《电解池思维导图》

一、电解池的基本概念

1. 定义

• 将电能转化为化学能的装置。
• 利用外加直流电源驱动氧化还原反应。

2. 组成

• 电源 (直流电源)：提供电能，区分正负极。
• 电解质溶液 (或熔融电解质)：提供离子，导电介质。
• 电极 (惰性电极或活性电极)：发生氧化还原反应的场所。
  • 阳极 (Anode)：与电源正极相连，发生氧化反应。
  • 阴极 (Cathode)：与电源负极相连，发生还原反应。
• 连接导线：连接电源和电极，形成闭合回路。

3. 工作原理

• 外部电路：电子由电源负极流出，经导线到达阴极；阳极失去电子，经导线回到电源正极。
• 内部电路：电解质溶液中离子定向移动。阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，形成电流。

二、电解池中的电极反应

1. 阳极反应 (氧化反应)

• 惰性电极：
  • 电解质溶液中的阴离子放电，放电顺序由强到弱（放电能力）。
  • 放电能力顺序 (常见)：S^2- > I^- > Br^- > Cl^- > OH^- > SO₄^2- > NO₃^- > F^-
  • 若有多个阴离子，优先放电的是放电能力强的阴离子。
  • 例如：电解 NaCl 溶液，阳极反应：2Cl^- - 2e^- → Cl₂↑
• 活性电极 (金属电极)：
  • 电极自身失去电子，被氧化成金属离子进入溶液。
  • 电极材料必须是活泼金属 (一般比氢活泼)。
  • 例如：电解CuSO₄溶液，Cu作阳极，阳极反应：Cu - 2e^- → Cu²⁺

2. 阴极反应 (还原反应)

• 电解质溶液中的阳离子放电，放电顺序由强到弱（放电能力）。
• 放电能力顺序 (常见)：Ag⁺ > Hg²⁺ > Fe³⁺ > Cu²⁺ > H⁺ > Pb²⁺ > Sn²⁺ > Fe²⁺ > Zn²⁺ > H⁺(H₂O) > Al³⁺ > Mg²⁺ > Na⁺ > Ca²⁺ > K⁺
• 若有多个阳离子，优先放电的是放电能力强的阳离子。
• H⁺的放电与电极材料无关。
• 例如：电解 NaCl 溶液，阴极反应：2H⁺ + 2e^- → H₂↑ 或 2H₂O + 2e^- → H₂↑ + 2OH^- (本质一样)

3. 电解的总反应方程式

• 将阳极反应式和阴极反应式合并，注意电子得失守恒。
• 例如：电解 NaCl 溶液的总反应方程式：2NaCl + 2H₂O --电解--> 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑

三、电解的应用

1. 电解水

• 电解纯水需要加入少量电解质增强导电性（例如H₂SO₄、NaOH）。
• 阳极反应：2H₂O - 4e^- → O₂↑ + 4H⁺
• 阴极反应：4H⁺ + 4e^- → 2H₂↑ 或 4H₂O + 4e^- → 2H₂↑ + 4OH^- (本质一样)
• 总反应方程式：2H₂O --电解--> 2H₂↑ + O₂↑
• 现象：体积比 V(H₂) : V(O₂) = 2 : 1

2. 电解精炼铜

• 粗铜作阳极，纯铜作阴极，CuSO₄溶液作电解质。
• 阳极反应：Cu - 2e^- → Cu²⁺ (主要反应)，同时杂质金属 (例如Zn、Fe) 也被氧化成离子。
• 阴极反应：Cu²⁺ + 2e^- → Cu
• 杂质金属离子在溶液中，比铜活泼的金属离子留在溶液中，比铜不活泼的金属形成“阳极泥”。
• 溶液中CuSO₄浓度不变。
• 目的：得到纯净的铜。

3. 电镀

• 待镀金属制品作阴极，镀层金属作阳极，含有镀层金属离子的溶液作电解质。
• 例如：镀铜。待镀金属制品作阴极，纯铜作阳极，CuSO₄溶液作电解质。
• 阳极反应：Cu - 2e^- → Cu²⁺
• 阴极反应：Cu²⁺ + 2e^- → Cu
• 溶液中金属离子浓度不变。
• 目的：在金属制品表面镀上一层金属，起保护和美观作用。

4. 氯碱工业

• 电解饱和食盐水制取Cl₂、H₂和NaOH。
• 阳极反应：2Cl^- - 2e^- → Cl₂↑
• 阴极反应：2H⁺ + 2e^- → H₂↑ 或 2H₂O + 2e^- → H₂↑ + 2OH^- (本质一样)
• 总反应方程式：2NaCl + 2H₂O --电解--> 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑
• 工业意义：生产重要的化工原料。

5. 电解冶金

• 通过电解法冶炼活泼金属。
• 例如：电解熔融的Al₂O₃制取Al。
• 阳极反应：2O^2- - 4e^- → O₂↑
• 阴极反应：Al³⁺ + 3e^- → Al
• 總反应方程式：2Al₂O₃ --电解--> 4Al + 3O₂↑
• 目的：获取纯净的金属。

四、电解原理的应用拓展

1. 电动化学腐蚀的防护

• 牺牲阳极的阴极保护法：将被保护金属连接到更活泼的金属上，活泼金属作为阳极优先被腐蚀。
• 外加电流的阴极保护法：将被保护金属连接到电源负极，使其成为阴极，受到保护。

2. 电解法制备有机物

• 利用电解原理在电极上进行有机物的氧化或还原反应。
• 例如 Kolbe 电解反应

五、电解计算

1. 电解过程中物质的量变化的计算

• 利用电极反应式，结合电子守恒进行计算。
• 关注离子放电顺序，以及生成物质之间的关系。

2. pH值的变化

• 考虑电解后溶液中H⁺和OH^-浓度的变化。
• 酸性增强或碱性增强的情况。
• 关注溶液体积的变化，从而计算pH值。

3. 气体的体积计算

• 标准状况下，气体体积 V = n × 22.4 L/mol
• 注意温度和压强对气体体积的影响。

六、注意事项

1. 电解池与原电池的区别

• 电解池：外加电源，能量转化：电能 → 化学能，自发性反应。
• 原电池：无需外加电源，能量转化：化学能 → 电能，非自发性反应。

2. 电极的判断

• 根据电源的正负极判断。
• 根据发生的反应判断：氧化反应在阳极，还原反应在阴极。

3. 电解质溶液的选择

• 根据电解的目的选择合适的电解质溶液。
• 电解质溶液必须导电。

4. 电极材料的选择

• 惰性电极：不参与电极反应，例如铂、石墨。
• 活性电极：参与电极反应，通常是金属。

5. 电解池的装置

• 注意电解池的密封性，防止气体泄漏。
• 注意电极的连接方式，确保电路畅通。

上一个主题： 西游记思维导图 下一个主题： 万以内的思维导图