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【化學(xué)】高中知識(shí)點(diǎn)規(guī)律大全(16)——《電解原理及其應(yīng)用》

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1、 高中化學(xué)知識(shí)點(diǎn)規(guī)律大全 ——電解原理及其應(yīng)用 1.電解原理 [電解、電解池(槽)] 使電流通過電解質(zhì)溶液而在陰、陽兩極引起氧化還原反應(yīng)的過程叫做電解.借助于電流引起氧化還原反應(yīng)的裝置,也就是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的裝置,叫做電解池或電解槽. 構(gòu)成電解池(電解槽)的條件: (1)有外加直流電源. (2)有電解質(zhì)溶液或熔融的離子化合物. (3)有兩個(gè)電極(材料為金屬或石墨,兩極材料可相同或不同): 陰極:與直流電源的負(fù)極直接相連的一極. 陽極:與直流電源的正極直接相連的一極. (4)兩個(gè)電極要與電解質(zhì)溶液接觸并形成回路. 注意 電解池的陰、陽極完全由外加直流電源的負(fù)、正極

2、確定,與電極材料本身的性質(zhì)無關(guān).而原電池的正、負(fù)極則由構(gòu)成電極材料本身的性質(zhì)決定. [惰性電極和活性電極] 在電解時(shí),根據(jù)電極本身是否參與氧化還原反應(yīng),可把電極分為惰性電極和活性電極兩類: (1)惰性電極(C、Pt等):只起導(dǎo)電作用,不參與反應(yīng); (2)活性電極(除Pt、Au外的其余金屬):當(dāng)作陽極時(shí),除起導(dǎo)電作用外,還失去電子變成金屬陽離子進(jìn)入溶液中. [電解原理] 陰極:陰極→發(fā)生還原反應(yīng)→溶液中的金屬陽離子或H+得電子→電極的質(zhì)量增加或放出H2→電極本身一定不參加反應(yīng). 陽極:陽極→發(fā)生氧化反應(yīng)→活性電極溶解或惰性電極時(shí)溶液中的陰離子(或OH-)失去電子→電極的質(zhì)量減輕或放

3、出O2或析出非金屬單質(zhì). 電子流向:外接電源(+)→外接電源(一)→電解池陰極→溶液中離子定向移動(dòng)→電解池陽極→外接電源(+). 電流方向:與電子流向相反. [離子的放電順序] (1)在陰極上.在陰極上發(fā)生的是得電子反應(yīng),所以,電極本身只起導(dǎo)電作用而不能發(fā)生氧化還原反應(yīng),發(fā)生反應(yīng)的是溶液中的陽離子,它們得電子的水平順序?yàn)椋? Ag+、Fe3+、Cu2+、H+、Pb2+、Fe2+、Zn2+、(H+)、Al3+、Mg2+、Na+、Ca2+、K+ 得電子水平由易到難 說明 上列順序中H+有兩個(gè)位置:在酸溶液中,H+得電子水平在Cu2+與Pb2+之間;若在鹽溶液中,則H+位于Zn2+與A

4、g+之間. (2)在陽極上.首先應(yīng)考慮電極是活性電極還是惰性電極,若為活性電極,則是陽極本身失去電子被氧化成陽離子進(jìn)入溶液中,即:,此時(shí)不能考慮溶液中陰離子的失電子情況;若為惰性電極,溶液中的陰離子失電子的水平順序?yàn)椋? NO3-或SO42-等含氧酸根、OH-、Cl-、Br-、I-、S2- 失電子水平由弱到強(qiáng) [電離與電解的區(qū)別和聯(lián)系] 電 離 電 解 發(fā)生條件 電解質(zhì)受熱或受水分子的作用(無須通電) 受直流電的作用 特 征 陰、陽離子作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng),無明顯化學(xué)變化 陰、陽離子作定向移動(dòng),在兩極上有物質(zhì)析出 說 明 電解質(zhì)電離時(shí),發(fā)生了物理變化和化

5、學(xué)變化 ①電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電過程,就是該溶液的電解過程②溫度升高,電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電水平增強(qiáng),電解速度加快(但金屬的導(dǎo)電性隨溫度升高而減弱) 實(shí) 例 CuCl2=Cu2++2Cl- CuCl2Cu2++Cl2↑ 相互關(guān)系 電解質(zhì)只有在電離后才能電解 [原電池與電解池] 電 極 電極反應(yīng) 電子轉(zhuǎn)移方向 能量 轉(zhuǎn)變 舉 例 原電池 正、負(fù)極由電極材料決定:相對活潑的金屬作負(fù)極;較不活潑的金屬作正極 負(fù)極:電極本身失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng) 正極:溶液中的陽離子得到電子,發(fā)生還原反應(yīng) 電子由負(fù)極流出,經(jīng)外電路回正極 化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔? 銅鋅原電池 負(fù)極:

6、 Zn-2e-=Zn2+ 正極: 2H++2e-=H2↑ 電解池 陰、陽極完全由外加直流電源的負(fù)、正極決定:與直流電源正極相連的是陽極;與直流電源負(fù)極相連的是陰極 陰極:較易獲得電子的陽離子優(yōu)先得到電子,發(fā)生還原反應(yīng)陽極,金屬或較易失去電子的陰離子優(yōu)先失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng) 電子由直流電源的負(fù)極流出,經(jīng)導(dǎo)線到達(dá)電解池的陰極,然后通過電解液中的離子放電,電子再從陽極經(jīng)導(dǎo)線回到直流電流的正極 電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能 以石墨為電極電解CuCl2溶液 陽極: 2C1--2e-=C12↑ 陰極: Cu2++2e-=Cu↓ [用惰性電極作陽極電解酸、堿

7、、鹽水溶液的規(guī)律] 物 質(zhì) 代表物 參加電解 的物質(zhì) 陰極(區(qū)) 產(chǎn)物 陽極(區(qū)) 產(chǎn)物 溶液pH 的變化 酸 含氧酸 H2SO4、HNO3 H2O H2 O2 減小 無氧酸 (除HF) HCl HCl H2 C12 增大 堿 強(qiáng)堿 NaOH、KOH H2O H2 O2 增大 鹽 不活潑金屬的無氧酸鹽 CuCl2 CuCl2 Cu C12 增大(若考慮C12的溶解,則pH減小) 活潑金屬的 無氧酸鹽 NaCl NaCl、H2O H2、NaOH C12 減小 不活潑金屬的含氧酸鹽 CuSO4、AgNO

8、3 CuSO4、H2O AgNO3、H2O Cu;Ag O2、H2SO4 O2、HNO3 增大 活潑金屬的 含氧酸鹽 K2SO4、NaNO3 KNO3、Na2SO4 H2O H2 O2 不變 歸納:(1)電解含氧酸、強(qiáng)堿和活潑金屬含氧酸鹽的水溶液,實(shí)際上都是電解水,即: 2H2O2H2↑ + O2↑ (2)電解無氧酸(HF除外)、不活潑金屬無氧酸的水溶液,就是電解溶質(zhì)本身.例如: 2HClH2↑ + Cl2↑ CuCl2Cu + C12↑ (3)電解活潑金屬無氧酸鹽溶液時(shí),電解的總化學(xué)方程式的通式可表示為: 溶質(zhì) + H2OH2↑+ 堿

9、 + 鹵素單質(zhì)X2(或S) (4)電解不活潑金屬含氧酸鹽的溶液時(shí),電解的總化學(xué)方程式的通式可表示為: 溶質(zhì) + H2OO2↑ + 酸 + 金屬單質(zhì) (5)電解時(shí),若只生成H2,pH增大.若只生成O2,則pH減?。敉瑫r(shí)生成H2和O2,則分為三種情況:電解酸的溶液,pH減??;電解堿的溶液,pH增大;電解鹽的溶液,pH不變. 2.電解原理的應(yīng)用 [銅的電解精煉、電鍍銅] 項(xiàng) 目 銅的電解精煉 電鍍銅 含 義 利用電解原理將粗銅中的雜質(zhì)(如鋅、鐵、鎳、銀、金等)除去,以獲得電解銅(含Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)99.95%~99.98%)的過程 利用電解原理在某些金屬的表面

10、鍍上一薄層其他金屬(銅)或合金的過程 目 的 制得電解銅,以增強(qiáng)銅的導(dǎo)電性 使金屬更加美觀耐用,增強(qiáng)防銹抗腐能力 電解液 CuSO4溶液(加入一定量的硫酸) 含有鍍層金屬離子(Cu2+)的電解質(zhì)溶液作電鍍液(如CuSO4溶液) 陽極材料 粗銅 鍍層金屬(Cu) 陰極材料 純銅 待鍍金屬制品 電極反應(yīng)式 陰極 Cu2++2e-=Cu Cu2++2e-=Cu 陽極 Cu-2e-=Cu2+ Zn-2e-=Zn2+ Ni-2e-=Ni2+ Cu-2e-=Cu2+ 特 點(diǎn) ①陽極反應(yīng)為粗銅中的Cu及雜質(zhì)失去電子而溶解 ②溶液中CuSO4的濃度基本不變

11、 ①陽極本身失去電子而溶解 ②溶液中金屬陽離子的濃度保持不變 ③溶液的pH保持不變 說 明 當(dāng)陽極上的Cu失去電子變成Cu2+溶解后,銀、金等金屬雜質(zhì)以單質(zhì)的形式沉積于電解槽底,形成陽極泥 ①銅鍍層通常主要用于電鍍其他金屬之前的預(yù)鍍層,以使鍍層更加牢固和光亮 ②電鍍工業(yè)的廢水中常含劇毒物質(zhì)如氰化物、重金屬等.因此必須經(jīng)過處理才能排放 [氯堿工業(yè)] (1)電解飽和食鹽水溶液的反應(yīng)原理. 陽極電極反應(yīng)式(Fe棒):2H++2e-=H2↑ (H+得電子產(chǎn)生H2后,陰極區(qū)OH-濃度增大而顯堿性) 陽極電極反應(yīng)式(石墨):2C1――2e-=Cl2↑ 電解的總化學(xué)方程式:2N

12、aCl + H2O2NaOH + H2↑+ Cl2↑ (2)設(shè)備:離子交換膜電解槽.離子交換膜電解槽主要由陽極、陰極、離子交換膜、電解槽框和導(dǎo)電銅棒等組成,每臺(tái)電解槽由若干個(gè)單元槽串聯(lián)或并聯(lián)組成.電解槽的陽極用金屬鈦制成;陰極由碳鋼網(wǎng)制成. (3)陽離子交換膜的作用:①把電解槽隔為陰極室和陽極室;②只允許Na+通過,而Cl-、OH-和氣體則不能通過.這樣,既能防止生成的H2和Cl2相混合而發(fā)生爆炸,又能避免C12進(jìn)入陰極區(qū)與NaOH溶液作用生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)量. (4)離子交換膜法電解制燒堿的主要生產(chǎn)流程 說明 為除去粗鹽中的Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-等雜質(zhì)離子,需依次加入過量的BaCl2溶液(除去SO42-)、NaOH溶液(除去Mg2+、Fe3+)和Na2CO3溶液(除去Ca2+和剩余的Ba2+),最后加入鹽酸中和NaOH以及將剩余的Na2CO3轉(zhuǎn)化為NaCl.

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