高中化學(xué)電解硫酸鈉溶液的探討

◇ 湖北 張 平 胡天嬌

高中階段電解原理部分通常從電極反應(yīng)、電解質(zhì)溶液、電子轉(zhuǎn)移、離子遷移、溶液pH 變化、電解后溶液的復(fù)原及電解計(jì)算等角度進(jìn)行考查，電解硫酸鈉是高中化學(xué)的高頻考點(diǎn)，常考考點(diǎn)如下.

1 電極材料的影響

1)陰極和陽極都用惰性電極.例如使用石墨電極，則電解硫酸鈉的本質(zhì)是電解水.

陰極反應(yīng)：2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－.

陽極反應(yīng)：2H2O－4e－＝4H＋＋O2↑.

2)陽極用活性電極.例如使用Cu電極，則電極反應(yīng)為

陰極反應(yīng)：2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－.

陽極反應(yīng)：Cu－2e－＝Cu2＋.

電解過程中陽極生成的Cu2＋向陰極遷移，陰極生成的OH－向陽極遷移，二者相遇，發(fā)生反應(yīng)：

2 電解后溶液濃度的變化

1)所用硫酸鈉溶液是不飽和的，兩個(gè)電極都用惰性電極，則隨著電解的進(jìn)行，不斷消耗水，所以溶液濃度增大.

2)所用硫酸鈉溶液是不飽和的，陽極用活性電極，例如用Cu作電極，則隨著電解的進(jìn)行，不斷消耗水，所以溶液濃度增大.

3)所用硫酸鈉溶液是飽和的，兩個(gè)電極都用惰性電極，則隨著電解的進(jìn)行，不斷消耗水，但是溫度不變，則溶液濃度不變.

4)所用硫酸鈉溶液是飽和的，陽極用活性電極，例如Cu，則隨著電解的進(jìn)行，不斷消耗水，但是溫度不變，則溶液濃度不變.

3 電解過程中溶液pH 的變化

1)若兩極都用惰性電極，則隨著電解的進(jìn)行，陰極附近溶液的pH 升高，陽極附近溶液的pH 降低，整個(gè)溶液的pH 不變.

2)若陽極用活性電極，例如使用Cu電極，則隨著電解的進(jìn)行，陰極附近溶液的pH 升高，陽極附近溶液的pH 幾乎不變，整個(gè)溶液的pH 幾乎不變.

4 電解過程中電子的移動方向及離子的遷移方向

1)電子移動方向：從電源負(fù)極出發(fā)，流向陰極，從陽極回到電源正極.

2)離子遷移方向：陽離子向陰極遷移，陰離子向陽極遷移.

遵循“電子不下水、離子不上岸”原則.

5 電解過程的計(jì)算

解答此類問題的關(guān)鍵是搞清楚電極反應(yīng)，結(jié)合氧化還原反應(yīng)相關(guān)知識進(jìn)行計(jì)算.

1)根據(jù)電子守恒法計(jì)算.陰陽兩極產(chǎn)物、正負(fù)兩極產(chǎn)物等類型的計(jì)算，依據(jù)是轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相等.

2)根據(jù)總反應(yīng)式計(jì)算.先寫出電極反應(yīng)式，再寫出總反應(yīng)式，最后根據(jù)總反應(yīng)式列比例式計(jì)算.

3)根據(jù)關(guān)系式計(jì)算.根據(jù)得失電子守恒建立已知量與待測量之間的橋梁，列出計(jì)算所需的關(guān)系式.

4)膜兩側(cè)溶液質(zhì)量變化的計(jì)算.注意氣體的排出或吸收、沉淀的析出或溶解以及離子的轉(zhuǎn)移.

6 利用離子交換膜獲取化工產(chǎn)品

研究發(fā)現(xiàn)，利用氯堿工業(yè)中的離子交換膜原理電解硫酸鈉可以提高經(jīng)濟(jì)效益.在高中化學(xué)的習(xí)題中，也出現(xiàn)了利用離子交換膜電解硫酸鈉.

圖1

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2H2O－4e－＝O2↑＋4H＋，負(fù)極區(qū)溶液pH 降低

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

由電解原理可知，陰極反應(yīng)：2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－，陽極反應(yīng)：2H2O－4e－＝4H＋＋O2↑，通過陰離子交換膜移向正極區(qū)與H＋結(jié)合生成H2SO4，故正極區(qū)pH 減小，選項(xiàng)A 錯(cuò)誤；Na＋通過陽離子交換膜移向負(fù)極區(qū)，與OH－結(jié)合生成NaOH，選項(xiàng)B 正確；負(fù)極水得電子，選項(xiàng)C 錯(cuò)誤；根據(jù)關(guān)系式1O2～4e－，當(dāng)電路中通過1mol電子的電量時(shí)，會有0.25molO2生成，選項(xiàng)D 錯(cuò)誤.答案為B.

A.電解Na2SO4溶液時(shí)，電子從電源負(fù)極出發(fā)經(jīng)過電解質(zhì)溶液流向電源正極

B.在25℃時(shí)，將兩個(gè)銅電極插入一定量的硫酸鈉飽和溶液中，進(jìn)行電解，通電一段時(shí)間后，陰極逸出a mol氣體，同時(shí)有W gNa2SO4·10H2O 晶體析出，若溫度不變，剩余溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是

C.在電解水時(shí)，為了增強(qiáng)導(dǎo)電性，加入的電解質(zhì)可以選用Na2SO4

D.用惰性電極電解Na2SO4溶液，當(dāng)陰極產(chǎn)生1mol氣體時(shí)，可加18g水使溶液恢復(fù)

根據(jù)“電子不下水，離子不上岸”的原則判斷，選項(xiàng)A 說法錯(cuò)誤.電解發(fā)生的電極反應(yīng)為Cu－2e－＝Cu2＋(陽極)，2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－(陰極).電解的總化學(xué)方程式為Cu＋2H2O＝Cu(OH)2↓＋H2↑.陰極逸出a molH2，水被電解了2a mol，即析出的W g Na2SO4·10H2O 溶解在2a mol水中恰好是25℃的飽和溶液，該溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與剩余溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相等.晶體中硫酸鈉質(zhì)量為142W/322＝71W/161，陰極逸出的a mol氣體為氫氣，故電解了的水質(zhì)量為18ag.顯然，25℃時(shí)，將W gNa2SO4·10H2O 溶入18ag水中，則恰好為飽和溶液，其溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(晶體中硫酸鈉質(zhì)量)/(晶體質(zhì)量＋電解反應(yīng)了的水的質(zhì)量)，選項(xiàng)B說法正確.加入Na2SO4，增大溶液濃度，導(dǎo)電性增強(qiáng)，且不影響H2和O2的生成，選項(xiàng)C 說法正確.用惰性電極電解Na2SO4溶液，由于溶液中陰離子的放電順序?yàn)镺H－＞，放電的為OH－，陽離子放電順序?yàn)镠＋＞Na＋，放電的為H＋，故實(shí)質(zhì)為電解水，當(dāng)陰極產(chǎn)生1molH2時(shí)，有2mol電子轉(zhuǎn)移，可加入18g水恢復(fù)，選項(xiàng)D 說法正確.答案為A.

A.電極a連接電源的正極

B.B為陽離子交換膜

C.電解質(zhì)溶液采用Na2SO4溶液可避免有害氣體的產(chǎn)生

D.Ⅱ排出的是淡水

圖2

根據(jù)題干信息確定該裝置為電解池，陰離子向陽極移動，陽離子向陰極移動，所以電極a為陽極，連接電源的正極，選項(xiàng)A 說法正確.水在雙極膜A 解離后，氫離子吸引陰離子透過B膜到左側(cè)形成酸，B為陰離子交換膜，選項(xiàng)B 說法錯(cuò)誤.電解質(zhì)溶液采用Na2SO4溶液，電解時(shí)生成H2和O2，可避免有害氣體的產(chǎn)生，選項(xiàng)C 說法正確.海水中的陰、陽離子透過兩側(cè)交換膜向兩側(cè)移動，淡水從Ⅱ口排出，選項(xiàng)D 說法正確.答案為B.

本文歸納總結(jié)了高中化學(xué)習(xí)題中有關(guān)電解硫酸鈉的常考考點(diǎn)，對比分析，幫助學(xué)生更好地解決問題，加深對電解原理的理解.