第三節 推測電極生成物

電解是在外部電力的迫使下發生的氧化還原反應。一般而言,在電解過程中,陰離子在陽極上失去電子,發生氧化反應;陽離子在陰極上獲得電子,發生還原反應。

當溶液中存在不止一種陰離子或陽離子時,離子優先放電的次序主要受三個因素的影響:

  • 離子在電化序中的位置
  • 離子在溶液中的濃度
  • 電極的性質

根據上述原則,我們可以推測電解池中的每個電極上所發生的反應和電解生成物。

在預測電極反應和電解生成物時,首先應分析溶液中存在哪些陽離子和陰離子。若溶液中存在不止一種陰離子或陽離子,再綜合考慮影響離子優先放電的三個因素,進行判斷。

預測下列電解過程中每個電極的生成物和溶液的變化
  1. 在用石墨電極電解熔融氯化鈉的過程中,陽極生成物是
    ; 陰極生成物是

    熔融氯化鈉中,存在兩種離子:\(\ce{Na^+ (l)} \) 和 \(\ce{Cl^- (l)} \)。注意:熔融氯化鈉是呈液態的氯化鈉,而不是氯化鈉溶液,因此,不含 \(\ce{H^+ (aq)} \) 和 \(\ce{OH^- (aq)} \)。

    • 陽極反應:\(\ce{Cl^- (aq)} \) 放電,生成 \(\ce{Cl2 (g)} \) 。

      \[\ce{2Cl^- (l) -> Cl2 (g) + 2e^-} \]
    • 陰極反應:\(\ce{Na^+ (aq)} \) 放電,生成鈉。

      \[\ce{Na^+ (l) + e^- -> Na(s)} \]
    • 總反應: \(\ce{2Na^+ (l) + 2Cl^- (l) -> 2Na(s) + Cl2(g)} \)

  1. 在用石墨電極電解氫氧化鈉溶液的過程中,

    1. 陽極生成物是
      ; 陰極生成物是
    2. 溶液發生了怎樣的變化?(正確答案可能不止一個)

      無變化 酸性增強 鹼性增強
      顏色加深 顏色消退至無色
  2. 氫氧化鈉溶液中存在三種離子:\(\ce{Na^+ (aq)} \)、\(\ce{H^+ (aq)} \) 和 \(\ce{OH^- (aq)} \)。

    • 陽極反應:溶液中的 \(\ce{OH^- (aq)} \),在陽極上失去電子,發生氧化反應,生成氧。

      \[\ce{4OH^- (aq) -> O2(g) + 2H2O(l) + 4e^-} \]
    • 陰極反應:由於 \(\ce{H^+ (aq)} \) 在電化序中的位置遠低於 \(\ce{Na^+ (aq)} \),因此,\(\ce{H^+ (aq)} \) 優先放電,生成氫。

      \[\ce{2H^+ (aq) + 2e^- -> H2(g)} \]
    • 總反應:即是水的電解反應。

      \[\ce{2H2O (l) -> 2H2(g) + O2(g)} \]
    • 溶液的變化:由於水不斷地被電解,因此,氫氧化鈉溶液的濃度在電解過程中逐漸增大,溶液的鹼性增強。

  1. 在用石墨電極電解濃氯化銅(II)溶液的過程中,
    1. 陽極生成物是
      • 銅(II)離子
      ; 陰極生成物是
      • 銅(II)離子
    2. 溶液發生了怎樣的變化?(正確答案可能不止一個)

      無變化 酸性增強 鹼性增強
      顏色加深 顏色消退
  2. 濃氯化銅(II)溶液中存在四種離子:\(\ce{Cu^2+ (aq)} \)、\(\ce{Cl^- (aq)} \)、\(\ce{H^+ (aq)} \) 和 \(\ce{OH^- (aq)} \)。

    • 陽極反應:雖然 \(\ce{OH^- (aq)} \) 在電化序中的位置稍高於 \(\ce{Cl^- (aq)} \),但是,由於溶液中的 \(\ce{Cl^- (aq)} \) 的濃度遠大於 \(\ce{OH^- (aq)} \),因此,\(\ce{Cl^- (aq)} \) 優先放電,生成氯。

      \[\ce{2Cl^- (aq) -> Cl2(g) + 2e^-} \]
    • 陰極反應:由於 \(\ce{Cu^2+ (aq)} \) 在電化序中的位置低於 \(\ce{H^+ (aq)} \),因此,\(\ce{Cu^2+ (aq)} \) 優先放電,生成銅。

      \[\ce{Cu^2+ (aq) + 2e^- -> Cu(s)} \]
    • 總反應:

      \[\ce{Cu^2+ (aq) + 2Cl^- (aq) -> Cu(s) + Cl2(g)} \]
    • 溶液的變化:由於 \(\ce{Cu^2+ (aq)} \) 因電解而消耗,因此,溶液逐漸褪色。

  1. 在用銅陰極和鉑陽極電解硫酸銅(II)溶液的過程中,
    1. 陽極生成物是
      • 銅(II)離子
      ; 陰極生成物是
      • 銅(II)離子
    2. 溶液發生了怎樣的變化?(正確答案可能不止一個)

      無變化 酸性增強 鹼性增強
      顏色加深 顏色消退至無色
  2. 硫酸銅(II)溶液中存在四種離子:\(\ce{Cu^2+ (aq)} \)、\(\ce{SO4^2- (aq)} \)、\(\ce{H^+ (aq)} \) 和 \(\ce{OH^- (aq)} \)。

    • 陽極反應:鉑陽極是惰性電極,不會參與反應。由於 \(\ce{OH^- (aq)} \) 在電化序中的位置遠高於 \(\ce{SO4^2- (aq)} \),因此,\(\ce{OH^- (aq)} \) 優先放電,生成氧。

      \[\ce{4OH^- (aq) -> O2(g) + 2H2O(l) + 4e^-} \]
    • 陰極反應:由於 \(\ce{Cu^2+ (aq)} \) 在電化序中的位置低於 \(\ce{H^+ (aq)} \),因此,\(\ce{Cu^2+ (aq)} \) 優先放電,生成銅。

      \[\ce{Cu^2+ (aq) + 2e^- -> Cu(s)} \]
    • 總反應:由於電極材料均不參與反應,因此,本反應與使用兩個惰性電極電解硫酸銅(II)溶液時發生的反應相同。

      \[\ce{2CuSO4(aq) + 2H2O(l) ->} \] \[\ce{ 2Cu(s) + O2(g) + 2H2SO4(aq)} \]
    • 溶液的變化:由於 \(\ce{Cu^2+ (aq)} \) 和 \(\ce{OH^- (aq)} \) 因放電而減少,溶液的顏色逐漸消退,酸性逐漸增強,最終變為無色的硫酸溶液。

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