学年高中化学同步讲练121 电解的原理2鲁科版选修4.docx
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学年高中化学同步讲练121电解的原理2鲁科版选修4
第2节 电能转化为化学能——电解
第1课时 电解的原理
[学习目标定位] 会描述电解池的工作原理，能正确书写电解池的电极反应式和总反应方程式，熟悉电解规律和电解产物的判断方法。
1．用氧化还原反应的观点分析判断下列各组微粒具有的性质，填写下表：
组别
微粒
性质
强弱顺序
第1组
①Zn2＋、②Na＋、③Cu2＋、④H＋
氧化性
③>④>①>②
第2组
①Cu、②Fe、③OH－、④Cl－
还原性
②>①>④>③
2.判断下列说法的正误
（1）金属导电是因为在电场作用下，自由电子发生定向移动（√）
（2）电解质是在熔融或溶于水时能够导电的物质（×）
（3）金属导电是物理变化，电解质溶液导电是化学变化（√）
（4）硫酸铜溶于水后，能发生电离产生自由移动的Cu2＋和SO
（√）
（5）氯化钠溶液中只存在Na＋和Cl－（×）
3．右图为电解水的实验装置图。
根据图示回答下列问题：
（1）A端为电源的正极，C试管中收集到的气体是O2，D试管中收集到的气体是H2。
（2）写出电解水的化学方程式：
2H2O
2H2↑＋O2↑。
探究点一 电解的原理
1．右图为工业上
电解熔融氯化钠生产金属钠的装置示意图。
容器中盛有熔融的氯化钠，两侧分别插入石墨片和铁片作为电极材料，两个电极分别与电源的正极和负极相连。
（1）通电前，熔融NaCl中存在的微粒有Na＋、Cl－，这些微粒的运动状态是自由移动。
（2）通电后离子运动方向：
阳离子Na＋（填离子符号）移向铁电极，发生还原反应；阴离子Cl－（填离子符号）移向石墨电极，发生氧化反应。
电极上发生的变化是①铁电极：
2Na＋＋2e－===2Na；②石墨电极：
2Cl－－2e－===Cl2↑。
（3）由以上分析可知：
熔融的NaCl在直流电源作用下发生了氧化还原反应，分解生成了Na和Cl2。
2．电解和电解池
（1）电解是使直流电通过电解质溶液或熔融电解质而在两个电极上引起氧化还原反应的过程。
（2）电解池是将电能转化为化学能的装置。
（3）电极名称
阴极：
与电源负极相连的电极，发生还原反应；
阳极：
与电源正极相连的电极，发生氧化反应。
（4）电解池的构成条件：
具有与直流电源相连接的两个电极（阴极、阳极），插入电解质溶液或熔融电解质中，形成闭合回路。
[归纳总结]
（1）电解池的工作原理示意图
（2）电解质导电的过程就是电解质的电解过程。
[活学活用]
1．下列关于电解池的叙述中，正确的是（ ）
A．电解池中的闭合回路仅是由电子的定向运动形成的
B．金属导线中，电子从电源的负极流向电解池的阳极，从电解池的阴极流向电源的正极
C．在电解质溶液中，阴离子向阴极移动，阳离子向阳极移动
D．相同时间内，阳离子在阴极上得到的电子数与阴离子在阳极上失去的电子数相等
答案 D
探究点二 酸、碱、盐溶液的电解规律
1．按右图所示装置完成CuCl2溶液的电解实验：
（1）实验过程中观察到的现象是：
①检流计指针发生偏转；
②与负极相连的b极上逐渐覆盖了一层红色物质；
③与正极相连的a极一侧有有刺激性气味的气体产生，能使湿润的淀粉 KI试纸变蓝。
（2）实验结论是电解质CuCl2溶液在导电过程中有金属铜析出，并产生了氯气。
（3）实验原理分析
①氯化铜溶液中的电离过程有CuCl2===Cu2＋＋2Cl－，H2OH＋＋OH－；溶液中存在的离子有Cu2＋、Cl－、H＋、OH－。
通电前，这些离子在溶液中做自由运动。
②通电时，在电场的作用下，溶液中的离子做定向移动，即Cl－、OH－趋向a极，Cu2＋、H＋趋向b极。
③a极电极反应式是2Cl－－2e－===Cl2↑，b极电极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu，总反应式是CuCl2
Cu＋Cl2↑。
2．有下列两组离子：
①Cu2＋、Na＋、H＋、Ag＋；②Cl－、I－、SO
、OH－。
用惰性电极电解时，移向阳极的是②，放电先后顺序是I－>Cl－>OH－>SO
；移向阴极的是①，放电先后顺序是Ag＋>Cu2＋>H＋>Na＋。
3．用惰性电极电解下列酸、碱、盐电解质溶液：
①H2SO4；②HCl；③NaOH；④Na2SO4；⑤CuCl2；⑥NaCl；⑦CuSO4。
回答下列问题：
（1）阴极反应式与①相同的有②③④⑥，其电极反应式是2H＋＋2e－===H2↑；与⑤相同的有⑦，其电极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu。
（2）阳极反应式与①相同的有③④⑦，其电极反应式是4OH－－4e－===O2↑＋2H2O；与②相同的有⑤⑥，其电极反应式是2Cl－－2e－===Cl2↑。
（3）写出下列电解的化学方程式
③2H2O
2H2↑＋O2↑；
⑥2NaCl＋2H2O
2NaOH＋H2↑＋Cl2↑；
⑦2CuSO4＋2H2O
2H2SO4＋2Cu＋O2↑。
（4）只水发生电解的是①③④，只电解质本身发生电解的是②⑤，电解质和水都发生电解的是⑥⑦。
（5）电解后溶液的pH显著增大的是②③⑥，减小的是①⑦，不变的是④⑤。
（6）欲使电解后的溶液复原，只加入水的是①③④，只加入电解质的是②⑤；欲使电解后的⑥复原需通入HCl气体，欲使电解后的⑦复原需加入CuO。
[归纳总结]
1．分析电解问题的基本方法思路
（1）通电前：
电解质溶液中含有哪些阴、阳离子（包括水电离出的H＋和OH－）。
（2）通电时：
阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，结合放电顺序分析谁优先放电（注意活泼金属作阳极时优先放电）。
（3）正确书写电极反应式，要注意原子数、电荷数是否守恒。
（4）能结合题目要求分析电解时的各种变化情况，如两极现象、水的电离平衡移动、离子浓度的变化、pH变化等。
2．电极反应规律
（1）阴极：
无论是惰性电极还是活性电极都不参与电极反应，发生反应的是溶液中的阳离子。
阳离子放电顺序：
Ag＋>Cu2＋>H＋>Pb2＋>Fe2＋>Zn2＋……
（2）阳极：
电极材料本身失去电子被氧化而溶入溶液中，或者溶液中还原性强的阴离子失去电子被氧化。
其放电顺序：
金属阳极>S2－>I－>Cl－>OH－>含氧酸根。
3．用惰性电极进行电解时的电解规律
用惰性电极进行电解时各种变化情况简析：
类型
电极反应特点
溶液种类
电解对象
电解质浓度
pH
电解质溶液复原
电解水型
阴极：
2H＋＋2e－===H2↑
阳极：
4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
NaOH
水
增大
增大
加水
H2SO4
水
增大
减小
加水
Na2SO4
水
增大
不变
加水
电解电解质型
电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电
HCl
电解质
减小
增大
加氯化氢
CuCl2
电解质
减小
略增大
加氯化铜
放H2生碱型
阴极：
H2O放出H2生成碱
阳极：
电解质的阴离子放电
NaCl
电解质和水
生成新电解质
增大
加氯化氢
放O2生酸型
阴极：
电解质的阳离子放电
阳极：
H2O放出O2生成酸
CuSO4
电解质和水
生成新电解质
减小
加氧化铜
[活学活用]
2．用惰性电极电解AgNO3溶液，下列说法不正确的是（ ）
A．电解过程中阴极质量不断增加
B．电解过程中溶液的pH不断降低
C．此时向溶液中加入适量的Ag2O固体可使溶液恢复到电解前的状况
D．电解后两极产生的气体体积比为2∶1
答案 D
解析 处理有关电解问题首先注意电极材料，在此基础上写出电极反应式和总的电解反应式，根据总的电解反应式来分析电解前后的物质变化和溶液浓度变化，分析溶液的pH变化必须注意原溶液的pH情况。
用惰性电极电解AgNO3溶液，总的电极反应式为4AgNO3＋2H2O
4Ag＋O2↑＋4HNO3。
可知：
阴极上析出Ag，阳极上放出O2，故A正确、D错误；由于生成HNO3溶液，pH应不断降低，B正确；要使溶液恢复到电解前的状况要看加入的物质在溶液中的反应：
2Ag2O＋4HNO3===4AgNO3＋2H2O，得到的物质恰好是反应掉的物质，可以使溶液恢复到电解前的状况，C正确。
3．用石墨作电极电解CuCl2和KCl的混合溶液，电解初期阴极和阳极分别析出的物质是（ ）
A．H2、Cl2B．Cu、Cl2C．H2、O2D．Cu、O2
答案 B
解析 本题考查离子放电顺序，溶液中的离子有Cu2＋、K＋、H＋及Cl－、OH－五种离子，得电子能力：
Cu2＋>H＋>K＋，失电子能力：
Cl－>OH－，所以电解初期阴极：
Cu2＋＋2e－===Cu，阳极：
2Cl－－2e－===Cl2↑，故选B。
1．下列关于电解池工作原理的说法中，错误的是（ ）
A．电解池是一种将电能转变成化学能的装置
B．电解池中发生的反应是非自发的氧化还原反应
C．电解池工作时，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应
D．电解池放电时，电极本身不会参加电极反应
答案 D
2．用石墨作电极，电解下列物质的溶液，其实质不是电解水的是（ ）
A．NaNO3B．NaOH
C．Na2SO4D．NaCl
答案 D
3．用惰性电极电解下列溶液，其中随着电解的进行，溶液pH逐渐减小的是（ ）
①氯化钠溶液 ②硫酸铜溶液 ③氢氧化钠溶液 ④稀硫酸 ⑤稀盐酸 ⑥硫酸钠溶液
A．①③⑤B．②④⑤
C．②④D．②④⑥
答案 C
4．用惰性电极电解下列溶液一段时间后再加入一定量的某种物质（方括号内物质），能够使溶液恢复到原来的成分和浓度的是（ ）
A．AgNO3[AgNO3]B．NaOH[H2O]
C．KCl[KCl]D．CuSO4[Cu（OH）2]
答案 B
5．在某电解质溶液中，用M和N作电极，通电一段时间后，发现M极质量减小，N极质量增大，符合这一情况的是（ ）
A．电解质溶液是稀硫酸
B．金属M是阳极，N是阴极
C．M和N是石墨电极
D．M是阴极，N是阳极
答案 B
解析 由题意可知，M极溶解，发生氧化反应，为阳极，N极质量增加，故有金属单质在N极上析出，发生还原反应，为阴极，电解质溶液为盐溶液，M为金属电极。
6．用惰性电极电解CuSO4溶液。
若阴极上析出Cu的质量为3.2g，则阳极上产生的气体在标准状况下的体积为________________________________；
常温下，若将电解后的溶液稀释至1L，则溶液的pH约为________。
答案 0.56L 1
解析 用惰性电极电解CuSO4溶液时，阳极：
4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，阴极：
Cu2＋＋2e－===Cu，根据电子守恒，n（O2）＝
n（Cu）＝
×
＝0.025mol，所以标准状况下V（O2）＝0.56L；根据反应2CuSO4＋2H2O
2Cu＋O2↑＋2H2SO4，电解后溶液中n（H＋）＝4n（O2）＝0.1mol，所以[H＋]＝0.1mol·L－1，pH＝1。
[基础过关]
一、电解池的电极名称的判断
1．电解池中，阳极的电极材料一定（ ）
A．发生氧化反应B．与电源正极相连
C．是铂电极D．得电子
答案 B
解析 阳极材料若为活泼金属则直接发生氧化反应；若为惰性电极，则最易失电子的阴离子发生氧化反应。
2．如图是电解CuCl2溶液的装置，其中c、d为石墨电极，则下列有关判断正确的是（ ）
A．a为负极，b为正极
B．a为阳极，b为阴极
C．电解过程中，d电极质量增加
D．电解过程中，氯离子浓度不变
答案 C
解析 根据图示电流方向，先确定a是电源正极，b是电源负极；则c是电解池的阳极，电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，溶液中氯离子不断减少；d是电解池的阴极，电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，d电极质量不断增加。
二、电极反应式、电解方程式的书写
3．下面列出了电解不同物质的电极反应式，其中错误的是（ ）
A．电解饱和食盐水
阴极：
Na＋＋e－===Na
B．电解Na2SO4溶液
阳极：
4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．电解熔融NaCl
阴极：
Na＋＋e－===Na
D．电解NaOH溶液
阳极：
4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
答案 A
解析 本题考查了电极反应式的书写和电极产物的判断。
A中电解饱和食盐水时，阴极应是H2O电离出的H＋得电子放出H2。
三、酸、碱、盐溶液的电解规律
4．用惰性电极电解某溶液时，发现两极只有H2和O2生成，则电解一段时间后，下列有关该溶液（与电解前同温度）的说法中正确的有（ ）
①该溶液的pH可能增大；②该溶液的pH可能减小；③该溶液的pH可能不变；④该溶液的浓度可能增大；⑤该溶液的浓度可能不变；⑥该溶液的浓度可能减小
A．①②③B．①②③④
C．①②③④⑤D．全部
答案 C
解析 用惰性电极电解时两极只有H2和O2，则实质上电解的是水，电解质不参与反应。
该电解质有3种可能，如电解H2SO4溶液时，水被电解，H2SO4浓度变大，pH减小；电解NaOH溶液时，水被电解，NaOH浓度变大，pH增大；电解Na2SO4溶液时，水被电解，Na2SO4浓度变大，pH不变；但若NaOH溶液、Na2SO4溶液是饱和溶液则电解后浓度不变，故①、②、③、④、⑤正确，⑥不可能。
5．用铂作电极电解一定浓度的下列物质的水溶液，电解结束后，向剩余电解液中加适量水，能使溶液和电解前相同的是（ ）
A．CuSO4B．H2SO4C．CuCl2D．NaCl
答案 B
解析 当电解池的电极是惰性电极时，阳极不溶解，电解过程的本质是电解溶剂水或电解质或二者都发生反应。
各选项中的溶液发生电解的总反应分别为
A．2CuSO4＋2H2O
2Cu＋O2↑＋2H2SO4
B．2H2O
2H2↑＋O2↑
C．CuCl2
Cu＋Cl2↑
D．2NaCl＋2H2O
H2↑＋Cl2↑＋2NaOH
所以B的实质是电解水。
6．Cu2O是一种半导体材料，基于绿色化学理论设计的制取Cu2O的电解池示意图如下，电解总反应为2Cu＋H2O
Cu2O＋H2↑。
下列说法正确的是（ ）
A．石墨电极上产生氢气
B．铜电极发生还原反应
C．铜电极接直流电源的负极
D．当有0.1mol电子转移时，有0.1molCu2O生成
答案 A
解析 由电解总反应可知，Cu参加了反应，所以Cu作电解池的阳极，发生氧化反应，B选项错误；石墨作阴极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，A选项正确；阳极与电源的正极相连，C选项错误；阳极反应为2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O，当有0.1mol电子转移时，有0.05molCu2O生成，D选项错误。
7．下图中X、Y分别是直流电源的两极，通电后发现a极板质量增加，b极板处有无色无味气体放出。
符合这一情况的是下表中的（ ）
选项
a电极
b电极
X电极
溶液
A
锌
石墨
负极
CuSO4
B
石墨
石墨
负极
NaOH
C
银
铁
正极
AgNO3
D
铜
石墨
负极
CuCl2
答案 A
解析 由a极板质量增加，知溶液中阳离子在a极板析出，则a为阴极，X为负极；因B中a极板不析出金属，C中X为正极，故B、C错；又由b极板有无色无味气体放出，知D错。
8．如图装置中，通电后观察到Cu极溶解。
下列说法中错误的是（ ）
A．a极是直流电源的正极
B．Fe极是阳极
C．Pt极产生的气体体积是Ag极产生气体体积为1/2
D．硫酸铜溶液的浓度不变
答案 B
解析 Cu极溶解，则其必为阳极，Fe极是阴极，可得b极是直流电源的负极，a极是直流电源的正极，由此可知Pt极为阳极，Ag极为阴极。
电解H2SO4溶液Pt极产生O2，Ag极产生H2，O2的体积应为H2的1/2。
电解CuSO4溶液，Cu极为阳极，Fe极为阴极，是向Fe极上镀铜的过程，硫酸铜溶液的浓度不变。
[能力提升]
9．从H＋、Cu2＋、Na＋、SO
、Cl－五种离子中选择并恰当地组成电解质，按下列要求进行电解：
（1）以石墨为电极，使电解质质量减少，水质量不变，进行电解，则可采用的电解质是____________。
（2）以石墨为电极，使电解质质量不变，水质量减少，进行电解，则可采用的电解质是__________。
（3）以石墨为阳极，铁棒为阴极，使电解质和水的质量都减少，进行电解，则电解质是____________。
（4）以石墨为电极进行电解，若阴极析出金属，阳极放出O2时，电解质的化学式可能是____________。
（5）以石墨为电极进行电解，两极分别放出气体，且体积比为1∶1时，电解质的化学式可能是__________。
答案
（1）HCl、CuCl2
（2）H2SO4、Na2SO4、NaHSO4 （3）CuSO4、NaCl （4）CuSO4 （5）HCl、NaCl
10．下图中电极a、b分别为Ag电极和Pt电极，电极c、d都是石墨电极。
通电一段时间后，在c、d两极上共收集到336mL（标准状况）气体。
回答：
（1）直流电源中，M为__________极。
（2）Pt电极上生成的物质是______，其质量为______g。
（3）电源输出的电子，其物质的量与电极b、c、d分别生成的物质的物质的量之比为2∶______∶______∶________。
（4）AgNO3溶液的浓度________（填“增大”、“减小”或“不变”，下同），AgNO3溶液的pH______，硫酸的浓度
________________________________________________________________________，
硫酸的pH________。
（5）若硫酸的质量分数由5.00%变为5.02%，则原有5.00%的硫酸________g。
答案
（1）正
（2）Ag 2.16 （3）2
1
（4）不变 不变 增大 减小 （5）45.18
解析 电解5.00%的稀硫酸，实际上是电解其中的水。
因此在该电解池中发生反应：
2H2O
2H2↑＋O2↑，V（H2）∶V（O2）＝2∶1。
据此可确定d极为阴极，则电源的N极为负极，M极为正极。
在336mL气体中，V（H2）＝
×336mL＝224mL，为0.01mol；V（O2）＝
×336mL＝112mL，为0.005mol。
说明电路上有0.02mol电子，因此在b极（Pt、阴极）产生Ag：
0.02mol×108g·mol－1＝2.16g，即0.02mol的Ag。
则n（e－）∶n（Ag）∶n（O2）∶n（H2）＝0.02∶0.02∶0.005∶0.01＝2∶2∶
∶1。
由Ag（阳）电极、Pt（阴）电极和AgNO3溶液组成的电镀池，在通电一定时间后，在Pt电极上放电所消耗的溶液中Ag＋的物质的量等于Ag电极被氧化后给溶液中补充的Ag＋的物质的量，因此AgNO3溶液的浓度不变，溶液的pH也不变。
电解5.00%的硫酸溶液，由于其中的水发生电解，因此硫酸浓度增大，由于H＋的浓度增大，故溶液的pH减小。
设原5.00%的硫酸为xg，电解时消耗水0.01mol×18g·mol－1＝0.18g，则：
5.00%x＝5.02%（x－0.18），解得x＝45.18g。
11．高氯酸铵（AP）受高温和猛烈撞击能引起爆炸，可用作火箭推进剂。
目前制备高氯酸铵的流程如下：
―→混合物A
HClO
HClO3
HClO4
NH4ClO4
（1）写出Cl2和NaOH溶液反应的离子方程式：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）将HClO3加入到电解槽中，电解产生H2和O3，产生H2的电极名称为__________，写出产生O3的电极反应式：
________________________________________________________________________。
（3）O3与ClO
反应生成ClO
，O3与ClO
的反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为__________。
答案
（1）Cl2＋2OH－===Cl－＋ClO－＋H2O
（2）阴极 6OH－－6e－===O3↑＋3H2O
（3）1∶3
解析 从化合价的变化情况分析，H2是还原产物，因此必在电解池的阴极产生，O3是氧化产物，在阳极产生，阳极上阴离子放电，只有溶液中的OH－放电，由此可写出电极反应式。
O3与ClO
反应生成ClO
时，氧化产物已明确，在酸性条件下O3的还原产物必为H2O，故根据得失电子守恒可得两者物质的量之比。
[拓展探究]
12．某学生试图用电解法根据电极上析出的物质质量来验证阿伏加德罗常数值，其实验方案的要点为
①用直流电电解氯化铜溶液，所用仪器如图所示。
②强度为IA，通电时间为ts后，精确测得某电极上析出的铜的质量为mg。
试回答：
（1）这些仪器的正确连接顺序为（用图中标注仪器接线柱的英文字母表示，下同）E接________，C接________，______接F。
实验线路中的电流方向为________→________→________→C→________→________。
（2）写出B电极上发生反应的离子方程式___________________________________________，G试管中淀粉KI溶液变化的现象为________________，相应的离子方程式是________________________________________________________________________。
（3）为精确测定电极上析出铜的质量，所必需的实验步骤的先后顺序是______________。
①称量电解前电极质量；②刮下电解后电极上的铜并清洗；③用蒸馏水清洗电解后电极；④低温烘干电极后称量；⑤低温烘干刮下的铜后称量；⑥再次低温烘干后称量至恒重。
（4）已知电子的电量为1.6×10－19C。
试列出阿伏加德罗常数的计算表达式：
NA＝________________________________________________________________________。
答案
（1）D A B F B A D E
（2）2Cl－－2e－===Cl2↑ 变蓝色 Cl2＋2I－===2Cl－＋I2
（3）①③④⑥
（4）
×
mol－1
解析
（1）B电极上应产生Cl2：
2Cl－－2e－===Cl2↑，B电极上流出电子，电子进入直流电源的正极，即F极，由此可得仪器连接顺序及电流方向。
（2）B中产生Cl2，Cl2进入G中与KI反应，有I2生成，I2使淀粉变蓝色。
（3）镀在A电极上的Cu是没必要刮下的，也无法刮干净，还可将A电极材料一同刮下，故②⑤两步须排除在外。
（4）由电学知识，可求电量Q：
Q＝It。
由此可求出通过的电子个数：
N（e－）＝
＝
其物质的量为
n（e－）＝
÷NA＝
而电子个数与Cu的关系为Cu2＋＋2e－===Cu
根据生成Cu
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