高中化学选修四 电解池的工作原理.docx
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高中化学选修四电解池的工作原理
第3课时 电解池的工作原理
[学习目标定位] 1.会描述电解池的工作原理,能正确书写电解池的电极反应式和电解反应方程式。
2.熟悉电解规律和电解产物的判断方法。
一 电解池的工作原理
1.如图为工业上电解熔融氯化钠生产金属钠的装置示意图。
容器中盛有熔融的氯化钠,两侧分别插入石墨片和铁片作为电极材料,两个电极分别与电源的正极和负极相连。
(1)通电前,熔融NaCl中存在的微粒有Na+、Cl-,这些微粒的运动状态是自由移动。
(2)通电后离子运动方向:
阳离子Na+(填离子符号)移向铁电极,发生还原反应;阴离子Cl-(填离子符号)移向石墨电极,发生氧化反应。
电极上发生的变化是①铁电极:
2Na++2e-===2Na;②石墨电极:
2Cl--2e-===Cl2↑。
(3)由以上分析可知:
熔融的NaCl在直流电源作用下发生了氧化还原反应,分解生成了Na和Cl2。
2.电解和电解池
(1)电解是在直流电作用下,在两个电极上发生氧化还原反应的过程。
(2)电解池是将电能转化为化学能的装置。
(3)电极名称
阴极:
与电源负极相连的电极,发生还原反应;
阳极:
与电源正极相连的电极,发生氧化反应。
(4)根据以上分析,你认为构成电解池的条件有哪些?
答案 电解池的构成条件:
具有与直流电源相连接的两个电极(阴极、阳极),插入电解质溶液或熔融电解质中,形成闭合回路。
归纳总结
原电池的工作原理
(1)电解池的工作原理示意图
(2)电解质导电的过程就是电解质的电解过程。
1.如下图所示装置中,属于电解池的是( )
答案 C
解析 判断某装置是否为电解池,要以构成电解池的三个基本条件为标准。
构成电解池的三个条件:
①有与直流电源相连的两个电极;②有电解质溶液或熔融态电解质;③能形成闭合回路。
2.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移动形成的
B.金属导线中,电子从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,阳离子在阴极上得到的电子数与阴离子在阳极上失去的电子数相等
答案 D
二 酸、碱、盐溶液的电解规律
1.按如图所示装置完成实验,并回答下列问题:
(1)实验过程中,观察到的现象是
①电流计指针发生偏转;②与负极相连的b极上逐渐覆盖了一层红色物质;③与正极相连的a极一侧有刺激性气味的气体产生,能使湿润的淀粉KI试纸变蓝。
(2)实验结论是电解质CuCl2溶液在导电过程中,有铜析出,有氯气生成。
(3)实验原理分析
①氯化铜溶液中的电离过程有a.CuCl2===Cu2++2Cl-,b.H2OH++OH-;溶液中存在的离子有Cu2+、Cl-、H+、OH-,通电前,这些离子在溶液中自由移动。
②通电时,在电场的作用下,溶液中的离子做定向移动,即Cl-、OH-趋向a极,Cu2+、H+趋向b极。
③a极电极反应式是2Cl--2e-===Cl2↑,b极电极反
应式是Cu2++2e-===Cu,电解反应方程式是CuCl2
Cu+Cl2↑。
2.有下列两组离子:
①Cu2+、Na+、H+、Ag+;②Cl-、I-、SO
、OH-。
用惰性电极电解时,移向阳极的是②(填序号),放电先后顺序是I->Cl->OH->SO
;移向阴极的是①(填序号),放电先后顺序是Ag+>Cu2+>H+>Na+。
3.用惰性电极电解下列酸、碱、盐电解质溶液:
①H2SO4;②HCl;③NaOH;④Na2SO4;⑤CuCl2;⑥NaCl;⑦CuSO4。
回答下列问题:
(1)阴极反应式与①相同的有②③④⑥(填序号,下同),其电极反应式是2H++2e-===H2↑;与⑤相同的有⑦,其电极反应式是Cu2++2e-===Cu。
(2)阳极反应式与①相同的有③④⑦,其电极反应式是4OH--4e-===O2↑+2H2O;与②相同的有⑤⑥,其电极反应式是2Cl--2e-===Cl2↑。
(3)写出下列电解反应的化学方程式:
③2H2O
2H2↑+O2↑;
⑥2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑;
⑦2CuSO4+2H2O
2H2SO4+2Cu+O2↑。
(4)只是水发生电解的是①③④,只是电解质本身发生电解的是②⑤,电解质和水都发生电解的是⑥⑦。
(5)电解后溶液的pH显著增大的是②③⑥,减小的是①⑦,不变的是④⑤。
(6)欲使电解的溶液复原,只加入水的是①③④,只加入电解质本身的是②⑤;欲使电解后的⑥复原需通入HCl气体,欲使电解后的⑦复原需加入CuO。
归纳总结
1.分析电解问题的基本方法思路
(1)通电前:
电解质溶液中含有哪些阴、阳离子(包括水电离出的H+和OH-)。
(2)通电时:
阴离子移向阳极,阳离子移向阴极,结合放电顺序分析谁优先放电(注意活泼金属作阳极时优先放电)。
(3)正确书写电极反应式,要注意原子数、电荷数是否守恒。
(4)能结合题目要求分析电解时的各种变化情况,如两极现象、水的电离平衡移动、离子浓度的变化、pH变化等。
2.电极反应规律
(1)阴极:
无论是惰性电极还是活性电极都不参与电极反应,发生反应的是溶液中的阳离子。
阳离子放电顺序:
Ag+>Cu2+>H+>Pb2+>Fe2+>Zn2+……
(2)阳极:
溶液中还原性强的阴离子失去电子被氧化,或者电极材料本身失去电子被氧化而溶入溶液中。
其放电顺序:
金属阳极>S2->I->Cl->OH->含氧酸根。
3.惰性电极电解规律
类型
电解质溶液
电极反应特点
电解水型
含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐溶液
阴极:
4H++4e-===2H2↑
阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑
电解电解质型
无氧酸、不活泼金属的无氧酸盐溶液
电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电
放H2
生碱型
活泼金属(K、Ca、Na)的无氧酸盐
阴极:
放出H2生成碱
阳极:
电解质阴离子放电
放O2生酸型
不活泼金属的含氧酸盐溶液
阴极:
电解质阳离子放电
阳极:
OH-放电生成酸
3.用惰性电极电解AgNO3溶液,下列说法不正确的是( )
A.电解过程中阴极质量不断增加
B.电解过程中溶液的pH不断降低
C.此时向溶液中加入适量的Ag2O固体可使溶液恢复到电解前的状况
D.电解后两极产生的气体体积比为2∶1
答案 D
解析 解决有关电解问题首先注意电极材料,在此基础上写出电极反应式和电解反应方程式,根据电解反应方程式来分析电解前后的物质变化和溶液浓度变化,分析溶液的pH变化必须注意原溶液的pH情况。
用惰性电极电解AgNO3溶液,电解反应方程式为4AgNO3+2H2O
4Ag+O2↑+4HNO3。
阴极上析出Ag,阳极上放出O2,故A正确、D错误;由于生成HNO3溶液,pH应不断降低,B正确;要使溶液恢复到电解前的状况要看加入的物质在溶液中的反应:
2Ag2O+4HNO3===4AgNO3+2H2O,得到的物质恰好是反应掉的物质,可以使溶液恢复到电解前的状况,C正确。
4.如图为直流电源电解稀Na2SO4溶液的装置。
通电后在石墨电极a和b附近分别滴加一滴石蕊溶液。
下列实验现象中正确的是( )
A.a电极附近呈红色,b电极附近呈蓝色
B.a电极附近呈蓝色,b电极附近呈红色
C.逸出气体的体积,a极的小于b极的
D.一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气味气体
答案 B
解析 a极为阴极,H2O电离出的H+放电,促进H2O的电离平衡向右移动,c(OH-)增大,石蕊溶液变蓝色,b极为阳极,H2O电离出的OH-放电,c(H+)增大,石蕊溶液变红色,A项不正确、B项正确;a极产生H2,b极产生O2,H2的体积是O2体积的2倍,故C、D项不正确。
1.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变成化学能的装置
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
答案 D
2.用惰性电极电解下列溶液,其中随着电解的进行,溶液pH逐渐减小的是( )
①氯化钠溶液 ②硫酸铜溶液 ③氢氧化钠溶液 ④稀硫酸 ⑤稀盐酸 ⑥硫酸钠溶液
A.①③⑤B.②④⑤C.②④D.②④⑥
答案 C
3.以石墨为电极,电解KI溶液(含有少量的酚酞和淀粉)。
下列说法错误的是( )
A.阴极附近溶液呈红色B.阴极逸出气体
C.阳极附近溶液呈蓝色D.溶液的pH变小
答案 D
解析 以石墨为电极,电解KI溶液,发生的反应为2KI+2H2O
2KOH+H2↑+I2(类似于电解饱和食盐水),阴极产物是H2和KOH,阳极产物是I2。
由于溶液中含有少量的酚酞和淀粉,所以阳极附近的溶液会变蓝(淀粉遇碘变蓝),阴极附近的溶液会变红(溶液呈碱性),A、B、C正确;由于电解产物有KOH生成,所以溶液的pH逐渐增大,D错误。
4.甲、乙两池电极材料都是铁棒与碳棒,请回答下列问题:
(1)若两池中均为CuSO4溶液,反应一段时间后:
①有红色物质析出的是甲池中的________棒,乙池中的________棒。
②乙池中阳极的电极反应式是___________________________________________。
(2)若两池中均为饱和NaCl溶液:
①写出乙池中总反应的离子方程式_________________________________________。
②甲池中碳棒电极上电极反应式是________________________________________,
乙池中碳棒电极上电极反应属于________(填“氧化反应”或“还原反应”)。
答案
(1)①碳(或C) 铁(或Fe) ②4OH--4e-===2H2O+O2↑
(2)①2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-
②2H2O+O2+4e-===4OH- 氧化反应
解析 甲为原电池,乙为电解池,
(1)若两池中均为CuSO4溶液,则有
甲
乙
(2)若均为NaCl溶液,则有
甲
乙
40分钟课时作业
[经典基础题]
题组1 电解池的电极名称的判断
1.关于原电池、电解池的电极名称,下列说法错误的是( )
A.原电池中失去电子的一极为负极
B.电解池中与直流电源负极相连的一极为阴极
C.原电池中相对活泼的一极为正极
D.电解池中发生氧化反应的一极为阳极
答案 C
解析 根据两池的结构与反应原理可确定,原电池中相对活泼的一极为负极。
2.电解池中,阳极的电极材料一定( )
A.发生氧化反应B.与电源正极相连
C.是铂电极D.得电子
答案 B
解析 阳极材料为活泼金属,发生氧化反应;若为惰性电极,则最易失电子的阴离子发生氧化反应。
题组2 电解原理
3.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
答案 C
解析 本题考查离子放电顺序的应用,考查学生的分析判断能力。
电解盐酸的方程式为2HCl
Cl2↑+H2↑,电解CuCl2溶液的方程式为CuCl2
Cu+Cl2↑,A选项错;电解CuSO4溶液的方程式为2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑,B选项错;电解NaBr溶液的方程式为2NaBr+2H2O
2NaOH+H2↑+Br2,D选项错。
4.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),能够使溶液恢复到原来的成分和浓度的是( )
A.AgNO3[AgNO3]B.NaOH[H2O]
C.KCl[KCl]D.CuSO4[Cu(OH)2]
答案 B
5.如图所示装置中,a、b都是惰性电极,通电一段时间后,b极附近溶液呈红色。
下列说法中正确的是( )
A.X是负极,Y是正极
B.b电极的电极反应式为Na++e-===Na
C.CuSO4溶液的pH逐渐减小
D.CuSO4溶液的pH不变
答案 C
解析 根据题意,a、b都是惰性电极,通电一段时间后,b极附近溶液呈红色,说明b极上有H2产生,电极反应式为2H++2e-===H2↑,即b为阴极,则Y为负极,X为正极,A、B错误;X为正极,则Pt作阳极,电极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑,c(OH-)不断减小,则c(H+)不断增大,溶液的pH逐渐减小,C正确,D错误。
题组3 电极反应式 电解方程式的书写
6.有关甲、乙、丙、丁四个图示的叙述正确的是( )
A.甲中负极反应式为2H++2e-===H2↑
B.乙中阳极反应式为Ag++e-===Ag
C.丙中H+向碳棒方向移动
D.丁中电解开始时阳极产生黄绿色气体
答案 C
解析 由图知,甲、丙为原电池,甲中Zn为负极,负极反应式为Zn-2e-===Zn2+,A错;丙中Fe为负极,C为正极,H+向正极移动,C正确;乙、丁为电解池,乙中Ag作阳极,本身失电子,B错;D中放电顺序:
I->Cl-,开始产生I2,D错。
7.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( )
①2Cu2++2H2O
2Cu+4H++O2↑
②Cu2++2Cl-
Cu+Cl2↑
③2Cl-+2H+
H2↑+Cl2↑
④2H2O
2H2↑+O2↑
A.①②③B.①②④C.②③④D.②④
答案 D
解析 设混合溶液中CuSO4和NaCl的物质的量分别为1mol和3mol,根据放电顺序可看作是1molCuCl2、1molNaCl和1molNa2SO4,首先是电解CuCl2溶液,Cu2++2Cl-
Cu+Cl2↑,其次电解NaCl溶液,2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑,最后电解NaOH和Na2SO4的混合液,电解方程式为2H2O
2H2↑+O2↑,故选D。
题组4 原电池、电解池的比较
8.关于下图所示①、②两个装置的叙述,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:
4OH--4e-===2H2O+O2↑,②中正极:
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
答案 B
解析 ①中有外加电源,为电解池,②为原电池,A错误;①中电解水,硫酸浓度增大,②中负极材料消耗硫酸,硫酸浓度减小,B正确;②中正极反应为2H++2e-===H2↑,C错误;②中H+向正极移动,D错误。
9.
如图中,两电极上发生的电极反应为a极:
Cu2++2e-===Cu;b极:
Fe-2e-===Fe2+。
下列说法不正确的是( )
A.装置中电解质溶液一定含有Cu2+
B.该装置一定是化学能转化为电能
C.a、b可能是同种电极材料
D.a极上一定发生还原反应
答案 B
解析 该装置既可构成原电池,也可构成电解池。
当构成原电池时,a极材料是活动性比铁差的金属或石墨,b极为铁,电解质溶液含Cu2+;当构成电解池时,a极作阴极,b极作阳极且必须是铁电极,电解液中含Cu2+。
10.将如图所示实验装置的K闭合,下列判断正确的是( )
A.Cu电极上发生还原反应
B.电子沿Zn→a→b→Cu路径流动
C.片刻后甲池中c(SO
)增大
D.片刻后可观察到滤纸b点变红色
答案 A
解析 K闭合后,Zn作原电池的负极,Cu作原电池的正极,Cu电极上发生还原反应;B选项中电子流向是由负极到正极,但a→b这一环节是溶液中的离子导电,电子并没沿此路径流动;C选项中SO
浓度基本保持不变,只是盐桥中的Cl-和K+分别向甲、乙两烧杯中移动;D选项中滤纸a点是阴极,H+放电,溶液中OH-浓度增大,显碱性,滤纸a点变红色。
[能力提升题]
11.从NO
、SO
、H+、Cu2+、Ba2+、Ag+、Cl-等离子中选出适当的离子组成电解质,采用惰性电极对其溶液进行电解。
(1)两极分别放出H2和O2时,电解质的化学式可能是
________________________________________________________________________。
(2)若阴极析出金属,阳极放出O2,电解质的化学式可能是____________________________。
(3)两极分别放出气体,且体积比为1∶1,电解质的化学式可能是__________________。
答案
(1)H2SO4、HNO3、Ba(NO3)2
(2)AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4 (3)HCl、BaCl2
解析
(1)组为电解水型,即阳极OH-放电,阴极H+放电。
(2)组阳极OH-放电,阴极排在H后的金属阳离子放电。
(3)组气体体积比为1∶1,不是电解水型,经分析可得相应答案。
12.如图X是直流电源。
Y池中c、d为石墨棒,Z池中e、f是质量相同的铜棒。
接通电路后,发现d附近显红色。
(1)①电源上b为________极(填“正”、“负”、“阴”或“阳”,下同)。
②Z池中e为________极。
③连接Y、Z池线路中,电子流动的方向是d________e(填“→”或“←”)。
(2)①写出c极上反应的电极反应式:
________________________
________________________________________________。
②写出Y池中总反应的化学方程式:
____________________________
____________________________________________
________________________________________________________________________。
③写出Z池中e极上反应的电极反应式:
___________________________
_____________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)①负 ②阳 ③←
(2)①2Cl--2e-===Cl2↑
②2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
③Cu-2e-===Cu2+
解析 d极附近显红色,说明d为阴极,电极反应式为2H++2e-===H2↑,c为阳极,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑,Y池电解NaCl溶液的总反应方程式为2NaCl+2H2O
2NaOH+Cl2↑+H2↑;直流电源中a为正极,b为负极,Z池中f为阴极,e为阳极,电极反应式分别为Cu2++2e-===Cu、Cu-2e-===Cu2+,电子流动方向由e→d。
13.如图是一个电化学过程的示意图。
已知甲池的总反应式为2CH3OH+3O2+4KOH
2K2CO3+6H2O。
(1)请回答图中甲、乙两池的名称。
甲池是________装置,乙池是________装置。
(2)请回答下列电极的名称:
通入CH3OH的电极名称是________,B(石墨)电极的名称是________。
(3)写出下列电极反应式:
通入O2电极:
_____________________
___________________________________________________;
A(Fe)电极:
___________________________
_____________________________________________。
(4)乙池中反应的化学方程式为__________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)原电池 电解池
(2)负极 阳极
(3)O2+4e-+2H2O===4OH-
4Ag++4e-===4Ag
(4)4AgNO3+2H2O
4Ag+O2↑+4HNO3
解析 根据题意,甲池是一个燃料电池,则乙池为电解池,在甲池中CH3OH发生氧化反应,为原电池的负极,O2发生还原反应,为原电池的正极,A与CH3OH极相连,为电解池的阴极,B为阳极,电极反应式为
甲池:
负极:
2CH3OH-12e-+16OH-===2CO
+12H2O
正极:
3O2+12e-+6H2O===12OH-
乙池:
阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑
阴极:
4Ag++4e-===4Ag
总反应:
4AgNO3+2H2O
4Ag+O2↑+4HNO3。
14.某温度下,取一定质量的硫酸铜溶液,用石墨作电极进行电解,当阳极产生标准状况下气体1.12L时,CuSO4恰好被完全电解,得到密度为1.2g·cm-3的溶液200mL。
求:
(1)阴极的电极反应式为__________________________
______________________________________________。
总反应的离子方程式为___________________________
_____________________________________________。
(2)电解后所得溶液的pH为________。
(3)若要使电解后所得溶液恢复至电解前的原状态,需要加入何种物质(只要求写出一种),其化学式为________,加入物质的质量为________g。
答案
(1)Cu2++2e-===Cu 2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+
(2)0 (3)CuO 8(或CuCO3 12.4)
解析 由n(O2)=0.05mol可知通过的电子n(e-)=0.2mol,产生的n(H+)=0.2mol,原CuSO4的物质的量为n(CuSO4)=0.1mol,电解消耗的H2O为0.1mol即1.8g。
(2)c(H+)=
=1mol·L-1,pH=0。
(3)电解产物是0.1molCu和0.05molO2,加入0.1mol(8g)CuO或0.1mol(12.4g)CuCO3均可使溶液恢复到原状态。
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