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电解原理及其应用

年级

高三

学科

化学

内容标题

电解原理及其应用

编稿老师

王岭

【本讲教育信息】

一.教学内容：

电解原理及其应用

二.重点、难点：

1.使学生理解电解原理，初步掌握一般电解反应产物的判断方法。

2.使学生了解铜的电解精炼和电镀铜的原理。

3.了解氯碱工业反应原理：

正确书写电极反应方程式和电解的总化学方程式。

4.初步了解电解槽的简单结构及食盐水的精制。

5.常识性介绍以氯碱工业为基础的化工生产。

三.具体内容：

（一）电解原理

1.电解的概念

使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫做电解。

注意：

①电流必须是直流而不是交流。

②熔融态的电解质也能被电解。

思考题：

在电解反应中，化学能与电能之间的转化关系是什么？

答案：

电能转化为化学能。

2.电解池的概念

借助于电流引起氧化还原反应的装置，也就是把电能转变为化学能的装置叫做电解池或电解槽。

3.构成电解池的条件

（1）直流电源。

（2）两个电极。

其中与电源的正极相连的电极叫做阳极，与电源的负极相连的电极叫做阴极。

（3）电解质溶液或熔融态电解质。

4.电解质导电的实质

对电解质溶液（或熔融态电解质）通电时，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，电解质的阳离子移向阴极得电子发生还原反应；电解质的阴离子移向阳极失去电子（有的是组成阳极的金属原子失去电子）发生氧化反应，电子从电解池的阳极流出，并沿导线流回电源的正极。

这样，电流就依靠电解质溶液（或熔融态电解质）里阴、阳离子的定向移动而通过溶液（或熔融态电解质），所以电解质溶液（或熔融态电解质）的导电过程，就是电解质溶液（或熔融态电解质）的电解过程。

5.电解原理：

电解氯化铜（如图）

（1）实验步骤

第一步：

如图甲所示，把两根石墨棒插入U形管里的CuCl2溶液内，观察现象。

　　第二步：

如图乙所示，把用导线连接在一起的两根石墨插入U形管里的CuCl2溶液内，观察现象。

　　第三步：

如图丙所示，将两根石墨棒、一只电流表和低压直流电源串联起来，将石墨棒插入U形管里的CuCl2溶液内，接通电源。

把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与电源正极相连的电极附近。

观察现象，约5min后切断电源。

（2）实验现象

在第一步和第二步中均无新现象发生。

在第三步实验中，电流表的指针发生偏转；阴极石墨棒周围CuCl2溶液绿色变深，阳极石墨棒周围CuCl2溶液绿色变浅；阴极石墨棒上逐渐覆盖了一层红色固体，阳极石墨棒上有气泡放出，并可闻到刺激性的气味，同时看到湿润的碘化钾淀粉试纸变为蓝色。

（3）实验结论

在通直流电的条件下，溶液里的CuCl2发生了分解反应：

CuCl2

Cu＋Cl2↑

Cu生成于阴极的石墨棒上，Cl2生成于阳极的石墨棒上。

（4）原理分析

CuCl2是强电解质且易溶于水，在水溶液中电离生成Cu2＋和Cl－。

CuCl2=Cu2＋＋2Cl－　　

通电前，Cu2＋和Cl－在水里自由地移动着；通电后，这些自由移动着的离子，在电场作用下，改作定向移动。

溶液中带正电的Cu2＋向阴极移动，带负电的氯离子向阳极移动。

在阴极，铜离子获得电子而还原成铜原子覆盖在阴极上；在阳极，氯离子失去电子而被氧化成氯原子，并两两结合成氯分子，从阳极放出。

阴极：

Cu2＋＋2e－=Cu

阳极：

2Cl－－2e－=Cl2↑

电解CuCl2溶液的化学反应方程式：

CuCl2

Cu＋Cl2↑

（5）电解质水溶液电解反应的综合分析

在上面叙述氯化铜电解的过程中，没有提到溶液里的H＋和OH－，其实H＋和OH－虽少，但的确是存在的，只是他们没有参加电极反应。

也就是说在氯化铜溶液中，除Cu2＋和Cl－外，还有H＋和OH－，电解时，移向阴极的离子有Cu2＋和H+，因为在这样的实验条件下

Cu2＋比H+容易得到电子，所以Cu2＋在阴极上得到电子析出金属铜。

移向阳极的离子有OH－和Cl－，因为在这样的实验条件下，Cl－比OH－容易失去电子，所以Cl－在阳极上失去电子，生成氯气。

说明：

①阳离子得到电子或阴离子失去电子而使离子所带电荷数目降低的过程又叫做放电。

　　②用石墨、金、铂等还原性很弱的材料制做的电极叫做惰性电极，理由是它们在一般的通电条件下不发生化学反应。

用铁、锌、铜、银等还原性较强的材料制做的电极又叫做活性电极，它们做电解池的阳极时，先于其他物质发生氧化反应。

③在一般的电解条件下，水溶液中含有多种阳离子时，它们在阴极上放电的先后顺序是：

Ag＋＞Hg2＋＞Fe3+＞Cu2＋＞（H+）＞Fe2＋＞Zn2＋；水溶液中含有多种阴离子时，它们的惰性阳极上放电的先后顺序是：

S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞（F－、NO3－、SO42－等）

（6）以惰性电极电解电解质水溶液，分析电解反应的一般方法步骤为：

①分析电解质水溶液的组成，找全离子并分为阴、阳两组；

②分别对阴、阳离子排出放电顺序，写出两极上的电极反应式；

③合并两个电极反应式得出电解反应的总化学方程式或离子方程式。

（二）电解原理的应用。

1.铜的电解精炼

（1）电解法精炼铜的装置（如图）

（2）电解法精炼铜的化学原理

阳极（粗铜）：

Cu－2e－=Cu2＋

阴极（纯铜）：

Cu2＋＋2e－=Cu

　　说明：

①以铜为材料做的电极属于活性电极。

在一般的电解条件下，活性阳极先于电解质溶液中的成分发生氧化反应。

②粗铜中往往含有锌、铁、镍、银、金等多种杂质，当含杂质的铜在阳极不断溶解时，位于金属活动性顺序铜以前的金属杂质如Zn、Fe、Ni等，也会同时失去电子，如：

Zn－2e－=Zn2＋

Ni－2e－=Ni2＋

　　但是它们的阳离子比铜离子难以还原，所以它们并不在阴极获得电子析出，而只是留在电解液里。

而位于金属活动性顺序铜之后的银、金等杂质，因为给出电子的能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子溶解下来，当阳极上的铜失去电子变成离子溶解之后，它们以金属单质的形式沉积在电解槽底，形成阳极泥（阳极泥可作为提炼金、银等贵重金属的原料）

③用电解精炼法所得到的铜叫做电解铜，它的纯度可达到99.95%～99.98%。

2.电镀

（1）电镀的涵义

电镀是应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过程。

（2）电镀的目的

电镀的目的主要是使金属增强抗腐蚀能力、增加美观和表面硬度。

（3）电镀的原理

电镀的原理与电解精炼铜的原理是一致的。

电镀时，一般都是用含有镀层金属离子的电解质配成电镀液；把待镀金属制品浸入电镀液中与直流电源的负极相连，作为阴极；用镀层金属作为阳极，与直流电源正极相连。

通入低压直流电，阳极金属溶解在溶液中成为阳离子，移向阴极，这些离子在阴极获得电子被还原成金属，覆盖在需要电镀的金属制品上。

3.氯碱工业

（1）电解饱和食盐水反应原理

①实验步骤

按图装置，在U形管里倒入饱和食盐水，插入一根石墨棒作阳极，一根铁棒作阴极。

同时在两边管中各滴入几滴酚酞试液，并用湿润的碘化钾淀粉试纸检验阳极放出的气体。

接通直流电源后，注意管内发生的现象。

②实验现象

　　阳极上有气泡逸出，气体呈黄绿色，有刺激性气味，使湿润的碘化钾淀粉试纸变为蓝色，阳极区溶液由无色变为黄绿色。

阴极上有气泡逸出，气体无色、无味。

阴极区溶液由无色变为浅红色，红色逐渐加深、区域逐渐扩大。

③实验结论

用惰性材料作阳极，电解食盐的饱和溶液，生成Cl2、H2和NaOH。

阳极：

2Cl－－2e－=Cl2↑（放电顺序：

Cl－>OH－）

阴极：

2H＋＋2e－=H2↑（放电顺序：

H＋>Na＋）

　　在上述反应中，由于H+在阴极上得到电子而生成H2，破坏了附近的水的电离平衡，促进了水继续电离，结果阴极区溶液里OH－的浓度增大而呈现碱性。

（2）离子交换膜法制烧碱

①离子交换膜电解槽的组成

　　由阳极（金属钛网）、阴极（碳钢网）、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。

下图表示一个单元槽的示意图。

②阳离子交换膜的作用

　　将电解槽隔成阴极室和阳极室，它只允许阳离子（Na＋）通过，而阻止阴离子（Cl－、OH－）和气体通过。

这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH作用生成NaClO而影响烧碱的质量。

（3）离子交换膜法电解制烧碱的主要生产流程（如下图）

离子交换膜法电解制碱的主要生产流程

（4）食盐的精制

1粗盐的成分:

粗盐中的主要成分是NaCl，此外还含有泥沙、Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、

SO42－杂质。

这样的粗盐不符合电解要求，因此必须经过精制。

②杂质的危害：

Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋等金属离子在碱性环境中会生成沉淀，损坏离子交换膜；此外，杂质的存在会使得到的产品不纯。

③除杂质的过程：

注意：

①除杂质时所加试剂的顺序要求是：

a、Na2CO3必须在BaCl2之后；b、加入盐酸在过滤之后。

　　②试剂加入顺序有多种选择，如：

a、BaCl2、NaOH、Na2CO3、过滤、HCl；b、BaCl2、Na2CO3、NaOH、过滤、HCl；c、NaOH、BaCl2、Na2CO3、过滤、HCl。

（5）以氯碱工业为基础的化工生产及产品的主要用途

【典型例题】

[例1]图1中X、Y分别是直流电源的两极，通电后发现a极板质量增加，b极板处有无色无味的气体放出。

符合这一情况的是（）

 a极板b极板　X电极　　 Z溶液

A.Zn　　C　　　负极　　　CuSO4

B.C　　C　　　负极　　　NaOH

C.Ag　　Fe　　正极　　　AgNO3

D.Cu　　C　　　负极　　　CuCl2

图1

答案：

A

解析：

题中“通电后发现a极板质量增加，b极板处有无色无味的气体放出”是解题的关键和突破口。

“a极板质量增加”一定是金属阳离子在a极板上放电析出，所以a极板一定是阴极，与a极板相连的电源X极为负极，由此排除C选项。

B选项电解NaOH溶液无金属单质析出也被排除。

电解CuCl2溶液时，阴极上析出铜，a极板质量增加，而在阳极上是Cl－放电生成Cl2，与题意不符，D被排除。

电解CuSO4溶液，阴极析出铜，阳极放出氧气，A项符合题意。

[例2]用铂作电极电解一定浓度的下列物质的水溶液，电解结束后，向剩余电解液中加适量水，能使溶液和电解前相同的是（）

A.AgNO3　　　　B.H2SO4　　　　

C.NaOH　　　　D.NaCl

解析：

审题知电极为惰性电极，关键句是“向剩余电解液中加适量水，能使溶液和电解前相同”，那就是要找选项中电解时只消耗了水的。

A.AgNO3溶液电解时，Ag+放电，OH－放电，不是电解水

B.H2SO4溶液电解时H+放电，OH－放电，实质是电解水

C.NaOH溶液电解时H+放电，OH－放电，实质上是电解水

D.NaCl溶液电解时，Cl－放电，H+放电，不是电解水

答案：

BC

[例3]用石墨作电极，电解1mol/L下列物质的溶液，溶液的pH保持不变的是（）

A.HCl　　　　B.NaOH　　　　

C.NaCl　　　　D.Na2SO4

解析：

pH下降即c（H+）增大，引起[H+]增大的情况有以下几种：

①电解不活泼金属的含氧酸盐溶液，OH－放电，H+不放电；②电解含氧酸溶液，H+和OH－均放电，由于电解水，酸的浓度变大。

　　引起pH增大的情况有以下几种：

①电解活泼金属的无氧酸盐及无氧酸的溶液，H+放电，OH－不放电；②电解强碱溶液，H+和OH－均放电，但碱的浓度变化大；③电解CuCl2溶液，可用极限思维去考虑。

由于CuCl2水解，原溶液显酸性，设想CuCl2完全电解，当反应完成后，酸性溶液变成了中性水，故pH变大。

　　电解强碱强含氧酸盐，pH将不变。

答案：

D

[例4]工业上用MnO2和KOH为原料制取高锰酸钾。

主要生产过程分两步进行：

第一步将MnO2和固体KOH粉碎、混匀，在空气中加热至熔化，并连续搅拌，以制取K2MnO4；第二步将K2MnO4的浓溶液进行电解以制取KMnO4。

试回答以下各问：

（1）制取K2MnO4的MnO2是这一氧化还原反应的______剂，“连续搅拌”的作用是______。

（2）电解K2MnO4浓溶液时，两极发生的电极反应式、电解总方程式应怎样书写？

解析：

（1）这是一道信息题，由题意可知由MnO2→K2MnO4其价态从+4升至+6。

显然MnO2是还原剂，而空气中的O2则应是氧化剂．连续搅拌的作用，是在连续搅拌中使O2在KOH存在下与MnO2充分接触以发生氧化还原反应。

（2）电解K2MnO4制取KMnO4，其中Mn从+6升至+7，显然MnO42-应在阳极失电子，而阴极则应H+得电子，因此两极反应为：

　　阴极：

2H++2e－=H2↑

阳极：

2MnO42－－2e－=2MnO4－

答案：

（1）还原剂；在连续搅拌中使O2在KOH存在下与MnO2充分接触以发生氧化还原反应：

2MnO2+O2+4KOH

2K2MnO4+2H2O

（2）2K2MnO4+2H2O

2KMnO4+H2↑+2KOH

阴极：

2H++2e－=H2↑

阳极：

2MnO42－－2e－=2MnO4－

[例5]用石墨作电极电解1L1mol/LCuSO4溶液，当[Cu2+]为0.5mol/L时，停止电解，向剩余溶液中加入下列何种物质可使电解质溶液恢复至原来状况（）

A.CuSO4　　　　 B.CuO

C.

　　　　D.CuSO4·5H2O

解析：

电解过程中的反应为：

　　阳极：

4OH－—4e－=2H2O+O2↑

　　阴极：

2Cu2++4e－=2Cu

　　总反应为：

2CuSO4+2H2O

2H2SO4+2Cu+O2↑

　　由以上反应可知，电解使2molCuSO4和2molH2O变成了2molH2SO4，同时析出铜，放出O2。

溶液中每生成1mol/LH2SO4，即减少1mol/LCuSO4和1mol/LH2O。

由此可知，要使溶液恢复至原来状况，应加入CuO，反应为：

CuO+H2SO4=CuSO4+H2O

加入

，也能与H2SO4反应，生成CuSO4和H2O，但生成的水量较多，溶液不能恢复至原来状态。

也可从溶液里减少了的物质来考虑，这样更简单一些，从溶液中析出的物质是Cu和O2，每放出1molO2，即析出2molCu，Cu与O的物质的量之比为1:

1，所以，加入CuO可使溶液恢复原状。

答案：

B

[例6]某一氯碱工厂，采用隔膜法电解食盐水溶液时，每个电解槽通过10000A的电流，求1个电解槽每天理论上能生产多少千克Cl2，H2和NaOH？

（1mol电子所带的电量为96500C）

解析：

在同一个电解槽中，阳、阴极所通过电子的物质的量是相等的。

每个电解槽每天通过电子的物质的量为：

　　阳极：

2Cl－－2e=Cl2

　　271

　　8953x

　　x=317831（g）=317.8（kg）

　　2NaCl+2H2O

Cl2+H2+2NaOH

　　　　　　　　　712　　80

　　　　　　　　317.8y　z

　　y=8.95（kg）

　　z=358.1（kg）

　　答案：

1个电解槽理论上能生产Cl2为317.8kg，H2为8.95kg，NaOH为358.1kg。

[例7]如图所示，通电5min后，第③极增重2.16g，同时在A池中收集到标准状况下的气体224mL，设A池中原混合液的体积为200mL，求通电前A池中原混合溶液Cu2+的浓度。

解析：

第③极质量增加，说明第③极铜棒上析出金属银，此极为阴极，电源的E极为负极，F极为正极．在A池中，电解液为混合溶液，显然，在阴极Cu2+先放电，但要考虑到Cu2+完全放电后，H+放电的可能。

A、B两池串联，在电解过程中，每个极上电子转移的总数目相等是解答本题的基本依据。

　　在A池中发生的反应为：

　　阳极（②极）：

4OH－－4e－=2H2O+O2↑

　　阴极（①极）：

2Cu2++4e－=2Cu

　　若Cu2+完全放电后还有：

4H++4e－=2H2↑

　　转移电子的物质的量为：

　　2.16÷108=0.02（mol）

　　由电极反应可知，每转移4mol电子，放出1molO2，所以②极上析出O2的体积为：

　　0.02÷4×22.4=0.112（L）＜0.224（L）

　　说明A池收集到的气体中还有H2。

①极上放出H2为：

0.224-0.112=0.112（L），即0.005mol。

　　①极上析出Cu和放出H2共获得0.02mol电子。

　　Cu2+的物质的量为：

（0.02－0.005×2）/2=0.005（mol）

　　[Cu2+]=0.005/0.2=0.025（mol/L）

答案：

通电前A池中原混合溶液Cu2+的浓度为0.025mol/L。

【模拟试题】（答题时间：

50分钟）

1.在铁制品上镀一定厚度的锌层，以下方案设计正确的是（）

A.锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含有锌离子

B.铂作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子

C.铁作阳极，镀件作阴极，溶液中含有亚铁离子

D.锌作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子

2.用铂电极分别电解下列各盐的水溶液，当消耗相同电量时，在阴极上析出的金属质量最大且溶液pH减小的是（）

A.CuCl2　　B.KCl　　　

C.CuSO4　　D.

3.用惰性电极电解饱和食盐水，当电源供给0.2mol电子时，停止通电。

若此溶液体积为2L，则所得电解液的pH是（）

A.1　　B.8　　C.13　　D.14

4.把两片铂片插入200g10％CuSO4溶液中进行电解，当阳极析出0.16g气体时，CuSO4溶液的质量分数（消耗水的量忽略不计）是（）

A.92.37％　　B.9.2％　　　　

C.50％　　　D.25％

5.将两根质量分别为n1g和n2g的银棒分别连接电源的正极和负极，并将银棒插入AgNO3溶液中，通电ts后，阴极银棒质量增至mg。

若电流强度为I，则可推导得阿伏加德罗常数NA为（）

6.用铂作电极电解某种溶液，通电一段时间后，溶液的pH变小，并且在阳极得到0.56L气体，阴极得到1.12L气体（两种气体均在相同条件下测定）。

由此可知溶液可能是（）

A.稀盐酸　　　B.KNO3溶液　　　　

C.CuSO4溶液　　D.稀硫酸

7.因发生电极反应，直接破坏了该电极附近水的电离平衡的是（）

A.电解氯化铜溶液时的阴极

B.铜铁原电池的负极（硫酸溶液为电解质）

C.电解食盐水时的阴极

D.铁片上镀锌时的阴极

8.如图所示各容器中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序是（）

A.④＞②＞①＞③　　B.②＞①＞③＞④

C.④＞②＞③＞①　　D.③＞②＞④＞①

9.如图所示，E池中加入0.1mol/LCuCl2溶液，F池中加入0.1mol/LAgNO3溶液，将四个铂电极串联起来再电解，则a，b，c，d四电极上所产生的物质，其物质的量之比为（）

A.2:

2:

4:

1　　B.1:

1:

2:

1

C.2:

1:

1:

1　　D.2:

2:

2:

1

10.用惰性电极电解100mLAgNO3溶液，当阳极上产生的气体在标准状况下为56mL时（设电解时，阴极无氢气析出，电解液的体积在电解前后基本不变）此时溶液的pH为（）

A.1　　B.13　　C.7　　D.1.6

11.为探索月球上是否有生命痕迹，科学家用氘盐酸（DCl）和重水（D2O）溶液处理月球上某岩石样品，若电解这种氘盐酸，在阳极上放出1.12L气体（标准状况，下同），同时在另一极放出气体的量为（）

A.560mL　　B.1120mL　　　　C.0.1g　　D.0.2g

12.在盛有饱和碳酸钠溶液的烧杯中插入惰性电极，保持温度不变，通电一定时间后（）

A.溶液的pH将增大

B.钠离子数和碳酸根离子数的比变小

C.溶液浓度增大并有晶体析出

D.溶液浓度不变，有晶体析出

13.用指定的阳极和阴极电解一定组成的P溶液，然后加入一定量物质Q，能使溶液回复到原来组成的P溶液的正确组合是下列各组中的（）

14.分析图，按下列要求写出有关的电极反应式或化学方程式

（1）此装置为______池，其中铁为______极。

（2）炭棒上发生的电极反应式为______。

（3）铁棒上发生的电极反应式为______。

（4）溶液中发生反应的化学方程式为______。

15.工业上为了处理

的酸性工业废水，采用以下处理方法：

向工业废水中加入适量NaCl，以Fe为电极进行电解，经一段时间后，有

和

沉淀产生，使工业废水中铬含量低于排放标准。

回答：

（1）两极发生反应的电极反应式为：

阳极______，阴极______。

（2）

变为

的离子方程式为。

（3）工业废水由酸性变为碱性的理由是______。

（4）能否改用石墨作电极进行电解？

为什么？

16.如图，在银圈和铁圈的联接处吊着一个绝缘的细丝，使之平衡，然后小心地从烧杯中央滴入CuSO4溶液。

（1）片刻后可观察到的现象是________

（2）产生上述现象的原因是____________

17.按图的实验装置进行实验，其中a、b、c、d均为惰性电极。

通电后甲池中a极产生气体明显多于b极；一段时间后，测得乙池的pH=12，溶液体积为200mL。

（1）电源A极是______极

（2）b极上电极反应式______________________

　　（3）c极上电极反应式_______________

（4）甲、乙两池的电极上共收集到______mol气体

18.在500gCuSO4溶液中插入两根电极，一根为铁，另一根为含杂质锌均匀的粗铜。

通电一段时间后，切断电源，立即将电极取出，此时铁电极上析出7.04g铜，而电解质溶液变为500.02g。

若铜电极上铜锌的组成比例与通电前相同，求铜电极上含杂质锌的质量分数。

19.称取4.99g胆矾晶体溶于水制成100g溶液，并将所得溶液用惰性电极进行电解。

电解一段时间后，测得阴极增重0.254g。

问此时：

（1）阳极上一共产生了多少体积气体（标准状况）？

（2）留下的电解质溶液中，硫酸铜的质量分数是多少？

【试题答案】

1.A　　2.C　　3.C　　4.B　　5.D　　6.D　　

7.C　　8.A

9.A　　10.A　 11.BD　12.D　13.BD

14.

（1）原电池；负

（2）2H2O+O2+4e=4OH－

　　（3）Fe－2e=Fe2+

（4）Fe2++2OH－=

↓，4

+O2+2H2O=4

15.

（1）Fe－2e=Fe2+，2H++2e=H2↑

（2）

　　（3）H+不断放电破坏水的电离平衡，使[H+]＜[OH－]

　　（4）不能，石墨电极电解时阳极产生Cl2，不能得到Fe2+，不能使

还原到

。

16.

（1）银圈表面析出红色固体，银圈向下倾斜。

（2）加入CuSO4后，形成原电池，Fe溶解，铁圈减轻，Cu2+在银圈上得电子，沉积在银圈表面，使银圈质量增重。

17.

（1）负

（2）4O