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第二节　电解池
第1课时　电解原理
素养·目标定位
目 标 素 养
1.了解电解池的构造,能分析、解释电解池的工作原理
2.会写电解池的电极反应式和总反应方程式
3.认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用
4.能够运用电子守恒的观点进行电化学计算
5.能设计简单的电解池,能利用电解原理防护金属
知 识 概 览
课前·基础认知
一、电解CuCl2溶液
1.按图所示装置完成实验,并填写表格。
实验现象 实验结论
电流表指针发生偏转 说明电解质溶液导电,形成闭合回路
与负极相连的b极上逐渐覆盖了一层红色物质 析出金属铜
与正极相连的a极上产生刺激性气味的气体,能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝 产生了氯气
2.实验原理分析。
(1)氯化铜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运动,即
Cl-、OH-移向a极,Cu2+、H+移向b极。
(3)a极的电极反应式是2Cl--2e-===Cl2↑,b极的电极反应式是Cu2++2e-===Cu,总反应式是CuCl2 Cu+Cl2↑。
(4)结论:电解质溶液的导电过程,就是电解质溶液的电解过程。
3.电解的定义。
使电流通过电解质溶液(或熔融电解质)而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程。
微思考电解质溶液导电与金属导电有什么不同
提示:电解质溶液导电实际上是电解过程,发生氧化还原反应,是化学变化。金属导电是因为在外加电场作用下,自由电子发生定向移动,是物理变化。
微判断(1)电解与电离均需要通电才可发生。(　　)
(2)电解CuCl2溶液,Cu2+放电发生氧化反应。(　　)
(3)用石墨电极电解CuCl2溶液,阳极逸出的气体能够使湿润的蓝色石蕊试纸最终变为红色。(　　)
(4)电解质溶液导电时,一定会有化学反应发生。(　　)
(5)电解CuCl2溶液过程中发生的是放热反应。(　　)
√
×
×
×
×
二、电解池
1.定义。
将电能转化为化学能的装置,也称电解槽。
2.构成条件。
(1)两个电极:
阳极——与电源正极连接;
阴极——与电源负极连接。
(2)电解质溶液或熔融电解质。
(3)直流电源。
(4)用导线连接形成闭合回路。
3.装置中电子和离子的移动方向。
(1)电子:从电源负极流出后,流向电解池阴极;从电解池的阳极流出后流向电源的正极。
(2)离子:阳离子移向电解池的阴极,阴离子移向电解池的阳极。
微训练如图所示是电解稀盐酸的装置,其中c、d为石墨电极。试回答下列问题:
(1)a电极为　　　　,b电极为　　　　　。
(2)c电极为　　　　　　,电极反应式为
　 , 发生了　　　　反应。
d电极为　　　　　 　,电极反应式为
, 发生了　　　　反应。
(3)电解过程中,H+向　　(填“阴”或“阳”,下同)极移动,Cl-向
　　极移动。电解总方程式为　 。
正极
负极
阳极
2Cl--2e-═Cl2↑
氧化
阴极
2H++2e-═H2↑
还原　
阴
阳
2HCl H2↑+Cl2↑
课堂·重难突破
一、电解原理
问题探究
外接电源的电能,借助电解池将还原剂的电子转移给氧化剂。与原电池不同,电解池中发生的氧化还原反应可以是非自发的,通过外接电源提供的电能迫使反应发生。
如何实现反应:Cu+H2SO4===CuSO4+H2↑
提示:用铜作电极,用稀硫酸作电解质溶液,通过电解池实现。
归纳总结
1.电解原理示意图。
2.电解池的阴极、阳极的判断方法。
3.电解时电极产物的判断。
4.原电池与电解池的比较。
装置类别 原电池 电解池
原理 使氧化还原反应中电子的转移定向移动,从而形成电流 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
装置
特点 将化学能转化成电能 将电能转化成化学能
装置类别 原电池 电解池
实例
电极名称 负极 正极 阴极 阳极
反应类型 氧化反应 还原反应 还原反应 氧化反应
装置类别 原电池 电解池
反应
特征 自发的氧化还原反应
(主动) 借助电流(被动)
电极
判断 由电极本身决定。
正极:流入电子;
负极:流出电子 由外接电源决定。
阳极:与电源正极相连;
阴极:与电源负极相连
电子
流向 由负极经导线流入正极 由外接电源负极经导线流入电解池阴极;由电解池阳极经导线流入外接电源正极
离子
移动 阳离子向正极移动;
阴离子向负极移动 阳离子向阴极移动;
阴离子向阳极移动
典型例题
【例1】 电解原理在化学工业中有广泛的应用。如图所示为一电解池装置,U形管内装有电解液c,A、B是两块电极板,通过导线与直流电源相连。
(1)若A、B都是惰性电极,电解质溶液c是饱和NaCl溶液,实验开始时,同时在U形管两边各滴入几滴酚酞溶液,试判断:
①a电极是　　(填“正”或“负”)极,B电极是　　(填“阴”或“阳”)极;
②A电极上的电极反应式为　　　　　　　　,B电极上的电极反应式为　 　;
③检验A电极上产物的方法是__________________________ _______________________________________________。
正
阴
2Cl--2e-═Cl2↑
2H2O+2e-═H2↑+2OH-
把湿润的淀粉碘化钾试纸放在A电极附近,试纸变蓝,则证明A电极上的产物为氯气
(2)若图示装置为用惰性电极电解CuSO4溶液的装置,其中阴极上析出Cu的质量为3.2 g,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1 L,则溶液的pH约为　　　　　　　。
0.56 L
1
二、电解规律
问题探究
实验1:将两根石墨棒分别插进U形管内的CuCl2溶液中,如图①。
实验2:将两根石墨棒用导线连接后,浸入U形管内的CuCl2溶液中,如图②。
实验3:将两根石墨棒分别跟直流电源的正极和负极相连接,浸入U形管内的CuCl2溶液中,再接通直流电,如图③。过一段时间后,再把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与直流电源正极相连的电极附近。
1.实验1、实验2和实验3的现象有什么不同 实验3的两个电极的现象是什么
提示:实验1和实验2中均无明显现象。实验3中石墨棒上有Cu析出,且有能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝的气体生成。
2.实验3中CuCl2溶液中通电前离子如何运动 通电后离子如何运动 根据实验现象和氯化铜溶液的组成成分以及原有知识分析推断两极生成物的名称。
提示:通电前CuCl2溶液中的Cu2+、Cl-等自由运动。通电后Cu2+和Cl-发生了定向移动。根据实验现象可知,与电源负极相连的一极有Cu生成,与电源正极相连的一极有Cl2生成。
3.溶液中有多种离子时,怎样判断电极产物
提示:根据阳离子放电顺序判断阴极产物,根据电极材料和阴离子放电顺序判断阳极产物。
归纳总结
1.电极反应规律及电解产物的判断。
电解池中的电解产物,与溶液中的离子的放电顺序有关,阳极产物还与电极材料有关。
(1)阳极产物。
①若阳极为活性金属电极,则金属失电子溶解,一般生成相应金属阳离子(Fe生成Fe2+而不是生成Fe3+),此时溶液中的离子不放电。
②若阳极为惰性电极(Pt、C等),则溶液中的离子放电,放电的一般顺序是S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子>F-,即在水溶液中含氧酸根离子和F-不放电,阳极产物一般为对应非金属单质。
(2)阴极产物。
阴极产物与电极材料无关,直接根据阳离子放电顺序进行判断。一般放电顺序是Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。
阳离子放电后的产物一般是相应单质,但是在水溶液中Fe3+放电后的产物一般是Fe2+。
离子的放电顺序也不是绝对的,放电情况与离子性质、溶液浓度、电流和电极材料等有关。
①K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+在水溶液中不放电,要使这些离子放电,需电解熔融电解质,如熔融NaCl、熔融MgCl2、熔融Al2O3等。
②在水溶液中,当H+浓度较小时,放电能力Zn2+>H+;当H+浓度较大时,放电能力H+>Zn2+。
电解质特点 含氧酸 可溶性强碱 活泼金属含氧酸盐
举例 H2SO4 NaOH Na2SO4
pH变化 减小 增大 不变
电解质溶液
复原的方法 加入H2O
2.电解后溶液的复原规律。
用惰性电极电解下列酸、碱、盐溶液。
(1)电解水型。
(2)电解电解质型。
电解质特点 无氧酸 不活泼金属无氧酸盐
举例 HCl CuCl2
阳极反应式 2Cl--2e-===Cl2↑
阴极反应式 2H++2e-===H2↑ Cu2++2e-===Cu
pH变化 增大 —
电解质溶液
复原的方法 通入HCl 加入CuCl2
电解质特点 活泼金属无氧酸盐 不活泼金属含氧酸盐
举例 NaCl CuSO4
阳极反应式 2Cl--2e-===Cl2↑ 4OH--4e-===O2↑+2H2O
阴极反应式 2H++2e-===H2↑ 2Cu2++4e-===2Cu
pH变化 增大 减小
电解质溶液
复原的方法 通入HCl 加入CuO
(3)电解质和水都发生电解型。
典型例题
【例2】 如图中X、Y分别是直流电源的两极,通电后发现a电极质量增大,b电极处有无色无味气体放出,符合这一情况的是表中的(　　)。
选项 a b X 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
A
解析:由a电极质量增大可知溶液中阳离子在a电极析出,则a为阴极,X为负极,由b电极有无色无味气体放出,故A项符合。
(1)电解池的阴极不管是惰性电极(Pt、石墨)还是活性电极,都是电解质溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电,电极本身不可能溶解。 (2)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)。 (3)电解质溶液恢复原状的方法:少什么加什么,少多少加多少。
成果验收站　
1.下列有关电解池的说法正确的是(　　)。
A.在电解池中与外接电源负极相连的电极是阳极
B.电解任何物质,阳极上失电子数与阴极上得电子数相等
C.电解氯化铜溶液时在阴极上有黄绿色气体生成
D.电解NaCl、CuCl2两种溶液时参加反应的物质是相同的
解析:在电解池中,与外接电源负极相连的是阴极,A项错误。电解氯化铜溶液时阳极上有氯气生成,阴极上有铜析出,C项错误。电解NaCl溶液时阴极得到的是H2和NaOH,而电解CuCl2溶液时阴极得到的是Cu,D项错误。
B
2.某学生欲完成反应2HCl+2Ag===2AgCl+H2↑,设计了下列四个装置,你认为可行的是(　　)。
C
解析:反应不能自发进行,应设计成电解池,金属银失电子作阳极,与电源的正极相连。
3.某研究所通过固体氧化物电解池,实现了CH4/CO2的电化学重整制合成气,装置图如下图。下列说法正确的是(　　)。
A.a极为电源的负极
B.N极上发生氧化反应
C.M极的电极反应式为CH4-2e-+O2-===
CO+2H2
D.电路中通过2 mol电子,阴、阳两极得到
CO的质量共为28 g
C
解析:由装置原理图可知,O2-由N极移向M极,故M极为阳极,发生氧化反应,则a极为电源的正极,A、B项错误。M极作阳极,根据题图中反应物和生成物可知阳极电极反应式为CH4-2e-+O2-═CO+2H2,C项正确。每转移2 mol电子,两极均产生1 mol CO,即阴、阳两极共得到2 mol(56 g)CO,D项错误。
4.某学习小组用如图所示装置进行相关电解实验,下列说法正确的是(　　)。
A.该装置中电子移动方向:负极→石墨1
→X溶液→石墨2→正极
B.若X是Na2SO4,电解一段时间后,向U形
管两端滴入酚酞溶液,只有石墨1电极附近的溶液呈红色
C.若X是AgNO3,电解一段时间后,电解液的氧化性减弱
D.若X是NaOH,石墨2的电极反应式为2H2O-4e-═4H++O2↑
B
解析:电子不能经过电解质溶液或熔融的电解质,A项错误。若X是Na2SO4,则阴极即石墨1上电极反应为2H2O+2e-═H2↑+2OH-,阳极即石墨2上电极反应为2H2O-4e-═O2↑+4H+,故电解一段时间后,向U形管两端滴入酚酞溶液,只有石墨1电极附近的溶液呈红色,B项正确。若X是AgNO3,则阴极即石墨1上电极反应为2Ag++2e-═2Ag,阳极即石墨2上电极反应为2H2O-4e-═O2↑+4H+,电解一段时间后,电解液由AgNO3变为HNO3和AgNO3的混合液,由于HNO3的氧化性强于AgNO3,即电解液的氧化性增强,C项错误。若X是NaOH,石墨2即阳极,阳极发生氧化反应,该电极反应式为4OH--4e-═2H2O+O2↑,D项错误。

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