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第四章 化学反应与能量
第二节 电解池
第1课时 电解池
教学目标
1、教学目标
1) 通过对氯化铜溶液电解过程的分析，了解电解、电解池的概念，认识电解是电能转化为化学能的一种重要形式。
2) 形成系统分析电解池的一般思路和方法，能初步设计简单的电解池。
3) 初步了解在电解过程中，粒子的放电顺序与其氧化性、还原性的关系，能解释或推测电解反应的产物，并能用电极反应和总反应进行表征。
4) 能分析电解饱和食盐水、电镀、精炼铜和电冶金的反应原理，认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用，体会电解对人类社会进步的重要贡献。
2、教学重点和难点
1) 重点：电解原理；电极反应的分析与表征。
2) 难点：电解池思维模型的建构。
证据推理与模型认知
一个能自发进行的氧化还原反应通常可以设计成原电池，如：Cu(s) ＋ Cl2(g) ＝ CuCl2(aq) H＜0。
Cu(s) ＋ Cl2(g) ＝ Cu2＋(aq) ＋ 2Cl (aq)
自发的电子转移
电子转移是非自发的
Cu(s) ＋ Cl2(g) ＝ Cu2＋(aq) ＋ 2Cl (aq)
＋
实验验证
科学探究与实验验证
教材P101·实验4 2 CuCl2溶液的电解
1) 实验操作：
在U形管中注入质量分数为25%的CuCl2溶液，插入两跟石墨棒作电极。把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与直流电源正极相连的石墨棒附近。接通直流，观察U形管内的现象和试纸颜色的变化。
2) 实验现象：
阴极：
阳极：
阴
极
阳
极
溶液的蓝色逐渐褪去，石墨棒上逐渐覆盖一层红色的物质
有气泡产生，湿润的碘化钾淀粉试纸变成蓝色
(铜)
(Cl2)
宏观辨识与微观探析
3) 现象分析
OH-
Cl-
Cl-
Cu2+
Cu2+
H+
Cl-
Cl-
通电前CuCl2溶液中的主要离子有Cu2＋、Cl 、H＋和OH ，在溶液中做无方向性的热运动
通电后由于阳极的电势比阴极的电势高，溶液中的阴离子(Cl 和OH )主要向阳极移动、阳离子(Cu2＋和H＋)主要向阴极移动
OH-
Cl-
Cl-
Cu2+
Cu2+
H+
Cl-
Cl-
离子迁移方向
“＋－、－＋”
宏观辨识与微观探析
3) 现象分析
OH-
Cl-
Cl-
Cu2+
Cu2+
H+
Cl-
Cl-
电解过程中，在阴极附近大量的Cu2＋和少量H＋都有得到电子的趋势，但由于Cu2＋比H＋具有更强的氧化性且占据浓度优势，因此阴极表面Cu2＋优先得电子
OH-
H+
OH-
H+
Cu
阴极：Cu2＋ ＋ 2e ＝ Cu (还原反应)
宏观辨识与微观探析
3) 现象分析
OH-
Cl-
Cl-
Cu2+
Cu2+
H+
Cl-
Cl-
同理在阳极附近，大量的Cl 和少量OH 都有失去电子的趋势，但由于Cl 比OH 具有更强的还原性且占据浓度优势，因此阳极表面Cl 优先失电子。
OH-
H+
OH-
H+
Cl2
阳极：2Cl 2e ＝ Cl2↑ (氧化反应)
宏观辨识与微观探析
4) 电极反应
阳极(＋)：2Cl 2e ＝ Cl2↑ (氧化反应)
阴极(－)：Cu2＋ ＋ 2e ＝ Cu (还原反应)
小知识：阴、阳离子在电极表面失去或得到电子的过程叫放电
化学方程式： CuCl2 === Cu ＋ Cl2↑
通电
结论：在直流电源作用下，溶液中的CuCl2发生了反应，生成Cu和Cl2
电解池相关概念
1) 电解：
使电流通过电解质溶液或熔融电解质而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。
2) 电解池(电解槽)：
将电能转化为化学能的装置
注：电解质溶液(或熔融电解质)的导电过程，就是电解质溶液(或熔融电解质)的电解过程。是化学变化。
3) 电极与电极反应
电化学中规定：发生氧化反应的为阳极，发生还原反应的阴极
电解池相关概念
3) 电极与电极反应
电化学中规定：发生氧化反应的为阳极，发生还原反应的阴极
电极
材料
惰性电极 (仅导电不参与反应)
活性电极 (既导电又能参与反应)
如：碳棒、Pt、Au
除Pt、Au外金属
阳极：与直流电源正极相连的电极，阳极上活性电极本身或电解质溶液(或熔融电解质)中还原性强的阴离子失电子，发生氧化反应。
阴极：与直流电源负极相连的电极，阴极上电解质溶液(或熔融电解质)中氧化性强的阳离子得电子，发生还原反应。
电解池相关概念
4) 电解池的构成条件
具有直流电源
两个电极
电解质溶液或熔融电解质
形成闭合回路
5) 电子和离子的移动方向
①电子的流动方向：电子从电源负极沿导线流入电解池的阴极，阳极失去电子，电子沿导线流回电源正极。
(电子不下水)
②离子的移动方向：阳离子移向阴极；阴离子移向阳极
(“＋－、－＋”或阴阳相吸)
随堂练习
练、如图是电解氯化铜溶液的装置，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
C
电极反应规律
1) 阳极：活性电极 ＞ S2 ＞ I ＞ Br ＞ Cl ＞ OH /H2O ＞
(最高价含氧酸根离子)＞F
水溶液中没有机会失电子
注意：1) 关注电极材料 2) 记准 I ＞Cl ＞ OH /H2O
2) 阴极：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H2O
＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca＋＞K＋
只在熔融状态下放电
注意：1) Fe3＋→Fe2＋ 2) 记准 Ag＋ > Fe3＋ > Cu2＋ > H＋
温馨提示：电解过程中离子的放电顺序受多方面因素影响，这里只介绍离子放电顺序的一般规律，若在试题中出现不符合此规律的提示，应按照试题的引导及客观事实对电极反应进行分析。切勿将此规律生搬硬套。
小结：用惰性电极进行电解时的电解规律
电解类型
举例
物质类别 实例
含氧酸
强碱
活泼金属的
含氧酸盐
无氧酸
不活泼金属的无氧酸盐
活泼金属的无氧酸盐
不活泼金属的含氧酸盐
溶液pH
变化
溶液复
原方法
电极反应
阳极：
阴极：
阳极：
阴极：
阳极：
阴极：
阳极：
阴极：
阳极：
阴极：
H2SO4
NaOH
Na2SO4
2H2O 4e ＝O2 ↑+4H＋
4H2O+4e ＝2H2↑+4OH
减小
增大
不变
H2O
HCl
2Cl 2e ＝ Cl2↑
2H＋+2e ＝H2↑
增大
HCl
CuCl2
2Cl 2e ＝ Cl2↑
Cu2＋+2e ＝ Cu
CuCl2
NaCl
2Cl 2e ＝ Cl2↑
2H2O+2e ＝H2↑+2OH
增大
HCl
CuSO4
2H2O 4e ＝O2 ↑+4H＋
Cu2＋+2e ＝ Cu
减小
CuO
仅溶剂
水电解
仅溶质
电解
溶质和
溶剂同
时电解
随堂练习
练、请写出用惰性电极电解下列溶液的总反应方程式
(1) NaCl溶液：
(2) CuSO4溶液：
(3) AgNO3溶液：
2NaCl＋2H2O ==== 2NaOH＋H2↑＋Cl2↑
电解
2CuSO4＋2H2O ==== 2Cu＋2H2SO4＋O2↑
电解
4AgNO3＋2H2O ==== 4Ag＋4HNO3＋O2↑
电解
随堂练习
练、0.50 L KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO3 )＝6 mol/L，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到11.2 L气体(标准状况)，假定电解后溶液体积仍为0.50 L，下列说法正确的是(　　)
A. 原混合溶液中c(K＋)为2 mol/L
B. 上述电解过程中共转移8 mol电子
C. 电解得到的Cu的物质的量为0.5 mol
D. 电解后溶液中c(H＋)为4 mol/L
1、计算原则
1) 阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数
2) 串联电路中通过各电池的电子总数相等
3) 电源输出的电子总数和电解池中转移的电子总数相等
2、计算的方法 (电子守恒法)
O2 ~ 2Cu ~ 4Ag ~ 4H＋ ~ 2H2 ~ 2Cl2 ~ 4OH ~ 4e
C
第四章 化学反应与能量
第二节 电解池
第2课时 电解原理的应用
环节一：电解饱和食盐水
1) 氯碱工业：
用电解饱和氯化钠溶液的方法来制取氢氧化钠、氢气和氯气，并以它们为原料生产一系列化工产品的工业，称为氯碱工业。
2) 电解饱和食盐水的反应原理
①通电前：溶液中含有的离子:_____________________
通电时：移向阳极的离子是:____________
移向阴极的离子是:____________
Na＋、Cl 、H＋、OH
Cl 、OH
Na＋、H＋
电解前 阴、阳两极的现象 电解后
环节一：电解饱和食盐水
②阳极反应式:_________________
阴极反应式:_________________________
2Cl 2e ＝ Cl2↑
2H2O ＋ 2e ＝2OH +H2↑
③电解的总反应式
化学方程式:_________________________________
离子方程式:_________________________________
2NaCl+2H2O === 2NaOH+H2↑+Cl2↑
通电
2Cl +2H2O === 2OH +H2↑+Cl2↑
通电
说明：在此实验中，电解产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液能与Cl2发生生成NaClO，H2和Cl2混合后遇热或光照会发生爆炸。在工业生产中，为了避免产物的混合，需使反应在特殊的电解槽中进行
环节一：电解饱和食盐水
3) 氯碱工业生产流程
(离子交换膜法制烧碱)
① 生产设备名称：离子交换膜电解槽
阴极：涂覆有镍涂层的碳钢网；
阳极：涂覆着钛、钌等氧化物涂层的金属钛网；
阳离子交换膜：只允许阳离子通过(阴离子和气体不能通过)，把电解槽隔成阴极室和阳极室。
环节一：电解饱和食盐水
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl2
Na＋
＋
－
Na＋
Na＋
Na＋
Na＋
OH
H＋＋OH
H2O
H＋＋OH
H2O
H2
H2O
(含少量NaOH)
精制饱和
食盐水
淡盐水
浓NaOH溶液
阳离子交换膜
阳极室
阴极室
H2
Cl2
阴极
阳极
离子交换膜法电解饱和食盐水原理示意图
离子交换膜的作用：
1) 防止产生的H2(阴)和Cl2(阳)相混合而引起爆炸；
2) 避免氯气与氢氧化钠反应，而影响氢氧化钠产量。
环节一：电解饱和食盐水
②有人利用电解饱和食盐水的原理设计一个制备少量NaClO消毒液的电解装置，如图所示。请补充完整图中的信息，在虚线框中画出电源符号，并写出电解反应方程式。
阴极：___________________________
阳极：___________________________
总反应：_________________________
电解法制备NaClO溶液装置
导管
电极材料:_______
电极材料:_______
电解质溶液:________
－
＋
石墨
石墨
NaCl
NaCl+H2O===NaClO+H2↑
通电
2H2O＋2e ＝2OH +H2↑
Cl 2e +2OH ＝ClO +H2O
环节一：电解饱和食盐水
阳极
－
－
－
阳
膜
阴膜
阴膜
阳
膜
阴膜
阳膜
阴极
出口1
出口2
电渗析法淡化海水装置
Na＋
Cl－
Na＋
Cl－
Na＋
Cl－
Na＋
Cl－
Na＋
Cl－
③ 利用隔膜法电解饱和食盐水的原理还可设计一种淡化海水的装置，如图所示。请在图中标出各室中Na＋和Cl 的迁移方向，并在出口处标注“浓盐水”和“淡水”。
淡水
浓盐水
环节一：电解饱和食盐水
(2020 浙江) 在氯碱工业中，离子交换膜法电解饱和食盐水的装置如图所示。下列说法不正确的是( )
A. 电极A为阳极，发生氧化反应生成氯气
B. 离子交换膜为阳离子交换膜
C. NaCl饱和溶液从a处进，NaOH溶液从d处出
D. OH 迁移的数量等于导线上通过电子的电量
H2
Cl2
a
b
c
d
电极A
电极B
离子交换膜
H2
Cl2
环节一：电解饱和食盐水
4) 氯碱工业产品及其应用
电
解
饱
和
食
盐
水
NaOH
含氯漂白剂
Cl2
H2
HCl
有机合成
氯化物合成
造纸、玻璃
肥皂、纺织
印染
有机合成
农药
盐酸
有机合成
金属冶炼
液碱
湿氯气
湿氢气
环节二：电镀
1) 概念:
利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的加工工艺。
3) 电镀实验装置(电镀池)
2) 目的:
使金属增强防锈抗腐蚀能力，增加表面硬度和美观
＋ ﹣
电镀原理示意图
直流电源
ZnSO4
溶液
锌片
待镀
铁制品
待镀金属(镀件)：作阴极
镀层金属：作阳极
电镀液：含有镀层金属离子
环节二：电镀
3) 电镀实验装置(电镀池)
＋ ﹣
电镀原理示意图
直流电源
ZnSO4
溶液
锌片
待镀
铁制品
待镀金属(镀件)：作阴极
镀层金属：作阳极
电镀液：含有镀层金属离子
阳极反应式: _______________
阴极反应式: _______________
Zn 2e ＝Zn2＋
Zn2＋+2e ＝Zn
温馨提示：离子的放电顺序主要取决于离子本身性质，阴极还与离子浓度、溶液pH有关；阳极还与电压有关。
4) 特点：阳极溶解、阴极沉积、电镀液的浓度保持不变
环节三：金属的电解精炼
1) 粗铜：火法炼铜得到的粗铜纯度约为98%左右，含有Ni、Fe、Zn、Au、Ag等杂质，不能满足电气工业的要求，经过电解精炼可以得到纯度在 99.95% ~ 99.98%的电解铜。
粗铜
CuSO4溶液
精铜
2) 试设计一个电解精炼铜装置
阳极：粗铜板
阴极：纯铜板
电解液：硫酸酸化的CuSO4溶液
(目的：加硫酸以增强溶液导电性)
环节三：金属的电解精炼
阳极：
Cu－2e ＝Cu2＋(主)
Zn－2e ＝Zn2＋ (次)
Ni－2e ＝Ni2＋ (次)
Fe－2e ＝Fe2＋ (次)
3) 电解过程
说明：金属活动顺序表中位于Cu前的Zn、Ni、Fe等金属杂质也会同时失去电子，是阳极的副反应。而位于Cu后的Au、Ag等金属因失电子能力较弱，难以变成阳离子而溶解，当阳极上的Cu失电子溶解后，它们以金属单质的形式沉积在电解槽底部形成“阳极泥”，阳极泥是提炼金、银等贵金属的原料。
环节三：金属的电解精炼
阳极：
Cu－2e ＝Cu2＋(主)
Zn－2e ＝Zn2＋ (次)
Ni－2e ＝Ni2＋ (次)
Fe－2e ＝Fe2＋ (次)
3) 电解过程
阴极：Cu2＋＋2e ＝Cu
说明：溶液中大量的Cu2＋、一定量的H＋和少量Zn2＋、Ni2＋、Fe2＋等离子，均具有得电子能力，但Cu2＋浓度最大且得电子能力最强，因此在阴极得电子还原为Cu附着阴极上，阴极上就得到了精铜。
随堂练习
练、金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量铁、锌、铜、铂等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是( )
(已知：氧化性Fe2＋ < Ni2＋ < Cu2＋)
A. 阳极发生还原反应，其电极反应式: Ni2＋＋2e ＝Ni
B. 电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等
C. 电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋
D. 电解后，电解槽底部的阳极泥中有铜和铂
D
环节四：电冶金
电解是最强有力的氧化还原手段，因此电解法是冶炼金属的一种重要方法。对于像Na、Ca、Mg、Al这样的活泼金属，电解几乎是唯一可行的工业方法。
1) 电解熔融NaCl制取金属钠
阳极:
阴极:
总反应:
2Cl ﹣2e ＝ Cl2↑
2Na+ + 2e ＝2Na
2NaCl(熔融) === 2Na+Cl2↑
通电
环节四：电冶金
2) 电解冰晶石(Na3AlF6) 氧化铝共熔物制取铝
说明：由于Al2O3的熔点很高，而熔融的冰晶石能够溶解氧化铝。冰晶石 氧化铝熔盐的熔点相对较低，这样有利于工业化的生产。
阳极C
电解质(上)
(氧化铝和冰晶石)
烟罩
熔融态铝
阴极C
环节四：电冶金
2) 电解冰晶石(Na3AlF6) 氧化铝共熔物制取铝
阳极:
阴极:
总反应:
6O2 ﹣12e ＝ 3O2↑
4Al3+ + 12e ＝ 4Al
2Al2O3(熔融) ==== 4Al + 3O2↑
通电
冰晶石
温馨提示：
① 实际反应很复杂，上式只是简要的表示形式。
② 阳极产生O2，在此反应温度下阳极石墨与O2发生反应：
C＋O2→CO2或CO，因此阳极的石墨需要定时更换。
随堂练习
(21·国乙)沿海电厂采用海水为冷却水，但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率。为解决这一问题，通常在管道口设置一对惰性电极(如图所示)，通入一定的电流。

下列叙述错误的是(　　)
A. 阳极发生将海水中的 Cl－氧化生成 Cl2的反应
B. 管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClO
C. 阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气
D. 阳极表面形成的Mg(OH)2等积垢需要定期清理
D
拓展：电化学中电极名称
1、中学化学中，原电池：正、负极，电解池：阴、阳极
2、正、负极是根据电子流入还是流出规定的
3、在电化学中(原电池和电解池都是电池)，电极名称是依据反应类型来确定的，规定发生氧化反应的电极均是阳极，发生还原反应的电极均是阴极。
随堂练习
(21·国甲)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如下图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH ，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是(　　)

A. KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用
B. 阳极上的反应式为HO C C OH＋2H＋＋2e →HO C C H ＋H2O
C. 制得2 mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1 mol电子
D. 双极膜中间层中的H＋在外电场作用下向铅电极方向迁移
O O
O O
D
随堂练习
(20·国Ⅰ)科学家近年发明了一种新型Zn CO2 水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。

下列说法错误的是(　　)
A. 放电时，负极反应为Zn 2e ＋4OH ＝Zn(OH)42
B. 放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol
C. 充电时，电池总反应为2Zn(OH)42 ＝2Zn＋O2↑＋4OH ＋2H2O
D. 充电时，正极溶液中OH 浓度升高
D
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