一、氯化铜溶液的电解

  1. 实验操作：电池的正负极连接石墨棒插入\(\ce{CuCl2}\) 溶液
  2. 实验现象：
    1. 电流表指针发生偏转，电解质溶液导电，形成了闭合回路
    2. 与负极相连的一极逐渐覆盖了一层红色物质，析出金属铜
    3. 与正极相连一极产生有刺激性气味的黄绿色气体，湿润碘化钾淀粉试纸变蓝，产生了氯气
  3. 原理分析：
    1. 在阳极（与电源正极相连）：还原剂发生氧化反应：\(\ce{2Cl^{-} -2e^{-} \xlongequal[]{} Cl2 ^}\)
    2. 在阴极（与电源负极相连）：氧化剂发生还原反应：\(\ce{Cu^{2+} + 2e^{-} \xlongequal[]{} Cu}\)
    3. 阳离子移向阴极，阴离子移向阳极（阳失阴得，阴阳相吸）
    4. 实验结论：在通直流电的情况下，溶液中发生的反应为 \(\ce{CuCL2 \xlongequal[]{电解} Cu + Cl2 ^}\) 阴极有铜生成，阳极有氯气逸出

二、电解原理

2.1 基本概念

  1. 电解的定义：使电流通过电解质溶液（或熔融电解质）而在阳极、阴极分别引起氧化还原反应的过程称为电解
  2. 电解池：将电能转化为化学能的装置叫做电解池（或电解槽）
    1. 电解时所用的电源必须是直流电而不能是交流电
    2. 电解质溶液和熔融态都能够被电解
    3. 电解法是一种强氧化还原手段，可以实现非自发的氧化还原反应
  3. 工作原理 ：
    1. 过程：形成闭合回路通电之后，电子从电源的负极沿导线流向电解池的阴极，经过阴、阳离子的定向移动形成内电路，电子从电解池的阳极流出，并沿导线流回电源的正极，如图所示

2.2 电极产物的判断

1. 基本思路

  1. 阳极：作还原剂被氧化，发生氧化反应
    1. 阳极采用活性材料：电极材料失去电子，
    2. 惰性电极：一般是溶液中阴离子根据放电顺序失电子
  2. 阴极：作氧化剂被还原，发生还原反应
    1. 阴极与材料无关，阴极是电子的接收者，接受电子的都是阳离子，几乎不可能成为电极
    2. 惰性电极：一般是溶液中阳离子根据放电顺序得电子

2.离子放电顺序

  1. 本质：阳离子的氧化性顺序和阴离子的还原性顺序
  2. 阴离子放电顺序 ：
阴离子放电顺序.png
阴离子放电顺序
  1. 阳离子放电顺序 ：
阳离子放电顺序.png
阳离子放电顺序

2.3 电极反应式和总反应方程式的书写要点

  1. 三看：
    1. 一看电极材料，若是金属（\(\ce{Au、Pt}\) 除外）作阳极，金属一定被氧化
    2. 二看电解质溶液的酸碱性，注意配平电荷与原子数时用 \(\ce{OH^{-}}\) 、 \(\ce{H^{+}}\)、 \(\ce{H2O}\)
    3. 三看电解质状态，若电解质是熔融态金属氧化物或盐，一般为金属的冶炼
  2. 两注意：
    1. 书写电极反应式时，可以用实际放电的离子表示，但写总反应方程式时，弱电解质要写成化学式，且注明“电解”条件
    2. 电解水溶液时，应注意放电顺序中 \(\ce{H^{+}}\)、\(\ce{OH^{-}}\)之后的离子一般不参与放电

三、电解原理的应用

3.1 电解饱和食盐水（氯碱工业）

  1. 电解过程：
    1. 通电前电离， 饱和食盐水中\(\ce{NaCl}\) 和 \(\ce{H2O}\) 发生电离，在溶液中存在着 \(\ce{Na^{+}}\)、 \(\ce{Cl^{-}}\) 、 \(\ce{H^{+}}\) 、 \(\ce{OH^{-}}\) 四种自由移动的离子
    2. 通电时移动，阳离子\(\ce{Na^{+}}\) 、\(\ce{H^{+}}\)向阴极移动；阴离子\(\ce{Cl^{-}}\) 、\(\ce{OH^{-}}\) 向阳极移动
    3. 持续通电后，阳极中放电能力\(\ce{Cl^{-}}\) >\(\ce{OH^{-}}\) ; 阴极中放电能力 \(\ce{H^{+}}\) >\(\ce{Na^{+}}\)
  2. 电极反应 ：
    1. 阳极：\(\ce{2Cl^{-} -2e^{-} \xlongequal[]{} Cl2 ^}\)
    2. 阴极：\(\ce{2H2O + 2e^{-} \xlongequal[]{} 2OH^{-} + H2 ^}\)
    3. 总反应：\(\ce{2Cl^{-} + 2H2O \xlongequal[]{电解} 2OH^{-} + H2 ^ + Cl2 ^}\)
    4. 注意：阴极虽然是\(\ce{H^{+}}\) 得电子，但是不能写\(\ce{2H^{+} + 2e^{-} \xlongequal[]{} H2 ^}\) ;因为在电解过程中阴极和阳极反应都是持续发生的，也就意味着需要\(\ce{H^{+}}\)状态稳定的持续，而整个电解池中\(\ce{OH^{-}}\) 的浓度不断增大，碱性环境注定了\(\ce{H^{+}}\)不可能大量稳定的存在，所以直接从其来源也就是\(\ce{H2O}\) 直接取反应。

3.2 电镀

  1. 定义 ：利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的加工工艺
  2. 目的 ：增强金属的抗腐蚀能力、增加表面硬度和美观
  3. 原理 ：电镀的原理与电解池原理相同。电镀时，一般用含镀层金属离子的溶液作电镀液，把待镀的金属制品浸入电镀液，与直流电源负极相连。镀层金属和直流电源正极相连，电镀时，阳极金属失电子变成离子进入溶液。阴极部分电解质中的阳离子（与镀层金属相同）得到电子被还原为金属附着在待镀金属上形成镀层，完成电镀。
  4. 示例 ：在铁制镀件表面加入铜镀层
    1. 实验装置：直流电源的正极连接镀层铜金属，负极连接待镀金属铁制镀件。电解质溶液选择\(\ce{CuSO4}\)溶液（可以在\(\ce{CuSO4}\) 溶液中加入一定量的氨水，制成铜氨溶液，可以使镀层更光亮）
    2. 阳极 ：\(\ce{Cu - 2e^{-} \xlongequal[]{} Cu^{2+}}\)

阴极 ：\(\ce{Cu^{2+} + 2e^{-} \xlongequal[]{} Cu}\)

  1. 注意事项：电镀过程中要注意“一多、一少、一不变“
    1. 一多 ：阴极上有镀层金属沉积
    2. 一少 ：阳极上有镀层金属溶解
    3. 一不变 ：电解质溶液浓度保持不变

3.3 电解精炼铜

  1. 原理：利用电解池原理，将放置在阳极的含有很多杂质的粗铜，通过氧化反应变成铜离子进入电解质液（\(\ce{CuSO4}\)）中。在阴极，铜离子又通过还原反应被还原为铜单质成为精铜的一部分
  2. 阳极产物分析：
    1. 粗铜中除了铜之外，还有很多其它金属杂质如铁、锌、镍、金、银等。其中还原性比铜强的是锌、铁、镍，比铜弱的银、金。由于失电子能力的不同，在阳极更活泼的金属先被氧化完全之后，才能轮到下一个金属。失电子顺序为：
      1. \(\ce{Zn - 2e^{-} \xlongequal[]{} Zn^{2+}}\)
      2. \(\ce{Fe - 2e^{-} \xlongequal[]{} Fe^{2+}}\)
      3. \(\ce{Ni - 2e^{-} \xlongequal[]{} Ni^{2+}}\)
      4. \(\ce{Cu - 2e^{-} \xlongequal[]{} Cu^{2+}}\)
      5. 银、铜失电子能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子，所以以金属单质的形式趁机在电解槽底部，形成阳极泥，其他离子就进入到电解质液中
  3. 阴极产物分析：
    1. 电解质液中的会移动到阴极，但在阴极\(\ce{Cu^{2+}}\) 比\(\ce{H^{+}}\) 、\(\ce{Ni^{2+}}\) 、\(\ce{Fe^{2+}}\)、\(\ce{Zn^{2+}}\) 的放电顺序要靠前（氧化性更强），所以阴极基本只发生\(\ce{Cu^{2+} + 2e^{-} \xlongequal[]{} Cu}\) 。其他离子留在溶液中。通过电解精炼铜可以得到纯度为 99.95%~99.98%的铜。
  4. 电镀铜与电解精炼铜的区别：
    1. 相同点：原理都相同，阴极阳极发生的主要反应都相同
    2. 不同点：电解质溶液中，电镀时，电解质溶液成分及浓度均不变；在精炼铜时，\(\ce{c(Cu^{2+})}\) 减少，因为比铜活泼的金属阳离子先进入溶液

3.4 电冶金

  1. 原理 ：金属冶炼的本质是使矿石中的金属离子获得电子变成金属单质的过程。用电解法将通常极难被还原的活泼金属从它们的化合物中还原出来即称为电冶金。
  2. 实质 ：\(\ce{M^{n+} + ne^{-} \xlongequal[]{} M}\)
  3. 示例 ：电解冶炼铝
    1. 阳极：\(\ce{6O^{2-} - 12e^{-} \xlongequal[]{} 3O2 ^}\)
    2. 阴极：\(\ce{4Al^{3+} + 12e^{-} \xlongequal[]{} 4Al}\)
    3. 总反应：\(\ce{2Al2O3(熔融) \xlongequal[冰晶石]{电解} 4Al + 3O2 ^}\)
  4. 应用：适用于用普通还原剂难以还原的金属，如钾、钙、钠、镁、铝等活泼金属

四、离子交换膜

4.1 概况

离子交换膜.png
离子交换膜

4.2 三类常见的交换膜应用示例

1. 阴离子交换膜——铜锌原电池

  1. 负极：\(\ce{Zn - 2e^{-} \xlongequal[]{} Zn^{2+}}\) （电解质溶液\(\ce{ZnSO4}\)）
  2. 正极：\(\ce{Cu^{2+} + 2e^{-} \xlongequal[]{} Cu}\) (电解质溶液\(\ce{CuSO4}\))
  3. \(\ce{SO^{2-}4}\) 通过阴离子交换膜进入负极区

2. 阳离子交换膜——以\(\ce{Pt}\) 为电极电解淀粉—\(\ce{KI}\) 溶液

  1. 阴极：\(\ce{2H2O + 2e^{-} \xlongequal[]{} H2 ^ + 2OH^{-}}\)
  2. 阳极：\(\ce{2I^{-} - 2e^{-} \xlongequal[]{} I2}\)
  3. \(\ce{K+}\) 通过阳离子交换膜移向电解池阴极

3. 质子交换膜——在微生物作用下电解有机废水，获得清洁能源

  1. 实验装置 ：电源正极连接惰性电极放在有机废水（\(\ce{CH3COOH}\)）电解质溶液中；电源负极连接惰性电极放在稀硫酸中
  2. 电极反应式：
    1. 阳极：\(\ce{CH3COOH -8e^{-} + 2H2O \xlongequal[]{} 2CO2 ^ + 8H^{+}}\)
    2. 阴极：\(\ce{2H^{+} + 2e^{-} \xlongequal[]{} H2 ^}\)
    3. \(\ce{H^{+}}\) 通过质子交换膜移向阴极

4.3 用惰性电极电解电解质水溶液的规律

类型电解反应特点实例电解对象电解质溶液的变化电解质溶液复原
电解水型阴极：\(\ce{4H^{+} + 4e^{-} \xlongequal[]{} 2H2 ^}\)
阳极：\(\ce{4OH^{-} - 4e^{-} \xlongequal[]{} 2H2O + O2^}\)		\(\ce{NaOH溶液}\)
\(\ce{H2SO4溶液}\)；\(\ce{Na2SO4溶液}\)		水浓度增大（饱和溶液除外）加\(\ce{H2O}\)
电解电解质型电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电\(\ce{HCl}\)溶液电解质浓度减小加\(\ce{HCl}\)
放\(\ce{H2}\)生碱型阴极：\(\ce{H2O}\)放\(\ce{H2}\) 生碱
阳极：阴离子放电		\(\ce{NaCl}\)溶液电解质和水生成新电解质加\(\ce{HCl}\)
放\(\ce{O2}\) 生碱型阴极：阳离子放电
阳极：\(\ce{H2O}\)放\(\ce{O2}\)生碱		\(\ce{CuSO4}\) 溶液电解质和水生成新电解质加\(\ce{CuO}\),或加入\(\ce{Cu(NO3)2}\)

4.4 电解计算的原则

  1. 阳极失去的电子总数=阴极得到的电子总数
  2. 串联电路中通过电解池外电路中的电子总数相等
  3. 电源输出的电子总数和电解池中转移的电子总数相等