2020高中化学 电解规律（提高）知识讲解学案 新人教版选修4

2020高中化学 电解规律（提高）知识讲解学案 新人教版选修4

电解规律 ‎【学习目标】‎ ‎1、通过电解装置中离子或者电极的放电顺序，能正确地判断阴极和阳极，分析电解产物；‎ ‎2、进行有关电化学的简单计算。‎ ‎【要点梳理】‎ 要点一、电解时电极产物的判断 ‎ 1．阳极产物的判断。‎ ‎ 首先看电极，如果是活性电极（除Au、Pt、石墨以外的材料作电极），则电极材料失电子，电极被溶解，溶液中的阴离子不能失电子。如果是惰性电极（Pt、Au、石墨），则要再看溶液中阴离子的失电子能力，此时根据阴离子放电顺序加以判断。阴离子放电顺序：S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根（SO42－、NO3－等）。‎ ‎ 2．阴极产物的判断。‎ 直接根据阳离子放电顺序进行判断，阳离子放电顺序：‎ Ag+＞Hg2+＞Fe3+＞Cu2+＞H+（H+浓度较大时）＞Pb2+＞Sn2+＞Fe2+＞Zn2+＞H+（H+浓度较小时）＞Al3+＞Mg2+。‎ ‎ 要点诠释：（1）离子的放电顺序主要取决于离子的本性，但还与其他的因素有关（如离子的浓度、溶液的酸碱性等），如在电镀条件下Fe2+、Zn2+的放电顺序在H+之前。‎ ‎ （2）阳离子的放电顺序基本上与金属活动性顺序相反，即越活泼的金属，其阳离子越难结合电子，但需注意：Fe3+氧化性较强，排在Cu2+之前。‎ ‎【高清课堂：电解规律#电解规律】‎ 要点二、酸、碱、盐溶液电解规律 类型 电极反应特点 实例 电解对象 电解质浓度 pH 电解质溶液复原 电解 水型 阴：2H++2e－＝H2↑‎ 阳：4OH－－4e－‎ ‎＝2H2O+O2↑‎ NaOH 水 增大 增大 水 H2SO4‎ 水 增大 减小 水 Na2SO4‎ 水 增大 不变 水 电解 电解型 电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电 HCl 电解质 减小 增大 氯化氢 CuCl2‎ 电解质 减小 ‎——‎ 氯化铜 放H2‎ 生碱型 阴极：H2O放H2生碱 阳极：电解质阴离子放电 NaCl 电解质和水 生成新电解质 增大 氯化氢 放O2‎ 生酸型 阴极：电解质阳离子放电 阳极：H2O放O2生酸 CuSO4‎ 电解质和水 生成新电解质 增大 氧化铜 ‎ 要点诠释：（1）用惰性电极电解电解质溶液时，首先要全面分析电解质溶液的组成．找全离子并分为阴、阳离子两组，然后排出阴、阳离子的放电顺序，写出两极上的电极反应式，根据两极的电极反应式写出反应的总方程式。‎ ‎ （2）若阴极为H+放电，则阴极区c (OH－)增大；若阳极为OH－放电，则阳极区c (H+)增大；若阴、阳极同时有H+、OH－放电，相当于电解水，电解质溶液浓度增大。‎ ‎ （3）用惰性电极电解时，若使电解后的溶液恢复原状态，应遵循“缺什么加什么，缺多少加多少”的原则，一般加入阴极产物与阳极产物的化合物，例如电解CuSO4溶液，发生反应2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4‎ 4‎ ‎，若使溶液恢复原状态，可向溶液中加入CuO，若加入Cu(OH)2（可拆写成CuO·H2O）会使溶液中水量增多，CuSO4溶液被稀释，其他如电解NaOH溶液——加H2O，电解食盐水——通入HCl气体等。‎ 要点三、电化学计算的基本方法 ‎ 原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数测定的计算、根据电量求产物的量与根据产物的量求电量等的计算。不论哪类计算，均可概括为下列三种方法：‎ ‎ 1．根据电子守恒法计算：用于串联电路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路上转移的电子数相等（或阴、阳两极得、失电子守恒）‎ ‎ 2．根据总反应式计算：先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列比例式计算。‎ ‎ 3．根据关系式计算：根据得失电子守恒定律关系建立已知量与未知量之间的桥梁，建立计算所需的关系式。‎ ‎ 要点诠释：电解的计算：首先正确书写电极反应式（要特别注意阳极材料）；注意溶液中多种离子共存时，要根据离子放电顺序确定离子放电的先后；最后根据得失电子守恒进行相关计算。‎ ‎【典型例题】‎ 类型一、电解质溶液的电解规律 例1 用惰性电极电解含有0.1mol CuCl2和0.1mol NaBr混合溶液，电路中共0.4mol电子转移，分析其中电解过程。　　‎ ‎【答案】阳极依次析出的物质为 0.05 mol Br2、0.1mol Cl2、0.025mol O2‎ ‎　　阴极依次析出的物质为0.1 mol Cu、0.1 mol H2 ‎ ‎　　最终溶液为含0.1mol NaOH的溶液。‎ ‎【解析】解决电解问题的分析思路是： 　　（1） 电解质溶液中的离子是什么？ 　　考虑CuCl2、NaBr和水的电离，溶液中有阳离子Cu2+、Na+、H+，阴离子Cl-、Br-、OH-； 　　（2） 通电后离子的移动方向是什么？ 　　阳离子Cu2+、Na+、H+移向阴极，阴离子Cl-、Br-、OH-移向阳极； 　　（3） 离子移动到电极后放电的顺序是什么？产物是什么？ 　　根据阴离子放电顺序：Br-＞Cl-＞OH-，阳极产物依次是Br2、Cl2、O2； 　　根据阳离子放电顺序：Cu2+＞H+＞Na+（不放电），阴极产物依次是Cu、H2； 　　（4） 定量计算 　　阳极：2Br--2e-=Br2 0.1molBr-共转移0.1mole- 生成0.05 mol Br2 　　2Cl--2e-=Cl2 0.2molCl-共转移0.2mole- 生成0.1mol Cl2 　　4OH--4e-=O2+2H2O 0.1mol OH-共转移0.1mole-，生成0.025mol O2 　　阴极：Cu2++2e-=Cu 0.1molCu2+共转移0.2mole- 生成0.1 mol Cu 　　 2H++2e-=H2 0.2molH+共转移0.2mole- 生成0.1 mol H2  　　最终溶液为含0.1mol NaOH的溶液。 ‎ ‎ 例2 某同学按右图所示的装置进行电解实验。下列说法中正确的是（ ）。‎ ‎ A．电解过程中，铜电极上有H2产生 ‎ B．电解初期，主反应方程式为Cu+H2SO4CuSO4+H2↑‎ ‎ C．电解一定时间后,石墨电极上有铜析出 ‎ D．整个电解过程中，H+的浓度不断增大 ‎ 【思路点拨】考查电解池的原理，需要了解电极反应、总反应及电解过程。铜连接电源的正极，所以做为电解池的阳极，本身会失电子生成铜离子。反应初期溶液中氢离子在石墨电极放电生成氢气，当铜离子浓度达到一定程度后会继续在石墨电极放电生成铜单质。‎ ‎ 【答案】B、C 4‎ ‎ 【解析】本题主要考查电解的基本原理，由题目所给图示可知，活泼金属铜作阳极，发生反应：Cu－2e－＝Cu2+。同时溶液中的H+在阴极石墨上发生反应：2H++2e－＝H2↑，总反应的化有方程式为Cu+H2SO4 CuSO4+H2↑，所以A项不正确，B项正确，D项不正确；随着电解过程不断进行，溶液中的Cu2+浓度不断增大，一定时间后即当c (Cu2+)较大时，由于Cu2+的氧化性大于H+，故此时阴极发生反应：Cu2++2e－＝Cu，所以C项正确。‎ ‎ 【总结升华】电解过程中溶液pH [或c (H+)]变化的判断方法有两种：一是利用电解类型进行判断，如H2SO4（aq）、NaOH（aq）的电解，实际上是电解水，因此pH分别减小和增大；二是直接利用电极反应进行判断，比较阴、阳两极析出产物的物质的量之比，既可通过电解化学方程式中的化学计量数作比较，亦可通过电子转移守恒关系作比较。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】pH=a的某电解质溶液中，插入两只惰性电极，通直流电一段时间后，溶液的pH＞a，则该电解质可能是（ ）。‎ ‎ A．NaOH B．H2SO‎4 C．AgNO3 D．Na2SO4‎ ‎【答案】A ‎ ‎【高清课堂：电解规律#例1】‎ ‎【变式2】用电解质溶液为氢氧化钾水溶液的氢氧燃料电池电解饱和硫酸钠溶液一段时间，假设电解时温度不变且用惰性电极，下列说法不正确的是 A．当电池负极消耗m g气体时，电解池阴极有m g气体生成 B．电解池的阳极反应式为：4OH－－4e－＝2H2O+O2↑‎ C．反应后，电池中n(KOH)不变；电解池中溶液pH变大 D．电解后，c(Na2SO4)不变，且溶液中有晶体析出 ‎【答案】C 类型二、电解的有关计算 ‎ 例3 用惰性电极电解一定浓度的硫酸铜溶液，通电一段时间后，向所得溶液中加入0.1 mol Cu(OH)2后恰好恢复到电解前的浓度和pH。则电解过程中转移的电子的物质的量为（ ）。‎ ‎ A．0.1 mol B．0.2 mol C．0.3 mol D．0.4 mol ‎ 【思路点拨】本题考查电解池中电极反应情况，在本题中，电解硫酸铜时，阳极生成的氧气，阴极开始生成的是铜，后来生成的是氢气。‎ ‎【答案】D ‎ 【解析】由电解CuSO4溶液的反应的化学方程式2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4知，电解过程中只析出Cu和放出O2，故电解后加入CuO就可以复原。但本题提示加入0.1 mol Cu(OH)2可以复原，说明电解过程中不仅有CuSO4被电解，还有H2O被电解。0.1 mol Cu(OH)2相当于0.1 mol CuO和0.1 mol H2O，由电子守恒0.1 mol CuO～0.1 mol Cu～0.2 mol e－，0.1 mol H2O～0.1 mol H2～0.2mol e－，即共计0.4 mol e－。‎ ‎ 【总结升华】解答有关电解的计算，注意离子或者电极放电情况，分析电极放电顺序，最常用的是电荷守恒法以及差量法解答。‎ ‎ 例4 右图是由莫菲滴管改装成的微型电解装置。‎ ‎ （1）若用该装置来电解含3mol NaCl和1 mol H2SO4的混合溶液，已知a、b两极均为石墨。当从导管口收集到‎44.8 ‎L（标准状况下）氢气时，阳极生成的气体及对应的物质的量________。‎ ‎ （2）若b极是铜锌合金，a极是纯铜，电解质溶液中含有足量的Cu2+，通电一段时间后，若b极恰好全部溶解，此时a极质量增加‎7.68 ‎g，溶液质量增加‎0.03 ‎g，则合金中Cu、Zn的物质的量之比为________。‎ 4‎ ‎ 【思路点拨】石墨为惰性电极，当装置通电时，溶液中的离子放电；合金做电解池的阳极时，合金中的成分金属放电，解题时注意利用差量法。‎ ‎ 【答案】（1）1.5 mol Cl2，0.25 mol O2 （2）3∶1‎ ‎ 【解析】（1）生成‎44.8 ‎L H2，转移4 mol电子，则阳极将生成1.5 mol Cl2和0.25 mol O2。‎ ‎ （2）a极增加‎7.68 ‎g Cu，其物质的量，由得失电子守恒可知，b极Cu、Zn的物质的量之和为0.12 mol，溶液中部分Cu2+变成Zn2+，即：‎ ‎ Cu2+ ～ Zn2+ Δm ‎ ‎64 ‎g ‎65 ‎g ‎‎1 g ‎ 溶液质量增加‎0.03 ‎g，可知Zn的物质的量为0.03 mol，所以Cu、Zn的物质的量之比为0.09∶0.03，即3∶1。‎ ‎ 【总结升华】有关电解的计算通常是求电解后某产物的物质的量、气体的体积、元素化合价及pH等。解答电解计算题的方法和依据为：‎ ‎ （1）正确写出电极反应式，电解总反应的化学方程式。‎ ‎ （2）阴、阳两极得失、电子守恒。‎ ‎（3）若干电解池串联时，通过各电极的电量相等。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】在100 mL H2SO4和CuSO4的混合溶液中，用石墨作电极电解，两极均收集到‎2.24 ‎L气体（标准状况下），则原混合溶液中Cu2+的物质的量浓度为（ ）。‎ ‎ A．1 mol·L－1 B．2 mo1·L－‎1 C．‎3 ‎mol·L－1 D．4 mol·L－1‎ ‎【答案】A ‎【高清课堂：电解规律#例4】‎ ‎【变式2】以石墨电极电解200 mL CuSO4溶液，电解过程中电子转移物质的量n(e-)与产生气体体积V(g)（标准状况）的关系如下图所示(忽略溶液体积的变化)。下列说法中，正确的是 ‎ ‎（1）电解前CuSO4溶液的物质的量浓度为_____mol/L ‎ ‎（2）当n(e-)＝0.4 mol时，c(H+)为________ mol/L ‎ ‎（3）当n(e-)＝0.6 mol时，V(H2)∶V(O2)＝_________。 ‎ ‎【答案】（1）1mol/L ‎ ‎（2）2mol/L ‎ ‎（3）2：3 ‎ 4‎