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文檔簡介
電解池(一)典型例題【例1】把鋅片和鐵片放在盛有稀食鹽水和酚酞試液混合溶液的玻璃皿中(如圖所示平面圖),經過一段時間后,首先觀察到溶液變紅的區域是()A、Ⅰ和Ⅲ附近B、Ⅰ和Ⅳ附近C、Ⅱ和Ⅲ附近D、Ⅱ和Ⅳ附近解析:此題將電解知識與原電池知識揉和在一起。要解決此問題,必須要從概念、模型、電極名稱、電極反應式等方面去區分,這些知識都弄清楚了,才能順利解答此題,達到“在應用中理解、在理解中應用”的效果。左圖為電解池,Fe為陽極,陽極反應為:Fe-2e-==Fe2+;Zn為陰極,陰極反應為:2H++2e-==H2↑,因此Ⅰ區域c(OH-)變大,堿性增強使酚酞變紅;右圖為原電池,Fe為正極,正極反應式為:2H2O+O2+4e-==4OH-,因此Ⅳ區域c(OH-)變大,堿性增強使酚酞變紅。答案:B點評:對比是深化理解的“良藥”,是化學學習的一種重要學科方法。可以將有聯系或易混淆的知識放在一起比較,如電解知識與原電池知識、電解池與電鍍池等;也可以將形似而質異或形異而質似的習題放在一起比較分析,以此來加深對知識的理解。【例2】用Pt電極電解含有各0.1molCu2+和X3+的溶液,陰極析出固體物質的質量m(g)與溶液中通過電子的物質的量n(mol)的關系見圖示。則離子的氧化能力由大到小排列正確的是()A、Cu2+>X3+>H+B、H+>X3+>Cu2+C、X3+>H+>Cu2+D、Cu2+>H+>X3+解析:有些學生沒認真分析,就將X3+與Fe3+聯系起來,選擇C答案。這其實是簡單記憶陽離子放電順序導致定勢思維造成的結果。本題的解題信息在圖象中:一通電就有固體析出,且通過0.2mol電子后,再沒有固體析出了,說明是Cu2+放電的結果。X3+不放電,故答案應為D。答案:D點評:上例充分說明理解的重要性,也強調記憶的靈活性。理解是記憶的前提,記憶是理解的歸宿。將記住的東西置于知識出現的背景中,并與具體問題結合起來進行處理,掌握學過的知識才能事半功倍。【例3】在25℃時,將2個銅電極插入到一定的Na2SO4飽和溶液中,通直流電電解并不斷攪拌,當陰極上收集到amol的氣體的同時,溶液中析出了bmol的結晶水合物Na2SO4·10H2O,若保持溫度不變,則所剩溶液中溶質的質量分數是()A.B.C.D.解析:《考試說明》要求:理解電解原理,理解溶液中溶質的質量分數的概念。通電電解發生的電極反應:陽極為Cu-2e=Cu2+,陰極為2H++2e=H2↑通電電解時總的化學反應方程式為:Cu+2H2O=====Cu(OH)2↓+H2↑陰極逸出amolH2,水被電解了2amol,根據溶解度知識,不難求出答案為C。答案:C電解點評:電解2H2O=====2H2↑+O2↑陰極逸出amolH2,水被電解了amol,其答案為D。可見因一字之差(“銅”與“鉑”),答案各異。由此再次強調提高審題的準確性是多么地必要。【例4】通以相等的電量,分別電解等濃度的硝酸銀和硝酸亞汞(亞汞的化合價為+1價)溶液,若被還原的硝酸銀和硝酸亞汞的物質的量之比n(硝酸銀)︰n(硝酸亞汞)=2︰1,則下列表述正確的是()A、在兩個陰極上得到的銀和汞的物質的量之比n(Ag)︰n(Hg)=2︰1B、在兩個陽極上得到的產物的物質的量不相等C、硝酸亞汞的分子式為HgNO3D、硝酸亞汞的分子式為Hg2(NO3)2解析:通以相等的電量即是通過相同的電子數,銀和亞汞都是+1價,因此,得到的單質銀和汞的物質的量也應相等;又因電解的n(硝酸銀)︰n(硝酸亞汞)=2︰1,硝酸銀的化學式為AgNO3,故硝酸亞汞的化學式不可能為HgNO3,只能為Hg2(NO3)2。所以,正確選項為D。答案:D點評:有關電解的計算:通常是求電解后某產物的質量、物質的量、氣體的體積、某元素的化合價以及溶液的pH、物質的量濃度等。運用電子守恒原理解答較好。【例5】某學生想制作一種家用環保型消毒液發生器,用石墨作電極電解飽和氯化鈉溶液,通電時,為使Cl2被完全吸收,制得有較強殺菌能力的消毒液,設計了如圖的裝置,則對電源電極名稱和消毒液的主要成分判斷正確的是()A、a為正極,b為負極;NaClO和NaClB、a為負極,b為正極;NaClO和NaClC、a為陽極,b為陰極;HClO和NaClD、a為陰極,b為陽極;HClO和NaCl解析:用石墨作電極電解飽和氯化鈉溶液發生的反應是:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,副反應為:2NaOH+Cl2=NaCl+NaClO+H2O,則可推知使Cl2被完全吸收制得有較強殺菌能力的消毒液的主要成分是NaClO和NaCl溶液,其中起消毒作用的是NaClO溶液。電解過程中陰極產生H2,結合圖示,消毒液發生器的液體上部空間充滿的是H2,故電源a極是負極,b為正極。所以答案為B。答案:B點評:考查綜合運用原電池、電解池原理、氯堿工業原理和Cl2化學性質等,解決社會生活中問題的能力,同時,也考查學生理解,分析數據獲取新信息能力。【例6】電解食鹽溶液的氯堿生產技術,已由傳統的隔膜法變革為離子膜法高新技術。這種技術進步,如下表所示:表1產品液堿質量比較項目離子膜法
隔膜法
隔膜法
NaOH%35(已有50%的報道)10~1230NaCl%0.002514~164Na2CO3%0.02(一般不計量)1表2能耗與蒸汽用量比較(以NaOH質量分數為50%作比較基準)項目離子膜法隔膜法電解用電度/噸21602600蒸汽用電度/噸80700蒸量用電度/噸0.403.5隔膜法和離子膜法新技術中所用的膜有本質區別。前者是有條件地阻止陰、陽極電解產物相混合的多孔石棉隔膜。后者由陽離子交換樹脂(幾類氟碳樹脂)組成,樹脂的高分子骨架上接有能電離出H+而可與Na+等陽離子交換的離子交換基團—SO3H、—COOH,所以是一類厚度雖僅0.l~0.5mm,但一般只允許溶液中的陽離子在膜中通過,更不能自由通過氣體或液體的陽離子交換膜。試從自然科學、生產技術與社會發展的綜合角度,系統簡答下列相關問題。(1)在所給離子膜法電解食鹽溶液示意圖中的括號內,填寫開始電解時進入電解槽用作電解液的液體A、B的組成名稱,以及電解產出氣體C、D的化學式,并簡述其通過電解液的循環電解,直接生產純濃液堿的電化學原理。離子膜法電解槽的極間距,由于膜在電極間的結構緊湊而遠小于隔膜法電解槽,這將如何影響能耗?(2)傳統隔膜法的陰極電解堿液,它所含NaOH的質量分數,為什么只能控制得低些?(3)試對比評價本離子膜法科技進步的經濟、社會效益。解析:(1)在直流電場中的陽離子交換膜,只能讓陽離子透過、遷移進入陰極室,而不容陰極室里的陰離子透過、遷移進入陽極室。這種選擇性的透過作用,使精制飽和食鹽水在陽極室中經循環電解,通過Cl-的陽極氧化和Na+的遷移入陰極室而變為淡鹽水;使淡堿液或純水在陰極室中經循環電解,通過H2O(H+)的陰極還原,積累OH-和Na+而變為純燒堿濃溶液。電解槽的極間距變短,兩極間的溶液電阻就減小,可相應降低電解電壓而節省電能。(2)傳統的隔膜法使用的石棉隔膜,并無離子膜所有阻止OH-向陽極遷移的功能。當稍為提高陰極堿液的濃度時,將明顯增大OH-向陽極的遷移量,必首先由于Cl2和OH-的反應而相應顯著降低該電解生產的電流效率。(3)離子膜法生產與傳統的隔膜法相反,無需再為電解堿液脫鹽(盡量回收NaCl)濃縮;經濟效益高,生產效率高,產品燒堿純且濃,能耗低、蒸汽省。隔膜法生產中,更因制作、使用石棉隔膜,必發生硅酸鹽纖維(粉塵)污染環境的問題,有使部分操作工人患肺癌職業病的危險。可見,以電化學科學原理為核心,通過為其所開發的離子膜法電解生產的跨學科高新技術,優化了資源、能源的利用,變污染環境的生產為“清潔生產”,更有其適應可持續發展需要的高社會效益。答案:(1)A為飽和食鹽溶液,B為淡堿液或純水,C為Cl2,D為H2。極間距減小,可降低電解電壓而節省電能。循環電解時,陽極液中的Na+,能在Cl-陽極氧化成Cl2的同時,透過陽離子交換膜遷移入陰極室;陰極液中的H2O在陰極還原生成H2和OH-,其中OH-因受阻于陽離子交換膜而與Na+共存于陰極室,最終使陰極液成為產品純濃液堿。(2)為減少OH-向陽極的遷移量,以保持較高的電流效率。(3)詳見解析。(二)基礎練習一、選擇題1.在原電池和電解池的電極上所發生的反應,同屬氧化反應或同屬還原反應的是()A、原電池正極和電解池陽極所發生的反應B、原電池正極和電解池陰極所發生的反應C、原電池負極和電解池陽極所發生的反應D、原電池負極和電解池陰極所發生的反應2.下列關于電解精煉銅的敘述中不正確的是()A.粗銅板:陽極B.電解時,陽極發生氧化反應,而陰極發生的反應為Cu2++2e-==CuC.粗銅中所含Na、Fe、Zn等雜質,電解后以單質形式沉積槽底,形成陽極泥D.電解銅的純度可達99.95%~99.98%3.在鐵制品上鍍一定厚度的鋅層,以下方案設計正確的是()A.鋅作陽極,鐵作陰極,溶液中含有鋅離子B.鉑作陰極,鐵作陽極,溶液中含有鋅離子C.鐵作陽極,鐵作陰極,溶液中含亞鐵離子D.鋅作陰極,鐵作陽極,溶液中含鋅離子4.用惰性電極實現電解,下列說法正確的是()A電解稀硫酸溶液,實質上是電解水,故溶液pH不變B電解稀氫氧化鈉溶液,要消耗OH-,故溶液pH減小C電解硫酸鈉溶液,在陰極上和陽極上析出產物的物質的量之比為1:2D電解氯化銅溶液,在陰極上和陽極上析出產物的物質的量之比為1:15.在①電解是將電能轉化為化學能;②電解是將化學能轉變成電能;③電解質溶液導電是化學變化,金屬導電是物理變化;④不能自發進行的氧化還原反應可通過電解的原理實現;⑤任何物質被電解時,必導致氧化還原反應發生;這五種說法中正確的是()A.①③④⑤B.②③⑤C.③④D.①②③④6.以銅棒作陽極,在鐵棒(與銅棒質量相等)表面鍍銅,用硫酸銅溶液作電解質溶液,若電鍍結束時兩極質量差為128g,則此時在鐵棒上析出銅的質量是()A.8gB.16gC.32gD.64g7.可以將反應Zn+Br2=ZnBr2設計成蓄電池,下列4個電極反應①Br2+2e=2Br-②2Br-—2e=Br2③Zn-2e=Zn2+④Zn2++2e=Zn其中表示充電式的陽極反應和放電時的負極反應的分別是()A.②和③B.②和①C.③和①D.④和①8.下列關于銅電極的敘述正確的是()A.銅鋅原電池中銅是正極B.用電解法精煉粗銅時純銅作陽極C.在鍍件上電鍍銅時可用金屬銅作陽極D.電解稀硫酸制H2、O2時銅作陽極9.能夠使反應Cu+2H2O==Cu(OH)2+H2發生的是()A.銅片作原電池的負極,碳棒作原電池的正極,氯化鈉作電解質溶液B.銅鋅合金在潮濕空氣中發生電化學腐蝕C.用銅片作陰、陽電極,電解硫酸鈉溶液D.用銅片作陰、陽電極,電解硫酸銅溶液10.用石墨作電極,電解1mol·L-1下列物質的溶液,溶液的pH保持不變的是()A.HClB.NaOHC.Na2SO4D.NaCl11.已知電解(石墨電極)鹽酸、硫酸混合酸時兩極生成的氣體與時間關系如右圖所示,則其電解過程中溶液pH隨時間變化關系正確的是()12.13.如圖所示,圖中四種裝置工作一段時間后,測得導線上均通過了0.002mol電子,此時溶液的pH值由小到大的排列順序為(不考慮溶液的水解和溶液的體積變化)()A.①<②<③<④B.②<①<③<④C.②<①<④<③D.①<②<④<③14.鎳氫電池是近年開發出來的可充電電池,它可以取代會產生污染的銅鎳電池。氫鎳電池的總反應式是0.5H2+NiO(OH)Ni(OH)2,根據此反應式判斷,下列敘述中正確的是()A.電池放電時,負極周圍溶液的pH不斷增大B.電池放電時,負極反應為H2-2e-=2H+C.電池充電時,氫元素被還原D.電池充電時,鎳元素被氧化15.如圖所示,電源電壓恒定,甲、乙兩杯中分別倒入相同質量分數的稀H2SO4,合上開關后,發現電壓表V1、V2讀數U1、U2相同,小燈泡發光正常,下面說法正確的是()A.若將甲溶液中的兩極靠近,會發現電壓U2變小
B.若在乙溶液中逐漸滴入少量Ba(OH)2溶液,會發現電壓U2變小
C.若在甲溶液中逐漸滴入Ba(OH)2溶液直至過量,小燈泡先變暗后變亮
D.溶液導電的原因是通電后稀H2SO4發生電離的緣故
16.右圖中x、y分別是直流電源的兩極,通電后發現a極板質量增加,b極板處有無色無臭氣體放出,符合這一情況的是()17.用惰性電極電解M(NO3)x的水溶液,當陰極上增重ag時,在陽極上同時產生bL氧氣(標準狀況),從而可知M的相對原子質量為()ax/bax/bax/bax/b18.用惰性電極電解250mLNaCl和CuSO4的混合溶液,經過一段時間后兩極分別得到11.2L(標準狀況下)氣體。原混合溶液中NaCl的物質的量濃度不可能為()二、填空題19.氨是最重要的氮肥原料。在課本里學到的合成氨技術叫哈伯法,近一個世紀,合成氨需要高溫高壓似乎是天經地義了。然而,最近有兩位希臘化學家在《科學》雜志上發表文章說,在常壓下把氫氣和用氦氣稀釋的氮氣分別通入一個加熱到570℃的電解池(如右圖),氫氣和氮氣便可在電極上合成氨,轉化率竟然高達78%。請根據以上材料回答下列問題:(1)寫出哈伯法合成氨的化學方程式:______________________________;(2)新法合成氨的電解池中能否用水溶液作電解質?_______;為什么?______________。(3)新法合成氨中所用的電解質(如圖中黑細點所示)能傳導H+,試寫出電極反應式和總反應式。陽極:____________________________;陰極_____________________________。總反應式:__________________________________。20.用下圖所示的裝置進行電解。通電一會兒,發現濕潤的淀粉KI試紙的C端變為藍色。則:(1)A中發生反應的化學方程式為__________________。(2)在B中觀察到的現象是________、________、________。(3)室溫下,若從電解開始到時間ts,A、B裝置中共收集到標準狀況下的氣體0.168L,若電解過程中無其他副反應發生,經測定電解后A中溶液體積恰為1000mL,則A溶液的pH為______。(三)能力測試1.由于FeOH2極易被氧化,所以實驗室很難用亞鐵鹽溶液與燒堿溶液反應制得純凈的FeOH2沉淀。若用下圖所示實驗方法則可制得純凈的FeOH2沉淀,已知兩極材料分別是石墨和鐵。(1)a電極材料為,其電極反應式為(2)在純水、NaCl溶液:NaOH溶液與CuC12溶液中選擇電解液d,可以是,此時白色沉淀在電極上生成;也可以是,此時白色沉淀在兩極之間的溶液中生成。(3)液體c為苯,其作用是,在加入苯之前,對溶液進行加熱處理的目的是(4為了在較短時間內看到白色沉淀,在①改用稀硫酸作電解液、②適當增大兩極間電壓、③適當縮小兩極板間距離、④適當降低電解液的溫度這四項措施中,可以采取的合理措施有(填序號)。(5)若d改為硫酸鈉溶液,當電解一段時間看到白色沉淀后,再反接電源繼續電解,除了在電極上看到氣泡外,另一明顯現象是2.右圖是一種正在投入生產的大型蓄電系統。左右兩側為電解質儲罐,中央為電池,電解質通過泵不斷在儲罐和電池間循環;電池中的左右兩側為電極,中間為離子選擇性膜,在電池放電和充電時該膜可允許鈉離子通過;放電前,被膜隔開的電解質為Na2S2和NaBr3,放電后,分別變為Na2S4和NaBr。(1)左、右儲罐中的電解質分別為:左:;右:。(2)寫出電池充電時,陽極和陰極的電極反應:陽極:;陰極:。(3)寫出電池充、放電的反應方程式:_____________________________________________________________________。(4)指出在充電過程中鈉離子通過膜的流向:__________________。第三節電解池(二)基礎練習1.BC原電池負極和電解池陽極發生的是氧化反應;原電池正極和電解池陰極發生的是還原反應。2.C3.A4.D5.A6.D7.A8.AC9.C10.C11.B12.13.A14.CD15.C16.17.C18.D19.解析:本題以新型電解池的有關反應為主體,重點考查《考試大綱》中要求的自學能力:(1)敏捷地接受試題所給出的新信息的能力;(2)將試題所給的新信息,與課內已學過的有關知識結合起來,解決問題的能力;(3)在分析評價的基礎上,應用新信息的能力。同時考查了電極反應式的書寫。答案:(1)N2+3H22NH3。(2)不能,此時水不是液態;(3)陽極:3H2–6e-==6H+(生成的H+通過電解質傳導到陰極),陰極:N2+6H++6e-==2NH3。總反應:N2+3H22NH3。20.解析:可以認為線路中串聯了3個電解池。當選定一個為研究對象時,另外的2個可看作是線路或是電阻。先選定濕潤的淀粉KI試紙為研究對象。由于C端變為藍色,可知C端有I2生成:2I--2e-====I
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