阳极。 阴极:将待镀金属制品与直流电源的负 极相连作为阴极。 电镀液:将含有镀层金属离子的溶液作 为电解质溶液。 电镀特点:电镀时,阳极参与电极反应溶 解,阳极减少的质量和阴极增加的质量相等; 阳极失电子总数和阴极得电子总数相等,电 解质溶液的浓度保持不变。 图6 以铁片镀铜为例:实 验装置如图6所示。 实验现象:铜片不断 溶解,铁件表面镀一层红 色的固体。 阳极 反 应:Cu-2e- 􀪅􀪅Cu2+。 阴极反应:Cu2++2e-􀪅􀪅Cu。 反应特点:反应前后硫酸铜溶液浓度保 持不变。 3.电解精炼铜(见图7)。 图7 精炼 原 理:电 解精炼粗铜时,通 常将纯铜作阴极, 将粗铜(含Zn、Fe、 Ni、Ag、Au等)作 阳极,以CuSO4 溶 液 作 为 电 解 质 溶 液,在直流电作用 下,阳极粗铜逐渐溶解,在阴极上析出纯铜, 这样可得纯度达99.98%的铜。 电极反应: 阳极(粗铜):Zn-2e- 􀪅􀪅Zn2+,Fe-2e- 􀪅􀪅Fe2+,Ni-2e-􀪅􀪅Ni2+,Cu-2e-􀪅􀪅Cu2+。 阴极(纯铜):Cu2++2e-􀪅􀪅Cu。 精炼特点:铜电解精炼时,电解质溶液中 的Cu2+浓度减小;阳极减少的质量和阴极增 加的质量不相等;但阳极失电子总数和阴极 得电子总数相等。 除杂原理:在精炼池的阳极中,含杂质的 铜不断溶解,比铜更活泼的Zn、Fe、Ni等会 失去电子,但Ag、Au等金属杂质由于失去电 9 知识篇 知识结构与拓展 高考理化 2025年4月 子能力比Cu弱,难以在阳极溶解,它们则会 以单质的形式沉积在精炼池底,形成“阳极 泥”。这些“阳极泥”经分离后可以得到 Ag、 Au等 贵 重 金 属。在 阴 极,由 于 溶 液 中 的 Zn2+、Fe2+、Ni2+、H+等离子得电子的能力均 比Cu2+弱,且物质的量浓度均比Cu2+ 小,所 以只有Cu2+在阴极得电子而析出Cu,这样, 在阴极便得到纯铜。长时间电解后,电解质 溶液的 Cu2+ 浓度有所减小,引入的 Zn2+、 Fe2+、Ni2+等杂质则需定时除去。 例 3 关于镀铜和电解精炼铜,下列说 法中正确的是( )。 A.都用粗铜作阳极、纯铜作阴极 B.电解液的成分都保持不变 C.阳极反应都只有Cu-2e-􀪅􀪅Cu2+ D.阴极反应都只有Cu2++2e-􀪅􀪅Cu 解析:电镀时镀件作阴极;电解精炼铜时 电解液成分改变;电解精炼铜时,杂质若有比 铜活泼的金属(如锌),则还会发生反应Zn- 2e-􀪅􀪅Zn2+等。 答案:D 例 4 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。已知氧化性Fe2+<Ni2+ < Cu2+,下列叙述正确的是( )。 A.阳极发生还原反应,其电极反应式为 Ni2++2e-􀪅􀪅Ni B.电解过程中,阳极质量的减少量与阴 极质量的增加量一定相等 C.电解后,电解槽底部的阳极泥中含有 Cu和Pt D.电解后,溶液中存在的金属阳离子只 有Fe2+和Zn2+ 解析:电解法制备高纯度的镍时,粗镍作 为阳极,阳极反应依次为Zn-2e-􀪅􀪅Zn2+, Fe-2e-􀪅􀪅Fe2+,Ni-2e-􀪅􀪅Ni2+,A 项错 误。在电解过程中,阳极 Zn、Fe、Ni溶解, Cu、Pt沉积到电解槽底部,阴极只析出Ni,两 极转移的电子数相等,但阳极的质量减少量 与阴极的质量增加量不相等,B项错误,C项 正确。电解后,溶液中存在的金属阳离子除 Fe2+、Zn2+外,还有Ni2+,D项错误。 答案:C 4.电冶金。 (1)金属冶炼的本质:使矿石中的金属离 子获得电子变成金属单质的过程。如 Mn++ ne-􀪅􀪅M 电解法是冶炼金属的一种重要方 法,也是最强有力的氧化还原的手段。 (2)电解法适用范围:主要用于冶炼较活 泼的金属(如钾、钠、镁、铝等),注意不能电解 其盐溶液,应电解其化合物的熔融态。钠、 镁、铝的冶炼方法如下: 图8 ①电 解 熔 融 的 NaCl可制取金属Na (见图8)。 阳极反应:2Cl- -2e-􀪅􀪅Cl2↑。 阴极反应:2Na+ +2e-􀪅􀪅2Na。 总反应:2NaCl(熔 融) 电解 􀪅􀪅2Na+Cl2↑。 ②电解熔融的 MgCl2 制取金属 Mg。 阳极反应:2Cl--2e-􀪅􀪅Cl2↑。 阴极反应:Mg2++2e-􀪅􀪅Mg。 总反应:MgCl2 电解 􀪅􀪅Mg+Cl2↑。 ③电解熔融的Al2O3 制取金属Al。 阳极反应:6O2--12e-􀪅􀪅3O2↑。 阴极反应:4Al3++12e-􀪅􀪅4Al。 总反应:2Al2O3 电解 Na3AlF6 􀪅􀪅􀪅􀪅􀪅4Al+3O2↑ 。 注意:①电解熔融 MgCl2 冶炼 Mg,而不 能电解熔融 MgO冶炼 Mg,因 MgO的熔点 很高。②电解熔融Al2O3 冶炼Al,而不能电 解AlCl3 冶炼Al,因AlCl3 是共价化合物,其 熔融态不导电;加入冰晶石(Na3AlF6),可降 低氧化铝的熔化温度。③阳极材料(碳)和熔 融的Al2O3 需要定期补充。 例 5 以熔融盐为电解液,以含Cu、Mg 和Si等的铝合金废料为阳极进行电解,实现 Al的再生。该过程中( )。 A.阴极发生的反应为Mg-2e-􀪅􀪅Mg2+ B. 阴极上Al被氧化 C.在电解槽底部产生含Cu的阳极泥 01 知识篇 知识结构与拓展 高考理化 2025年4月 D. 阳极和阴极的质量变化相等 解析:该题中以熔融盐为电解液,含Cu、 Mg和Si等的铝合金废料为阳极进行电解, 通过控制一定的条件,从而可使阳极区 Mg 和 Al发 生 失 电 子 的 氧 化 反 应,分 别 生 成 Mg2+和Al3+,Cu和Si不参与反应,阴极区 Al3+得电子生成 Al单质,从而实现 Al的再 生。阴极应该发生得电子的还原反应,实际 上 Mg在阳极失电子生成 Mg2+,A项错误。 Al在阳极上被氧化生成Al3+,B项错误。阳 极材料中Cu和Si不参与氧化反应,在电解 槽底部可形成阳极泥,C项正确。因为阳极 除了铝参与电子转移,镁也参与了电子转移, 且还会形成阳极泥,而阴极只有铝离子得电 子生成铝单质,根据电子转移数守恒及元素 守恒可知,阳极与阴极的质量变化不相等,D 项错误。 答案:C 二、电解的相关典型计算 1.计算类型:电解的相关计算主要是两极 产物的定量计算(如质量、气体体积、某元素的 化合价、溶液的pH及物质的量浓度等)。 2.电解计算的依据。 (1)阳极失去的电子数=阴极得到的电 子数。 (2)无论是原电池还是电解池,无论是一 个“池”还是多个“池”任意串联,串联电路中 通过各电解池的电子总数相等。 (3)电源输出的电子总数和电解池中转 移的电子总数相等。 3.电解计算的方法。 (1)依电子守恒法计算:此法用于串联电 路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量 等类型的计算,其依据是电路上转移的电子 数相等。 (2)依总反应式计算:可先写出电极反应 式,再写出总反应式,最后根据总反应式列比 例计算。 (3)依关系式计算:根据得失电子守恒的 关系建立已知量与未知量之间的桥梁,即建 立计算所需常见关系式,如以通过4 mol e- 为桥梁可构建如下关系式: 4e-~2Cl2(Br2、I2)~O2 阳极产物 􀮩 􀮫􀮪􀪁􀪁􀪁 􀪁􀪁􀪁 ~2H2~2Cu~4Ag~ 4 nM 阴极产物 􀮩 􀮫􀮪􀪁􀪁􀪁􀪁􀪁 􀪁􀪁􀪁􀪁􀪁 (式中 M 为金属,n 为其离子的化合价 数值) 注意: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等。 例 6 如图9所示的A、B两个电解池中 的电极均为铂,在A池中加入0.05 mol·L-1 的CuCl2 溶液,B池中加入0.1 mol·L-1 的 AgNO3 溶液,进行电解。a、b、c、d四个电极上 所析出的物质的物质的量之比是( )。 图9 A.2∶2∶4∶1 B.1∶1∶2∶1 C.2∶1∶1∶1 D.2∶1∶2∶1 解析:由外电路直流 电源知,a、c为阴极,b、d 为阳极。由电解规律知,a极上析出Cu,b极 上析出Cl2,c极上析出 Ag,d极上析出 O2。 由电子守恒知,2e-~Cu~Cl2~2Ag~ 1 2O2 , 所以a、b、c、d四个电极上所析出的物质的物 质的量之比为2∶2∶4∶1。 答案:A 例 7 在500 mL Cu(NO3)2 与NaNO3 的 混合溶液中c(NO-3)=0.3 mol·L-1,用石墨作 电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收 集到标准状况下气体1.12 L,假定电解后溶液 体积不变,下列说法正确的是( )。 A.原混合溶液中c(Na+)=0.2 mol·L-1 B.电解后溶液中c(H+)=0.2 mol·L-1 C.上述电解过程中共转移0.4 mol电子 D.电解后得到的Cu的物质的量为0.1 mol 解析:阳极离子放电能力 OH->NO-3, 依题中信息知,阳极一定是 OH- 放电,生成 氧气0.05 mol,转移电子0.2 mol;阴极离子 放电能力Cu2+>H+>Na+,则Cu2+先放电, 然后是 H+ 放电,当阴极生成氢气0.05 mol 时,转移电子0.1 mol,依得失电子守恒知,Cu2+ 转移0.1 mol电子,即n(Cu2+)=0.05 mol。 11 知识篇 知识结构与拓展 高考理化 2025年4月