資源簡介

第四章　化學反應與電能
第二節　電解池
第1課時　電解原理
基礎過關練
題組一　　電解池的構成與工作原理
1.(經典題)某同學為了使反應HCl+Ag AgCl+H2↑能進行,設計了下列四個實驗,如圖所示,你認為可行的方案是 (　　)
2.用石墨電極電解CuCl2溶液(如圖所示)。下列分析正確的是 (　　)
A.a端是直流電源的負極
B.通電使CuCl2發生電離
C.陽極上發生的反應為
Cu2++2e- Cu
D.通電一段時間后,在陰極附近觀察到黃綠色氣體
題組二　　電解規律
3.為探究電解過程中離子的放電規律,某研究小組進行下列實驗:
序號 陽極 材料 陰極 材料 熔融電解質或 電解質溶液 陽極氧 化產物 陰極還 原產物
① 石墨 石墨 熔融NaCl Cl2 Na
② 石墨 石墨 0.1 mol·L-1 NaCl溶液 Cl2 H2
③ 石墨 石墨 0.2 mol·L-1 CuSO4溶液 O2 Cu
④ 銅 石墨 0.2 mol·L-1 CuSO4溶液 Cu2+ Cu
⑤ 石墨 石墨 0.1 mol·L-1 CuCl2溶液 Cl2 Cu
下列說法不正確的是 (　　)
A.對比②⑤知,陰極上離子放電順序:Cu2+>H+>Na+
B.對比③⑤知,陽極上離子放電順序:Cl->OH->S
C.對比③④知,陽極是銅時,會先于溶液中的離子放電
D.對比①⑤知,電解得到金屬只能用熔融態,不能用水溶液
4.(易錯題)某學習小組用如圖所示裝置進行相關電解實驗,下列說法正確的是 (　　)
A.該裝置中電子移動方向:電源負極→石墨1→X溶液→石墨2→電源正極
B.若X是Na2SO4,電解一段時間后,向U形管兩端滴入酚酞試劑,只有石墨1電極附近的溶液呈紅色
C.若X是AgNO3,電解一段時間后,電解液的氧化性減弱
D.若X是NaOH,石墨2的電極反應式為2H2O-4e- 4H++O2↑
能力提升練
題組一　　串聯裝置分析
1.(經典題)如圖所示,甲池的總反應式為N2H4+O2 N2+2H2O,下列說法正確的是 (　　)
A.該裝置工作時,乙池中石墨電極上有紅色固體析出
B.甲池中負極反應為N2H4-4e- N2+4H+
C.甲池和乙池中溶液的pH均減小
D.當甲池中消耗0.1 mol N2H4時,乙池中理論上最多產生6.4 g固體
2.如圖所示的電解裝置,通電一段時間后,發現C端變為藍色。下列說法正確的是 (　　)
A.F為電源負極
B.甲池中鐵電極反應:Fe-2e- Fe2+
C.電子流向:E→D→C→Fe
D.通電一段時間后,乙池中出現藍色沉淀
題組二　　與電解相關的計算
3.在500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中,c(N)=0.8 mol/L,用石墨作電極電解此溶液,當通電一段時間后,兩極均收集到2.24 L氣體(標準狀況下),假定電解后溶液體積仍為500 mL。下列說法正確的是 (　　)
A.上述電解過程中共轉移0.2 mol電子
B.原混合溶液中c(K+)為0.4 mol/L
C.原溶液中Cu(NO3)2的物質的量為0.05 mol
D.電解后溶液中c(H+)為0.2 mol/L
4.如圖所示的裝置中,若通直流電5 min時,銅電極質量增加21.6 g,試回答下列問題:
(1)若電源為堿性乙醇燃料電池,則電極X的電極反應式為　　　　　　　　　　　　　。
(2)pH變化:A　　　,B　　　,C　　　。(填“增大”“減小”或“不變”)
(3)若A中KCl足量且溶液的體積是200 mL,電解后,溶液中OH-的物質的量濃度為　　　mol·L-1(假設電解前后溶液的體積無變化)。
(4)通電5 min時,B中共收集到2 240 mL氣體(標準狀況),溶液體積為200 mL,則通電前CuSO4溶液的物質的量濃度為　　　　(設電解前后溶液體積無變化);若要使B裝置溶液恢復到電解前的狀態,需要加入的物質以及相應的物質的量正確的是　　　　。
A.0.05 mol CuO
B.0.05 mol CuO和0.025 mol H2O
C.0.05 mol Cu(OH)2
D.0.05 mol CuCO3和0.05 mol H2O
答案與分層梯度式解析
基礎過關練
1.C 2.A 3.D 4.B
1.C　Ag與鹽酸不能自發反應,所以要使反應HCl+Ag AgCl+H2↑能進行,應該設計成電解池,Ag失電子發生氧化反應,Ag作陽極,氫離子得電子發生還原反應,電解質溶液中氫離子放電,則符合條件的是C。
2.A　通過圖中離子的移動方向(破題關鍵)可判斷連接a的為陰極,連接b的為陽極,故a端為直流電源的負極,b端為直流電源的正極,A項正確;CuCl2在水溶液中就能發生電離,而不是通電的結果,B項錯誤;陽極發生氧化反應,即2Cl--2e- Cl2↑,在陽極附近可觀察到黃綠色氣體,陰極發生還原反應,析出Cu,C、D項錯誤。
3.D　據②得H+的氧化性強于Na+,據⑤得Cu2+的氧化性強于H+,陰極上得電子能力強(氧化性強)的離子優先放電,所以對比②⑤可知,陰極上離子放電順序是Cu2+>H+>Na+,A正確;據③得陽極上離子放電順序是OH->S,據⑤知陽極上離子放電順序是Cl->OH-,所以陽極上離子放電順序是Cl->OH->S,B正確;電解池的陽極若是金屬電極,則金屬電極本身失電子,發生氧化反應,對比③④可知,陽極是銅時,會先于溶液中的離子放電,C正確;電解得到金屬不一定只能用熔融態,電解氯化銅溶液可得到金屬銅,D錯誤。
4.B　電子不能經過電解質溶液或熔融電解質(易錯點),裝置中電子移動方向:電源負極→陰極(石墨1),陽極(石墨2)→電源正極,A錯誤;若X是Na2SO4,則陰極(石墨1)上電極反應為4H2O+4e- 2H2↑+4OH-,陽極(石墨2)上電極反應為2H2O-4e- O2↑+4H+,電解一段時間后,向U形管兩端滴入酚酞,只有石墨1電極附近的溶液呈紅色,B正確;X是AgNO3,根據電解總反應4Ag++2H2O 4Ag↓+O2↑+4H+可知,電解一段時間后電解液由AgNO3溶液變為HNO3(具有強氧化性)和AgNO3的混合液,電解液的氧化性增強,C錯誤;若X是NaOH,石墨2為陽極,陽極上OH-放電,電極反應式為4OH--4e- 2H2O+O2↑,D錯誤。
能力提升練
1.C 2.D 3.B
1.C　題圖中甲池為燃料電池,乙池為電解池;甲池中通氧氣的一極為正極,石墨電極與正極相連,則石墨電極為陽極,陽極H2O中OH-放電生成O2,A錯誤;甲池中負極為通N2H4的一極,電解質溶液為KOH溶液,則電極反應為N2H4-4e-+4OH- N2+4H2O,B錯誤;甲池的總反應為N2H4+O2 N2+2H2O,反應生成水,使KOH溶液濃度降低,則pH減小,乙池的總反應為2CuSO4+2H2O 2H2SO4+2Cu+O2↑,生成H2SO4,溶液pH減小,C正確;當甲池中消耗0.1 mol N2H4時,轉移電子0.4 mol,乙池中理論上最多產生0.2 mol Cu,質量為12.8 g,D錯誤。
2.D　通電一段時間后,發現C端變為藍色,即C端電極反應為2I--2e- I2,C為陽極、D為陰極,則E為電源負極、F為電源正極,A錯誤;甲池中鐵電極為陰極,電極反應為Ag++e- Ag,B錯誤;電子不能通過電解質溶液,不會沿D→C移動,C錯誤;乙池中銅極失電子形成Cu2+,石墨電極的電極反應式為2H2O+2e- H2↑+2OH-,故通電一段時間后,出現藍色Cu(OH)2沉淀,D正確。
3.B　電解硝酸鉀和硝酸銅混合溶液時,陽極上OH-放電生成O2,陰極上Cu2+先放電生成Cu,當Cu2+完全析出時,H+放電生成H2,通電一段時間后,兩極氣體的物質的量均為2.24 L÷22.4 L/mol=0.1 mol;每生成0.1 mol O2轉移0.4 mol電子,每生成0.1 mol H2轉移0.2 mol電子,每生成1 mol Cu轉移2 mol電子,根據得失電子守恒得n(Cu2+)==0.1 mol,則原溶液中Cu(NO3)2的物質的量為0.1 mol,Cu2+的物質的量濃度為0.1 mol÷0.5 L=0.2 mol/L,根據電荷守恒得K+濃度為0.8 mol·L-1-0.2 mol·L-1×2=0.4 mol·L-1,當電解硝酸銅溶液時生成氫離子,電解硝酸鉀溶液實質上是電解水,電解后H+的濃度==0.4 mol·L-1,故B正確。
反思升華　(1)首先看陽極材料,若為惰性電極,溶液中的陰離子被氧化;若為活性電極,則被氧化的是電極本身。(2)若溶液中的陰、陽離子有多種,要根據離子放電順序判斷什么離子先放電,什么離子后放電,最終確定電極產物。
4.答案　(1)C2H5OH+16OH--12e- 2C+11H2O
(2)增大　減小　不變
(3)1
(4)0.25 mol·L-1　CD
解析　C裝置中銅電極質量增加21.6 g,說明銅極上有金屬析出,即溶液中的銀離子被還原生成銀單質,所以銅為陰極,則X為負極,Y為正極。
(1)若電源為堿性乙醇燃料電池,X為負極,乙醇在負極上發生氧化反應,則電極X的電極反應式為C2H5OH+16OH--12e- 2C+11H2O。
(2)A裝置是電解KCl溶液,陰極放出氫氣,陽極放出氯氣,溶液中氫氧根離子濃度增大,溶液pH增大;B裝置是電解CuSO4和K2SO4的混合溶液,溶液中氫離子濃度增大,溶液pH減小;C裝置是電解AgNO3溶液,Ag電極為陽極,Ag本身放電,陰極析出Ag單質,溶液pH不變,因此A、B、C三個裝置中溶液pH分別增大、減小、不變。
(3)C裝置中銅電極上生成21.6 g銀單質,物質的量為0.2 mol,轉移0.2 mol電子,A裝置中總反應為2KCl+2H2O Cl2↑+H2↑+2KOH,根據得失電子守恒可知,轉移0.2 mol電子時生成0.2 mol KOH,則n(OH-)=0.2 mol,溶液中OH-的物質的量濃度為=1 mol·L-1。
(4)通電5 min時,B中共收集到2 240 mL氣體(標準狀況),氣體物質的量為0.1 mol,B裝置中陽極上生成氧氣,由(3)知轉移電子的物質的量為0.2 mol,則生成氧氣的物質的量為0.05 mol,陰極上得到氫氣的物質的量為0.05 mol,再根據得失電子守恒,銅離子得到電子的物質的量是0.2 mol-0.05 mol×2=0.1 mol,則溶液中銅離子的物質的量為0.05 mol,溶液體積為200 mL,則通電前CuSO4溶液的物質的量濃度為=0.25 mol·L-1;電解過程中得到0.05 mol Cu、0.05 mol H2、0.05 mol O2,若要使B裝置溶液恢復到電解前的狀態,需要加入的物質以及相應的物質的量要與電解過程中從體系中析出的物質相當,加入0.05 mol Cu(OH)2相當于加入0.05 mol CuO和0.05 mol H2O,可使B裝置溶液恢復到電解前的狀態,C正確;加入0.05 mol CuCO3和0.05 mol H2O相當于加入0.05 mol CuO和0.05 mol H2O,可使B裝置溶液恢復到電解前的狀態,D正確。
10(共24張PPT)
第二節 電解池
知識點 1 電解原理
必備知識 清單破
1.電解池:將電能轉化為化學能的裝置。
特別提醒 電解是一種強氧化還原手段,可實現非自發的氧化還原反應。
(1)電解池的構成條件
①直流電源;②兩個電極(陰極、陽極);③電解質溶液、熔融電解質或固態離子導體;④形成
閉合回路。
(2)電解池的工作原理
①電極名稱和電極反應式(以惰性電極電解CuCl2溶液為例)
②電子流向和離子移動方向
　　導線上(外電路)電子從電源的負極流出,經導線流向電解池的陰極。電解池的陽極上產
生的電子經導線流入電源的正極。溶液中(內電路)陰離子移向陽極,陽離子移向陰極。
2.電解規律
(1)陽極產物的判斷
①活性電極(除Au、Pt以外的金屬材料)作陽極,電極材料失電子,生成金屬陽離子。
②惰性電極(Pt、Au、石墨等)作陽極,要依據陰離子的放電順序加以判斷。陰離子的放電順
序:S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根離子。
　　S2-、I-、Br-、Cl-放電,產物一般分別是S、I2、Br2、Cl2;若OH-放電,則得到O2。
(2)陰極產物的判斷
　　無論是惰性電極還是活性電極都不參與陰極反應,發生反應的是溶液中的陽離子。陽離
子放電順序:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+。
　　若金屬陽離子(Fe3+除外)放電,一般得到相應金屬單質;若H+放電,則得到H2。
特別提醒 放電順序本質遵循氧化還原反應的“優先規律”,即得(失)電子能力強的離子先放電。
3.用惰性電極電解電解質溶液的類型【詳見定點1】
4.電解池中電極的判斷及電極反應式書寫的關注點【詳見定點2】
知識點 2 電解原理的應用
1.電解飽和食鹽水(氯堿工業)
(1)電解原理示意圖
　　陽離子交換膜的作用:阻止OH-進入陽極室與Cl2發生副反應2NaOH+Cl2 NaCl+ NaClO+H2O;防止陽極產生的Cl2和陰極產生的H2混合發生爆炸。
(2)電極反應與電解總反應方程式
　　陽極:2Cl--2e- Cl2↑(氧化反應);
　　陰極:2H2O+2e- H2↑+2OH-(還原反應)。
　　檢驗陽極產物的方法:用濕潤的KI-淀粉試紙靠近陽極,若試紙變藍,證明生成了Cl2。電
解時向食鹽水中滴加酚酞溶液,陰極附近溶液變紅,說明該電極附近的產物有NaOH。
　　化學方程式:2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑;離子方程式:2Cl-+2H2O 2OH-+H2↑+Cl2↑。
2.電鍍
　　應用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或合金的加工工藝稱為電鍍。如金
屬制品表面電鍍銅:
　　陽極反應:Cu-2e- Cu2+;陰極反應:Cu2++2e- Cu。
特別提醒 電鍍過程中的“一多,一少,一不變”:“一多”指陰極上有鍍層金屬沉積;“一
少”指陽極上有鍍層金屬溶解;“一不變”指電鍍液(電解質溶液)的濃度不變。
3.電解精煉銅

特別提醒 電解精煉銅過程中的“兩不等”:電解質溶液濃度在電解前后不相等;陰極增加
的質量和陽極減少的質量不相等。
4.電冶金
　　利用電解法可冶煉鉀、鈣、鈉、鎂、鋁等活潑金屬。
　　冶煉鈉:2NaCl(熔融) 2Na+Cl2↑;2Cl--2e- Cl2↑(陽極),2Na++2e- 2Na(陰極)。
　　冶煉鎂:MgCl2(熔融) Mg+Cl2↑;2Cl--2e- Cl2↑(陽極),Mg2++2e- Mg(陰極)。
　　冶煉鋁:2Al2O3(熔融) 4Al+3O2↑;6O2--12e- 3O2↑(陽極),4Al3++12e- 4Al(陰極)。
特別提醒 冶煉鋁時,通常電解熔融的Al2O3,常利用冰晶石(Na3AlF6)作助熔劑。
5.電化學計算的基本方法和技巧【詳見定點3】
知識辨析
1.用石墨作電極電解CuCl2溶液,陰極逸出的氣體能使濕潤的淀粉碘化鉀試紙變藍色,這種說
法對嗎
2.電解H2SO4溶液時,H+放電,溶液的pH逐漸增大,這種說法對嗎
3.電解飽和食鹽水時,兩個電極均不能用金屬材料,這種說法對嗎
4.電解精煉銅時,陽極和陰極轉移電子的物質的量相同,其質量變化也相同,這種說法對嗎
5.可以分別電解熔融的MgO和AlCl3來冶煉Mg和Al,這種說法對嗎
一語破的
1.不對。Cl2在陽極生成,可使濕潤的淀粉碘化鉀試紙變藍色。
2.不對。電解H2SO4溶液,實際是電解水,pH減小。
3.不對。金屬材料Pt和Au都是惰性電極,陰、陽兩極都可用,也可用較活潑金屬Zn、Fe等作
陰極。
4.不對。雖然電解時陽極和陰極轉移電子的物質的量相同,但陽極開始是比Cu活潑的金屬失
電子,后來才是Cu失電子,而陰極始終是Cu2+得電子,故陽極減少的質量和陰極增加的質量不
相等。
5.不對。MgO熔點高,熔融需要的能量高,可電解熔融MgCl2冶煉Mg;AlCl3是共價化合物,熔融
時不導電,可電解熔融Al2O3來冶煉Al。
關鍵能力 定點破
定點 1 用惰性電極電解電解質溶液
1.電解類型及規律
電解 類型 實例 陽極反應式 陰極反應式 pH變化 電解質溶液的變化 電解后復原應加入物質
電解 水型 H2SO4溶液 2H2O-4e- O2↑+ 4H+ 4H++4e- 2H2↑ 減小 濃度增大(飽和溶 液除外) H2O
NaOH溶液 4OH--4e- O2↑+ 2H2O 4H2O+4e- 2H2↑ +4OH- 增大 KNO3溶液 2H2O-4e- O2↑+ 4H+ 不變 電解類型 實例 陽極反應式 陰極反應式 pH變化 電解質溶液的變化 電解后復原應加入物質
電解電解質型 鹽酸 2Cl--2e-
Cl2↑ 2H++2e-
H2↑ 增大 濃度減小 HCl
Cu2++2e-
Cu 增大 CuCl2溶液 CuCl2
放氫生堿型 NaCl溶液 2Cl--2e-
Cl2↑ 2H2O+2e-
H2↑+2OH- 增大 生成新電解質 HCl
放氧生酸型 CuSO4溶液 2H2O-4e-
O2↑+4H+ 2Cu2++4e-
2Cu 減小 生成新電解質 CuO或CuCO3
特別提醒 電解質溶液復原時,不僅要求溶質的種類不變,還要注意溶質的濃度也不變,復原
時遵循“少什么加什么,少多少加多少”的原則,所加物質可以是陰極產物和陽極產物的化
合物。
2.電解后電解質溶液pH的變化
(1)電解過程中,既產生H2,又產生O2,實質是電解水,溶液濃度增大(飽和溶液除外),因而原溶液
若呈酸性,則pH變小;原溶液若呈堿性,則pH變大;原溶液若呈中性,則pH不變。
(2)電解過程中,產生H2(不產生O2),溶液中OH-濃度增大,pH變大。
(3)電解過程中,產生O2(不產生H2),溶液中H+濃度增大,pH變小。
定點 2 電解池中電極的判斷及電極反應式書寫的關注點
1.電解池中陰、陽極的判斷
2.電極反應式書寫的關注點
(1)電極材料
　　若陽極是金屬(Au、Pt除外),則金屬一定被氧化(一般情況下,Fe被氧化為Fe2+,但具體應
結合背景信息)。例如,采用如圖裝置制取具有廣泛用途的K2FeO4,則結合電解質溶液為KOH
濃溶液可知陽極反應式為Fe-6e-+8OH- Fe +4H2O。

(2)電解質溶液的酸堿性
　　若電解質溶液呈堿性,一般用OH-或H2O來配平電荷與原子數;若電解質溶液呈酸性,一般
用H+或H2O來配平電荷與原子數。如圖所示用石墨作電極電解HNO3溶液,b極有NO生成,則b
極的電極反應式為N +4H++3e- NO↑+2H2O。

(3)電解質狀態
　　若電解質是熔融態金屬氧化物或鹽,一般為金屬的冶煉。例如:電解熔融氧化鋁制取金
屬鋁。
特別提醒 ①書寫電解池中的電極反應式時,如果實際放電的離子來自弱電解質的電離,應
用弱電解質的化學式表示,在書寫總反應的離子方程式時,也要使用弱電解質的化學式。如
電解水時,陽極反應式為2H2O-4e- O2↑+4H+。
②要確保兩電極電子轉移數目相等才能將兩極的電極反應式相加得總反應式,且總反應式中
應注明條件“電解”。
典例 (1)在強酸性溶液中通入二氧化碳,用惰性電極進行電解可制得乙烯,其原理如圖所示:

陰極電極反應式為　　　　　　　　　　　　　　　　　 ,該裝置中使用的是　　 (填
“陰”或“陽”)離子交換膜。
(2)CH4和CO2都是比較穩定的分子,科學家利用電化學裝置實現兩種分子的耦合轉化,其原理
如圖所示:

①陰極上的反應式為　　　　　　　　　　　　　　　　　　 。
②陽極上生成乙烯(C2H4)和乙烷(C2H6)的反應式分別為　　　　　　　　　　　　 和　
　　　　　　　　　　　　　　 。
思路點撥 電解池中陽極發生氧化反應,陰極發生還原反應。結合題目信息,分析氧化劑、
還原產物、還原劑、氧化產物,然后結合電解質性質,書寫電極反應式。
解析 (1)b電極為陰極,CO2在陰極得電子,電極反應式為2CO2+12H++12e- C2H4+4H2O;陰
極需要補充H+,陽極區的H+通過離子交換膜移向陰極,該裝置中使用的是陽離子交換膜。
(2)①二氧化碳在陰極發生還原反應生成CO,固體電解質可傳導O2-,則陰極上電極反應式為
CO2+2e- CO+O2-。
②陽極上發生氧化反應,生成乙烯(C2H4)和乙烷(C2H6)的電極反應式為2CH4-4e-+2O2- C2H4
+2H2O、2CH4-2e-+O2- C2H6+H2O。
答案 (1)2CO2+12H++12e- C2H4+4H2O　陽
(2)①CO2+2e- CO+O2-
②2CH4-4e-+2O2- C2H4+2H2O　2CH4-2e-+O2- C2H6+H2O

　　原電池和電解池的計算包括兩極產物的定量計算,溶液的pH計算,相對原子質量的計算
等。通常有下列三種方法。
定點 3 電化學計算的基本方法和技巧
1.根據得失電子守恒計算
①用于串聯電路中陰、陽兩極產物或正、負兩極產物的量的計算,其依據是電路中轉移的電
子數相等。②用于混合溶液中電解的分階段計算。
2.根據總反應式計算
　　先寫出電極反應式,再寫出總反應式,最后根據總反應式列比例式計算。
3.根據關系式計算
　　運用得失電子守恒建立已知量與未知量之間的關系式。如以通過4 mol e-為橋梁可構建
電極產物間如下關系式:

熟記電極反應式,靈活運用關系式便能快速解答常見的電化學計算問題。
典例 500 mL KCl和Cu(NO3)2的混合溶液中c(Cu2+)=0.2 mol·L-1,用石墨作電極電解此溶液,通
電一段時間后,兩電極均收集到5.6 L(標準狀況下)氣體,假設電解后溶液的體積仍為500 mL,
下列說法正確的是 (　 )
A.原混合溶液中c(Cl-)=0.3 mol·L-1
B.上述電解過程中共轉移0.5 mol電子
C.電解得到的無色氣體與有色氣體的體積比為3∶7
D.陽極收集到的氣體為Cl2和O2
思路點撥 根據溶液中的離子和放電順序可寫出陰極和陽極的電極反應式,并確定兩極分別
收集到的5.6 L氣體的成分,結合得失電子守恒進行計算。
D
解析 陽極Cl-先放電,然后是H2O電離出的OH-放電,即2Cl--2e- Cl2↑,2H2O-4e- O2↑+
4H+;陰極Cu2+先放電,然后H+放電,即Cu2++2e- Cu,2H++2e- H2↑。結合兩極均收集到
5.6 L(標準狀況下)氣體,則陰極收集到0.25 mol H2,原混合溶液中n(Cu2+)=0.2 mol·L-1×0.5 L=
0.1 mol,Cu2+放電共轉移0.2 mol電子,生成H2時轉移0.5 mol電子,故陰極共轉移電子0.2 mol+
0.5 mol=0.7 mol。設陽極生成Cl2、O2分別為x mol和y mol,則x+y=0.25,2x+4y=0.7,解得x=0.15,
Y=0.1。根據Cl原子守恒,原混合溶液中含0.3 mol Cl-,c(Cl-)= =0.6 mol·L-1,A錯誤;電解過程
中共轉移0.7 mol電子,B錯誤;電解時得到的無色氣體為H2和O2,物質的量為0.25 mol+0.1 mol=
0.35 mol,有色氣體為Cl2,物質的量為0.15 mol,則無色氣體與有色氣體的體積比為0.35 mol∶
0.15 mol=7∶3,C錯誤;由上述分析可知,D正確。第四章　化學反應與電能
第二節　電解池
第2課時　電解原理的應用
基礎過關練
題組一　　氯堿工業
1.氯堿工業能耗大,通過如圖改進的設計可大幅降低能耗,下列說法不正確的是 (　　)
A.電極A接電源正極,發生氧化反應
B.電極B的電極反應式為2H2O+2e- H2↑+2OH-
C.應選用陽離子交換膜,在右室獲得濃度較高的NaOH溶液
D.改進設計中通過提高電極B上反應物的氧化性來降低電解電壓,減少能耗
2.回答下列問題:
(1)請用下圖所示儀器設計一個電解飽和食鹽水并測定電解時產生的氫氣的體積和檢驗氯氣的氧化性的實驗裝置。
①所選儀器在連接時,各接口的順序是(填各接口的字母):A→　　　　,F→　　　　;B→　　　　,E→　　　　。
②實驗時,裝置中的石墨電極接電源的　　　極,電極反應式為　　　　　　　　　　　　　　　;鐵電極接電源的　　　　極,電極反應式為　　　　　　　　　　　　　;此電解過程的總化學方程式為　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)如圖為氯堿工業電解飽和氯化鈉溶液的裝置示意圖。
①逸出的氣體E是　　　　;流出的物質G是　　　　。
②該電解池中陽離子交換膜的作用是　　　　　　　　　　　。
題組二　　電解精煉與電鍍
3.如圖是模擬鐵制品鍍銅工藝的裝置,下列說法正確的是 (　　)
A.a電極上發生還原反應
B.b電極為銅
C.電解質溶液可以是CuSO4溶液
D.電鍍過程中,溶液中Cu2+濃度不斷減小
4.如圖所示,甲、乙為相互串聯的兩個電解池。
回答下列問題:
(1)甲池若為電解精煉銅的裝置,則A極為　　　(填“陰”或“陽”)極,電極材料是　　　　,電極反應式為　　　　　　　　　　,電解質溶液可以是　　　　。
(2)乙池中鐵電極的電極反應式為　　　　　　　　。
(3)若將乙池中的石墨電極改為銀電極,則乙池為　　　　裝置,電解一段時間后,AgNO3的濃度　　　(填“增大”“減小”或“不變”)。
題組三　　電冶金
5.用石墨作陽極,鈦網作陰極,熔融CaF2-CaO作電解質,利用如圖所示裝置獲得金屬鈣,并以鈣為還原劑還原TiO2制備金屬Ti。下列敘述正確的是 (　　)
A.該電池工作過程中,O2-向陰極移動
B.將熔融CaF2-CaO換成Ca(NO3)2溶液也可以達到相同目的
C.TiO2在陰極放電
D.制備金屬鈦前后CaO的量不變
6.工業上采用電解的方法來制備活潑金屬鋁。純凈的氧化鋁熔點很高(約為2 045 ℃),在實際生產中,通過加入助熔劑冰晶石(Na3AlF6)的方法,使Al2O3在1 000 ℃左右就可與冰晶石形成熔融體。以下說法正確的是 (　　)
A.電解過程中陽極反應式為Al3++3e- Al
B.電解過程中每產生6.4 g O2,反應所轉移電子的物質的量為0.6 mol
C.若生產9 g鋁時,陽極損失3.6 g石墨,則石墨被氧化為CO、CO2的物質的量之比為1∶2
D.加入冰晶石Na3AlF6目的是增強電解質的導電性
7.(經典題)某研究性學習小組用如圖所示裝置進行實驗,探究原電池、電解池和電解制備鈷的工作原理。一段時間后裝置甲的兩極均有氣體產生,且X極處溶液逐漸變成紫紅色;停止實驗,觀察到鐵電極明顯變細,電解液仍然澄清。
查閱資料:高鐵酸根離子(Fe)在溶液中呈紫紅色。
請根據實驗現象及所查資料,回答下列問題:
(1)上述裝置中,發生還原反應的電極有　　　　(填字母)。
A.X(Fe)　　B.Y(C)　　C.Co　　D.Zn
(2)丙池中的S　　　　(填“從左向右”“從右向左”或“不”)移動。
(3)反應過程中,X極處發生的電極反應為4OH--4e- 2H2O+O2↑和　　　　　　　　　　　　　　。
(4)一段時間后,若X極質量減小1.12 g,Y電極收集到2.24 L氣體(標準狀況下),則在標準狀況下X極收集到氣體為　　　　mL。
(5)乙池是電解制備金屬鈷的裝置,理論上Ⅰ室中n(H+)　　　　(填“變大”“變小”或“不變”),該電解池總反應的化學方程式是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
能力提升練
題組一　　利用電解原理制備物質
1.一種清潔、低成本的三步法氯堿工藝工作原理的示意圖如下,下列說法錯誤的是 (　　)
A.第一步中陽極的電極反應式為Na0.44MnO2-xe- Na0.44-xMnO2+xNa+
B.與傳統氯堿工藝相比,該方法不需要使用離子交換膜
C.第二步中正極質量每增加4.6 g,負極質量減少21.6 g
D.理論上每消耗0.1 mol O2,產生4.48 L Cl2(標準狀況下)
2.(教材深研拓展)2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是一種重要的化工原料,可用如圖所示的電化學裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-,并在直流電場作用下分別向兩極遷移。下列說法正確的是 (　　)
A.a為電源正極
B.雙極膜中間層中H2O解離的OH-在外電場的作用下移向鉛電極
C.制得1 mol FDCA,理論上消耗2 mol
D.陰極區的電極反應為-6e-+2H2O+6H+
題組二　　利用電解原理減少污染
3.電化學降解法可用于治理水中硝酸鹽的污染,其原理如圖所示,下列說法不正確的是 (　　)
A.Pt電極為電解池的陰極
B.電解時,質子從Pt電極轉移到Ag-Pt電極
C.電解池的總反應為2H2O+4N 2N2↑+5O2↑+4OH-
D.當質子交換膜右室電解液的質量減少7.2 g時,電子轉移數目為4NA(設NA為阿伏加德羅常數的值)
4.煤在直接燃燒前要進行脫硫處理。采用電解法脫硫的基本原理如圖所示,利用電極反應將Mn2+轉化為Mn3+,Mn3+再將煤中的含硫物質(主要是FeS2)氧化為Fe3+和S:
FeS2+15Mn3++8H2O Fe3++15Mn2++2S+16H+。
已知:兩電極為完全相同的惰性電極。
回答下列問題:
(1)M為電源的　 　(填“正極”或“負極”)。
(2)電解池工作時,觀察到R電極上有無色氣體產生,寫出電極反應式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)電解池工作時,混合液中S的物質的量　　　　(填“變大”“變小”或“不變”)。
(4)電解過程中,混合溶液中的pH將　　　(填“變大”“變小”或“不變”),理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
答案與分層梯度式解析
基礎過關練
1.B 3.C 5.D 6.C
1.B　電極A上是氯離子變為氯氣,氯元素化合價升高,電極A是電解池的陽極,因此電極A接電源正極,發生氧化反應,A正確;電極B為陰極,通入氧氣,氧氣得電子,其電極反應式為O2+2H2O+4e- 4OH-,B錯誤;溶液呈電中性,陽極區的Na+通過陽離子交換膜進入陰極區,在右室獲得濃度較高的NaOH溶液,C正確;氧氣的氧化性比水電離出的H+的氧化性強,在陰極較容易得電子,可降低電解電壓,減少能耗,D正確。
2.答案　(1)①G　H　D　C　②正　2Cl--2e- Cl2↑　負　2H++2e- H2↑　2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑
(2)①H2　NaOH溶液　②避免陽極產物Cl2與陰極產物H2、NaOH發生反應
解析　(1)①所選用的各儀器接口順序為A接G,F接H,用量筒測量排出的水量,以測定產生氫氣的體積;B接D,E接C,生成的Cl2在洗氣瓶里氧化KI,以證明其氧化性,剩余的Cl2通入燒杯中,借助NaOH溶液吸收,防止污染大氣。②根據電解飽和食鹽水陽極所發生的反應:2Cl--2e- Cl2↑,為防止電極被腐蝕,實驗中一般選用石墨作陽極,故石墨電極接電源的正極;陰極是水電離出的H+被還原:2H++2e- H2↑,陰極通常使用鐵電極,電解的總化學方程式為2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑。
3.C　題圖裝置為模擬鐵制品鍍銅工藝的裝置,與直流電源正極相連的a電極為銅,與負極相連的b電極為鐵制品,電解質溶液為可溶性銅鹽溶液,電鍍過程中,溶液中銅離子濃度不變。
4.答案　(1)陰　純銅　Cu2++2e- Cu　CuSO4溶液(答案合理即可)　(2)Ag++e- Ag　(3)電鍍　不變
解析　(1)由題圖可知,甲池中A極為陰極,B極為陽極,在電解精煉銅時,粗銅作陽極,純銅作陰極,故A為純銅,電極反應式為Cu2++2e- Cu;電解質溶液應為含有Cu2+的可溶性鹽溶液,如CuSO4溶液。(2)由題圖可知,乙池中鐵作陰極,石墨作陽極,故鐵電極的電極反應式為Ag++e- Ag。(3)若將乙池中的石墨電極改為銀電極,則乙池為電鍍裝置,且電鍍過程中AgNO3的濃度不變。
5.D　由題圖可知,石墨為陽極,電極反應式為C+2-4e- CO2↑,O2-向陽極移動,鈦網作陰極,電極反應式為2Ca2++4e- 2Ca,然后發生反應2Ca+TiO2 Ti+2CaO,則制備金屬鈦前后CaO的總量不變,A、C錯誤,D正確;將熔融CaF2-CaO換成Ca(NO3)2溶液,陰極上H+放電(易錯點),無法得到金屬Ca,B錯誤。
6.C　在電解池中,陽極發生氧化反應,電極反應式為2O2--4e- O2↑,A錯誤;6.4 g O2的物質的量為=0.2 mol,轉移0.8 mol電子,B錯誤;9 g鋁的物質的量為= mol,陰極反應式為Al3++3e- Al,則生產9 g鋁轉移電子1 mol,設生成CO、CO2的物質的量分別為x、y,3.6 g石墨的物質的量為=0.3 mol,根據原子守恒得x+y=0.3 mol,根據得失電子守恒得2x+4y=1 mol,解得x=0.1 mol,y=0.2 mol,即石墨被氧化為CO、CO2的物質的量之比為1∶2,C正確;加入冰晶石(Na3AlF6)的主要目的是降低氧化鋁的熔點,D錯誤。
7.答案　(1)BC　(2)從右向左　(3)Fe-6e-+8OH- Fe+4H2O　(4)448　(5)不變　2CoCl2+2H2O 2Co+O2↑+4HCl
解析　結合題圖,首先確定丙池為原電池。
(2)在原電池中,陰離子向負極移動,S會向Zn電極方向移動,即從右向左移動。
(3)X極為陽極,發生氧化反應,由“鐵電極明顯變細”“X極處溶液逐漸變成紫紅色”可知,Fe參與電極反應,有Fe生成,電極反應為Fe-6e-+8OH- Fe+4H2O。
(4)根據題意可知,消耗的n(Fe)==0.02 mol,n(H2)==0.1 mol,在整個電路中電子轉移數目相等,4n(O2)+6n(Fe)=2n(H2),即4n(O2)+6×0.02 mol=2×0.1 mol,解得n(O2)=0.02 mol,標準狀況下V(O2)=0.02 mol×22.4 L/mol=0.448 L=448 mL。
(5)乙池中石墨為陽極,陽極的電極反應式為2H2O-4e- 4H++O2↑,氫離子經過陽離子交換膜由Ⅰ室進入Ⅱ室,所以理論上Ⅰ室中n(H+)不變;該電解池的陽極反應式為2H2O-4e- 4H++O2↑,陰極反應式為Co2++2e- Co,則總反應為2CoCl2+2H2O 2Co+O2↑+4HCl。
能力提升練
1.C 2.C 3.A
1.C　第一步中陽極發生氧化反應,其電極反應式為Na0.44MnO2-xe- Na0.44-xMnO2+xNa+,A正確;該方法不需要使用離子交換膜,傳統氯堿工藝需要,B正確;第二步為原電池,根據題圖中的物質轉化可知,Na0.44-xMnO2為正極,正極發生還原反應,正極的電極反應式為Na0.44-xMnO2+xNa++xe- Na0.44MnO2,Ag為負極,負極發生氧化反應,負極的電極反應式為Ag+Cl--e- AgCl↓,負極質量增加,C錯誤;第一步陰極消耗氧氣,電極反應式為O2+4e-+2H2O 4OH-,理論上每消耗0.1 mol O2轉移0.4 mol e-,第三步產生Cl2,其陽極的電極反應式為2Cl--2e- Cl2↑,轉移0.4 mol e-生成氯氣的物質的量為0.2 mol,即標準狀況下產生4.48 L Cl2,D正確。
2.C　鉛電極附近醛基被還原為羥基,發生還原反應,為陰極,因此a為電源的負極,A項錯誤;雙極膜中間層中H2O解離的OH-在外電場的作用下移向陽極(催化電極),B項錯誤;制得1 mol FDCA,陽極消耗1 mol ,陰極也消耗1 mol ,共消耗2 mol ,C項正確;電解池中與電源負極相連的為陰極,陰極發生得電子的還原反應,D項錯誤。
教材溯源
電有機合成
　　許多有機化學反應包含電子的轉移,使這些反應在電解池中進行時稱為電有機合成。與其他有機合成相比,電有機合成的優點是反應條件溫和、反應試劑純凈和生產效率高等。
3.A　Ag-Pt電極上N被還原為N2,則Ag-Pt電極為陰極,Pt電極為陽極,A錯誤;電解時,陽離子從陽極移向陰極,所以質子從Pt電極轉移到Ag-Pt電極,B正確;電解池的總反應為2H2O+4N 2N2↑+5O2↑+4OH-,C正確;每生成2 mol N2(質量為56 g)轉移20 mol電子,同時有20 mol H+(質量為20 g)進入陰極室,即右室電解液質量減少56 g-20 g=36 g,右室電解液的質量減少7.2 g時,轉移電子的物質的量為 mol=4 mol,數目為4NA,D正確。
4.答案　(1)正極　(2)2H++2e- H2↑　(3)變大　(4)變小　根據反應FeS2+15Mn3++8H2O Fe3++15Mn2++2S+16H+可知,生成1 mol Fe3+時,消耗15 mol Mn3+,生成16 mol H+,Mn3+由陽極電極反應Mn2+-e- Mn3+生成,根據得失電子守恒,陽極生成15 mol Mn3+時陰極消耗15 mol H+,因此總體來看,電解過程中H+濃度增大,混合溶液pH變小
解析　(1)根據題圖可知,電解時P電極上Mn2+失去電子變為Mn3+,則P電極為陽極,與P相連的M為電源正極。
(2)R為電解池的陰極,陰極發生得電子的還原反應,電極反應式為2H++2e- H2↑。
(3)根據反應FeS2+15Mn3++8H2O Fe3++15Mn2++2S+16H+可知,電解過程中S的物質的量不斷增大。
題型解讀　電解原理及應用是高頻考點,該類試題往往與生產、生活及新科技等相聯系,常以流程圖為載體呈現,一般主要考查陰、陽極的判斷、電極反應式的書寫、溶液離子濃度變化及相關計算等。
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