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第1章　化学反应与能量转化
第3节　电能转化为化学能——电解
第1课时　电解的原理
1.体会化学能与电能相互转化的探究过程。2.分析解释电解池的工作原理,能设计简单的电解池。3.能写出电解池的电极反应式和反应方程式。
学习目标
一、电解的原理
知能通关
1.实验探究——电解熔融氯化钠
(1)电解装置图
(2)实验现象
通电后,石墨片周围有　　　　产生,铁片上生成银白色金属。
气泡
(3)实验分析
a.通电前
熔融NaCl中存在的微粒有　　　　　　,这些微粒 　　　　　　　　　　　　。
b.通电后
离子移动方向:Na+移向　　　　电极,Cl-移向　　　　电极。
电极上发生的反应:
铁电极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　, 发生　　　　反应;
石墨电极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　, 发生　　　　反应。
(4)实验结论
熔融NaCl在　　　　作用下发生了　　　　　　　,分解生成了　　　　　。
Na+、Cl-
做无规则(或自由)运动
铁
石墨
2Na++2e-===2Na
还原
2Cl--2e-===Cl2↑
氧化
直流电
氧化还原反应
Na和Cl2
下列描述中,错误的是　　　　。
①熔融的NaCl中,Na+、Cl-处于自由运动状态
②电解熔融NaCl的装置中,Na+向阳极移动、Cl-向阴极移动
③电解熔融NaCl,阴极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色
④用石墨和铁作电极电解熔融NaCl,与电源正极相连一极的电极反应式为Na++e-===Na
小题对点过
②③④
2.电解
让　　　　通过熔融电解质或电解质溶液,在两个电极上分别发生　　　　反应和　　　　　反应的过程叫作电解。
直流电
3.电解池
(1)概念
将　　　　能转化为　　　　能的装置。
(2)组成
与　　　　　　相连的两个固体　　　　;　　　　　　　或熔融的电解质;形成　　　　　　。
氧化
还原
电
化学
直流电源
电极
电解质溶液
闭合回路
(3) 电极及电极反应
①阳极:与外接电源　　　　相连发生　　　　反应的电极。
②阴极:与外接电源　　　　相连发生　　　　反应的电极。
(4)工作原理
正极
氧化
负极
还原
4.原电池和电解池的异同点
(1)相同点
①反应上:氧化反应和还原反应均在　　　　　上分别进行。
②装置构成:都有电极反应物、　　　　材料、离子导体和　　　　导体。
(2)不同点
①能量转化方式:原电池是将　　　　　　能转化成　　　　　能,电解池是将
　　　　　　能转化成　　　　　　能。
②装置构成:原电池　　　　外接电源,电解池　　　　外接直流电源。
两极
电极
电子
化学
电
电
化学
不需要
需要
下列描述中,正确的是　　　　。
①电解池能将化学能转化为电能
②电解池的阳极与电源的负极相连
③电解池中,阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动
④电解池中,电子的流向是负极→阴极→电解质溶液→阳极→正极
小题对点过
③
1.如下图所示装置中属于电解池的是　　　　　　　 (填序号)。
③⑥
2.工业上用电解熔融氯化钠的方法制取金属钠,回答下列问题:
(1)金属钠在　　　　极上产生。
(2)写出产生氯气的电极反应式:
　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)该反应是否是离子反应　　　　(填“是”或
“不是”),若是,则该反应的离子方程式为
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(若不是则该空不填)。
阴
2Cl--2e-===Cl2↑
是
3.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化成化学能的装置
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.与原电池不同,电解池放电时,电极本身不会参加电极反应
解析　如果阳极是活泼电极,电极本身失去电子,发生氧化反应。
D
4.某同学将电解池工作时电子流向、离子定向移动方向及电极种类等信息表示在图中,下列有关分析完全正确的是(　　)
B
选项 A B C D
a 阳极 阴极 阳极 阴极
d 正极 正极 负极 负极
Q离子 阳离子 阳离子 阴离子 阴离子
解析　根据该电解池工作时电子流向可知,c是负极,d是正极,a是阴极,b是阳极,电解时,电解质溶液中阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动,则Q离子是阳离子,P离子是阴离子,故B项正确。
二、电解规律
知能通关
1.电解时放电顺序和电极产物的判断
(1)基本思路
(2)离子放电顺序
①阴离子的放电顺序:
②阳离子放电顺序:
2.酸、碱、盐溶液电解规律(惰性电极)
(1)电解水型
电解质 H2SO4(含氧酸) NaOH(可溶性强碱) Na2SO4(含氧酸强碱盐)
阳极
反应式 ①酸、盐:2H2O-4e-===O2↑+4H+
②碱:4OH--4e-===O2↑+2H2O
阴极
反应式 ①盐、碱:2H2O+2e-===H2↑+2OH-
②酸:2H++2e-===H2↑
pH变化 减小 增大 不变
复原需加入物质 H2O
(2)电解电解质型
电解质 HCl(非含氧酸) CuCl2(非含氧酸弱碱盐)
阳极反应式 2Cl--2e-===Cl2↑
阴极反应式 2H++2e-===H2↑ Cu2++2e-===Cu
pH变化 增大 -
复原需加入物质 HCl(g) CuCl2(s)
(3)电解质和水都发生电解型
电解质 NaCl
(非含氧酸强碱盐) CuSO4
(含氧酸弱碱盐)
阳极反应式 2Cl--2e-===Cl2↑ 2H2O-4e-===O2↑+4H+
阴极反应式 2H2O+2e-===H2↑+2OH- 2Cu2++4e-===2Cu
pH变化 增大 减小
复原加入物质 HCl(g) CuO或CuCO3
(1)若阴极为H+放电,则阴极区c(OH-)增大;若阳极为OH-放电,则阳极区c(H+)增大;若阴极为H+放电,同时阳极为OH-放电,相当于电解水,电解质溶液浓度增大(饱和溶液例外)。
(2)电解质溶液恢复原状的方法:少什么加什么,少多少加多少。如用惰性电极电解CuSO4溶液,加入适量CuO或CuCO3可恢复到电解前的状况,但不能加入Cu(OH)2。
(3)活性电极指金属活动性顺序中除Pt、Au以外的金属,惰性电极指石墨、铂(Pt)、金(Au)等。
用惰性电极电解物质的量浓度相同、体积比为1∶3的CuSO4和NaCl的混合溶液,可能发生的反应有　　　　　　　(填序号)。
小题对点过
②③④
1.下列各组中,每种电解质溶液电解时只生成氢气和氧气的是(　　)
A.HCl、CuCl2、Ba(OH)2
B.NaOH、CuSO4、H2SO4
C.NaOH、H2SO4、Ba(OH)2
D.NaBr、H2SO4、Ba(OH)2
解析　电解HCl、CuCl2溶液就是电解电解质本身,电解NaBr、CuSO4溶液时,电解质、水均被电解,分别属于放氢生碱型、放氧生酸型。
C
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.NaNO3 B.NaOH
C.Na2SO4 D.BaCl2
解析　电解BaCl2溶液时,阳极上氯离子放电,阴极上氢离子放电,其实质不是电解水。
D
3.用石墨电极电解含有溶质0.1 mol的CuSO4溶液,在阴、阳两极各收集到2.24 L气体(标准状况下)后停止电解,若要恢复原电解质,溶液需要加入的物质和物质的量分别是　　　　　、　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
Cu(OH)2
0.1 mol(或CuO、H2O　0.1 mol、0.1 mol)
4.用石墨作电极电解下列溶液
①稀H2SO4　②K2SO4溶液　③NaCl溶液　④CuSO4溶液　⑤KOH溶液
(1)阴极、阳极都有气体产生,且体积比(相同条件下)为2∶1的是　　　　　(填序号)。
(2)阴极、阳极都有气体产生,其中溶液pH变大的是　　　　(填序号)。
(3)一个电极析出金属,一个电极逸出气体,且溶液pH明显减小的是　　　　(填
序号),其总反应的化学方程式是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
①②⑤
③⑤
④
三、电解池中电极反应式的书写
知能通关
1.电极反应式的书写步骤
2.电解池中电极方程式书写的关键点
(1)书写电解池中电极反应式时,强电解质以实际放电的离子表示,弱电解质写成化学式。
(2)电极反应式的书写首先根据题干要求及信息写出反应物和反应产物,然后根据“阴(极)得(e-)阳(极)失(e-)”加上得失电子数目,最后根据电解质溶液酸碱性补上H+、OH-或H2O,依据电荷守恒配平。
(3)酸性溶液中不能出现OH-,碱性溶液中不能出现H+。
(4)要确保两极得失电子数目相等,且总反应注明条件“通电”。
(1)铁做阳极,铁失电子生成Fe2+而不是Fe3+。
(2)书写电极反应式要结合题目具体要求分析产物。如用铝作阳极制取氧化铝,则阳极产物是Al2O3而不是Al3+。
(3)Fe3+在阴极上放电时生成Fe2+而不是单质铁。
按要求书写电极反应式和总反应式。
(1)用惰性电极电解AgNO3溶液
阳极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
阴极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
总反应离子方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
阴极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
总反应离子方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
2H2O-4e-===O2↑+4H+
4Ag++4e-===4Ag
2Cl--2e-===Cl2↑
2H2O+2e-+Mg2+===H2↑+Mg(OH)2↓
(3)用Fe作电极电解稀H2SO4溶液
阳极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
阴极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
总反应化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)以铝材为阳极,电解H2SO4溶液,铝材表面形成氧化膜
阳极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
阴极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
总反应离子方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
Fe-2e-===Fe2+
2H++2e-===H2↑
Fe+2H+===Fe2++H2↑
2Al-6e-+3H2O===Al2O3+6H+
6H++6e-===3H2↑
课堂 达标训练
1.用惰性电极进行电解,下列说法正确的是(　　)
A.电解稀硫酸,实质上是电解水,故溶液的pH不变
B.电解稀氢氧化钠溶液,要消耗OH-,故溶液的pH降低
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
D
2.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.仅①②③ B.仅①②③④
C.仅①②③④⑤ D.全部
C
解析　用惰性电极电解时,两极只有H2和O2生成,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溶液是饱和溶液则浓度不变,故①、②、③、④、⑤正确,⑥不可能。
3.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),不能使溶液恢复到原来的成分和浓度的是(　　)
A.AgNO3溶液[AgOH(s)]
B.K2SO4溶液[H2O(l)]
C.KCl溶液[HCl(g)]
D.CuSO4溶液[CuCO3(s)]
A
解析　电解AgNO3溶液,Ag+在阴极放电生成Ag,水电离出的OH-在阳极放电生成O2,结合元素守恒可知,应加入Ag2O使溶液恢复到原来的成分和浓度,A错误;电解K2SO4溶液,水电离出的OH-在阳极放电生成O2,水电离出的H+在阴极放电生成H2,实质为电解水,加入一定量的H2O(l)能使溶液恢复到原来的成分和浓度,B正确;电解KCl溶液,水电离出的H+在阴极放电生成H2,Cl-在阳极放电生成Cl2,结合元素守恒可知,需要加入一定量的HCl(g)才能使溶液恢复到原来的成分和浓度,C正确;电解CuSO4溶液,Cu2+在阴极放电生成Cu,水电离出的OH-在阳极放电生成O2,结合元素守恒可知,应加入一定量的CuO使溶液恢复到原来的成分和浓度,由于CuCO3(s)与硫酸反应生成CuSO4、CO2和H2O,CO2从溶液中逸出,加入一定量的CuCO3(s)也可以使溶液恢复到原来的成分和浓度,D正确。
4.关于下图所示①②两个装置的叙述,正确的是(　　)
A.装置名称:①是原电池,②是电解池
B.硫酸浓度变化:①增大,②减小
C.电极反应式:①中阳极为4OH--4e-===
2H2O+O2↑,②中正极为Zn-2e-===Zn2+
D.离子移动方向:①中H+向阴极方向移动,
②中H+向负极方向移动
B
(1)以石墨棒为电极,使电解质质量减小,水质量不变,进行电解,则可采用的电解质是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)以石墨棒为电极,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)以石墨棒为阳极,铁棒为阴极,使电解质和水质量都减少,进行电解,则电解质为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
HCl、CuCl2
H2SO4、Na2SO4、NaHSO4
NaCl、CuSO4
解析　(1)电解电解质型可采用的电解质为无氧酸和不活泼金属的无氧酸盐,因此可为HCl和CuCl2。(2)电解水型可采用的电解质可为含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐,因此可为H2SO4、Na2SO4、NaHSO4。(3)铁棒作阴极,铁棒不会发生反应,为电解电解质和水型,电解质可为活泼金属的无氧酸盐或不活泼金属的含氧酸盐,因此可为NaCl和CuSO4。
课后 巩固训练
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
1.用电解水的方法分析水的组成时,需加入一些物质以增强溶液的导电性,一般不宜加入的物质是(　　)
A.NaNO3 B.KCl C.H2SO4 D.KOH
B
解析　所加入电解质只能增大溶液的导电性,不能参与电极反应,否则会影响H2和O2的生成。加入NaNO3,增大溶液浓度,导电性增强,且不影响H2和O2的生成,A不符合题意;加入KCl,电解KCl溶液时阳极放出氯气,阴极产生氢气,不是电解的水,B符合题意;加入H2SO4,电解溶液时阴极析出氢气,阳极产生氧气,是电解的水,C不符合题意;加入KOH增大溶液浓度,导电性增强,且不影响H2和O2的生成,D不符合题意。
2.用惰性电极电解物质的量浓度相同、体积比为3∶1的硫酸铜和氯化钠的混合溶液,不可能发生的反应有(　　)
C
3.用如图所示装置以石墨为电极电解氯化铜溶液,Y电极上产生能使湿润的淀粉-碘化钾试纸变蓝的黄绿色气体。下列判断正确的是(　　)
A.a为电源正极
B.X电极质量增加
C.Y电极若换成Cu,反应中该电极质量不变
D.X电极表面发生氧化反应
B
解析　Y电极上产生能使湿润的淀粉-碘化钾试纸变蓝的黄绿色气体,即产生氯气,则Y电极为阳极,与Y电极相连的b为电源正极,X电极为阴极,与X电极相连的a为电源负极。根据分析可知a为电源负极,故A错误;X电极为阴极,铜离子在阴极被还原生成铜单质,所以X电极质量增加,故B正确;Y电极为阳极,若换成Cu,则Cu被氧化生成铜离子,电极质量减小,故C错误;X电极为阴极,Cu2+在电极表面得电子发生还原反应,故D错误。
4.(2024·浙江绍兴高二期末)如图所示电解池Ⅰ和Ⅱ中,a、b、c、d均为铂电极,在电解过程中b电极上有气体逸出,d电极的质量增大。下列符合上述实验结果的一项是(　　)
D
选项 X Y
A AgNO3 Na2CO3
B Cu(NO3)2 Pb(NO3)2
C FeSO4 Al2(SO4)3
D MgSO4 CuSO4
解析　A项,b电极上Ag+放电生成固体银,d电极上水电离出的H+放电生成H2,不符合题意;B项,b电极上Cu2+放电生成固体铜,d电极上Pb2+放电生成固体铅,不符合题意;C项,b电极上Fe2+放电生成固体铁,d电极上水电离出的H+放电生成氢气,不符合题意;D项,b电极上水电离出的H+放电生成氢气,d电极上Cu2+放电生成固体铜,d电极的质量增大,符合题意。
B
6.用石墨作电极电解0.1 mol·L-1的CuSO4溶液,当有0.4 mol电子通过电路时,发现阴极增重6.4 g,则要使电解后的溶液恢复到电解前状态,则可向电解后的溶液中加入(　　)
A
7.甲、乙两个相同的电解槽,如图所示连接a、b、c、d均为铂电极,通电后发现a极板处有气体放出,c极板质量增加,则以下说法中正确的是(　　)
A.甲槽中溶液是H2SO4,乙槽中溶液是NaOH
B.甲槽中溶液是NaOH,乙槽中溶液是AgNO3
C.甲槽中溶液是AgNO3,乙槽中溶液是CuSO4
D.甲槽中溶液是CuSO4,乙槽中溶液是H2SO4
B
解析　由图示可知a、b、c、d分别为电解池的阴极、阳极、阴极、阳极。a极板有气体放出,则该气体为氢气,c极板质量增加,该物质是金属活动顺序表中氢后金属,因此,甲中电解质可以是含氧酸、无氧酸、强碱、活泼金属含氧酸盐、活泼金属无氧酸盐,乙中电解质可以是不活泼金属含氧酸盐、不活泼金属无氧酸盐。只有B项符合。
8.如图所示,A、B、C、D均为石墨电极,E、F分别为短周期相邻两种活泼金属元素的单质,且E能与NaOH溶液反应,甲池与乙池溶液的体积均为400 mL。按图示接通电路,反应一段时间。
(1)甲池是　　　　　(填“原电池”或“电解池”)装置。
(2)C极为　　　　(填“阴极”或“阳极”),电极反应式为　　　　　　　　　　。
(3)烧杯中溶液会变蓝的是　　　　(填“a”或“b”)。
(4)甲池中总反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　 。
(5)若反应5 min时,甲池中一电极质量增加1.28 g,则此时溶液的pH为　　　　(假设反应前后溶液体积无变化)。
电解池
阳极
2Cl--2e-===Cl2↑
a
1
B级　素养培优练
选择题有1个或2个选项符合题意
9.(2024·福建三明一中月考)图甲是一种利用微生物将废水中的尿素[CO(NH2)2]转化为环境友好型物质的原电池装置示意图,利用该电池给图乙装置中的铁上镀铜。下列说法正确的是(　　)
A.图乙中Fe电极应与图甲中的Y相连
B.图甲中H+透过质子交换膜由右向
左移动
C.图甲中M电极反应为CO(NH2)2+
5H2O-14e-===CO2↑+2NO2↑+14H+
D.当图甲中M电极消耗0.5 mol尿素时,图乙中Fe电极增重96 g
D
10.如图甲所示的电解池中,Pt电极位于所含Cu(NO3)2和AgNO3均为0.05 mol·L-1的电解液中,图乙是该电解过程中转移电子数与阴极质量的变化关系图。下列说法错误的是(　　)
A.过程Ⅰ,在阴极上析出
金属银
B.过程Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,溶液
的pH均降低
C.过程Ⅱ,阳极上有氧气放出
D.过程Ⅱ析出固体的质量是过程Ⅰ析出固体的质量的2倍
D
11.Ⅰ.如图所示,E为浸过含酚酞的Na2SO4溶液的滤纸。A、B分别为铂片,压在滤纸两端,R、S为电池的电极。M、N是用多微孔的Ni制成的电极,在碱溶液中可视为惰性电极。G为电流计,K为开关。C、D和电解池中都充满浓KOH溶液。若在滤纸中央滴一滴紫色的KMnO4溶液,将开关K打开,接通电源一段时间后,C、D中有气体产生。
请回答下列问题:
(1)R为　　　　(填“正”或“负”)极。
(2)通电一段时间后,M电极对应的电解质溶液的pH　　　　(填“变大”“变小”或“不变”);B附近发生的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　 。
(3)滤纸上的紫色点向　　　　(填“A”或“B”)方向移动。
(4)当C、D中的气体产生到一定量时,切断外电源并接通开关K,经过一段时间后,C、D中的气体逐渐减少,C中的电极为　　　　(填“正”或“负”)极,电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 。
负
变大
2H2O-4e-===O2↑+4H+
B
负
2H2+4OH--4e-===4H2O或H2+2OH--2e-===2H2O
Ⅱ.通过NOx传感器可监测NOx的含量,其工作原理示意图如下:
(5)Pt电极上发生的是　　　　反应(填“氧化”
或“还原”)。
(6)写出NiO电极的电极反应式:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
还原
2NO-4e-+2O2-===2NO2或NO-2e-+O2-===NO2
解析　(5)由图可知,Pt电极上,O2转化为O2-,发生还原反应;(6)由图可知,NiO电极上NO转化为NO2,电极反应式为2NO-4e-+2O2-===2NO2或NO-2e-+O2-===NO2。

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