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例析电解原理的七大特殊应用

来源:未知作者:秦文鑫 点击:所属专题: 电解原理应用
现行高中化学教材对电解原理在工业上的应用 主要介绍了四点:①精炼金属,如铜的精炼;②电 镀,即在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金 的过程;③氯碱工业,即电解饱和食盐水以制得烧 碱、氢气、氯气;④电解熔融电解质,冶炼活泼金 属,如K、Ca、Na、Mg、A1等活泼

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现行高中化学教材对电解原理在工业上的应用 主要介绍了四点:①精炼金属,如铜的精炼;②电 镀,即在某些金属表面镀上一薄层其他金属或例析电解原理的七大特殊应用合金 的过程;③氯碱工业,即电解饱和食盐水以制得烧 碱、氢气、氯气;④电解熔融电解质,冶炼活泼金 属,如K、Ca、Na、Mg、A1等活泼金属可通过电解 其熔融的氯化物或氧化物制得。电解原理还有没有 其他的应用?答案是肯定的!

1利用电解原理测定元素的相对原子质量

[例1]已知在pH=4~5的溶液中,Cu2+几乎不水 解,而Fe3+几乎水解完全。某实验小组的同学欲通 过电解CuSO4溶液,并根据电极上析出铜的质量及 产生气体的体积来测定铜的相对原子质量,其实验 流程如下图所示:

例析电解原理的七大特殊应用

试回答实验中的下列问题:

(1)步骤①中所加人的A化学式为             ,加入A的作用是___________

(2)步骤②中所用的部分仪器如下图2所示,则A接直流电源的     极(填“正”或“负”),电解的离子方程式为_________ 。

例析电解原理的七大特殊应用

(3)实验中下列操作或注意事项必须的是_____ (填序号)。

A.称量电解前的电极的质量

B.电解后,电极在烘干称量前,必须用蒸馏水冲洗

C.刮下电解后电极上析出的铜,并清洗,称量

D.电解后烘干称重的操作中必须按“烘干→称量→再烘干→再称量”进行

E.在有空气存在的情况下, 烘干电极必须用低温烘干的方法

(4)根据实验获得的数据,铜的相对原子质量为                   (用题中所给数据表示)。

[解析]

(1)因为“在pH=4~5的环境中,Cu2+几乎 不水解,而Fe3+几乎水解完全”,所以加入CuO可消耗H,使溶液的pH升高,Fe3+几乎完全水解成 Fe(OH)3而被除去。

(2)电解CuSO4溶液的总反应式 为:2CuSO4+2H2O例析电解原理的七大特殊应用2Cu+O2+2H2SO4,则铜电 极应作电解池的阴极,与电源的负极相连。

(3)A电 极的增重必须是净增Cu的质量;用蒸馏水冲洗电 极,目的是除去电极上的杂质,使A电极增重的质 量更准确;不能采取刮下电解后电极上的Cu的方 法,因为这样会造成误差;为了减小误差,往往采 取多次称量操作的方法;烘干电极必须采用低温烘 干法,是为了防止Cu在高温下与O2反应生成CuO。 综上分析知A、B、D、E正确。

(4)根据题意,“某电极 增重n g”,应为Cu的质量,“另一电极产生气体V mL"应为O2的体积。再根据CuSO4溶液电解的总反应式可解得铜的相对原子质量。

[答案](l)CuO消耗H,使溶液的pH升高, Fe3+几乎完全水解成Fe (OH)3而被除去;

(2)负 2Cu2++2H2O例析电解原理的七大特殊应用2Cu+O2 +4H

(3)A、B、D、E ;

(4) 11200 n/V

2利用电解原理测定阿伏加德罗常数

[例2]如图3是可用于测量阿伏加德罗常数的 装置示意图,其中A、B是两 块纯铜片,插在CuSO4稀溶液 中,铜片与引出导线相连,引出端分别为X、Y。

例析电解原理的七大特殊应用

(1)当以I安培的电流电 解T秒钟后,测得铜片A的质量增加了m g,则装置图中的X端应与直流电的__极相连,它是电解池的__ 极。

(2)电解后铜片B的质量              (填“增加” “减少”或“不变”)。

(3)列式计算实验测得的阿伏加德罗常数NA= (已知电子电量e=1.60×1019库仑)。

[解析]

(1)因为铜片A的质量增加,则A应为 电解池的阴极,与电源的负极相连。

(2)铜片B为电解池的阳极,电极反应式为:Cu-2e-=Cu2+, 铜片溶解,而使其质量在减少。

(3)转移电子的物 质的量为(m/64)×2 mol,通过电极的电量为(m/64)×2×NA×1.6×1019,根据电量守恒可建立如下等量关系: Q= (m/64) ×2×NA×1.6×1019=IT,从而得NA的表达式。

[答案】(1)负阴;(2)减少;(3)64 IT/(2×1.6×10-19m)

3利用电解原理制备消毒液

[例3]某一学生想制作一种家用环保型消毒液 发生器,用石墨作电极电解饱和NaCl溶液,通电 时,为使Cl2被完全吸收制得有较强杀 菌能力的消毒液,设计了如图4所示装置,试写出电源电极的名称,A______ ,B_____ (填“正极”或“负极”)。

例析电解原理的七大特殊应用                      

[解析]电解饱和食盐水阳极产生 Cl2、阴极产生H2,同时阴极区还产生 NaOH,要使阳极产生的Cl2与NaOH溶液完全反应生成有消毒杀菌的NaClO,则要求Cl2在 装置的下端产生,故b应是电源的正极,A就为电源 的负极。

[答案]负极正极

4利用电解原理制备易氧化的物质

[例4]由于Fe (0H)2极易被氧 化,所以实验室难用亚铁盐溶液与 烧碱反应制得白色纯净的Fe(OH)2 沉淀。若用如图5所示实验装置可制得纯净的Fe(OH)2沉淀。两极材 料分别为石墨和铁。

例析电解原理的七大特殊应用

(1) a电极材料为_______ 其电极反应式为____________ 。

(2)电解液D可以是             ,则白色沉淀在电极上生成。也可以是               色沉淀在两极之间的溶液中生成。

A. NaCl溶液 B. NaOH溶液 C. CuCl2溶液

(3)液体C为苯,其作用是             ;在加入苯之前,对D溶液进行加热处理的目的是__________ 。

(4)为了在短时间内看到白色沉淀,可以采取 的措施是(    )

A. 改用稀硫酸做电解液

B. 适当增大电源电压

C. 适当增大两电极间距离

D. 适当降低电解液温度

[解析](1)为获得Fe2+,Fe应与电源的正极相连 作阳极。(2)若用NaOH溶液作电解液,则Fe2+立即与 OH结合,在阳极上生成白色沉淀;若用NaCl溶液 作电解液,则阴极生成的OH向阳极移动,与在阳 极生成向阴极移动的Fe2+结合为白色沉淀。(3)由于 Fe(OH)2极易被空气中的O2所氧化,因此为了防止此反应发生,在电解液上面覆盖一层苯以隔绝空 气。在加苯前,将溶液煮沸,也是为了驱赶溶解在 水中的O2。(4)电解的速率与电压成正比,与两极间 距离成反比。若加稀H2SO4则沉淀溶解,若降低温度 则离子移动速率减慢,不利于沉淀生成。

[答案](l)Fe Fe-2e-=Fe2+; (2)BC; (3)隔绝 空气防止Fe(OH)2被空气氧化排尽溶液中的O2,防 止生成的Fe(OH)2在溶液中被氧化;(4)B

5利用电解原理在金属表面形成氧化物保护膜

[例5]以铝件和另一种材料为电极,某种溶液 为电解液进行电解。通电后在铝件与电解液的接触 面上逐渐形成一层A1 (OH)3薄膜,薄膜的某些部位 存在着小孔,电流从小孔通过并产生热量使Al(OH)3 分解,从而在铝件表面可形成一层较厚的氧化物保 护膜。某校课外兴趣小组根据上述原理,以铝件和 铁棒为电极,一定浓度的NaHCO3溶液为电解液进 行实验。

(1) 铝件表面形成Al (OH)3的电极反应式为                           

(2)电解过程中,必须使电解液pH保持相对稳定(不能太大,也不能太小)的原因是                      。

[解析](1)以铝件和铁棒为电极,NaHCO3溶液 为电解液进行电解,则铝件应为电解池的阴极,相关 的电极反应为Al-3e-=Al3+、Al3++3HCO3 =Al(0H)3 + 3CO2。(2)需考虑Al2O3和Al(OH)3的两性。

[答案]⑴Al-3e-=Al3+、Al3++3HCO3 =Al(OH)3 +3CO2 ; (2)Al2O3和Al(OH)3为两性物质,电解液的酸性或碱性过强,都会使所形成的Al2O3保护 膜溶解。

6利用电解原理进行有机合成

[例6]以电化学方法合成有机化合物称为有机 电合成。有机电合成是一门有机化学、电化学和化 学工程多学科相互交叉的科学,是电化学在有机化 工生产中的重要应用。因而有机电合成又被称为 “古老的方法,崭新的技术”。人类对有机电合成的 研究已经经历了 150多年的漫长历史。早在1834年, 亭国化学家Faraday就用电解CH3COONa溶液的方法 -得了乙烷:2CH3COO-2e-=CH3CH3+2CO2 ,可 以说这是在实验室中最早实现的有机电合成。则该反应发生于________ (填“电解池”或“原电池”)的_____ 极。

[解析]用电解的方法制乙烷,CH3COO失去电 子,因此该反应发生于电解池的阳极。

[答案]电解池阳

7利用电解原理进行污水处理

[例7]电浮选凝聚法是工 业上采用的一种污水处理方 法。如图6是该方法处理污水 的实验装置示意图,实验过程中,污水的pH始终保持在5.0~6.0之间。接通电源后,阴极产 生的气体将污物带到水面形成 浮渣而刮去,起到浮选净化作用;阳极产生的沉淀 具有吸附性,吸附污物而沉积,起到凝聚净化作用。

例析电解原理的七大特殊应用

(1) 根据净化原理写出阳极区和阴极区发生的电极反应式,阴极                   ,阳极                      _。

(2) 甲同学模拟该原理进行污水处理实验,在 电压符合要求的情况下,发现产生气泡速率缓慢,无法使悬浮物形成浮渣。其原因是_________ ,乙同学为甲同学提出一种切实可行的解决措施是向污 水中加入适量的               溶液。

[解析](1)本实验从两个方面达到净水的目的: 第一是浮选,即阴极生成的H2气泡将污水中的悬浮 物带到水的表面,在水面上形成浮渣层,从而达到 净化污水的目的。第二是电凝聚,即在阳极上电极 发生氧化反应:Fe-2e-=Fe2+,水中负二价氧也发生 氧化反应:2H2O-4e-=4H+O2 ,Fe2+进一步被氧化:Fe2++10H2O+O2=4Fe(OH)3+8H,由于生成的 Fe(OH)3具有吸附性,可将水中的污染物小颗粒吸附 而沉积下来,从而达到净化污水的目的。

(2)如果 污水中离子的浓度变小,则溶液的导电性必将变 差,所以向溶液中补充适量的Na2SO4溶液,可使电 解时产生札的速率加快。

[答案](1)阴极:2H+2e-=H2;阳极:①Fe-2e-= Fe2+;② 2H2O-4E =4H+O2 ;③4Fe2++10H2O+O2= 4Fe(OH)3+8H; (2)污水中离子浓度较小,导电能 力较差;Na2SO4

(责任编辑:化学自习室)
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