例析高考化學(xué)中電解原理的“不尋常”應(yīng)用及其解題策略

羅長(zhǎng)梁

摘 要：電解原理在生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，但除了大家比較熟悉的應(yīng)用外，電解原理還有一些“不尋?！钡膽?yīng)用。從近幾年的高考卷中有關(guān)電解原理應(yīng)用的內(nèi)容中，會(huì)發(fā)現(xiàn)大部分的題目還是主要考查這些“不尋?！钡膽?yīng)用。本文例析了電解原理在近幾年高考卷中一些“不尋?！钡膽?yīng)用的解題指導(dǎo)，就高考中有關(guān)這部分的考點(diǎn)做一不全面的概括，希望對(duì)高考化學(xué)在電解原理的應(yīng)用這部分知識(shí)復(fù)習(xí)時(shí)有些許的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：高考化學(xué)；電解應(yīng)用；解題策略

電解原理在生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，譬如：氯堿工業(yè)的基礎(chǔ)——電解飽和食鹽水；對(duì)于比較活潑金屬（如鈉、鎂、鋁等），我們常用電解其熔融鹽的方法制取；還有電解精煉銅以及電鍍等。但除了這些大家比較熟悉的應(yīng)用外，電解原理還有一些“不尋?！钡膽?yīng)用。從近幾年的高考卷中有關(guān)電解原理應(yīng)用的內(nèi)容中，會(huì)發(fā)現(xiàn)大部分的題目還是主要考查這些“不尋常”的應(yīng)用。下面筆者就高考中有關(guān)這部分的考點(diǎn)做一不全面的概括，寄希拋磚引玉之效。

一、電解原理在“新型電池充電”中的應(yīng)用

【解題指導(dǎo)】可充電電池的放電過(guò)程與充電過(guò)程互為逆反應(yīng)，而放電時(shí)的生成物是充電時(shí)的反應(yīng)物，放電時(shí)的反應(yīng)物是充電時(shí)的生成物，放電過(guò)程是用原電池原理解題，充電過(guò)程是用電解池原理解題。解題時(shí)，首先應(yīng)搞明白電池放電時(shí)的正、負(fù)極，再根據(jù)電池充電時(shí)“正”接“正”“負(fù)”接“負(fù)”，即放電時(shí)的正極成為充電時(shí)陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)；放電時(shí)的負(fù)極成為充電時(shí)陰極，發(fā)生還原反應(yīng)的原理，進(jìn)行分析。

例1.（2016·新課標(biāo)III）鋅—空氣燃料電池可用作電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電源，電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，反應(yīng)為2Zn+O2+4OH-+2H2O=2Zn（OH）2-4。下列說(shuō)法正確的是（ ）

A.充電時(shí)，電解質(zhì)溶液中K+向陽(yáng)極移動(dòng)

B.充電時(shí)，電解質(zhì)溶液中c（OH-）逐漸減小

C.放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為：Zn+4OH--2e- =Zn（OH）2-4

D.放電時(shí)，電路中通過(guò)2 mol電子，消耗氧氣22.4 L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）

【解析】A.充電時(shí)陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)，故錯(cuò)誤；B.放電時(shí)總反應(yīng)為：2Zn+O2+4KOH+2H2O2K2Zn（OH）4，則充電時(shí)生成氫氧化鉀，溶液中的氫氧根離子濃度增大，故錯(cuò)誤；C.放電時(shí)，鋅在負(fù)極失去電子，故正確；D.標(biāo)準(zhǔn)狀況下22.4L氧氣的物質(zhì)的量為1摩爾，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)移4摩爾電子，故錯(cuò)誤。

二、電解原理在“金屬防腐”中的應(yīng)用

【解題指導(dǎo)】外加電源的陰極保護(hù)法利用的就是電解池的原理，它是指接上外加直流電源構(gòu)成電解池，將被保護(hù)鋼鐵設(shè)備連接在外加直流電源的負(fù)極上，被保護(hù)的金屬作陰極。注意要將外加電流的陰極保護(hù)法與犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法區(qū)分開(kāi)來(lái)，犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法是指外加負(fù)極材料，在被保護(hù)鋼鐵設(shè)備上連接一種更易失去電子的金屬或合金，構(gòu)成原電池，被保護(hù)的金屬作正極，利用的是原電池的原理。

例2.（2017·新課標(biāo)I）支撐海港碼頭基礎(chǔ)的鋼管樁，常用外加電流的陰極保護(hù)法進(jìn)行防腐，工作原理如圖所示，其中高硅鑄鐵為惰性輔助陽(yáng)極。下列有關(guān)表述不正確的是（ ）

A.通入保護(hù)電流使鋼管樁表面腐蝕電流接近于零

B.通電后外電路電子被強(qiáng)制從高硅鑄鐵流向鋼管樁

C.高硅鑄鐵的作用是作為損耗陽(yáng)極材料和傳遞電流

D.通入的保護(hù)電流應(yīng)該根據(jù)環(huán)境條件變化進(jìn)行調(diào)整

【解析】A.鋼管表面不失電子，幾乎無(wú)腐蝕電流，故A正確；B.外電路中，電子從高硅鑄鐵流向電源正極，從電源負(fù)極流向鋼管樁，故B正確；C.高硅鑄鐵作為惰性輔助電極，不被損耗，故C錯(cuò)誤；D.保護(hù)電流應(yīng)根據(jù)環(huán)境（pH，離子濃度，溫度）變化，故D正確。

三、電解原理在“環(huán)境治理”中的應(yīng)用

【解題指導(dǎo)】解答電解原理的應(yīng)用的一般思路：1.要明確通電前電解質(zhì)溶液中含哪些陰離子、陽(yáng)離子（包括由水電離出的H+和OH-）；2.根據(jù)通電時(shí)陰離子移向陽(yáng)極，陽(yáng)離子移向陰極，結(jié)合放電順序分析誰(shuí)先放電（注意活潑金屬作陽(yáng)極時(shí)，活潑金屬優(yōu)先放電）；3.正確書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式，要注意原子數(shù)、電荷數(shù)是否守恒；4.能結(jié)合題目要求分析電解時(shí)的各種變化情況，如兩極現(xiàn)象、水的平衡移動(dòng)、離子濃度的變化、pH的變化等。

例3.（2016·新課標(biāo)Ⅰ）三室式電滲析法處理含Na2SO4廢水的原理如圖所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場(chǎng)的作用下，兩膜中間的Na+和SO2-4可通過(guò)離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進(jìn)入中間隔室。

下列敘述正確的是（ ）

A.通電后中間隔室的SO2-4離子向正極遷移，正極區(qū)溶液pH增大

B.該法在處理含Na2SO4廢水時(shí)可以得到NaOH和H2SO4產(chǎn)品

C.負(fù)極反應(yīng)為2 H2O–4e–=O2+4H+，負(fù)極區(qū)溶液pH降低

D.當(dāng)電路中通過(guò)1mol電子的電量時(shí)，會(huì)有0.5mol的O2生成

【解析】A.在電解池中陰離子會(huì)向陽(yáng)極區(qū)定向移動(dòng)，因此通電后中間隔室的SO2-4向正極遷移；在正極區(qū)帶OH-失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)而放電，由于破壞了附近的水的電離平衡，使溶液中c（H+）>c（OH-），所以正極區(qū)溶液酸性增強(qiáng)，溶液的pH減小，錯(cuò)誤；B.陽(yáng)極區(qū)氫氧根放電，溶液中產(chǎn)生硫酸，陰極區(qū)氫離子獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)而放電，破壞了附近的水的電離平衡，使溶液中c（OH-）>c（H+），所以產(chǎn)生氫氧化鈉，因此該法在處理含Na2SO4廢水時(shí)可以得到NaOH和H2SO4產(chǎn)品，正確；C.負(fù)極區(qū)氫離子得到電子，使溶液中c（OH-）>c（H+），所以負(fù)極區(qū)溶液pH升高，錯(cuò)誤；D.當(dāng)電路中通過(guò)1mol電子的電量時(shí)，根據(jù)整個(gè)閉合回路中電子轉(zhuǎn)移數(shù)目相等可知，反應(yīng)產(chǎn)生氧氣的物質(zhì)的量n（O2）=1mol÷4=0.25mol，錯(cuò)誤。

四、電解原理在“物質(zhì)制備”中的應(yīng)用

【解題指導(dǎo)】電解池是把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置，它可以使不能自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)借助于電流而發(fā)生。與外接電源正極連接的電極為陽(yáng)極，與外接電源的負(fù)極連接的電極為陰極。陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)。溶液中的離子移方向符合：同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引的原則，即陽(yáng)離子向陰極區(qū)移動(dòng)，陰離子向陽(yáng)極區(qū)移動(dòng)。

例4.（2014·新課標(biāo)Ⅰ節(jié)選）次磷酸（H3PO2）是一種精細(xì)化工產(chǎn)品，具有較強(qiáng)還原性，回答下列問(wèn)題：

（4）（H3PO2）也可以通過(guò)電解的方法制備。工作原理如圖所示（陽(yáng)膜和陰膜分別只允許陽(yáng)離子、陰離子通過(guò)）：

①寫(xiě)出陽(yáng)極的電極反應(yīng)式；

②分析產(chǎn)品室可得到H3PO2的原因；

③早期采用“三室電滲析法”制備H3PO2，將“四室電滲析法”中陽(yáng)極室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去陽(yáng)極室與產(chǎn)品室之間的陽(yáng)膜，從而合并了陽(yáng)極室與產(chǎn)品室，其缺點(diǎn)是產(chǎn)品中混有雜質(zhì)。該雜質(zhì)產(chǎn)生的原因是：。

【解析】（4）①在陽(yáng)極由于含有的陰離子OH-、SO2-4、H2PO-2中放電能力最強(qiáng)的是OH-，所以發(fā)生反應(yīng)： 2H2O-4e-=O2↑+4H+；②在產(chǎn)品室之所以可得到H3PO2是因?yàn)殛?yáng)極室的H+穿過(guò)陽(yáng)膜擴(kuò)散至產(chǎn)品室，原料室的H2PO-2穿過(guò)陰膜擴(kuò)散至產(chǎn)品室，二者反應(yīng)生成）；③早期采用“三室電滲析法”制備H3PO2，將“四室電滲析法”中陽(yáng)極室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去陽(yáng)極室與產(chǎn)品室之間的陽(yáng)膜，從而合并了陽(yáng)極室與產(chǎn)品室，其缺點(diǎn)是陽(yáng)極產(chǎn)生的氧氣會(huì)把H3PO2或H2PO-2氧化為PO3-4，使產(chǎn)品不純。

五、電解原理在“物質(zhì)分離”中的應(yīng)用

【解題指導(dǎo)】在電化學(xué)問(wèn)題中，注意陽(yáng)離子交換膜只允許允許陽(yáng)離子通過(guò)、陰離子交換膜只允許陰離子通過(guò)。另外，其實(shí)電解精煉銅也是將銅與銅中的其他金屬利用電解法進(jìn)行分離的一種方法。

例5.（2017·天津卷節(jié)選）某混合物漿液含有Al（OH）3、MnO2和少量Na2CrO4?？紤]到膠體的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出，某研究小組利用設(shè)計(jì)的電解分離裝置（見(jiàn)圖），使?jié){液分離成固體混合物和含鉻元素溶液，并回收利用。回答Ⅰ和Ⅱ中的問(wèn)題。

Ⅱ含鉻元素溶液的分離和利用

（4）用惰性電極電解時(shí)，CrO2﹣4能從漿液中分離出來(lái)的原因是， 分離后含鉻元素的粒子是；陰極室生成的物質(zhì)為 （寫(xiě)化學(xué)式）。

【解析】電解混合物漿液時(shí)，在直流電場(chǎng)作用下，Na+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜向陰極室移動(dòng)移向陰極， CrO2-4通過(guò)陰離子交換膜向陽(yáng)極室移動(dòng)，脫離漿液；而用惰性電極電解Na2SO4溶液實(shí)質(zhì)是電解水，陽(yáng)極室OH-放電生O2，陽(yáng)極室溶液酸性增強(qiáng)，溶液的pH減小，移動(dòng)至陽(yáng)極室的CrO2-4 會(huì)與H+反應(yīng)：CrO2-4+2H+=Cr2O2-7+ H2O，所以分離后含鉻元素的粒子是CrO2-4和Cr2O2-7；陰極室H+放電生H2，同時(shí)有NaOH生成。

綜上所述，電解原理的應(yīng)用題總離不開(kāi)陰陽(yáng)極的判斷，溶液中離子的移向，電極上所發(fā)生的反應(yīng)、變化以及現(xiàn)象，離子交換膜的使用等這幾個(gè)問(wèn)題，若能從這些方面思考，就能以不變應(yīng)萬(wàn)變，無(wú)論電解原理是在哪方面的應(yīng)用，都能得心應(yīng)手，輕松解題。

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