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第三单元电解池的工作原理及应用金属的腐蚀与防护一、电解原理(b)1.电解与电解池2.电解池工作原理示意图3.分析电解过程的思维程序(1)首先判断阴、阳极,分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。(2)再分析电解质水溶液的组成,找全离子并分阴、阳两组(不要忘记水溶液中的H+和OH-)。(3)然后排出阴、阳两极的放电顺序阴极:阳离子放电顺序:Ag+Fe3+Cu2+H+(酸)Fe2+Zn2+H+(水)Al3+Mg2+Na+Ca2+K+。阳极:活泼电极S2-I-Br-Cl-OH-含氧酸根离子。【微点拨】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、最重要的放电顺序是阳极: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)分析电极反应,判断电极产物,写出电极反应式,要注意遵循原子守恒和电荷守恒。(5)最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式。二、惰性电极电解电解质溶液的类型(b)类型实例电极反应电解液浓度pH电解质溶液复原电解水型NaOH阴:________________阳:_____________________增大__________H2SO4增大__________Na2SO4增大__________4H++4e-====2H2↑4OH--4e-====2H2O+O2↑增大加水减小加水不变加水类型实例电极反应电解液浓度pH电解质溶液复原电解电解质型HCl阴:_______________阳:_________________减小___________2H++2e-====H2↑2Cl--2e-====Cl2↑增大通HCl类型实例电极反应电解液浓度pH电解质溶液复原电解电解质型CuCl2阴:_______________阳:________________________Cu2++2e-====Cu2Cl--2e-====Cl2↑加CuCl2类型实例电极反应电解液浓度pH电解质溶液复原放H2生碱型NaCl阴:_______________阳:_________________生成新电解质___________2H++2e-====H2↑2Cl--2e-====Cl2↑增大通HCl类型实例电极反应电解液浓度pH电解质溶液复原放O2生酸型CuSO4阴:_________________阳:_____________________生成新电解质__________________2Cu2++4e-====2Cu4OH--4e-====2H2O+O2↑减小加CuO、CuCO3【典例精析】【典例】(2018·全国卷Ⅰ)最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置,实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示,其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯电极区发生反应为①EDTA-Fe2+-e-====EDTA-Fe3+②2EDTA-Fe3++H2S====2H++S+2EDTA-Fe2+该装置工作时,下列叙述错误的是()A.阴极的电极反应:CO2+2H++2e-====CO+H2OB.协同转化总反应:CO2+H2S====CO+H2O+SC.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性【解题思路】【解析】选C。根据图中的物质转化方式可知,该电解池的左侧电极上发生还原反应为阴极,右侧电极上发生氧化反应为阳极,故该电池的阴极的电极反应式为CO2+2H++2e-====CO+H2O,A正确;将电解池阴、阳极电极的反应式相加即可得到协同转化的总反应式:CO2+H2S====CO+H2O+S,B正确;由于石墨烯为阳极,与电源的正极相连,石墨烯上的电势高,C不正确;若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,若溶液呈碱性,则会使溶液中形成沉淀,减少Fe3+/Fe2+的含量,故溶液应呈酸性。【强化训练】1.思维诊断(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)用铜作电极电解CuSO4溶液的方程式为2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+。()提示:×。铜作电极电解CuSO4溶液时,阳极上Cu失去电子生成Cu2+,不会得到O2。电解(2)电解NaCl溶液得到22.4LH2(标准状况下),理论上需要转移NA个电子。()提示:×。电解NaCl溶液的阴极反应:2H++2e-====H2↑,产生标准状况下22.4LH2,可转移2NA个电子。(3)电解质溶液通电后,电解质溶液发生了电离,阴、阳离子分别向两极移动。()提示:×。电解质受热或受水分子的作用就发生电离无需通电。(4)电解后的CuSO4溶液复原,可加入Cu(OH)2固体。()提示:×。若通电一段时间,CuSO4未电解完(即Cu2+未全部放电),使溶液复原应加入CuO,加入Cu(OH)2会使溶液的浓度减小;若Cu2+全部放电,又继续通电一段时间(此时电解水),要使溶液复原应加入Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3,若只加入CuO,此时浓度偏大。2.用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,电解质溶液一般为H2SO4-H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是()A.待加工铝质工件为阳极B.可选用不锈钢网作为阴极C.阴极的电极反应式为Al3++3e-====AlD.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动【解析】选C。题目用电解氧化法在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,即Al的化合价要升高,失电子,发生氧化反应,因此铝为阳极,故A项正确;阴极材料的选择不会对电解有影响,因此可以选择不锈钢网,且不锈钢网的接触面积大,能提高电解效率,故B项正确;阴极应为溶液中H+得电子生成氢气,电极反应式为2H++2e―====H2↑,故C项错误;电解时,阴离子在电解池中移向阳极,故D项正确。3.如图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置。通电后在石墨电极a和b附近分别滴加几滴石蕊溶液。下列实验现象描述正确的是世纪金榜导学号()A.逸出气体的体积,a电极的小于b电极的B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气体C.a电极附近呈红色,b电极附近呈蓝色D.a电极附近呈蓝色,b电极附近呈红色【解析】选D。b极OH-放电产生O2,b极附近c(H+)c(OH-),石蕊溶液变红。在a极H+放电产生H2,a极附近c(OH-)c(H+),石蕊溶液变蓝。所以产生的气体体积a电极的大于b电极的,两种气体均为无色无味的气体,A、B、C错误;D正确。4.用指定材料作电极来电解一定浓度的溶液甲,然后加入物质乙能使溶液恢复为溶液甲原来的浓度,则合适的组合是()选项阳极阴极溶液甲物质乙APtPtNaOHNaOH固体BPtPtH2SO4H2OCCFeNaCl盐酸DCuCCuSO4Cu(OH)2【解析】选B。A项中相当于电解的是水,应加入水才能恢复原来状态,错误;B项中相当于电解的是水,加入水后可以恢复原来状态,正确;C项中相当于电解的是HCl,但加入盐酸的同时,也引入了水,不可能恢复原来状态,错误;D项中阳极铜失电子,Cu2+在阴极得电子,加入Cu(OH)2,不可能恢复原来状态,错误。5.(2016·北京高考)用石墨电极完成下列电解实验。实验一实验二装置现象a、d处试纸变蓝;b处变红,局部褪色;c处无明显变化两个石墨电极附近有气泡产生;n处有气泡产生下列对实验现象的解释或推测不合理的是()世纪金榜导学号A.a、d处:2H2O+2e-====H2↑+2OH-B.b处:2Cl--2e-====Cl2↑C.c处发生了反应:Fe-2e-====Fe2+D.根据实验一的原理,实验二中m处能析出铜【解析】选B。a、d处试纸变蓝,说明溶液显碱性,是溶液中的氢离子得到电子生成氢气,氢氧根离子剩余造成的,故A正确;b处变红,局部褪色,说明是溶液中的氢氧根和氯离子同时放电,分别产生氧气和氯气,氢离子浓度增大,酸性增强,氯气与水反应生成的次氯酸具有漂白性,故B错误;c处为阳极,铁失去电子生成亚铁离子,故C正确;实验一中a、c形成电解池,d、b形成电解池,所以实验二中相当于形成三个电解池(一个球两面为不同的两极),m为电解池的阴极,另一球朝m的一面为阳极(n的背面),相当于电镀,即m上有铜析出,故D项正确。【加固训练】用碳棒作电极,在Na+、Cu2+、Cl-、等离子中选出适当离子组成电解质,电解其溶液,写出符合条件的一种电解质的化学式:(1)当阴极放出H2,阳极放出O2时,电解质是__;(2)当阴极析出金属,阳极放出O2时,电解质是__;(3)当阴极放出H2,阳极放出Cl2时,电解质是__;24SO(4)通过电子的物质的量与阴极析出的金属的物质的量、阳极析出的气体的物质的量之比为4∶2∶1时,电解质的化学式是________。【解析】阴极放H2生成碱,阳极放O2生成酸,所以(1)实质是电解水,故电解质是活泼金属的含氧酸盐,即Na2SO4。(2)实质是放氧生酸型,即电解质是不活泼金属的含氧酸盐,即CuSO4。(3)实质是放氢生碱型(或电解盐酸,但本题不符合题意),即NaCl。(4)阳极析出的气体是O2,1molO2转移4mol电子,故金属是+2价,即为铜,故电解质是CuSO4。答案:(1)Na2SO4(2)CuSO4(3)NaCl(4)CuSO4【归纳总结】1.常见电解反应类型(惰性电极)(1)Ⅰ区(活泼金属含氧酸盐)——实质电解水。(2)Ⅱ区(不活泼金属无氧酸盐)——实质电解盐。(3)对角线A——放氧生酸型(不活泼金属含氧酸盐)。(4)对角线B——放氢生碱型(活泼金属无氧酸盐)。2.电解池中阴极和阳极的特征3.电极反应式的书写步骤及方法(1)“判”:判断阴、阳极。(2)“看”:阳极要看清电极材料。对于铁、铝、铜、银等活泼电极,则阳极金属电极失电子变成阳离子进入溶液(Fe变成Fe2+),阴离子不失电子;如果是惰性电极(Pt、Au、石墨等)材料,应是溶液中的阴离子失电子。(3)“分”:将离子分成阳离子组、阴离子组(注意:水溶液中一定不要丢掉H+、OH-),阳离子向阴极移动,在阴极得电子;阴离子向阳极移动,在阳极失电子。根据得失电子能力对离子排序,得电子能力:Ag+Fe3+Cu2+H+;失电子能力:S2-I-Br-Cl-OH-含氧酸根。(4)“写”:由放电顺序及信息确定放电产物和电极反应。(5)“平”:依据质量守恒、电荷守恒进行配平。4.充电电池电极反应式的书写(1)充电电池充电时的连接方式。(2)可充电电池电极反应式的书写方法。书写可充电电池电极反应式,一般都是先书写放电的电极反应式。书写电极反应式时,一般要遵守三步:第一,先标出原电池总反应式中电子转移的方向和数目,指出参与负极和正极反应的物质;第二,写出负极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存);第三,在电子守恒的基础上,总反应式减去负极反应式即得正极反应式。充电的电极反应与放电的电极反应过程相反,充电的阳极反应为放电时正极反应的逆过程,充电的阴极反应为放电时负极反应的逆过程。以上方法可总结为:简单电极先写出,复杂反应相减得;负极颠倒得阴极,正极颠倒得阳极。考点2:电解原理的应用1.电解饱和食盐水(b)(1)原理(2)装置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.电解精炼铜(b)【微点拨】电解精炼铜时,阳极质量减小,阴极质量增加,溶液中的Cu2+浓度减小。3.电镀(b)右图为金属表面镀银的工作示意图,据此回答下列问题:(1)镀件作___极,镀层金属银作___极。(2)电解质溶液是____________________________________。AgNO3溶液等含镀层金属阳离子的盐溶液阴阳(3)电极反应阳极:Ag-e-====Ag+阴极:A