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【转载】高中化学选修4的辅导十九  

2014-01-23 11:05:51|  分类: 化学辅导 |  标签: |举报 |字号 订阅

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关于电解池(下)

 l  电解原理的应用疑问解析:

1、氯碱工业:利用电解饱和食盐水的原理,来制取氯气和烧碱(氢气是副产品)的无机化学工业。

①为什么食盐水必须是饱和的?前面已经提到过,在等浓度时,氢氧根离子先于氯离子放电。为了保证在阳极上只生成氯气,不生成氧气,就要尽量增大氯离子的浓度,以增强其还原性。

②为什么食盐水必须精制?怎样精制?粗盐水中含有泥沙等不溶物,含有镁离子、钙离子、铁离子等在碱性环境中能够生成沉淀的物质,这些不溶性物质会堵塞隔膜或者离子交换膜的微孔,还含有影响烧碱溶液纯度的硫酸根离子,所以进入电解槽之前必须将它们除去,这个除杂过程就叫做精制。精制方法步骤是:Ⅰ、加入过量的BaCl2(沉淀SO42-);Ⅱ、加入过量的Na2CO3(沉淀Mg2+,Ca2+,Ba2+,Fe3+);Ⅲ、加入过量的NaOH(进一步沉淀Mg2+);Ⅳ、过滤;Ⅴ、加入适量的盐酸,调pH至等于7(除去CO32-,OH-);Ⅵ、通过Na+型阳离子交换树脂(进一步除去杂质阳离子)。【这个知识点的考题,通常是考查试剂加入的顺序。前面所述顺序不是死的,但必须符合以下原则:碳酸钠要在氯化钡后面加入(不一定紧邻);过滤要在沉淀剂全部加入以后,加盐酸以前;加盐酸必须是适量(不能过量),是最后一步。】

③如果在烧杯中电解饱和食盐水,生成物是什么?在烧杯中电解饱和食盐水,由于阳极室和阴极室不分,所以阳极上产生的氯气能够与阴极上产生的氢氧化钠反应,(假设反应完全)生成氯化钠、次氯酸钠和水,这个反应方程式和原来的电解反应方程式相加得:NaCl+H2O NaClO+H2↑  即得到的是氯化钠(未反应的)和次氯酸钠的混合溶液。

2、电解法冶炼铝:

①冶炼钠、镁都是电解它们熔融的氯化物,为什么冶炼铝不电解熔融的氯化铝?因为氯化铝是共价化合物,熔融状态不能够导电。

②电解熔融的氧化铝时,为什么要加入冰晶石(Na3AlF6读作六氟合铝酸三钠)?作为助熔剂,可以降低氧化铝的熔解温度。

③电解熔融的氧化铝时,阳极材料是惰性的石墨,为什么还会消耗?因为电解槽中的温度是高温,石墨是红热的,可以和阳极产物氧气反应而被消耗。

3、电镀:

①怎样能够记住什么做阳极,什么做阴极,什么做电解液?首先,要懂得以下名词:要把A物体的表面镀一层B金属,A叫做“镀件”,B叫做“镀层金属”;其次要知道在电解池中,活性阳极(除铂、金以外的金属阳极)一般是被溶解,而阴极上可以析出金属(包裹在阴极表面),析出的金属原来是以阳离子形式存在于溶液中;最后一点是“电镀液的浓度不变”,就是说,从溶液中析出的金属(阳离子)会得到补充。这样一来,就能够说出A(“镀件”)做阴极,B(“镀层金属”)做阳极,含B离子的盐溶液(如硝酸B)做电解液了。

②电镀液的浓度真的不变吗?不可能。因为做阳极的金属不可能是绝对纯的,杂有的其它金属也可能放电进入溶液,所以会略微减小。【生产上使用的电镀液成分很多,按照课本上简单方法电镀,镀层是不牢固的。】

③电镀的总方程式是什么?电镀没有总方程式。因为从始终态来看,相当于把阳极上剥下一层金属来,裹到阴极上,好像根本没有发生化学变化。

4、电解精炼铜:

①电解精炼铜实质也是电镀,对吗?从化学原理来说,是对的,可以看成是往铜上面镀铜。所以可以仿照上一条记忆相关知识。

②电解精炼铜是怎样做到精炼的?它是利用了金属的还原性越强,相应阳离子的氧化性就越弱这条原理的。也就是说,在阳极上,粗铜中比铜活泼的金属,进入溶液后析出要在铜离子之后(即理论上不析出),粗铜中比铜不活泼的金属(如银、金),溶解要在铜之后(即理论上不溶解,成为阳极泥。)。

③为什么电解精炼铜中,就说电解液浓度会减小?这是为了强调粗铜中含有杂质金属,实际上阳极材料也比电镀池中的阳极材料纯度小。

l  习题例析:

  1、用石墨作电极,电解一定浓度的硫酸铜溶液,在阳极上收集到1.12L(标准状况)气体时,停止电解。此时,要想把电解液恢复到电解以前的状态,应该向其中加入____mol______。

解析:用石墨作电极,电解硫酸铜溶液,电极反应式是:

       阳极:4OH--4e-=2H2O+O2↑

阴极:2Cu2++4e-=2Cu↓

可以看出,阳极上收集到0.05mol氧气的同时,阴极上析出了0.1mol铜。这就是从原溶液中脱离出来的成分(直接加它们当然是进不去的),将它们化合!生成物加入电解液,就可以恢复原状。所以答案是加入0.1molCuO。【它将与溶液中生成的0.1molH2SO4恰好反应,生成被电解时消耗的0.1molCuSO4和0.1molH2O】

  2、氢-镍电池的总反应式是Ni(OH)2 可逆符号(向右是充电,向左是放电)1/2H2+NiO(OH)

据此可知,下列说法中正确的是:

      A、放电时,负极周围的pH值增大;

      B、放电时,镍元素被氧化;

      C、充电时,氢元素被还原;

      D、充电时,氢气是负极上的产物。

解析:撇开找答案不说,我们来写一下电极反应式:

直接写充电不太好写,先写放电的:

负极:1/2H2-e-+OH-=H2O 【参见原电池】

正极:NiO(OH)+e-+H2O=Ni(OH)2+OH-

先判断A、B:负极上消耗氢氧根离子,pH值应该减小,A错;镍从+3价变为+2价,得到电子,被还原,B错。

再写充电的电极反应式:

阳极:Ni(OH)2-e-+OH-=NiO(OH)+H2O

  【把上面的正极反应式倒过来,电子移到左边(变号)。】

阴极:H2O+e-=1/2H2+OH-

  【把上面的负极反应式倒过来,电子移到左边(变号)。】

判断C、D:据阴极反应式可知,C正确;充电时,氢气是阴极上的产物,不能叫做负极上的产物。D错。

   【可以看出,可以不写电极反应式去判断。】

3、用石墨作电极电解100ml H2SO4与CuSO4的混合液,通电一段时间后,两极均收集到2.24L气体(标准状况),则原混合液中Cu2+的物质的量浓度为(  )

A:1mol/L B:2mol/L  C:3mol/L  D:4mol/L

解析:阳极上始终得到氧气,2.24L是0.1mol,转移电子0.4mol;阴极上,先生成铜,铜离子消耗尽时,氢离子放电,生成氢气,0.1mol,转移电子0.2mol;说明铜离子生成铜也是转移电子0.2mol;对应铜离子是0.1mol,溶液体积是0.1L,所以原混合液中Cu2+的物质的量浓度为A:1mol/L。

4、用铂电极电解NaCl和CuSO4的混合溶液,当电路中通过4mol电子时,阴阳两极上各得到1.4mol气体,此时溶液体积为4L,求此时溶液的pH值。

解析:混合溶液中的离子共6种:Na+、Cu2+、H+;Cl-、SO42-、OH-。其中溶质产生的离子是一定量的,水产生的氢离子和氢氧根离子认为是足量的。电极上的反应是:

阳极:先:2Cl--2e-=Cl2 ↑

      后:4OH--4e-=2H2O+O2↑

阴极:先:Cu2++2e-=Cu↓

      后:2H++2e-=H2↑

阳极一共夺取电子4mol,生成氯气、氧气一共1.4mol。设生成氯气xmol,氧气ymol,有:x+y=1.4  2x+4y=4  解之得:x=0.8  y=0.6  生成0.6mol氧气需要有2.4mol氢氧根离子放电。阴极上产生的气体就是氢气,生成1.4mol氢气需要2.8mol氢离子放电。这样一来消耗掉的氢离子就比氢氧根离子多出0.4mol,换句话说就是溶液中的氢氧根离子要比氢离子多出0.4mol,溶液体积是4L,所以,溶液中氢氧根离子浓度就是0.1mol/L, pOH=1, pH=13 。

5、利用电解法可以测定阿伏伽德罗常数。用2A的电流对足量的稀硝酸银溶液进行电解(惰性电极),通电4分钟,阴极增重0.54克,已知电子电量为1.6×10的-19次方库仑,试求阿伏伽德罗常数。

解析:阴极的电极反应式:Ag++e-=Ag

0.54克银是0.005mol,设阿伏伽德罗常数为NA,则得到电子为数0.005NA,通过的电量为1.6×10的-19次方×0.005NA库仑;用2A的电流通电4分钟,通过的电量为2×4×60=480库仑;

1.6×10的-19次方×0.005NA=480

NA=480÷(1.6×10的-19次方×0.005)= 6×10的23次方

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