4.电解原理及其应用
直流电通过电解质溶液时使阴阳两极发生氧化还原反应的过程。电解是一个电能转化为化学能的过程。
从参加反应的物质来分电解反应可分成五类:
(1)H2O型:实质是电解水。如电解硝酸钠、氢氧化钠、硫酸等溶液。
(2)溶质型:溶质所电离出来的离子发生氧化还原,如电解氯化铜、溴化氢等溶液。
(3)硫酸铜溶液型:电解产物是金属、氧气与酸。如电解硫酸铜溶液生成单质铜、氧气和硫酸,电解硝酸银溶液时生成单质银、氧气和硝酸。
(4)氯化钠溶液型:电解产物是非金属单质、氢气与碱。如电解氯化钠溶液时生成氯气、氢气和氢氧化钠,电解溴化钾溶液时生成溴单质、氢气和氢氧化钾。
(5)电镀型:镀层金属作阳极,阳极反应是:M- ne-=Mn+,镀件作阴极,阴极反应是:Mn++ne-=M。(电解精炼与电镀,实质上是相同的)
[典型题析]
[例1]熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视,可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混和物作电解质,CO为负极燃气,空气与CO2的混和气为正极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池。完成有关的电池反应式:
负极反应式:2CO+2CO32--4e-= 4CO2
正极反应式:
总电池反应式:
[解析]本题属于那种源于教材又高于教材的题型,从通常原电池的电解质溶液,一下过渡到熔融盐,不少人无法适应,当年高考失分也很严重。其实,我们只要从最基本的一点-燃料电池分析,其总电池反应式应为:2CO+O2=2CO2,然后逆向思考正极反应式-应为总反应式减去负极反应式,就可得出结果:
O2+2CO2+4e-=2CO32-。
[例2]普通干电池中装有二氧化锰和其它物质,二氧化锰的作用是
(
)
A. 和正极作用把碳变成CO2
B. 把正极附近生成的H2氧化成水
C. 电池中发生化学反应的催化剂
D. 和负极作用,将锌变成锌离子Zn2+
[解析]锌锰干电池的负极材料是锌,故负极反应是Zn-2e-=Zn2+。正极导电材料是石墨棒。两极间为MnO2、NH4Cl、ZnCl2的糊状物。正极NH4+发生还原反应生成NH3和(H),继而被MnO2氧化为水,使碳极附近不致产生H2气泡而使电极极化,故MnO2也可称为正极的去极剂,使正极附近生成的H2氧化为水。正极反应:
2MnO2+2NH4++2e-==Mn2O3+2NH3+H2O
电池总反应为:Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++Mn2O3+2NH3+H2O
本题答案为B。
[例3]将0.lmol·
醋酸溶液加水稀释,下列说法正确的是(
)
A.溶液中c(H+)和c(OH-)都减小
B.溶液中c(H+)增大
C.醋酸电离平衡向左移动 D.溶液的pH增大
[解析]答案为D。
主要考查电离平衡知识。弱酸的电离可联系到溶液的pH、物质的量浓度、水的电离平衡等基础知识,要用到化学平衡移动原理。要注意酸溶液稀释时,溶液的c(OH-)增大,同样碱溶液稀释时溶液中的c(H+)增大。
[例4]已知0.1mol·L-1的二元酸H2A溶液的pH=4.0,则下列说法中正确的是( )
A.在Na2A、NaHA两溶液中,离子种类不相同
B.在溶质物质的量相等的Na2A、NaHA两溶液中,阴离子总数相等
C.在NaHA溶液中一定有:c(Na+)+c(H+)=c(HA-)+c(OH-)+2c(A2-)
D.在Na2A溶液中一定有:c(Na+)>c(A2-)>c(H+)>
c(OH-)
[解析]答案选C。
主要考查电离平衡、盐类水解等理论知识。弱电解质的电离平衡、盐类的水解平衡都会反映到溶液中各种离子浓度的关系之中,从分析离子关系角度考查电离平衡和盐类水解平衡理论知识,可以较好地区分学生对相关理论内容的理解水平。
根据题给条件可判断,H2A的第一级电离就较弱,属于弱酸。所以在Na2A、NaHA溶液中由于水解和电离,两溶液中所含离子种类数肯定相同。在Na2A溶液中,由于A2-水解,阴离子总数增加,在NaHA溶液中由于HA-水解阴离子总数要减小,所以两溶液中阴离子总数前者多。任何溶液中,阳离子所带正电荷总数跟阴离子所带负电荷总数必定相等。所以,在Na2A溶液中H+浓度小于OH-离子浓度。
[例5]剪长约6cm、宽2cm的铜片、铝片各一片,分别用接线柱平行地固定在一块塑料板上(间隔2cm)。将铜片与铝片分别和电流表的“+”、“-”端相连接,电流表指针调到中间位置。取两个50mL的小烧杯,在一个烧杯中注入约40mL的浓硝酸,在另一只烧杯中注入40mL0.5mol/L的硫酸溶液。试回答下列问题:
(1)两电极同时插入稀硫酸中,电流表指针偏向 (填“铝”或“铜”)极,铝片上电极反应式为
;
(2)两电极同时插入浓硝酸时,电流表指针偏向
(填“铝”或“铜”)极,此时铝是
(填“正”或“负”)极,铝片上电极反应式为
。
[解析]电极的确定依赖于具体的电极反应,在这个问题上,学生易受思维定势的影响,以为金属越活泼,便一定是负极,殊不知,在浓硝酸中,Al表面产生了钝化,发生反应的是Cu。因此,当Al、Cu同时插入稀硫酸时,电流表指针偏向Al。(电流方向从正极到负极)。电极反应式为:Al-3e-=Al3+。而当Al、Cu同时插入浓硝酸时,电流表指针偏向Cu,Al作正极,且电极反应式为:NO3-+4H++3e-=NO+2H2O。
[预测与训练]