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第21讲　电解原理及其应用
学习目标　
1. 理解电解池的工作原理，了解电解池与原电池的异同。
2. 理解电解原理，掌握氯碱工业、电镀、铜的电解精炼、电冶金的反应原理。
3. 掌握常见离子放电顺序，熟练书写电极反应式、总反应式并能进行相关计算。
活动方案
电解原理
1. 归纳电极上的放电顺序以及电解规律。
(1) 若电极材料为惰性电极(石墨、Pt等)，电极处放电规律是什么？
(2) 若电极中存在活性电极(Cu、Ag等以及更活泼的金属材料)，则电极处的放电规律有什么变化？
2. 按下图所示装置进行实验，完成表格内容。
实验Ⅰ 实验Ⅱ
阳极：_______________________________阴极：________________________________总反应式：____________________________ 阳极：__________________________________阴极：___________________________________总反应式：“Cu===Cu”
实验Ⅲ 实验Ⅳ
阳极：______________________________阴极：_______________________________总反应式：____________________________　 阳极：___________________________________阴极：___________________________________　总反应式：_______________________________
电解原理在氯碱工业、电镀和电解精炼铜中的应用
1. 氯碱工业。
氯碱工业中阳离子交换膜电解槽示意图如下，阳离子交换膜有一特殊的性质：只允许阳离子通过，可阻止阴离子和气体通过。
(1) 若采用石墨和铁作电极材料，则它们分别与电源的哪个极相连接？
(2) 向阴极区加入的不是纯水，而是含少量NaOH的水，其作用是什么？
(3) 分别写出电极反应式和总反应的离子方程式。
(4) 若没有阳离子交换膜，会有什么后果？
2. 电镀。
下图为实验室在金属钥匙表面镀银的工作示意图，据此回答下列问题。
(1) a、b分别是电源的什么极？c、d分别是什么？
(2) 写出该电镀过程的电极反应式。
(3) 电镀过程中，某物理量y的理论变化曲线如图所示，你认为y可以表示哪些物理量？
(4) 假如金属钥匙表面改为镀锌，应该如何处理？
3. 铜的精炼。
电解原理还可用于粗铜的精炼。
(1) 请在下面的方框内画出精炼粗铜的工作示意图(要求标明电极材料、电解质溶液、外接电源)。
(2) 若粗铜中含有Zn、Ag等杂质，写出精炼过程中，两极发生的电极反应式。
(3) 电解过程中，电解质溶液中的Cu2+浓度如何变化？
4. 活泼金属冶炼。
电解法冶炼活泼金属时，电解液为熔融金属化合物(通常是氯化物或氧化物)。已知有关活泼金属化合物的熔、沸点如下：
物质 K2O MgO Al2O3 KCl MgCl2 AlCl3
熔点/℃ 881 2 852 2 015 711 714 190(259 kPa)
沸点/℃ — 3 600 2 980 1 437 1 412 181
(1) 电解液能用水溶液吗？为什么？
(2) 以制取金属镁为例，写出电解过程中的电极反应式和总反应式；工业上冶炼Mg采用MgCl2，为什么冶炼Al却采用Al2O3呢？
(3) 理论上，电解熔融的K2O、KCl都能制取金属钾。写出电解熔融的K2O制取金属钾的电极反应式。
(4) 下图为电解熔融的氧化铝冶炼铝的示意图。
熔融电解质的温度超过1 000 ℃，工业上冶炼铝过程中会发生阳极损耗，试分析发生阳极损耗的原因。
　　 认识电解在物质转化方面的应用
1. 工业上以石墨为电极电解酸性硫酸锰溶液制取二氧化锰，写出阳极、阴极和总反应式。
2. 用电解法处理氮氧化物可回收硝酸。实验室模拟电解NO2的装置如图所示。
(1) a、b分别是电源的什么极？
(2) 写出阳极、阴极的电极反应式。
3. 如图所示的电化学装置吸收一部分SO2，并完成Cu的再生。写出装置内所发生反应的阳极、阴极的电极反应式和总反应式。
名卷优选
1 [2021江苏卷]通过下列方法可分别获得H2和O2：①通过电解获得NiOOH和H2(装置示意如图所示)；②在90 ℃将NiOOH与H2O反应生成Ni(OH)2并获得O2。下列说法正确的是(　　)
A. 电解后KOH溶液的物质的量浓度减小
B. 电解时阳极的电极反应式：Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O
C. 电解的总反应方程式：2H2O2H2↑＋O2↑
D. 电解过程中转移4 mol 电子，理论上可获得22.4 L O2
2 [2024南京二模]一种电解乙酰基吡嗪废水中的(NH4)2SO4制备(NH4)2S2O8的电化学装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
A. 石墨电极与直流电源正极相连
B. 电解时，铂网电极附近pH增大
C. 离子交换膜应选择性透过阴离子
D. 阴极上的电极反应为2SO＋2e－===S2O
3 [2024南通如皋适应性考试二]以甲苯为原料通过间接氧化法可以制取苯甲醛、苯甲酸等物质，反应原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A. 电解时的阳极反应：2Cr3+＋6e－＋7H2O=== Cr2O＋14H＋
B. 电解结束后，阴极区溶液pH升高
C. 1 mol甲苯氧化为0.5 mol苯甲醛和0.5 mol苯甲酸时，共消耗 mol Cr2O
D. 甲苯、苯甲醛、苯甲酸的混合物可以通过分液的方法分离
4 (1) [2023江苏卷]催化电解吸收CO2的KOH溶液可将CO2转化为有机物。在相同条件下，恒定通过电解池的电量，电解得到的部分还原产物的法拉第效率(FE%)随电解电压的变化如图所示。
FE%＝×100%
其中，QX＝nF，n表示电解生成还原产物X所转移电子的物质的量，F表示法拉第常数。
①当电解电压为U1 V时，电解过程中含碳还原产物的FE%为0，阴极主要还原产物为________(填化学式)。
②当电解电压为U2 V时，阴极由HCO生成CH4的电极反应式为__________
______________________________________________________________________。
(2) [2022江苏卷]氢气是一种清洁能源，绿色环保制氢技术研究具有重要意义。 “CuCl-H2O热电循环制氢”经过溶解、电解、热水解和热分解4个步骤，其过程如图所示。
　
①电解在质子交换膜电解池中进行。阳极区为酸性CuCl溶液，阴极区为盐酸，电解过程中CuCl转化为CuCl。电解时阳极发生的主要电极反应为________
__________________________________________________(用电极反应式表示)。
②电解后，经热水解和热分解的物质可循环使用。在热水解和热分解过程中，发生化合价变化的元素有________(填元素符号)。
5 (1) [2024苏州期初调研]电催化还原法是CO2的有机资源化的研究热点。控制其他条件相同，将一定量的CO2通入盛有酸性溶液的电催化装置中，CO2可转化为有机物，阴极所得产物及其物质的量与电压的关系如图所示。
①电解电压为U1时，电解时转移电子的物质的量为________________。
②电解电压为U2时，阴极由CO2生成甲醇的电极反应式为________________
________________________________________。
③在实际生产中发现当pH过低时，有机物产率降低，可能的原因是________
______________________________________________________________________。
(2) [2024南通海门二调]通过电解法可将CO2转化为HCOO－的装置如图所示。
①写出阴极的电极反应式：___________________________。
②已知：Nafion膜为一种阳离子交换膜，只允许阳离子及水分子通过，电池工作时在Pt电极覆盖一层Nafion膜的主要目的是___________________________
______________________________________________________________________。
第21讲　电解原理及其应用
【活动方案】
活动一：
1 (1) 阳极的放电顺序一般是：S2-＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞SO等含氧酸根离子，其本质是阴离子的失电子能力大小；阴极的放电顺序一般是：Ag＋＞Cu2+＞H＋＞Fe2+＞Zn2+＞Al3+＞Mg2+＞Na＋，其本质是阳离子的得电子能力大小。　(2) 阴极材料是活性电极时，对溶液中阳离子的放电规律无影响；阳极材料是活性电极时，则活性电极优先失电子放电。
2 实验Ⅰ：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋　Cu2+＋2e－===Cu　2Cu2+＋2H2O2Cu＋O2↑＋4H＋　实验Ⅱ：Cu－2e－===Cu2+　Cu2+＋2e－===Cu　实验Ⅲ：2Cl－－2e－===Cl2↑　2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－　2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－　实验Ⅳ：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－　2H2O2H2↑＋O2↑
活动二：
1 (1) 石墨连电源的正极，铁连电源的负极。　(2) 增强导电性。　(3) 阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑　阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－　总反应：2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－　(4) 阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸， Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的产量。
2 (1) a为电源的正极，b为电源的负极。c是Ag，d是AgNO3。　(2) 阳极：Ag－e－===Ag＋　阴极：Ag＋＋e－===Ag　(3) 电解质的浓度、pH、Ag＋和NO等离子的物质的量浓度。　(4) 将c换成锌，d改为硫酸锌或氯化锌等。
3 (1)
(2) 阳极：Cu－2e－===Cu2+、Zn－2e－===Zn2+
阴极：Cu2+＋2e－===Cu　(3) Cu2+浓度减小。
4 (1) 不能，因为水溶液中活泼金属阳离子不能得到电子变为单质，而是H＋得到电子变成氢气。　(2) 阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑　阴极：Mg2+＋2e－===Mg　总反应：MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑。MgCl2为离子化合物，且MgCl2的熔点远低于MgO，采用MgCl2更节能；而AlCl3是共价化合物，熔融态不导电，故只能采用Al2O3冶炼Al。　(3) 阳极：2O2-－4e－===O2↑　阴极：K＋＋e－===K。　(4) 阳极产生的氧气与碳块在高温条件下反应生成CO或CO2。
活动三：
1 阳极：Mn2+－2e－＋2H2O ===MnO2＋4H＋　阴极：2H＋＋2e－===H2↑　总反应：Mn2+＋2H2OMnO2＋H2↑＋2H＋
2 (1) a为电源的负极，b为电源的正极。　(2) 阳极：NO2－e－＋H2O ===NO＋2H＋　阴极：2H＋＋2e－===H2↑
3 阳极：SO2－2e－＋2H2O ===SO＋4H＋　阴极：Cu2+＋2e－===Cu　总反应：SO2＋Cu2+＋2H2OSO＋Cu＋4H＋
【名卷优选】
1 B
2 B　由(NH4)2SO4→(NH4)2S2O8，S2O中含有过氧键知，部分O元素的化合价由－2升至－1，化合价升高，失去电子，铂网电极作阳极，故石墨电极作阴极，与直流电源负极相连，阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，A、D错误；为保证右室(NH4)2S2O8的纯度和产量，离子交换膜应该为质子交换膜，H＋透过离子交换膜从右室进入左室，故铂网电极附近H＋浓度降低，pH增大，B正确，C错误。
3 C　电解时阳极发生氧化反应，即失电子反应，A错误；电解时阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，电极上每消耗2 mol H＋，就有2 mol H＋进入阴极区使阴极区溶液呈电中性，故电极电解结束后，阴极区溶液pH不变，B错误；3C6H5—CH3＋2Cr2O＋16H＋===3C6H5—CHO＋4Cr3+＋11H2O，0.5 mol甲苯被氧化为0.5 mol苯甲醛时消耗 mol Cr2O，根据C6H5—CH3＋Cr2O＋8H＋===C6H5—COOH＋2Cr3+＋5H2O，0.5 mol甲苯被氧化为0.5 mol苯甲酸时消耗0.5 mol Cr2O，则1 mol甲苯被氧化为0.5 mol苯甲醛和0.5 mol苯甲酸时，共消耗 mol Cr2O，C正确；甲苯、苯甲醛和苯甲酸相互混溶，不能用分液法进行分离，D错误。
4 (1) ①H2　②10HCO＋8e－===CH4↑＋9CO＋3H2O　(2) ①CuCl＋2Cl－－e－===CuCl　② Cu、O
解析：(1) ①当电解电压为U1 V时，电解过程中含碳还原产物的FE%为0，说明二氧化碳未得电子，为氢离子得电子变成氢气。②当电解电压为U2 V时，根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒可知碱性条件下阴极由HCO生成CH4的电极反应式见答案。
5 (1) ①2.8 mol　②CO2＋6e－＋6H＋===CH3OH＋H2O
③pH过低，c(H＋)增大，H＋在阴极表面得电子生成H2增多，CO2被还原为有机物的比例减小，有机物产率降低
(2) ①CO2＋2e－＋HCO===CO＋HCOO－或CO2＋2e－＋H2O===OH－＋HCOO－或2CO2＋2e－＋H2O===HCO＋HCOO－(合理即可)　②防止HCOO－在阳极上放电被氧化(共34张PPT)
模块三
化学反应原理
主题6　化学反应与能量变化
第21讲　电解原理及其应用
内容索引
学习目标
活动方案
名卷优选
学 习 目 标
1. 理解电解池的工作原理，了解电解池与原电池的异同。2. 理解电解原理，掌握氯碱工业、电镀、铜的电解精炼、电冶金的反应原理。3. 掌握常见离子放电顺序，熟练书写电极反应式、总反应式并能进行相关计算。
活 动 方 案
1. 归纳电极上的放电顺序以及电解规律。
(1) 若电极材料为惰性电极(石墨、Pt等)，电极处放电规律是什么？
活动一 电解原理
(2) 若电极中存在活性电极(Cu、Ag等以及更活泼的金属材料)，则电极处的放电规律有什么变化？
【答案】 阴极材料是活性电极时，对溶液中阳离子的放电规律无影响；阳极材料是活性电极时，则活性电极优先失电子放电。
2. 按下图所示装置进行实验，完成表格内容。
实验Ⅰ 实验Ⅱ 实验Ⅲ 实验Ⅳ
阳极：_________ ______________ 阴极：_________ _______________ 总反应式：_____ ______________________________ 阳极：_________ _______________ 阴极：_________ _______________ 总反应式：“Cu===Cu” 阳极：_________ _______________ 阴极：_________ _______________总反应式：_____ _____________________________
阳极：_________ _______________阴极：_________ _______________
总反应式：_____
_______________
2H2O－4e－
===O2↑＋4H＋
Cu2＋＋2e－
===Cu
2Cu2＋
O2↑＋4H＋
Cu－2e－
===Cu2＋
Cu2＋＋
2e－===Cu
2Cl－－
2e－===Cl2↑
2H2O＋ 2e－
===H2↑＋2OH－
2Cl－
＋H2↑＋2OH－
2H2O－4e－
===O2↑＋4H＋
2H2O＋2e－
===H2↑＋2OH－
2H2O
1. 氯碱工业。
氯碱工业中阳离子交换膜电解槽示意图如下，阳离子交换膜有一特殊的性质：只允许阳离子通过，可阻止阴离子和气体通过。
活动二 在氯碱工业、电镀和电解精炼铜中的应用
(1) 若采用石墨和铁作电极材料，则它们分别与电源的哪个极相连接？
【答案】 石墨连电源的正极，铁连电源的负极。
(2) 向阴极区加入的不是纯水，而是含少量NaOH的水，其作用是什么？
【答案】 增强导电性。
(3) 分别写出电极反应式和总反应的离子方程式。
(4) 若没有阳离子交换膜，会有什么后果？
【答案】 阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸， Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的产量。
2. 电镀。
下图为实验室在金属钥匙表面镀银的工作示意图，据此回答下列问题。
(1) a、b分别是电源的什么极？c、d分别是什么？
【答案】 a为电源的正极，b为电源的负极。c是Ag，d是AgNO3。
(2) 写出该电镀过程的电极反应式。
【答案】 阳极：Ag－e－===Ag＋
阴极：Ag＋＋e－===Ag
(3) 电镀过程中，某物理量y的理论变化曲线如图所示，你认为y可以表示哪些物理量？
(4) 假如金属钥匙表面改为镀锌，应该如何处理？
【答案】 将c换成锌，d改为硫酸锌或氯化锌等。
3. 铜的精炼。
电解原理还可用于粗铜的精炼。
(1) 请在下面的方框内画出精炼粗铜的工作示意图(要求标明电极材料、电解质溶液、外接电源)。
【答案】
(2) 若粗铜中含有Zn、Ag等杂质，写出精炼过程中，两极发生的电极反应式。
【答案】 阳极：Cu－2e－===Cu2＋、Zn－2e－===Zn2＋
阴极：Cu2＋＋2e－===Cu
(3) 电解过程中，电解质溶液中的Cu2＋浓度如何变化？
【答案】 Cu2＋浓度减小。
4. 活泼金属冶炼。
电解法冶炼活泼金属时，电解液为熔融金属化合物(通常是氯化物或氧化物)。已知有关活泼金属化合物的熔、沸点如下：
物质 K2O MgO Al2O3 KCl MgCl2 AlCl3
熔点/℃ 881 2 852 2 015 711 714 190
(259 kPa)
沸点/℃ — 3 600 2 980 1 437 1 412 181
(1) 电解液能用水溶液吗？为什么？
【答案】 不能，因为水溶液中活泼金属阳离子不能得到电子变为单质，而是H＋得到电子变成氢气。
(2) 以制取金属镁为例，写出电解过程中的电极反应式和总反应式；工业上冶炼Mg采用MgCl2，为什么冶炼Al却采用Al2O3呢？
【答案】 阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑
阴极：Mg2＋＋2e－===Mg
(3) 理论上，电解熔融的K2O、KCl都能制取金属钾。写出电解熔融的K2O制取金属钾的电极反应式。
【答案】 阳极：2O2－－4e－===O2↑
阴极：K＋＋e－===K。
(4) 下图为电解熔融的氧化铝冶炼铝的示意图。
熔融电解质的温度超过1 000 ℃，工业上冶炼铝过程中会发生阳极损耗，试分析发生阳极损耗的原因。
【答案】 阳极产生的氧气与碳块在高温条件下反应生成CO或CO2。
1. 工业上以石墨为电极电解酸性硫酸锰溶液制取二氧化锰，写出阳极、阴极和总反应式。
【答案】 阳极：Mn2＋－2e－＋2H2O ===MnO2＋4H＋
阴极：2H＋＋2e－===H2↑
活动三 认识电解在物质转化方面的应用
2. 用电解法处理氮氧化物可回收硝酸。实验室模拟电解NO2的装置如图所示。
(1) a、b分别是电源的什么极？
【答案】 a为电源的负极，b为电源的正极。
(2) 写出阳极、阴极的电极反应式。
3. 如图所示的电化学装置吸收一部分SO2，并完成Cu的再生。写出装置内所发生反应的阳极、阴极的电极反应式和总反应式。
名 卷 优 选
2
4
5
1
3
7
9
6
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10
1 [2021江苏卷]通过下列方法可分别获得H2
和O2：①通过电解获得NiOOH和H2(装置示意如
图所示)；②在90 ℃将NiOOH与H2O反应生成
Ni(OH)2并获得O2。下列说法正确的是(　 　)
A. 电解后KOH溶液的物质的量浓度减小
B. 电解时阳极的电极反应式：Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O
C. 电解的总反应方程式：2H2O通电,2H2↑＋O2↑
D. 电解过程中转移4 mol 电子，理论上可获得22.4 L O2
B
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10
2 [2024南京二模]一种电解乙酰基吡嗪废水中的(NH4)2SO4制备(NH4)2S2O8的电化学装置如图所示。下列说法正确的是(　 　)
A. 石墨电极与直流电源正极相连
B. 电解时，铂网电极附近pH增大
C. 离子交换膜应选择性透过阴离子
B
2
4
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3
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2
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3
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10
3 [2024南通如皋适应性考试二]以甲苯为
原料通过间接氧化法可以制取苯甲醛、苯甲酸
等物质，反应原理如图所示。下列说法正确的
是(　 　)
1
C
2
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1
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4 (1) [2023江苏卷]催化电解吸收CO2的KOH溶液可将CO2转化为有机物。在相同条件下，恒定通过电解池的电量，电解得到的部分还原产物的法拉第效率(FE%)随电解电压的变化如图所示。
1
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5
3
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10
其中，QX＝nF，n表示电解生成还原产物X所转移电子的物质的量，F表示法拉第常数。
①当电解电压为U1 V时，电解过程中含碳还原产物的FE%为0，阴极主要还原产物为________(填化学式)。
1
H2
2
4
5
3
7
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6
8
10
(2) [2022江苏卷]氢气是一种清洁能源，绿色环保制氢技术研究具有重要意义。“CuCl－H2O热电循环制氢”经过溶解、电解、热水解和热分解4个步骤，其过程如图所示。
1
②电解后，经热水解和热分解的物质可循环使用。在热水解和热分解过程中，发生化合价变化的元素有________________(填元素符号)。
Cu、O
2
4
5
3
7
9
6
8
10
1
【解析】 (1) ①当电解电压为U1 V时，电解过程中含碳还原产物的FE%为0，说明二氧化碳未得电子，为氢离子得电子变成氢气。②当电解电压为U2 V时，根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒可知碱性条件下阴极由HCO生成CH4的电极反应式见答案。
2
4
5
3
5 (1) [2024苏州期初调研]电催化还原法是
CO2的有机资源化的研究热点。控制其他条件
相同，将一定量的CO2通入盛有酸性溶液的电
催化装置中，CO2可转化为有机物，阴极所得
产物及其物质的量与电压的关系如图所示。
1
①电解电压为U1时，电解时转移电子的物质的量为_____________。
②电解电压为U2时，阴极由CO2生成甲醇的电极反应式为____________________________________。
2.8 mol
CO2＋6e－＋6H＋===CH3OH＋H2O
③在实际生产中发现当pH过低时，有机物产率降低，可能的原因是____________________________________________________________________________________________________________________________。
pH过低，c(H＋)增大，H＋在阴极表面得电子生成H2增多，CO2被还原为有机物的比例减小，有机物产率降低
2
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3
(2) [2024南通海门二调]通过电解法可将CO2转化为HCOO－的装置如图所示。
1
①写出阴极的电极反应式：___________________________________ __________________________________________________________________________________________________。
②已知：Nafion膜为一种阳离子交换膜，只允许阳离子及水分子通过，电池工作时在Pt电极覆盖一层Nafion膜的主要目的是____________ __________________________。
防止HCOO－
在阳极上放电被氧化
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