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有水参与的电极反应式的书写探析

来源:作者:高家云 点击:所属专题: 电极反应式
在学习电解原理时,对于有水参与的电极反应式的书写,有时要写成H + 或OH - 放电形式,有时要写成H 2 O的形式。对此,学生感到困惑。在教学实践中,笔者经过认真研究分析,总结了如下规律,学生反映良好,现介绍给大家,仅供参考。 一、分析问题 对于电解有水参与的电

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在学习电解原理时,对于有水参与的电极反应式的书写,有时要写成H或OH放电形式,有时要写成H2O的形式。对此,学生感到困惑。在教学实践中,笔者经过认真研究分析,总结了如下规律,学生反映良好,现介绍给大家,仅供参考。

一、分析问题

对于电解有水参与的电解质溶液有两类,我们可先写出其电极反应,分析一下有H或OH放电的电极反应中H或OH的来源,进一步探究有水参与的电极反应式的书写规律。

1、电解水型(阳极为有水参与的电极反应式的书写探析惰性电极)

⑴电解强碱溶液(如NaOH溶液)

其电极反应式分别为:

阳极反应:4OH-4e-=2H2O+O2↑(OH来自于NaOH的电离)

阴极反应:2H+2e-=H2↑(H来自于水的电离)

因为阴极反应的H来自于水的电离,2H2O⇔ 2H+2OH ①,2H+2e-=H2↑②,两式相加得2H2O+2e-=H2↑+2OH,所以其阴极反应还可以写成2H2O+2e-=H2↑+2OH的形式。若要写电解总反应式,其阴极反应必须写成2H2O+2e-=H2↑+2OH的形式,根据电子守恒,将阴、阳两极反应相加得电解总反应式为2H2O=2 H2↑+ O2↑。

⑵电解含氧酸溶液(如H2SO4溶液)

其电极反应式分别为:

阳极反应:4OH-4e-=2H2O+O2↑(OH来自于水的电离)

阴极反应:2H+2e-=H2↑(H来自于H2SO4的电离)

因为阳极反应的OH来自于水的电离,4H2O⇔4H+4OH ①,4OH-4e-=2H2O+O2↑②,两式相加得2H2O-4e-=4H+O2↑,所以其阳极反应还可以写成2H2O-4e-=4H+O2↑的形式。若要写电解总反应式,其阳极反应必须写成2H2O-4e-=4H+O2↑的形式,根据电子守恒,将阴、阳两极反应相加得电解总反应式为2H2O=2 H2↑+ O2↑。

⑶电解活泼金属的含氧酸盐溶液(如Na2SO4溶液)

其电极反应式分别为:

阳极反应:4OH-4e-=2H2O+O2↑(OH来自于水的电离)

阴极反应:2H+2e-=H2↑(H来自于水的电离)

因为阴极、阳极反应中的H、OH均来自于水的电离,则上述阳极反应还可以写成2H2O-4e-=4H+O2↑的形式,阴极反应还可以写成2H2O+2e-=H2↑+2OH的形式。若要写电解总反应式,其阳极反应必须写成2H2O-4e-=4H+O2↑的形式,阴极反应必须写成2H2O+2e-=H2↑+2OH的形式,根据电子守恒,将阴、阳两极反应相加得电解总反应式为2H2O=2 H2↑+ O2↑。

故电解上述三类电解质溶液的实质都是电解水。

2、电解盐和水型(阳极为惰性电极)

⑴电解活泼金属的无氧酸盐溶液(如NaCl溶液)

其电极反应式分别为:

阳极反应:2Cl-2e-=Cl2

阴极反应:2H+2e-=H2↑(H来自于水的电离)

因为上述阴极反应的H来自于水的电离,所以其阴极反应还可以写成2H2O+2e-=H2↑+2OH的形式。若要写电解总反应式,其阴极反应必须写成2H2O+2e-=H2↑+2OH的形式,根据电子守恒,将阴、阳两极反应相加得电解总反应式为2Cl+2H2O=Cl2↑+ H2↑+2OH

⑵电解不活泼金属的含氧酸盐溶液(如CuSO4溶液)

其电极反应式分别为:

阳极反应:4OH-4e-=2H2O+O2↑(OH来自于水的电离)

阴极反应:Cu2++2e-= Cu

因为上述阳极反应的OH来自于水的电离,所以其阳极反应还可以写成2H2O-4e-=4H+O2↑的形式。若要写电解总反应式,其阳极反应必须写成2H2O-4e-=4H+O2↑的形式,根据电子守恒,将阴、阳两极反应相加得电解总反应式为2Cu2++2H2O=2Cu+4H+O2↑。

故电解上述两类电解质溶液的实质都是盐和电解水。

二、总结规律

通过上述有水参与的电解质溶液的电解原理分析,其电极反应式的书写规律归纳如下:

1、在酸溶液中,阴极反应必须写成H放电的形式,阳极反应既可写成OH的放电形式,又可写成H2O的形式(因为OH来自于水的电离),如上述电解H2SO4溶液的电极反应。

2、在碱溶液中,阳极反应必须写成OH放电的形式,阴极反应既可写成的H放电形式,又可写成H2O的形式(因为H来自于水的电离),如上述电解NaOH溶液的电极反应。

3、在盐溶液中,有水参与的电极反应,既可写成的H或OH放电形式,又可写成H2O的形式(因为H或OH来自于水的电离),如上述电解Na2 SO4、NaCl、CuSO4溶液的电极反应。

三、规律应用

对于有水参与的电极反应,虽然其电极反应既可写成H或OH放电形式,又可写成H2O的形式,但在下列实际应用中,一般都要写成H2O的形式,有利于问题的快速处理。

1、判断电解后溶液的酸碱性变化或pH变化

例1(2004年两广化学卷,11题)pH = a的某电解质溶液中,插入两支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

解析:本题主要考查了电解质的电解规律和有关离子的放电顺序。由阴、阳离子的放电顺序可知,电解NaOH、H2SO4、Na2SO4溶液的实质是电解水,电解质溶液的浓度都增大,故NaOH溶液的pH升高,H2SO4溶液的pH减小,Na2SO4溶液的pH不变;电解AgNO3溶液,其阳极反应应写成2H2O-4e-=4H+O2↑形式,阴极反应为Ag+e-=Ag,由于阳极产生H,会使溶液的pH减小。故应选A。

[同类变式](2005年全国理综卷一,11题) 关于电解NaCl水溶液,下列叙述正确的是 ( )

A.电解时在阳极得到氯气,在阴极得到金属钠

B.若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液,溶液呈棕色

C.若在阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液,溶液呈无色

D.电解一段时间后,将全部电解液转移到烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性

解析:本题主要考查电解原理及其应用—电解NaCl溶液,来源于课本又高于课本。电解NaCl溶液,其电极反应分别为阳极:2Cl-2e-=Cl2↑,阴极:2H2O+2e-=H2↑+2OHa错;阳极产生的Cl2可将I氧化为I2,使其溶液呈棕色,B正确;阴极产生的OH遇酚酞变红,C错;电解一段时间后,所得溶液中有NaOH、NaClO,使溶液呈碱性,D错。故应选B。

2、计算电解后溶液c(H)c(OH)或pH

例2、将两个铂电极插入500mL CuSO4溶液进行电解,通电一段时间后,某一电极增重0.064g(设电解时该电极无氢气析出,且不考虑水解和溶液体积变化)。此时溶液中氢离子浓度约为 ( )

A. 4×10-3mol/L B. 3×10-3mol/L C. 2×10-3mol/L D. 1×10-3mol/L

解析:本题主要考查离子的放电顺序及有关离子浓度的计算。电解CuSO4溶液时,其阴极反应为Cu2++ 2e- = Cu,由阴极析出铜的质量0.064g,可求出阴极得到电子的物质的量为(0.064g/64 g·mol-1)×2=0.002mol。其阳极反应为:2H2O-4e-=4H+O2↑,根据电子守恒可n(H)=0.002mol,c(H)=0.002mol/0.5L= 4×10-3mol/L,故应选A。

[同类变式] (2000年全国化学卷,24题)用两支惰性电极插入500mL aGNO3溶液中,通电电解。当电解液的pH从6.0变为3.0时(设电解时阴极无氢气析出,且不考虑水解和溶液体积变化),电极上析出银的质量大约是( )

A. 27mg     B. 54 mg      C. 108 mg     D. 216 mg

解析:本题与上题虽条件和结果相反,但解决问题的思路是一样的。电解AgNO3溶液时,其阳极反应为2H2O-4e- = 4H + O2↑,由电解液的pH变为3.0可求出阳极失去电子的物质的量为1×10-3mol/L×0.5L= 5×10-4mol,其阴极反应为Ag + e- = Ag,根据电子守恒可知银的质量为5×10-4mol×108g/ mol= 0.054g =54 mg,故应选B。

3、由电极反应式书写总反应式及相关计算

例3、在25℃时,将两个铜电极插入一定量的硫酸钠饱和溶液中,进行电解,通电一段时间后,阴极上逸出a mol气体,同时有m g  Na2SO4·10H2O晶体析出,若温度不变,剩余溶液里溶质的质量分数为   ( )

A. m/(m+18a)×100%       B. m/(m+36a)×100%

C. 7100m/161(m+18a)%    D. 7100m/161(m+36a)%

解析:本题是用“铜电极”,而不是用“惰性电极”,其电极反应分别为阳极:Cu-2e- = Cu2+,阴极:2H2O+2e-=H2↑+2OH,在电子守恒的基础上,两式相加的电解总反应式应为Cu +2H2O有水参与的电极反应式的书写探析Cu(OH)2 +H2↑,当阴极上产生AmolH2时,需电解2amol水,即36a g,根据溶解度知识,不难算出电解后的Na2SO4溶液的质量分数为 (m g×142 g·mol-1/322 g·mol-1)/(m g+36a g) ×100% =7100m/161(m+36a)%,应选D。

(责任编辑:化学自习室)
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