选修4 第四章 第三节 电解池讲义.docx

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选修4第四章第三节电解池讲义

XXX同学XXXX年X月X日学案【第X次】

年级：

高二选修：

4第四章课题:

第三节电解池

一、教材新知识

知识点一:

电解原理

1．【实验4－2】电解CuCl2溶液

实验步骤

如图，向U形管中注入CuCl2溶液，插入两根石墨棒作电极，把湿润的淀粉碘化钾试纸放在与直流电源正极相连的电极附近，接通直流电源，观察U形管内的现象和试纸颜色的变化

实验现象

电流表的指针发生偏转，阴极石墨棒周围CuCl2溶液绿色加深，阳极石墨棒周围CuCl2溶液绿色变浅；阴极石墨棒上覆盖了一层红色的固体，阳极石墨棒上有气泡产生，同时看到湿润的淀粉碘化钾试纸变成蓝色

实验结论

在通直流电的条件下，溶液里的CuCl2发生了下列反应：

CuCl2

Cu＋Cl2↑，Cu生成于阴极的石墨棒上，Cl2生成于阳极的石墨棒上

注意：

CuCl2溶液以呈绿色为宜（CuCl2的质量分数约为25%）。

若浓度太大，通电后阴极石墨棒周围的溶液往往出现黑色，这是由于被还原出来的微小铜粒没有沉积在石墨棒上而是悬浮在溶液里的缘故

2．原理分析

CuCl2是强电解质，在水溶液中能全部电离生成Cu2+和Cl－，CuCl2===Cu2+＋2Cl－，

通电前，Cu2+和Cl－在溶液中做自由运动，如图Ⅰ所示，通电时，在电流的作用下，这些自由移动的离子改做定向运动，根据异性相吸的原理，带负电的Cl－向阳极移动，带正电的Cu2+向阴极移动，如图Ⅱ所示，在阳极，Cl－失去电子而被氧化成氯原子，并两两结合成氯分子，从阳极放出。

在阴极，Cu2+获得电子而还原成铜原子，覆盖在阴极上，这个过程叫做放电：

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑（氧化反应）

阴极：

Cu2+＋2e－===Cu（还原反应）

电解CuCl2溶液的化学方程式就是阴、阳两个电极反应的总和：

Cu2+＋2Cl－

Cu＋Cl2↑

说明：

阳离子得到电子或阴离子失去电子而发生氧化还原反应的过程叫做放电

知识点二:

电解池

1．电解池的定义（装置特点）

上述使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫做电解，这种借助于电流引起氧化还原反应的装置，即把电能转化为化学能的装置，叫做电解池或电解槽

2．电解池的构成条件

①直流电源②两个电极③电解质溶液或熔融态电解质④形成闭合回路

3．电解池的电极及电极反应类型

阴极：

在电解池中，与直流电源的负极相连的电极称为阴极，在阴极上发生还原反应

阳极：

在电解池中，与直流电源的正极相连的电极称为阳极，在阳极上发生氧化反应

说明：

①活性电极：

用Fe、Zn、Cu、Ag等还原性较强的材料制作的电极叫做活性电极，它们作电解池阳极时，一般先于电解质溶液中的离子发生氧化反应

②惰性电极：

用石墨、金、铂等制作的电极叫做惰性电极，它们在一般的通电条件下不发生化学反应。

此时一般是水溶液中的阳离子在阴极上放电，其放电的先后顺序是：

Ag+＞Hg2+＞Fe3+＞Cu2+＞H+＞Fe2+＞Zn2+……

4．电解池的工作原理

通电时，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，经过阴、阳离子定向运动形成的内电路，再从电解池的阳极流出，并沿导线流回电解源的正极。

从对上述实验的分析可知，电解质溶液的导电过程，就是电解质溶液的电解过程

知识点三:

电解原理的应用

（一）电解饱和食盐水制烧碱、氯气和氢气

1．实验装置和步骤

实验步骤

按如图所示装置，在U形管里倒入饱和食盐水，插入一根石墨棒作阳极，一根铁棒作阴极。

同时在两边管中各滴入几滴酚酞试液，并用湿润的淀粉碘化钾试纸检验阳极放出的气体。

接通直流电源后，观察U形管内的现象和试纸颜色的变化

实验现象及分析

电流表的指针发生偏转，在U形管的两个电极上都有气体放出，且阳极放出的气体具有刺激性气味，同时看到湿润的淀粉碘化钾试纸变成蓝色，说明阳极放出的气体是Cl2；用一干燥的小试管在阴极收集产生的气体，待收集满后，用拇指堵住试管口，移到酒精灯火焰旁，松开拇指，听到“噗”的一声，说明收集到的气体是H2；U形管阴极附近，溶液显红色，说明溶液呈碱性

实验结论

电解饱和食盐水阳极生成Cl2，阴极生成H2，同时生成NaOH

2．实验原理分析

在食盐水中，存在着Na+、Cl－、H+、OH－四种离子，接通电源，Na+、H+向阴极移动，Cl－、OH－向阳极移动，由于放电能力H+＞Na+，Cl－＞OH－，因此两极上的电极反应式分别为：

阳极（放电顺序Cl－＞OH－）：

2Cl－－2e－===Cl2↑（氧化反应）

阴极（放电顺序H+＞Na+）：

2H+＋2e－===H2↑（还原反应）

总反应的离子方程式为：

2Cl－＋2H+

Cl2↑＋H2↑

在上述反应中，由于H+在阴极上得到电子而生成H2，破坏了附近水的电离平衡，促进水继续电离，使阴极区附近c（OH－）增大而呈碱性，总反应式为：

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋Cl2↑＋H2↑

（二）电镀

1．电镀的含义

电镀是应用电解原理在某些金属表面镀上一层其他金属或合金的过程

说明：

镀层的金属通常是一些在空气或溶液中不易起变化的金属（如铬、镍、银）和合金（如黄铜）

2．电镀的目的

电镀的目的主要是增强金属的抗腐蚀能力，增强金属表面硬度，并使金属更加美观

3．电镀原理

电镀时，通常把待镀的金属制品作阴极，把镀层金属作阳极，用含有镀层金属离子的溶液作电解液，把待镀金属制品浸入电镀液中与直流电源的负极相连，作为阴极；用镀层金属作为阳极，与直流电源的正极相连，通过低压直流电，阳极金属溶解在溶液中成为阳离子，移向阴极，这些离子在阴极获得电子被还原成金属单质，覆盖在需要电镀的金属制品上，形成一层均匀光洁而致密的镀层

（三）电解精炼铜

装置如图所示，电解精炼铜的原理与电镀的原理是一致的。

粗Cu作阳极，纯Cu作阴极，CuSO4溶液作电解质溶液。

电极反应式为：

阳极：

Cu－2e－===Cu2+（氧化反应）

阴极：

Cu2+＋2e－===Cu（还原反应）

说明：

①以铜为材料作电极属于活性电极，在一般的电解条件下，活性阳极先于电解质溶液中的成分发生氧化反应

②粗铜中往往含有Zn、Fe、Ni、Ag、Au等多种杂质，当含杂质的粗铜在阳极不断溶解时，位于金属活动性顺序中Cu以前的金属如Zn、Fe、Ni等，也会同时失去电子，如：

Zn－2e－===Zn2+，Ni－2e－===Ni2+，但它们的阳离子比Cu2+难还原，所以它们并不在阴极获得电子析出，而只是留在电解液中；而位于金属活动性顺序中Cu之后的金属，如Ag、Au等杂质，因为失电子的能力比Cu弱，难以在阳极失去电子变成阳离子溶解在溶液中，当阳极上的Cu失去电子变成阳离子溶解之后，它们便以金属单质的形式沉积在电解槽底部，形成阳极泥，阳极泥可作为提供Ag、Au等贵重金属的原料

③阳极质量减少量大于阴极质量增加相等

④用电解精炼法所得到的铜叫做电解铜，它的纯度可达到99.95%~99.98%

（四）电冶金

1．金属冶炼的本质

金属的冶炼是将金属元素从其化合物中还原出来的生产过程，化合态金属大多呈阳离子状态，所以冶炼金属的实质就是使金属阳离子获得电子，还原为金属原子的过程。

用式子表示为：

Mn+＋ne－→M

2．制金属单质的方法

活泼性不同的金属元素被还原的难易程度不同，相应的还原措施也有所不同，金属冶炼的方法主要有：

（1）热分解法

对于不活泼金属，可以直接用加热分解的方法将金属从其化合物中还原出来，如：

2HgO

2Hg＋O2↑2Ag2O

4Ag＋O2↑

（2）热还原法

在金属活动性顺序表中处于中间位置的金属，通常是用还原剂（C、CO、H2、活泼金属等）将金属从其化合物中还原出来，如：

Fe2O3＋3CO

2Fe＋3CO2↑WO3＋3H2

W＋3H2O

ZnO＋C

Zn＋CO↑MgO＋C

Mg＋CO↑

Fe2O3＋2Al

2Fe＋Al2O3（铝热反应）

（3）电解法

活泼金属较难用还原剂还原，通常采用电解熔融的金属化合物的方法冶炼活泼金属，如：

2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑

4NaOH（熔融）

4Na＋O2↑＋2H2O

MgCl2（熔融）

Mg＋Cl2↑

2Al2O3（熔融）

4Al＋3O2↑

3．电解熔融的NaCl制Na

如图所示，NaCl在高温下熔融，并发生电离：

NaCl===Na+＋Cl－，通直流电后，电极反应式分别为：

阴极：

2Na+＋2e－===2Na

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑

总化学方程式为：

2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑

二、热点考向讲解及分析

考向一:

电解原理

1．右图是电解CuCl2溶液的装置，其中c、d为石墨电极。

则下列判断正确的是（）

A．a为负极、b为正极B．a为阳极、b为阴极

C．电解过程中，氯离子浓度不变D．电解过程中，d电极质量增加

（双选）2．TiO2在光照射下可使水分解：

2H2O

2H2↑＋O2↑，该过程类似植物的光合作用。

右图是光照射下TiO2分解水的装置示意图。

下列正确的是（）

A．该装置可以将光能转化为电能，同时也能转化为化学能

B．铂电极上发生的反应为：

2H＋＋2e－===H2↑

C．该装置工作时，电流由TiO2电极经R流向铂电极

D．该装置工作时，TiO2电极附近溶液的pH变大

（双选）3．三氧化二镍（Ni2O3）可用于制造高能电池，其电解法制备过程如下：

用NaOH调NiCl2溶液pH至7.5，加入适量硫酸钠后进行电解。

电解过程中产生的Cl2在弱碱性条件下生成

ClO－，把二价镍氧化为三价镍。

以下说法正确的是（）

A．可用铁作阳极材料

B．电解过程中阳极附近溶液的pH升高

C．阳极反应方程式是：

2Cl－－2e－===Cl2↑

D．1mol二价镍全部转化为三价镍时，外电路中通过了1mol电子

4．

Cu2O是一种半导体材料，基于绿色化学理念设计的制取Cu2O的电解池示意图如图所示，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

5．用铂电极分别电解KCl溶液和K2SO4溶液时，都会出现的现象或实验结果是（）

A．溶液中K+离子浓度都不变

B．溶液的pH都不变

C．阳极上都生成能使湿润的碘化钾淀粉试纸变成蓝色的气体

D．阴极上都生成可燃的气体

6．将一直流电源的正、负极，分别接在一张用食盐水、碘化钾淀粉溶液和石蕊试液浸过的滤纸上，经过一段时间后，两极附近滤纸的颜色分别是（）

A

B

C

D

阳极

蓝

白

红

蓝

阴极

白

蓝

蓝

蓝

7．图为持续电解饱和CaCl2水溶液的装置（以铂做电极，A为电流表），电解一段时间后，向电解液中连续通入CO2。

请回答有关问题：

（1）电解时，F极发生_____反应，电极反应式为______________________；

E极发生_______反应，电极反应式为__________________________________；

电解总反应式为___________________________________________________。

（2）电解池中产生的现象：

①______________________；②_____________________；③____________________

8．由于Fe（OH）2极易被氧化，所以实验室很难用亚铁盐溶液与烧碱反应制得白色纯净的Fe（OH）2沉淀。

应用如图所示电解实验可制得白色纯净的Fe（OH）2沉淀。

两电极的材料分别为石墨和铁。

（1）a电极材料应为_____，b电极反应式为__________________________________；

（2）电解液c可以是（填编号）________

A．纯水B．NaCl溶液C．NaOH溶液D．CuCl2溶液

（3）d为苯，其作用为________________________________________，在加入苯之前，对c应做何简单处理_____________________________________________。

（4）为了在较短时间内看到白色沉淀，可采取的措施（填编号）________

A．改用稀硫酸作电解液B．适当增大电源的电压

C．适当减少两电极间距离D．适当降低电解液的浓度

总结：

1、解有关电解问题的步骤

①首先要判定装置是否为电解池，有外接直流电源则为电解池，否则不是电解池

②对于电解池，首先要考虑阳极材料，若为金属活性电极，则被氧化的是电极本身；若为惰性电极，溶液中的阴离子被氧化

③若溶液中的阴、阳离子有多种，则根据离子放电顺序判定什么离子先放电，什么离子后放电，并写出电极方程式

2、学习电解原理，建议记住以下口诀

①分电极（与电源正极相连的为阳极，与负极相连的为阴极）

②析溶液（分析电解质溶液中所含离子的种类）

③判流向（判断电子流动方向、离子移动方向）

④断微粒（确定在两极上反应的微粒种类）

⑤书极式（书写电极反应式，注意要使得失电子守恒）

⑥写方程（书写电解质电解的化学方程式或离子方程式）

考向二：

电解池

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，电子由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，阳离子在阴极得到的电子与阴离子在阳极失去的电子数相等

总结：

确定电解池阴阳极的方法

（1）与电源正极相连的电极为电解池的阳极；与电源负极

相连的电极为电解池的阴极

（2）发生氧化反应的为阳极，发生还原反应的为阴极

（3）阴离子移向的一极为阳极，阳离子移向的一极为阴极

考向三：

电解池阴阳极放电顺序及其电极产物的判断

1．电解一定浓度的硫酸铜溶液（惰性电极、CuSO4足量），一段时间后，停止电解，若想使硫酸铜溶液恢复其原浓度需加入下列哪种物质（）

A．Cu（OH）2B．Cu2OC．CuOD．CuCO3

2．用惰性电极电解下列溶液，一定时间后，再加入一定质量的另一种物质（中括号内），溶液能与原来溶液完全一样的是（）

A．CuCl2[CuSO4]B．NaOH[NaCl]C．NaCl[HCl（g）]D．CuSO4[Cu（OH）2]

（双选）3．用惰性电极分别电解下列各物质的水溶液一段时间后，向剩余电解质溶液中加入适量的水，能使溶液恢复到电解前的浓度的是（）

A．AgNO3B．Na2SO4C．CuCl2D．H2SO4

4．电解水，为增强水的导电性，需加入一定量的电解质，但不宜加入的是（）

①AgNO3②NaCl③H2SO4④NaOH

A．①②B．②③C．③④D．①④

5．用石墨电极电解稀硫酸的过程中，溶液pH的变化情况为（）

A．不改变B．逐渐减小C．逐渐增大D．先减小，后增大

6．串联电路中的四个电解池分别装有0.1mol/L的下列溶液，用铂电极电解，连接直流电源一段时间后，溶液的pH最小的是（）

A．CuCl2B．NaClC．AgNO3D．KNO3

（双选）7．pH＝a的某电解质溶液中，插入两支惰性电极通直流电一段时间后，溶液的pH＞a，则该电解质可能是（）

A．NaOHB．Na2SO4C．AgNO3D．HCl

8．用惰性电极电解下列电解质溶液，pH不发生变化的是（）

A．Na2SB．CuSO4C．NaClD．Na2SO4

9．用惰性电极实现电解，下列说法正确的是（）

A．电解稀硫酸溶液，实质上是电解水，故溶液pH不变

B．电解稀氢氧化钠溶液，要消耗OH－，故溶液pH减小

C．电解硫酸钠溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1∶2

D．电解氯化铜溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1∶1

总结：

1．电解过程中的放电顺序

（1）阳极反应物的失电子（放电）顺序

①首先看电极，若是活性电极（Pt、Au除外），则活性电极优先失电子，电极被溶解，形成阳离子进入溶液

②若为惰性电极，如Pt、Au、石墨等，则根据溶液中阴离子放电顺序加以判断

综上所述，阳极反应物放电顺序为：

（2）阴极反应阳离子得电子（放电）顺序

Ag+＞Fe3+＞Cu2+＞H+（酸）＞Pb2+＞Fe2+＞Zn2+＞（H+）水＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca2+＞K+

注意：

①水溶液中的阴、阳离子得失电子顺序是指在相同温度和基本相同的浓度条件下比较得出的放电顺序，其中（H+）水指的是溶液中，得电子的离子是由水提供的H+

②水溶液中的阴、阳离子得失电子顺序较为复杂，与离子性质、溶液浓度、电流强度、电极材料等都有关，不应将放电顺序绝对化，以上仅是一般规律

2．电解电极产物的判断

要判断电极反应的产物，必须掌握离子的放电顺序。

判断电极反应的一般规律是：

（1）在阳极上

①活性材料作电极时：

金属在阳极失电子被氧化成阳离子进入溶液，阴离子不容易在电极上放电

②用惰性电极（如Pt、Au、石墨等）时：

溶液中的阴离子参加反应，其放电顺序是：

S2－，I－，Br－，Cl－，OH－，含氧酸根，F－

放电能力逐渐减弱

（2）在阴极上

阴极产物与电极材料无关，电极本身不参与反应，发生反应的是溶液中的阳离子。

阳离子在阴极上放电顺序为：

Au+，Ag+，Fe3+，Cu2+，H+（酸），Pb2+，Fe2+，Zn2+，（H+）水，Al3+，Mg2+，Na+，Ca2+，K+

放电能力逐渐减弱

4．电解质水溶液电极产物的规律

电解质

（溶液）

阳极反应式

阴极反应式

总反应方程式

溶液酸碱

性变化

pH

变化

溶液复原

所需物质

CuCl2

2Cl－－2e－===Cl2↑

Cu2+＋2e－===Cu

CuCl2

Cu＋Cl2↑

CuCl2

HCl

2Cl－－2e－===Cl2↑

2H+＋2e－===H2↑

2HCl

H2↑＋Cl2↑

酸性减弱

增大

HCl（g）

Na2SO4

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

4H+＋4e－===2H2↑

2H2O

2H2↑＋O2↑

不变

不变

H2O

H2SO4

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

4H+＋4e－===2H2↑

2H2O

2H2↑＋O2↑

消耗水

酸性增强

减小

H2O

NaOH

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

4H+＋4e－===2H2↑

2H2O

2H2↑＋O2↑

消耗水

碱性增强

增大

H2O

NaCl

2Cl－－2e－===Cl2↑

2H+＋2e－===H2↑

2NaCl＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2NaOH

H+放电

碱性增强

增大

HCl（g）

CuSO4

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

2Cu2+＋4e－===2Cu

2CuSO4＋2H2O

2Cu＋O2↑＋2H2SO4

OH－放电

酸性增强

减小

CuO（s）

AgNO3

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

4Ag+＋4e－===4Ag

4AgNO3＋2H2O

4Ag＋O2↑＋4HNO3

OH－放电

酸性增强

减小

Ag2O（s）

上述规律可将电解质水溶液电解归纳为下面四种类型

类型

电极反应特点

实例

电解对象

电解质浓度

pH变化

电解质溶液

复原方法

电解电

解质型

电解质电离出的阴、阳

离子分别在两极放电

CuCl2

电解质

减小

CuCl2

HCl

电解质

减小

增大

通HCl（g）

电解水型

阴极：

4H+＋4e－===2H2↑

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

放H2

生碱型

阴极：

由H2O电离出的H+得电子，放出H2，溶液中c（OH－）增大

阳极：

电解质阴离子放电

NaCl

电解质

和水

生成新

电解质

增大

通HCl（g）

放O2

生酸型

阴极：

电解质阳离子放电

阳极：

由H2O电离出的OH－失电子，放出O2，溶液中c（H+）增大

CuSO4

电解质

和水

生成新

电解质

减小

加CuO（s）

AgNO3

电解质

和水

生成新

电解质

减小

加Ag2O（s）

注意：

书写电解反应的离子方程式时，首先要判定电极反应式中离子的来源，再进行书写，有时并不能将阴、阳两极的电极反应式简单相加，应分为以下两种情况进行考虑：

①若在电极上放电的离子均来自强电解质，则可用阴阳两极的电极反应式简单相加的方法书写电极反应的离子方程式，如用惰性电极电解CuCl2溶液，两极的电极反应式分别为：

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑

阴极：

2Cu2+＋2e－===Cu

总反应的离子方程式为：

2Cu2+＋2Cl－

Cu＋Cl2↑

②若有弱电解质电离产生的离子在电极上放电，则不能用阴阳两极的电极反应式简单相加的方法书写电解反应的离子方程式，而应依据离子方程式的书写原则，在离子方程式中保留弱电解质的化学式，如用惰性电极电解AgNO3溶液，两极的电极反应式分别为：

阳极：

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

阴极：

4Ag+＋4e－===4Ag

总反应的离子方程式为：

4Ag+＋2H2O

4Ag＋O2↑＋4H+

考向四：

电解饱和食盐水

1．关于电解NaCl水溶液，下列叙述正确的是（）

A．电解时在阳极得到氯气，在阴极得到金属钠

B．若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液，溶液呈棕色

C．若在阴极附近的溶液中滴入酚酞试液，溶液呈无色

D．电解一段时间后，将全部电解液转移到烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性

2．下图中能验证氯化钠溶液（含酚酞）电解产物的装置是（）

3．某课外活动小组研究电解饱和食盐水。

甲、乙两位同学均采用了以下仪器和试剂：

烧杯、直流电源、铁钉、碳棒、导线以及滴加了两滴酚酞试液的饱和NaCl溶液。

（1）甲同学设计的电解装置中，铁钉与直流电源的负极相连。

通电后，很快可以观察到铁钉附近出现的现象为。

但继续通电下，不久该现象就会消失，你认为其中的原因是。

甲同学的电解实验中，阳极反应式为，阴极反应式为。

（2）乙同学设计的电解装置中，铁钉与直流电源的正极相连。

若通电后，预期铁钉附近出现的现象为。

总结：

电解饱和食盐水

（1）目前我国工业上大多采用立式隔膜电解槽，如图所示。

这种隔膜电解槽的阳极是由金属钛和石墨制成，阴极是铁丝网做成的，网上吸附着一层石棉绒作为隔