电解知识点及经典习题解析

电解原理及其应用经点答疑【学法旨要】1．“电解原理及应用”的学法旨要是什么？（1）注意与前后知识的联系．学生在高二时曾学过原电池，他们对于化学能与电能的相互转化关系可以说只学了一半．“电解原理及应用”一单元在此基础上，结合新学的化学反应及能量变化等知识，进一步介绍了电能转变为化学能，使学生对电化学的知识认识得比较全面．而且，教材在内容的引入及对化学原理进行分析时，都十分注意充分运用学生已有的知识基础．（2）教材内容比较广泛，但教学层次相对较低．“电解原理及应用”涉及电解原理及三种工业生产知识，如电解精炼铜，电镀铜，氯碱工业等，内容比较丰富，但对教学内容的要求，却不是很高．教材以电解原理为一条线，把这三种工业生产串在一起．教学中对这三种工业生产的要求也不相同，电解精炼铜和电镀铜，只是重在反应原理；对氯碱工业则要求了解生产原理和主要设备，而对于以氯碱工业为基础的化工生产只是做了常识性介绍．（3）在学习生产时，只注重化学反应原理，不要求生产细节．“电解原理及其应用”教材涉及三种化工生产，在介绍这些知识时，重点介绍反应原理，只简介典型设备，而不讲生产的细节．例如，介绍离子膜电解槽时，只简单介绍关键部件，而不详细介绍电解槽内部结构；介绍食盐水精制时，只介绍化学反应原理和进一步精制的原理，而没有介绍反应设备和离子交换塔等．（4）注意化工生产与环境保护的关系．当前环境问题日益引起人们的关注，化工生产过程中产生的“废气、废渣、废水”等都会污染环境．因此，教材在介绍电镀和氯碱工业时，都十分强调减少污染，保护环境．2．学习“电解原理及其应用”一章的学习目标是什么？（1）电解原理：能区别电解质溶液导电与金属导电的异同，能分析电极上发生的反应，理解电解和电解槽的概念．（2）电解原理的一些重要的应用：铜的电解精炼与电镀铜的异同．（3）电解饱和食盐水实验：电解实验装置；通电前溶液中存在的离子；通电后离子如何运动；电极上发生了什么反应．（4）电解法制碱的初步知识：电解槽的电解原理；原料（食盐水）的精制；离子膜法电解制碱的主要生产流程等．注意，学习时以化学反应原理为主，对生产设备及生产细节不做过多要求．（5）以氯碱工业为基础的化工生产：对氯碱工业有个初步认识；写出其中部分化学反应方程式，借以复习相关知识，并理解应用化学知识的重要性．【经点答疑】1．什么是电解及电解池？（1）电解：融熔状态的电解质或电解质溶液，在直流电作用下，在两个电极上发生氧化还原反应的过程叫电解．（2）电解池：将电能转化为化学能的装置，即发生电解反应的装置．①形成电解池的三个条件：直流电源；电极、电解质溶液（或融熔状态的电解质）；闭合回路．②两极及其反应：与外接电源正极相连的是阳极，与电源负极相连的是阴极；阳极附近离子（包括活泼的阳极金属）将失电子，称为“阳极氧化”；阴极附近的离子将发生失电子的反应，称作“阴极还原”；阳极产物是氧化剂，阴极产物是还原剂．（3）下图是用Pt 电极电解2CuCl 溶液的示意图．像Pt 、石墨这样的电极的化学性质比较稳定，在作阳极时不会失去电子而变为离子进入溶液中，被称为“惰性电极”；而其他活泼金属作成的电极作为阳极时，失电子首先并不是溶液中的阴离子，而是金属电极本身．例1 用两支惰性电极插入500mL 的3AgNO 溶液中，通电电解．当电解质溶液的pH 由6.0变为3.0时（设电解时阴极没有氢气析出，且电解液在电解前后体积变化可以忽略），则电极上析出银的质量是（ ）A ．27mgB ．54mgC ．108mgD ．216mg思路启迪 根据离子放电顺序，先写出两极的电极反应式：阳极：O2H O 4e4OH 22+↑-- ①阴极：4Ag 4e 4Ag ++②为了求整个电解反应方程式，须将阳极反应进行一下处理，因为是电解水溶液，尽管实际参与反应的是-OH 离子，但体系中主要是水，用水直接表示反应会更确切：++↑-4H O 4eO 2H 22 ③②＋③得总的电解反应式：+++↑+↓+4H O 4AgO 2H 4Ag 22电解不难推导出：用惰性电极电解3AgNO 溶液时，发生的反应为：32234HNO O 4Ag O2H 4AgNO +↑++电解因为有3HNO 生成，所以pH 要变小．生成3HNO 的物质的量为5.0)10(1063⨯--- mol 105.03-⨯≈，所以析出银的质量为54m g g/m ol 108m ol 105.03=⨯⨯-规范解法 B点评 必须能正确书写电解池的电极反应式和总的反应式．已知两个电极反应式，写总反应式并不难，只要使两个电极反应得失电子数相等后，将两式相加，消去相同的化学式即可．例2 从有关资料上查得含有-272O Cr （重铬酸根）的酸性工业废水，可采用如下的处理方法，向工业废水中加入适量的食盐，以铁为电极通直流电进行电解，经过一段时间后，废水的pH 上升，从可溶性的-272O Cr 转变为难溶的3)Cr(OH 而被除去，同时还有3)Fe(OH 沉淀生成，该工业废水可达排放标准，简要回答下列各问：（1）写出阳极和阴极的电极反应式．（2）简要说明电解除铬的化学原理，并写出相应反应的离子方程式及加入NaCl 的目的． （3）能否用石墨电极代替铁电极达到除铬的目的?简述其原因．思路启迪 本题给出了工业上处理含有-272O Cr 酸性废水的方法，要求同学接受题目中给出的新信息，结合电解质溶液的有关理论，回答试题提出的新问题．分析题目给出的信息，可以知道电解法除铬（-272O Cr ）的关键，在于要把可溶性的-272O Cr 离子通过氧化还原反应，转变成为可溶性的+3Cr ，还要再通过复分解反应，把可溶性的+3Cr 转变为难溶的3)Cr(OH ，以达到除去工业废水中可溶性铬的目的，要实现这一系列变化，就要解决两个问题：一个是要有一个适当的还原剂，以便在酸性条件下把-272O Cr 还原为+3Cr ；另一个是把-272O Cr 变为+3Cr 的过程中，要使溶液的pH 不断升高，使工业废水由酸性变为碱性．题目给出的以Fe 作电极和3)Fe(OH 沉淀的出现，提示给我们+2Fe 是使-272O Cr 变为+3Cr 过程中的还原剂，所以，以Fe 为电极，电解含NaCl 的工业废水，则是产生+2Fe 还原剂和提高溶液pH 这两个问题的正确解决途径．由此看出，整个电解除铬的过程，从阳极Fe 的溶解产生+2Fe ，到+2Fe 与-272O Cr 间的氧化还原反应；从阴极+H 的放电，到-OH 离子浓度的上升，到+3Cr 与-OH ，+3Fe 与-OH 间的离子反应．几乎涉及到电解质溶液理论的方方面面，没有对电解质溶液理论的深刻理解，没有灵活运用理论解决实际问题的能力，就无法找到本题的正确解题思路．规范解法（1）阳极：+-2Fe 2eFe阴极：↑++2H 2e2H（2）-272O Cr 在+H 存在下，把+2Fe 氧化为+3Fe ，其自身被还原为+3Cr ，在这一反应过程中消耗了大量+H ：O7H 6Fe 2Cr 14H 6Fe O Cr 2332272++++++++-．在阴极氢离子不断放电，当废水由酸性变为碱性时，+3Cr 、+3Fe 与-OH 结合为难溶的3)Cr(OH 、3)Fe(OH 沉淀．↓+-+33)Cr(OH 3OH Cr ，↓+-+33)Fe(OH3OH Fe ．加适量的NaCl 是为了增大电导率，缩短电解除铬的时间．（3）不能用石墨电极代替铁电极，这样，阳极将没有+2Fe 生成，-272O Cr 无法还原+3Cr ，更无法变为难溶的3)Cr(OH ，电解除铬将不可能实现．点评 本题易犯的错误是：阴极反应不写+H 得电子变为2H ，而令-272O Cr 直接得电子变为+3Cr ，与事实，与结果不符．2．电解与电离有什么区别？3．判断电解过程中的电极产物的依据是什么？判断电解过程中电极产物的依据是：电极材料和离子放电顺序．阴离子失去电子而阳离子得到电子的过程叫放电．放电顺序取决于离子本身性质，也与离子浓度及电极材料有关．电解时所使用的电极分为两类：一类为惰性电极，只起导体的作用（如铂、石墨等），并不参与反应．另一类为活性电极（除铂、金以及在电解时很易钝化的铅、铬以外的金属），活性电极若作阴极，只起导体的作用；若为阳极，发生氧化反应的往往是电极本身．1．在电极的阴极上，阳离子的放电顺序为：.Ag 、Hg 、Cu 、Fe 、)Zn (H 、Al 、Mg 、Ca 、K 2222322放电由难到易−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−→−++++++++++注：①此顺序与金属活动顺序推导出的金属阳离子的氧化能力顺序基本一致．②在水溶液中，由于水可以电离出+H 来，其放电优先于+K 、+2Ca 、+2Mg 、+3Al 等活泼金属阳离子，导致这些离子没有放电的机会，对于这部分金属的冶炼，往往是电解熔融的盐，如电解熔融的2MgCl 制镁，电解熔融的32O Al 制Al ．↑+22Cl Mg MgCl 熔融电解↑+2323O AlO 2Al 冰晶石融电解熔（冰晶石为助熔剂，起到促使32O Al 熔化作用）③+H 在水中电解比较困难，因而其放电比+2Zn 更难．（参考本章“知识链接”） 2．在惰性电极的阳极上，阴离子放电的顺序为：)(、S、I 、Br 、Cl 、OH 、NO 、SO F 2324离子失电子能力渐易放电由难到易−−−−−−−−−−−−−−→−-------+注：若非惰性电极作阳极，失电子的是电极本身．如：用Fe 作阳极，则电极反应为：阳极：+-2Fe2e Fe ．例1 用石墨电极电解3AlCl 溶液时，下图所示的电解质溶液的各种属性随时间变化曲线中合理的是（ ）思路启迪 阳极放电顺序：-Cl ＞-OH ；阴极放电顺序：+H ＞+3Al ． 因此电解3AlCl 溶液的实质是电解溶质和溶液，电解的方程式为：阳极：↑--2Cl 2e2Cl阴极：↑++2H 2e2H在溶液中的后续反应：↓+-+33Al(OH)3OH Al （-OH 是因为溶液中+H 的减少而产生的）总方程式：↑+↑+↓+223233Cl 3H 2Al(OH)O6H 2AlCl 电解电解前，由于+3Al 水解，溶液呈酸性，pH ＜7；随着电解的进行，[+3Al ]减小，故[+H ]减小，pH 升高，但生成的3)Al(OH 是难溶性的物质，故溶液pH 不可能大于7．故应选A ．电解过程中，3)Al(OH 沉淀质量逐渐增加，3AlCl 完全电解后，沉淀的质量保持不变．故应选D ．点评 对于复杂的电解反应，一般均应从离子的放电顺序着手分析，先写出电极反应式，进而导出总的反应式，最后根据总的反应式作出判断或进行有关计算．例2 在25℃时，将两个铜电极插入一定质量的硫酸钠饱和溶液中进行电解．通电一段时间后，阴极上逸出a mol 气体，同时有W 克O 10H SO Na 242⋅晶体析出．若温度不变，则剩余溶液中溶质的质量分数为（ ）A ．%10018++a W WB ．%10036⨯+a W WC ．%)36(1617100a W W+ D ．%)18(1617100a W W+思路启迪 电解发生的电极反应：阳极：+-2Cu 2eCu阴极：↑++2H 2e2H电解的总化学方程式：↑+↓+222H Cu(OH)O2H Cu 电解阴极逸出 a mol 2H ，水被电解了2a mol ．相当于2a mol 的水中可以溶解W gO 10H SO Na 242⋅晶体，由溶解度知识可求，剩余溶液溶质的质量分数为%)36(1617100a W W+（即C ）点评 本题若改为用铂做电极电解硫酸钠饱和溶液，则电解的总方程式为：↑+↑222O H 2O2H 电解，阴极逸出a mol 2H ，水被电解了a mol ，其答案为D ．因此处理此类问题时一定注意看清差异．4．如何书写电解反应的电极方程式？（1）分析溶液中有哪些阴、阳离子（包括水电离出的+H 及-OH ）（2）写出阴阳离子在电解池两极的聚集方向：（一般阳离子向阴极处集中，而阴离子向阳极处集中．（3）按照放电顺序写出阴阳两极放电的方程式，注意活性电极做阳极时的电极本身失电子被氧化的反应．（4）将分立的电极反应式，经过适当处理求和即可得到总的电解方程式．例1 铅蓄电池（原电池）工作时，总反应为O2H 2PbSO SO 2H Pb PbO 24422+++．由此可判断：（1）原电池的电极材料：①正极为___________②负极为___________． （2）电解时，两极的电极反应式： ①阴极为____________________ ②阳极为____________________（3）原电池工作后，蓄电池里电解质溶液的pH________（填“变大”“变小”或“不变”）其理由是_____________．（4）电解池工作后，蓄电池里电解质溶液的pH________（填“变大”“变小”或“不变”）理由是________．思路启迪 因为蓄电池是即可做为原电池（放电），又可做为电解池（充电），将上述所说的方程式完善为两部分：O2H 2PbSO SO 2H Pb PbO 24422+++放电①（原电池）42224SO 2H Pb PbO O 2H 2PbSO +++充电②（电解池）先写原电池的正负极反应式： 1．负极电极反应式的书写步骤：（1）列物质，标得失：根据总的反应式，列出总式两边化合价升高的有关物质，并标出失去电子的数目．4PbSO 2ePb -（2）选离子，配电荷：根据电解质溶液的酸碱性，用+H 或-OH 或其他离子配平，使反应两边电荷及物质守恒．424PbSO SO 2e Pb -+-．2．正阳电极反应式的书写步骤：（1）列物质，标得失：42PbSO e2PbO +（2）选离子，配电荷：O2H PbSO 2eSO 4H PbO 24242++++-+同理：电解池阴阳极反应式也遵循如此的步骤． 1．阳极电极反应式的书写： （1）列物质，标得失：Pb 2e PbSO 4+（2）选离子，配电荷：-++244SO Pb 2ePbSO2．阴极反应式的书写：（1）列物质，标得失：24PbO 2ePbSO -（2）选离子，配电荷：+-+++-4H SO PbO O 2H 2e PbSO 24224规范解法（1）负极：424PbSO 2eSO Pb -+-．正极：O2H PbSO 2e 4H SO PbO 24242+++++-（2）阳极：-++244SO Pb 2ePbSO阴极：+-++-+4HSOPbO2eO2HPbSO24224．（3）变大；从总方程可以看出，蓄电池工作时，消耗42SOH．（4）变小；从总方程可以看出，蓄电池充电时，产生42SOH．点评①写电极反应时，一般要求的是离子方程式，不要将能电离的物质写成化学式，造成离子方程式与化学方程式不清的结果．如：原电池负极：++-+H2PbSO2eSOHPb442电解池阴极：+++-+2HSOHPbO2eO2HPbSO42224．都是不确切的写法．②蓄电池的放电的正极反应与充电时的阴极反应；放电的负极反应与充电时的阳极反应相对应，只不过是反应物与产物倒了过来．该规律既可用于帮我们书写相应的电极反应式，也可以帮我们验证所书写的方程式是否正确．③原电池的两极为正负极，而原电池的两极用阴阳极，应加以注意，而不应混淆．④电极反应表达时，应用“”号连接，而不是用“→”来连接反应物与生成物．⑤如果有气体，沉淀的生成，在电极反应式中应以“↑”与“↓”等表示．例2请画出用隋性电极（Pt电极）电解3AgNO水溶液的装置；写出电极反应式及总方程式；说明两极附近及整个电解质溶液中的pH变化；电解后溶液中应补加何种物质才能使溶液恢复为电解前的状况．规范解法（1）（2）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧↑+-+-+22OO2H4eOH44Ag4eAg4：：正极负极总反应式：32234HNOO4AgO4H4AgNO+↑++（3）在负极附近，观察负极的电极反应，由于没有+H及-OH直接参与反应pH变化不大（由于+Ag的减小，会因为+Ag的水解而使pH略有变化，不是严格要求时，可以忽略不计）．在正极附近，观察正极的电极反应，消耗了-OH ，结果使正极附近pH 升高． 整个电解质溶液的pH 变化：观察总反应方程式，生成了3HNO ，则溶液pH 降低． （4）补加物质使溶液恢复电解前的状况，只须考察溶液中出来了什么物质，然后补加相应的物质即可．本题目中离开电解质溶液的有Ag 、2O ，加入的物即为O Ag 2．点评 若使溶液恢复至电解前的状况，包括物质的量，溶液的体积等各方面的一样，只能保证其中一种或两种物质的浓度恢复，并不算真正的恢复至原状．如在本题目中加入Ag 单质，也能生成3AgNO ，但物质的量不足（由4mol 变为1mol ）；O H 2的物质的量不足（由4mol 变为2mol ）O2H NO 3AgNO 4HNO 3Ag 233+↑++5．请总结出电解质溶液电解的几条规律（用惰性电极） 第一：电解质电解：当电解质电离出的阳离子比+H 活泼性强（含+H ），阴离子比-OH 活泼性强时，电解质溶液的电解实质是电解质本身的电解．例如：2CuCl 溶液的电解，其电离方程式为：-++2Cl Cu CuCl 22OH 2-++OH H电极反应式是：阳极：2Cl 2e 2Cl =-- 阴极：↓=++Cu 2e Cu 2 电解总方程式是：↑+↓22Cl Cu CuCl 电解第二：水的电解：当电解质电离出的阳离子没有+H 的活泼性强，阴离子没有-OH 的活泼性强时，电解质溶液电解的实质是水的电解．例如：电解3KNO 水溶液的电离方程式是：-++33NO K KNO OH 2-++OH H电极反应式是：阳极：↑+--22O O 2H 4e4OH 阴极：↑++22H 4e4H电解总方程式是：↑+↑2232O H 2KNO O2H 电解其中电解质3KNO 起导电的作用． 第三：混合电解：当电解质电离出来的阴阳离子的活泼性，一种位于+H （或-OH ）之前，另一种位于-OH（或+H ）之后时，电解质溶液的电解是电解质和水产生的离子混合放电．例如，电解饱和NaCl 溶液的电离方程式是：-++Cl Na NaClOH 2-++OH H电极反应式是：阳极：↑--2Cl 2e2Cl 阴极：↑++2H 2e2H电解总方程式是：↑+↑++222Cl H NaOH 2O2H 2NaCl 电解例1 从+H 、+2Cu 、+Na 、-24SO 、-Cl 五种离子中恰当地组成电解质，按下列要求进行电解：（1）以碳棒为电极，使电解质的质量减少，而水的质量不变，进行电解，则可用的电解质是________．（2）以碳棒为电极，使电解质质量不变，水质量减少，进行电解，则可用的电解是________．（3）以碳棒为阳极，铁棒为阴极，使电解质和水的质量都减少，进行电解，则电解质是________．思路启迪 （1）此问属上述第一种情况，只要找到电解活泼性不低于+H 的阳离子——+2Cu 与+H ；电解活性不低于-OH 的阴离子——-Cl 即可找出相应的电解质．（2）相当于电解水，即第二种情况，只需找到电解活性不高于+H 的阳离子——+Na 以及电解活性高于-OH 的阴离子——-24SO ，此问便得以解决．（3）以铁棒做为阴极与碳棒做为阴极的效果是等同的，属于第三种情况．①电解活性低于+H 的阳离子——+Na ；而电解活性高于-OH 的阴离子——-Cl 即可．②电解活性高于+H 的阳离子——+2Cu ；电解活性低于-OH 的阴离子——-24SO 亦可．规范解法 （1）2CuCl 或HCl （2）42SO Na 或42SO H （3）NaCl 或4CuSO 点评 用惰性电极进行溶液中的电解时，各种变化亦可用下表更详尽的表示．例2 用Pt 电极电解含有0.1 mol +2Cu 和+3X 的溶液，阴极析出固体物质的质量m （g ）与溶液中通过电子的物质的量n （mol ）关系如下图所示，则离子的氧化能力由大到小排列正确的是（ ）A ．+++>>H X Cu32B ．+++>>23Cu X HC ．+++>>23Cu H XD ．+++>>32X H Cu思路启迪 此题不加仔细分析，便立即会想到+3X 是+3Fe ，即选答案C ，这显然是思维定势，明显是错误的，应先分析图中的变化．一开始通电，阴极就有固体析出，且通过0.2mol 电子后，质量不再增加，根据离子放电规律，是+2Cu 先放电，其次是+H 放电，+3X 在溶液中不放电，答案应选D ．点评 （1）阳离子在阴极上放电顺序为>>>>>>++++++22243Cu Fe Hg Ag Pt Au ++++++++++>>>>>>>>>K Ca Na Mg Al )(H Zn Fe Sn Pb 2232222在一定条件下，+2Pb 、+2Sn 、+2Fe 、+2Zn 也能在水溶液中放电，+3Al 、+2Mg 、+Na 、+2Ca 、+K 在水溶液中不放电，只有熔化状态下放电．（2）阴离子在阳极上放电顺序为：-------->>>>>>>F SO NO OH Cl Br I S 2432（惰性电极）若是金属电极（除Au 、Pt 之外），阳极金属本身失去电子形成阳离子，进入溶液． 例3 如下图x 、y 分别是直流电源的两极，通电后发现a 极质量增加，b 极板处有无色无味气体放出，符合这一情况的是a 极板b 极板 电极 Z 溶液A 锌 石墨 负极 4CuSOB 石墨 石墨 负极 NaOHC 银 铁 正极 3AgNOD铜石墨负极2CuCl思路启迪 本题要求认真观察图表，逐一分析推理，分清原电池、电解池的关系．若x 为负极，a 一定为阳极，应该有较不活泼金属阳离子在该极得电子，B 选项中有+Na 离子，不符合要求，被淘汰．b 一定为阳极，应该有阴离子在该极失去电子，则A 项发生的反应为：a 极：2Cu4e 2Cu 2-++b 极：↑+--22O O 2H 4e4OH符合题意．在D 选项发生的反应中，b 极产生2Cl ，不符合题意（因要求产生无色无味气体）．若x 为正极，C 选项中发生的反应为：a 极：+--Ag e Agb 极：Age Ag -++不符合要求．综上所述，符合要求的只有A ，正确答案为A ．。