江蘇 李宗來(lái) 李小娟

電解裝置實(shí)現(xiàn)了電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，使不能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)在外在電壓的迫使下而發(fā)生。電解原理在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用非常廣泛，教材中涉及“氯堿工業(yè)”的電解飽和食鹽水、熔融電解法制備活潑金屬、精煉銅、電鍍以及金屬的電化學(xué)防護(hù)等。近年高考中電解原理的應(yīng)用以新穎的形式與題材呈現(xiàn)，體現(xiàn)了高考命題在加強(qiáng)基本知識(shí)考查的同時(shí)，更加注重了試題的情景化、生活化、實(shí)用化，強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)的相互滲透與融合。本文賞析高考中電解原理在現(xiàn)今熱門(mén)領(lǐng)域的應(yīng)用，以期引起重視并對(duì)其有更深入地認(rèn)識(shí)與理解。(為節(jié)約篇幅，節(jié)選高考題相關(guān)部分)

一、運(yùn)用電解原理處理生產(chǎn)中的廢水

下列敘述正確的是

( )

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

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

【答案】B

【總結(jié)提升】本題以電解水為基本知識(shí)點(diǎn)考查電解原理的應(yīng)用，利用兩極不同的酸堿產(chǎn)物同時(shí)結(jié)合離子交換膜對(duì)酸性或堿性污水進(jìn)行處理，或者在追求電荷平衡的促使下實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物粒子的分離，同時(shí)產(chǎn)生目標(biāo)副產(chǎn)物。

【例2】(2015·四川卷·4)用如圖所示裝置除去含CN-、Cl-廢水中的CN-時(shí)，控制溶液pH為9～10，陽(yáng)極產(chǎn)生的ClO-將CN-氧化為兩種無(wú)污染的氣體，下列說(shuō)法不正確的是

( )

A.用石墨作陽(yáng)極，鐵作陰極

【答案】D

【反思預(yù)測(cè)】應(yīng)用電解的原理處理生產(chǎn)中的廢水，可以直接將廢水中有害物質(zhì)通過(guò)電解分別在陽(yáng)、陰兩極上發(fā)生氧化和還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化成為無(wú)害物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)污水凈化；也可采用間接氧化和間接還原方式，即利用電解產(chǎn)生的具有氧化性或還原性的產(chǎn)物與廢水中的有害物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的沉淀物，以達(dá)到分離去除的目的。電解法具有可處理各種不同類型的廢水，適應(yīng)性強(qiáng)、高效且無(wú)二次污染等特點(diǎn)，因此備受青睞并被廣泛應(yīng)用，這也是高考命題的重要素材和方向，應(yīng)引起重視。

二、運(yùn)用電解原理處理生產(chǎn)中的廢氣

1.運(yùn)用電解法高效去除H2S廢氣

【例3】(2018·全國(guó)卷Ⅰ·13)最近我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種CO2+H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如圖所示，其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯電極區(qū)發(fā)生反應(yīng)為

該裝置工作時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是

( )

C.石墨烯上的電勢(shì)比ZnO@石墨烯上的低

D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需為酸性

【答案】C

【總結(jié)提升】圖形圖表在高考試題中出現(xiàn)的頻率很高，是題干信息的重要載體，考查考生的接受、吸收、整合化學(xué)信息的能力，要學(xué)會(huì)提取圖形圖表中相關(guān)信息，解答相關(guān)問(wèn)題。本題首先仔細(xì)觀察電解裝置圖中表示物質(zhì)變化的箭頭指向，然后通過(guò)物質(zhì)的化合價(jià)的變化從而確定陰陽(yáng)極，陽(yáng)極物質(zhì)失去電子、化合價(jià)升高、發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極物質(zhì)得到電子、化合價(jià)降低、發(fā)生還原反應(yīng)。同時(shí)結(jié)合圖象根據(jù)交換膜的類型、粒子的移動(dòng)及電解質(zhì)等條件書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式。

2.運(yùn)用電解法脫硝去除NOx廢氣

【例4】(2014·北京·26節(jié)選)NH3經(jīng)一系列反應(yīng)可以得到HNO3，如圖所示。

Ⅳ中，電解NO制備NH4NO3，其工作原理如圖所示，為使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH4NO3，需補(bǔ)充物質(zhì)A，A是________，說(shuō)明理由：________________。

【反思預(yù)測(cè)】廢氣是指人類在生產(chǎn)和生活過(guò)程中排出的有毒有害的氣體，因廢氣氣味大、毒性強(qiáng)，嚴(yán)重污染環(huán)境，影響人體健康。廢氣的種類很多，有H2S、SO2等硫化物，NH3和NO、NO2等氮化物以及苯、甲苯、甲醛等有機(jī)廢氣。其原理是讓廢氣通過(guò)電解直接或者間接發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而轉(zhuǎn)化為無(wú)毒、無(wú)害有利用價(jià)值的物質(zhì)。當(dāng)今，應(yīng)用電解原理對(duì)廢水、廢氣、廢渣進(jìn)行處理，使之“變廢為寶”是解決環(huán)境問(wèn)題、造福人類的有效方法，是極有應(yīng)用前景的，這也是高考中此類試題持續(xù)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

三、運(yùn)用電解原理制備物質(zhì)

1.多元弱酸的酸式鹽、正鹽的制備

【例5】(2018·全國(guó)卷Ⅰ·27節(jié)選)焦亞硫酸鈉(Na2S2O5)在醫(yī)藥、橡膠、印染、食品等方面應(yīng)用廣泛?；卮鹣铝袉?wèn)題：

(1)生產(chǎn)Na2S2O5，通常是由NaHSO3過(guò)飽和溶液經(jīng)結(jié)晶脫水制得。寫(xiě)出該過(guò)程的化學(xué)方程式：________________。

(2)制備Na2S2O5也可采用三室膜電解技術(shù)，裝置如圖所示，其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為_(kāi)___________________。電解后，________室的NaHSO3濃度增加。將該室溶液進(jìn)行結(jié)晶脫水，可得到Na2S2O5。

【變式練習(xí)】(2017·江蘇卷·16)鋁是應(yīng)用廣泛的金屬。以鋁土礦(主要成分為Al2O3，含SiO2和Fe2O3等雜質(zhì))為原料制備鋁的一種工藝流程如下：

(1)“電解Ⅰ”是電解熔融Al2O3，電解過(guò)程中作陽(yáng)極的石墨易消耗，原因是________________。

(2)“電解Ⅱ”是電解Na2CO3溶液，原理如圖所示。

陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為_(kāi)_______________。

，

陰極產(chǎn)生的物質(zhì)A的化學(xué)式為_(kāi)_______________。

【答案】(1)石墨電極被陽(yáng)極上產(chǎn)生的O2氧化

2.運(yùn)用電解原理制備能源燃料

【例6】(2015·福建卷·11)某模擬“人工樹(shù)葉”電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，該裝置能將H2O和CO2轉(zhuǎn)化為O2和燃料(C3H8O)。下列說(shuō)法正確的是

( )

A.該裝置將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能和電能

B.該裝置工作時(shí)，H+從b極區(qū)向a極區(qū)遷移

C.每生成1 mol O2，有44 g CO2被還原

【答案】B

【變式練習(xí)】(1)(2015·浙江卷·11)在固態(tài)金屬氧化物電解池中，高溫共電解H2O-CO2混合氣體制備H2和CO是一種新的能源利用方式，基本原理如圖所示。下列說(shuō)法不正確的是

( )

A.X是電源的負(fù)極

D.陰、陽(yáng)兩極生成的氣體的物質(zhì)的量之比是1∶1

(2)(2016·浙江卷)研究證實(shí)，CO2也可在酸性水溶液中通過(guò)電解生成甲醇，則生成甲醇的反應(yīng)發(fā)生在________極，該電極反應(yīng)式是________________。

【答案】(1)D

【反思預(yù)測(cè)】首先根據(jù)有外接電源則判斷為電解池，同時(shí)可以根據(jù)電源的正、負(fù)極相連確定電解池的陰陽(yáng)極，也可以通過(guò)電解質(zhì)中粒子的移動(dòng)方向確定陰陽(yáng)極；還可以通過(guò)電解裝置中物質(zhì)變化的箭頭指向，通過(guò)物質(zhì)所含元素化合價(jià)的變化確定陰陽(yáng)極。有機(jī)物中H(+1價(jià))、O(+2價(jià))再求C的平均價(jià)態(tài)，對(duì)于復(fù)雜的有機(jī)反應(yīng)物的電極反應(yīng)式可以先配平，再確定得失電子數(shù)目，因?yàn)橐沧裱邮睾愫碗姾墒睾?。因此解讀電解裝置提供的信息，是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。能源燃料在生產(chǎn)生活中是不可或缺的，如何突破能源的匱乏制約著當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的瓶頸，是困擾已久的難題，通過(guò)電解在能量消耗較小的前提條件下制備清潔能源燃料是解決能源危機(jī)新的途徑與方向，這也是未來(lái)高考命題的熱點(diǎn)之一。

四、運(yùn)用電解原理實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離提純

【例7】(2017·天津卷·7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(如圖)，使?jié){液分離成固體混合物和含鉻元素溶液，并回收利用?；卮稷蛑械膯?wèn)題。

Ⅱ.含鉻元素溶液的分離和利用

，

分離后含鉻元素的粒子是________；陰極室生成的物質(zhì)為_(kāi)_______(寫(xiě)化學(xué)式)。

【反思預(yù)測(cè)】利用電解原理來(lái)分離、提純物質(zhì)，如電解精煉銅，將粗銅作陰極，含Cu2+的溶液為電解液，通直流電，在陽(yáng)極銅及比銅活潑的雜質(zhì)金屬失電子，在陰極只有Cu2+得電子析出，從而提純了銅。也可以通過(guò)同性相斥、異性相吸在追求電荷平衡的促使下離子發(fā)生遷移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的分離，判斷離子的移動(dòng)方向除上述方法之外還可通過(guò)離子膜的種類及離子的消耗與生成，一般由離子生成的一極移向離子消耗的一極。電解法是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)簡(jiǎn)單快速分離的一種有效手段，分離物質(zhì)的同時(shí)得到副產(chǎn)物，具有超越一般分離方法的優(yōu)點(diǎn)，已引起高考命題者的關(guān)注，因此要格外的重視。

五、運(yùn)用電解原理實(shí)現(xiàn)二次電池的重復(fù)使用

( )

B.充電時(shí)釋放CO2，放電時(shí)吸收CO2

【答案】D

【變式練習(xí)】(2018·全國(guó)卷Ⅲ·11)一種可充電鋰-空氣電池如圖所示。當(dāng)電池放電時(shí)，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x(x=0或1)。下列說(shuō)法正確的是

( )

A.放電時(shí)，多孔碳材料電極為負(fù)極

B.放電時(shí)，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極

C.充電時(shí)，電解質(zhì)溶液中Li+向多孔碳材料區(qū)遷移

【答案】D

【反思預(yù)測(cè)】二次電池又稱為充電電池或蓄電池，是指在電池放電(原電池)后可通過(guò)充電(電解池)的方式使活性物質(zhì)激活從而可重復(fù)使用的電池。書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式時(shí)，除了上述的方法與技巧外，要注意放電時(shí)原電池的負(fù)極電極反應(yīng)式顛倒反應(yīng)物與生成物，將原來(lái)的失去電子改為得到電子即為充電時(shí)電解池的陰極反應(yīng)式，正極與陽(yáng)極電極反應(yīng)的書(shū)寫(xiě)也同樣如此。二次電池融合了原電池與電解池的知識(shí)，綜合性強(qiáng)，在高考試題中一直高頻出現(xiàn)，只有掌握方法，把握原理、仔細(xì)分析才能準(zhǔn)確應(yīng)答各種不同新型的二次電池。

六、運(yùn)用電解原理于金屬的防護(hù)

1.外加電流的陰極保護(hù)法

【例9】(2017·全國(guó)卷Ⅰ·11)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

【答案】C

【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；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。

2.通過(guò)電解增加保護(hù)膜的保護(hù)法

【例10】(2017·全國(guó)卷Ⅱ·11)用電解氧化法可以在鋁制品表面形成致密、耐腐蝕的氧化膜，電解質(zhì)溶液一般為H2SO4-H2C2O4混合溶液。下列敘述錯(cuò)誤的是

( )

A.待加工鋁質(zhì)工件為陽(yáng)極

B.可選用不銹鋼網(wǎng)作為陰極

D.硫酸根離子在電解過(guò)程中向陽(yáng)極移動(dòng)

【答案】C

【反思預(yù)測(cè)】電解原理主要用于土壤、海水、河水等特殊環(huán)境下的金屬防護(hù)，主要途徑有：外加電流的陰極保護(hù)法，將被保護(hù)的金屬與電源的負(fù)極相連作陰極，惰性電極充當(dāng)陽(yáng)極，在外電壓的影響下，陰極表面積累了大量的負(fù)電荷，從而抑制其失去電子而被保護(hù)；或者通過(guò)電鍍應(yīng)用電解原理在金屬表面鍍上一層金屬或者合金，既可以防腐又可以起到裝飾作用，一般將待鍍物作為陰極，鍍層金屬作為陽(yáng)極，含鍍層金屬離子的溶液作為電解質(zhì)，金屬離子在陰極得電子被還原形成均勻、光亮而致密的鍍層；也可通過(guò)電解使陽(yáng)極氧化形成氧化膜增加保護(hù)層厚度達(dá)到防腐的目的。金屬的防腐是熱點(diǎn)的社會(huì)問(wèn)題，是電化學(xué)知識(shí)在生產(chǎn)中應(yīng)用的具體體現(xiàn)，將一直是高考關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

綜上所述，高考復(fù)習(xí)中夯實(shí)基礎(chǔ)，在理解電解原理的同時(shí)注重知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用至關(guān)重要。