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第38讲 电解原理的综合应用
复习目标 提升应用电解原理解决工业生产、生活中实际问题的能力。
1.电解原理常见的考查点
电解原理及应用是高考高频考点,该类试题往往与生产、生活及新科技等相联系,以装置图或流程图为载体呈现,题材广、信息新,题目具有一定难度。主要考查阴、阳极的判断、电极反应式、电解反应方程式的书写、溶液离子浓度变化及有关计算等。
2.“5点”突破电解综合应用题
(1)分清阴、阳极,与电源正极相连的为阳极,与电源负极相连的为阴极,两极反应为“阳氧阴还”。
(2)剖析离子移向,阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。
(3)注意放电顺序,正确判断放电的微粒或物质。
(4)注意介质,正确判断反应产物,酸性介质不出现OH-,碱性介质不出现H+;不能想当然地认为金属作阳极,电极产物为金属阳离子。
(5)注意得失电子守恒和电荷守恒,正确书写电极反应式。
一、电解原理在物质制备中的应用
1.(2021·广东1月适应性测试,13)环氧乙烷(C2H4O)常用于医用消毒,一种制备方法为:使用惰性电极电解KCl溶液,用Cl-交换膜将电解液分为阴极区和阳极区,其中一区持续通入乙烯;电解结束,移出交换膜,两区混合反应:HOCH2CH2Cl+OH-===Cl-+H2O+C2H4O。下列说法错误的是( )
A.乙烯应通入阴极区
B.移出交换膜前存在反应:Cl2+H2OHCl+HClO
C.使用Cl-交换膜阻止OH-通过,可使Cl2生成区的pH逐渐减小
D.制备过程的总反应为H2C===CH2+H2O===H2+C2H4O
答案 A
解析 环氧乙烷的制备原理:Cl-在阳极失电子生成Cl2,Cl2与水发生反应:Cl2+H2OHCl+HClO,HClO与乙烯发生加成反应生成HOCH2CH2Cl;阴极区发生反应:2H2O+2e-===H2↑+2OH-,电解结束,移出交换膜,两区混合反应: HOCH2CH2Cl+OH-===Cl-+H2O+C2H4O。根据分析可知阳极区会生成HCl,使用Cl-交换膜阻止OH-通过,HCl的浓度不断增大,pH逐渐减小,故C正确;根据分析可知该反应过程中KCl并没有被消耗,实际上是水、乙烯反应,总反应为H2C===CH2+H2O===H2+C2H4O,故D正确。
二、电解原理应用与污水处理
2.用如图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液pH为9~10,阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体,下列说法不正确的是( )
A.阴极的电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-
B.阳极的电极反应式为Cl-+2OH--2e-===ClO-+H2O
C.电解时使用锂钒氧化物二次电池(V2O5+xLiLixV2O5)作电源,电池充电时a电极的电极反应式为LixV2O5-xe-===V2O5+xLi+
D.除去CN-的反应:2CN-+5ClO-+2H+===N2↑+2CO2↑+5Cl-+H2O
答案 D
解析 阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体,两种气体为CO2和N2,该反应在碱性环境中发生,反应的离子方程式不应出现H+,D项错误。
三、电解原理在大气治理方面的应用
3.(2022·湖南衡阳市高三联考)用“吸收—电解”循环法脱除烟气中的SO2,可减少对大气的污染。室温下,电解液K再生的装置如图所示,其中电解液的pH随n(SO)∶n(HSO)变化的关系见下表,下列对此判断正确的是( )
电解液
n(SO)∶n(HSO)
pH
K
9∶91
6.2
L
1∶1
7.2
M
91∶9
8.2
A.当电解液呈中性时溶液中:c(Na+)>c(SO)>c(HSO)>c(OH-)
B.再生液M吸收SO2主要反应的离子方程式为SO2+OH-===HSO
C.HSO在b极发生的电极反应式为HSO+H2O-2e-===SO+3H+
D.若产生标准状况下2.24 L气体N,则d膜上共通过0.2 mol阳离子
答案 D
解析 根据装置图,阴离子通过c膜向a极移动,可知a极为阳极,发生的反应为HSO-2e-+H2O===SO+3H+;b极为阴极,发生的反应为2H++2e-===H2↑,气体N为H2。n(SO)∶n(HSO)=9∶91时,电解液pH=6.2,n(SO)∶n(HSO)=1∶1时,电解液pH=7.2,由此推知当电解液呈中性时,c(HSO)>c(SO),A项错误;M吸收SO2主要发生的反应为SO+SO2+H2O===2HSO,B项错误;若产生标准状况下2.24 L气体N(0.1 mol H2),阴极消耗0.2 mol H+,减少0.2 mol正电荷,需要补充0.2 mol正电荷以达到平衡,则d膜上会通过0.2 mol阳离子,D项正确。
四、电解原理应用与金属处理
4.(2022·浙江重点中学联考)电解精炼法提纯镓(Ga)是工业上常用的方法,具体原理如图所示。已知:金属活动性顺序:Zn>Ga>Fe;镓的化学性质与铝相似。下列说法错误的是( )
A.该装置中电流方向为N极→粗Ga→NaOH溶液→高纯Ga→M极
B.电解精炼镓时产生阳极泥的主要成分为Fe、Cu
C.阴极发生的电极反应为Ga3++3e-===Ga
D.电解过程中需控制合适的条件,否则阴极可能会产生H2导致电解效率下降
答案 C
解析 题图中粗Ga作阳极,纯Ga作阴极,N极为正极,M极为负极。电解池中电流由电源正极流向电解池阳极,经过电解质溶液到达电解池阴极,再由阴极流向电源负极,A项正确;根据题中给出的金属活动性顺序,镓比铁、铜活泼,故铁、铜在电解精炼过程中形成阳极泥,B项正确;“镓的化学性质与铝相似”表明镓具有两性,结合电解质溶液显碱性,可知“粗Ga”阳极反应为Ga-3e-+4OH-===GaO+2H2O、Zn-2e-+4OH-===ZnO+2H2O,“高纯Ga”阴极反应为GaO+3e-+2H2O===Ga+4OH-,C项错误;电解池中,若电解质溶液为水溶液,阴极上会存在H+(或水电离出的H+)得电子被还原为H2的竞争反应,若没控制合适的条件,该竞争反应可能会更明显,导致电解效率下降,D项正确。
1.(2021·全国甲卷,13)乙醛酸是一种重要的化工中间体,可采用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-,并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是( )
A.KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用
B.阳极上的反应式为:+2H++2e-―→+H2O
C.制得2 mol乙醛酸,理论上外电路中迁移了1 mol电子
D.双极膜中间层中的H+在外电场作用下向铅电极方向迁移
答案 D
解析 KBr在上述电化学合成过程中除作电解质外,同时还是电解过程中阳极的反应物,生成的Br2与乙二醛反应制备乙醛酸,故A错误;阳极上Br-失去电子生成Br2,Br2将乙二醛氧化为乙醛酸,故B错误;电解过程中阴、阳极均生成乙醛酸,1 mol乙二酸生成1 mol乙醛酸转移的电子为2 mol,1 mol乙二醛生成1 mol乙醛酸转移的电子为2 mol,根据转移电子守恒可知制得2 mol乙醛酸时,理论上外电路中迁移了2 mol电子,故C错误;由上述分析可知,双极膜中间层的H+在外电场作用下移向阴极,即H+移向铅电极,故D正确。
2.(2021·北京,15)环氧乙烷(,简称EO)是一种重要的工业原料和消毒剂。由乙烯经电解制备EO的原理示意图如下。
(1)①阳极室产生Cl2后发生的反应有:________________________________、CH2===CH2+HClO―→HOCH2CH2Cl。
②结合电极反应式说明生成溶液a的原理:____________________________________
________________________________________________________________________。
(2)一定条件下,反应物按一定流速通过该装置。
电解效率η和选择性S的定义:
η(B)=×100%
S(B)=×100%
①若η(EO)=100%,则溶液b的溶质为________________________________________。
②当乙烯完全消耗时,测得η(EO)≈70%,S(EO)≈97%。推测η(EO)≈70%的原因:
Ⅰ.阳极有H2O放电
Ⅱ.阳极有乙烯放电
Ⅲ.阳极室流出液中含有Cl2和HClO
……
i.检验电解产物,推测Ⅰ不成立。需要检验的物质是____________________。
ii.假设没有生成EO的乙烯全部在阳极放电生成CO2,则η(CO2)≈________%。经检验阳极放电产物没有CO2。
iii.实验证实推测Ⅲ成立,所用试剂及现象是______________________。
可选试剂:AgNO3溶液、KI溶液、淀粉溶液、品红溶液
答案 (1)①Cl2+H2OHCl+HClO
②阴极反应:2H2O+2e-===H2↑+2OH-,K+穿过阳离子膜进入阴极室形成KOH
(2)①KCl ②i.O2 ii.13 iii.KI溶液和淀粉溶液,溶液变蓝(或品红溶液,品红褪色或KI溶液,溶液变成棕黄色)
解析 (1)阳极产生氯气后,可以和水发生反应生成次氯酸,其化学方程式为Cl2 +H2OHCl+ HClO;溶液a是阴极的产物,在阴极发生反应:2H2O+2e-===H2↑+2OH-,同时阳极的钾离子会向阴极移动和氢氧根离子结合形成氢氧化钾。
(2)①若η(EO)=100%,则说明在电解过程中只有乙烯中的碳化合价发生变化,其他元素化合价没有变化。②i.阳极有H2O放电时会产生氧气,故需要检验的物质是O2;ii.设EO的物质的量为a,则转化的乙烯的物质的量为;生成EO转化的电子的物质的量为2a;此过程转移电子的总物质的量为;生成CO2的物质的量为2××3%;生成CO2转移的电子的物质的量为2××3%×6,则η(CO2)=≈13%。
iii.实验证实推测Ⅲ成立,则会产生氯气,验证氯气即可。
课时精练
1.(2022·汕头市高三模拟)2021年3月5日,李克强总理在国务院政府报告中指出,扎实做好碳达峰、碳中和各项工作。科研工作者通过开发新型催化剂,利用太阳能电池将工业排放的CO2转化为CO,实现节能减排的目标。如图所示,下列有关说法正确的是( )
A.N极为阴极
B.离子交换膜为阴离子交换膜
C.阳极的电极反应式为CO2+2e-+2H+===CO+H2O
D.理论上该装置在工作时,H3PO4与KH2PO4缓冲溶液的pH保持不变
答案 D
解析 N极为阳极,A错误;离子交换膜为阳离子交换膜,B错误;CO2在阴极转化为CO,故选项所写电极反应为阴极电极反应,C错误;根据得失电子守恒和阴、阳极电极反应知,缓冲溶液流入阴极的H+和阳极流入缓冲溶液的H+数目相等,故缓冲溶液中c(H+)保持不变,故pH保持不变,D正确。
2.电—Fenton法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术,反应原理如图所示。电解产生的H2O2与Fe2+发生反应生成的羟基自由基(·OH)能氧化降解有机污染物。下列说法错误的是( )
A.电源的A极为负极
B.与电源B极相连电极的电极反应式为H2O-e-===H++·OH
C.Fenton反应为H2O2+Fe2+===Fe(OH)2++·OH
D.每消耗2.24 L O2(标准状况),整个电解池中理论上可产生的·OH为0.2 mol
答案 D
解析 根据图示,三价铁离子在左端电极得到电子转化为亚铁离子,发生还原反应,左端电极为阴极,则A为电源负极,B为电源正极,右端电极为阳极。根据上述分析,电源的A极为负极,故A正确;与电源B极相连的电极为阳极,根据图示,水在阳极上失电
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