化学自习室移动版

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，Cu^2＋几乎不水 解，而Fe^3＋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：

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_________ 。

(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，Cu^2＋几乎 不水解，而Fe^3＋几乎水解完全”，所以加入CuO可消耗H^＋，使溶液的pH升高，Fe^3＋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＋2H₂O2Cu＋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， Fe^3＋几乎完全水解成Fe (OH)₃而被除去；

(2)负 2Cu^2＋＋2H₂O2Cu＋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。

(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N_A= (已知电子电量e=1.60×10^－19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^-=Cu^2＋， 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×N_A×1.6×10^－19，根据电量守恒可建立如下等量关系： Q= (m/64) ×2×N_A×1.6×10^－19=IT，从而得N_A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”)。

[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。

(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Fe^2＋，Fe应与电源的正极相连 作阳极。(2)若用NaOH溶液作电解液，则Fe^2＋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Fe^2＋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^-=Fe^2＋； (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^-=Al^3＋、Al^3＋＋3HCO₃^－ =Al(0H)₃ ＋ 3CO₂。(2)需考虑Al₂O₃和Al(OH)₃的两性。

[答案]⑴Al－3e^-=Al^3＋、Al^3＋＋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。

(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^-=Fe^2＋，水中负二价氧也发生 氧化反应：2H₂O－4e^-=4H^＋＋O₂ ，Fe^2＋进一步被氧化：Fe^2＋＋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^-= Fe^2＋；② 2H₂O－4E =4H^＋＋O₂ ；③4Fe^2＋＋10H₂O＋O₂= 4Fe(OH)₃＋8H^＋； (2)污水中离子浓度较小，导电能 力较差；Na₂SO₄