高中化学 第四章 电化学基础 第三节 电解池第1课时电解原理学案 新人教版选修4.docx
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高中化学第四章电化学基础第三节电解池第1课时电解原理学案新人教版选修4
第1课时 电解原理
[目标导航] 1.了解电解、电解池的概念,会描述电解池的工作原理。
2.能正确书写电解池的电极反应式和总反应方程式。
3.理解并掌握电解规律和电解产物的判断方法。
一、电解CuCl2溶液的实验探究
1.实验操作
如图所示,在U形管中注入CuCl2溶液,插入两根石墨棒电极,把湿润的KI淀粉试纸放在与直流电源正极相连的电极(阳极)附近。
接通直流电源。
2.实验现象
阴极石墨棒上逐渐覆盖一层红色物质,阳极石墨棒上有气泡逸出,并可闻到刺激性的气味,同时看到湿润的KI淀粉试纸变蓝色。
3.原理分析
CuCl2是强电解质且易溶于水,H2O是弱电解质,微弱电离生成H+和OH-,因此溶液中存在Cu2+、H+、Cl-和OH-等4种离子。
通电前,离子做自由移动;通电后,Cl-和OH-向阳极移动,Cu2+和H+向阴极移动。
在阳极,OH-、Cl-均可能被氧化,由于Cl-的放电能力比OH-强,Cl-优先于OH-在阳极上发生反应;在阴极,Cu2+和H+都可能被还原,但Cu2+的放电能力比H+强,Cu2+优先于H+在阴极上发生反应。
电极反应为
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑(氧化反应);
阴极:
Cu2++2e-===Cu(还原反应)。
电解反应:
CuCl2
Cu+Cl2↑。
4.实验结论
在直流电的作用下,电能转化为化学能,CuCl2被电解为Cu和Cl2(Cu在阴极生成,Cl2在阳极生成)。
二、电解原理
1.电解
让直流电通过电解质溶液(或熔融的电解质),而在两电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程叫电解。
2.电解池
(1)定义:
将电能转化为化学能的装置。
(2)组成:
与直流电源相连的两个固体电极;电解质溶液或熔融的电解质;形成闭合回路。
(3)电极名称与电极反应:
阳极:
与电源正极相连,溶液中阴离子移向此极,失去电子,发生氧化反应。
阴极:
与电源负极相连,溶液中阳离子移向此极,得到电子,发生还原反应。
(4)电子流向
电源负极→导线→电解池的阴极;电解池的阳极→导线→电源的正极。
(5)电解方程式:
如电解熔融NaCl:
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
【合作探究】
1.电解时电子通过电解质溶液吗?
答案 电解质溶液通电电解时,在外电路中有电子通过,而溶液中是依靠离子定向移动,形成了电流。
2.电解质溶液导电时,一定会有化学反应发生吗?
答案 一定有化学反应发生,因为在电解池的两极发生了氧化还原反应,有电子转移,生成了新物质,所以一定有化学反应发生。
3.电解过程中放H2生碱型和放O2生酸型的实质是什么?
在放H2生碱型的电解中,若滴入酚酞试液,哪一极附近溶液变红?
答案 放H2生碱型实质是水电离出的H+在阴极上放电,破坏了阴极附近水的电离平衡,使OH-浓度增大,若滴入酚酞试液,阴极附近溶液变红;放O2生酸型的实质是水电离出的OH-在阳极上放电,破坏了阳极附近水的电离平衡,使H+浓度增大。
4.要使电解后的CuSO4溶液复原,加入Cu(OH)2固体可以吗?
答案 应具体情况具体分析,若通电一段时间,CuSO4未电解完(即Cu2+未全部放电),使溶液复原应加入CuO,而加入Cu(OH)2会使溶液的浓度减小;若Cu2+全部放电,又继续通电一段时间(此时电解水),要使溶液复原应加入Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3,若只加入CuO,此时浓度偏大。
【练一练】
判断正误(正确打“√”,错误打“×”)
(1)电解是把化学能转化为电能(×)
(2)电解质溶液导电一定发生化学反应(√)
(3)某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现(√)
(4)任何溶液被电解时,必须导致氧化还原反应的发生(√)
(5)电解、电离均需要通电才能实现(×)
(6)电解质溶液的导电过程就是该溶液的电解过程(√)
一、电解原理及电解时两电极产物的判断
1.阳极产物的判断
(1)活性金属电极(金属活动性顺序表中排在Ag之前),电极金属失电子,生成对应的金属阳离子,阴离子不放电。
(2)惰性电极(Au、Pt、石墨),溶液中的阴离子失电子,生成对应的非金属单质或高价化合物。
阴离子放电顺序:
S2->I->Br->Cl->OH->高价态含氧酸根>F-。
2.阴极产物的判断
(1)与电极材料无关,直接根据阳离子放电顺序进行判断,溶液中的阳离子得电子生成对应的单质或低价化合物。
(2)阳离子的放电顺序:
Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Ni2+>Fe2+>Zn2+>Mn2+>较活泼金属阳离子(注意Fe3+的顺序)。
【例1】 如图是电解CuCl2溶液的装置,其中c、d为石墨电极,则下列有关判断正确的是( )
A.a为负极,b为正极
B.a为阳极,b为阴极
C.电解过程中,d电极质量增加
D.电解过程中,氯离子浓度不变
解析 电流从电源的正极流出,故a为正极,b为负极;c为阳极,d为阴极。
电解时,因Cu2+移向阴极d,在阴极放电析出Cu,故d电极质量增加;Cl-移向阳极c,在阳极放电逸出Cl2,导致溶液中Cl-浓度降低。
答案 C
【反思感悟】 电解池阴极和阳极的判断依据
(1)电源的正极、负极、离子移动方向、发生反应的类型。
(2)电极质量变化:
质量减轻为阳极,质量增加为阴极。
(3)电极产物:
有Cl2或O2析出的电极为阳极,有H2产生的电极为阴极。
(4)溶液变化:
电解某中性溶液时,附近溶液能使酚酞呈红色的电极为阴极。
变式训练1 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 处理有关电解问题首先应注意电极材料,在此基础上写出电极反应和总的电解反应式,根据总的电解反应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,总的电极反应式为4AgNO3+2H2O
4Ag+O2↑+4HNO3。
可知:
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,可以使溶液恢复电解前的状况,C正确。
二、惰性电极电解电解质溶液的规律
类型
实例
电解质特点
电极反应特点
电解质浓度
pH值
电解质溶液复原方法
阴极
阳极
电解水型
NaOH
可溶性强碱
4H++4e-===2H2
4OH--4e-===2H2O+O2
增大
增大
加水
H2SO4
含氧酸
增大
减小
加水
Na2SO4
活泼金属含氧酸盐
增大
不变
加水
电解电解质型
HCl
无氧酸
2H++2e-===H2
2Cl--2e-===Cl2
减小
增大
通氯化氢
CuCl2
不活泼金属无氧酸盐
Cu2++2e-===Cu
减小
增大
加氯化铜
放H2生碱型
NaCl
活泼金属无氧酸盐
2H++2e-===H2
生成新电解质
增大
通氯化氢
放O2生酸型
CuSO4
不活泼金属含氧酸盐
Cu2++2e-===Cu
4OH--4e-===2H2O+O2
生成新电解质
减小
加氧化铜
【关键提醒】 惰性电极电解电解质溶液后要恢复原电解质溶液的浓度,需加适量的某物质时,遵循“少什么加什么,少多少加多少”的原则,所加物质可以是阴极与阳极产物的化合物。
【例2】 下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.逸出气体的体积,a电极的小于b电极的
B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气味气体
C.a电极附近呈红色,b电极附近呈蓝色
D.a电极附近呈蓝色,b电极附近呈红色
解析 电解Na2SO4溶液时,a为阴极:
4H++4e-===2H2↑,b为阳极:
4OH--4e-===
O2↑+2H2O;a极周围由于H+放电溶液呈碱性,石蕊显蓝色,b极周围由于OH-放电溶液呈酸性,石蕊显红色。
答案 D
【反思感悟】 判断电解后溶液酸、碱生成的方法
(1)若电解产物只有H2,而无O2,则阴极生成碱。
(2)若电解产物只有O2,而无H2,则阳极生成酸。
(3)若电解产物既有O2,又有H2,且二者物质的量之比为1∶2,则实质是电解水,阳极生成酸,阴极生成碱,最终溶液中无酸和碱生成。
变式训练2 下图中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极板处有无色无味气体放出。
符合这一情况的是下表中的( )
选项
a电极
b电极
X电极
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
答案 A
解析 由a极板质量增加,知溶液中阳离子在a极板析出,则a为阴极,X为负极;因B中a极板不析出金属,C中X为正极,故B、C错;又由b极板有无色无味气体放出,知D错。
三、电解池中电极反应式的书写
【例3】 根据以下装置图书写电极反应式和总反应离子方程式。
答案
(1)阴极:
4Ag++4e-===4Ag
阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑
总反应:
4Ag++2H2O
4Ag+4H++O2↑
(2)阳极:
Fe-2e-+2OH-===Fe(OH)2
阴极:
2H++2e-===H2↑
总反应:
Fe+2H2O
Fe(OH)2+H2↑
(3)阳极:
Cu-2e-===Cu2+
阴极:
2H++2e-===H2↑
总反应:
Cu+2H+
Cu2++H2↑
【归纳总结】
1.做到“三看”,正确书写电极反应式
(1)一看电极材料,若是金属(Au、Pt除外)作阳极,金属一定被电解(注:
Fe生成Fe2+而不是生成Fe3+)。
(2)二看介质,介质是否参与电极反应。
(3)三看电解质状态,若是熔融状态,就是金属的电冶炼。
2.规避“三个”失分点
(1)书写电解池中电极反应式时,一般以实际放电的离子表示,但书写总电解反应方程式时,弱电解质要写成分子式。
(2)要确保两极电子转移数目相同,且应注明条件“电解”。
(3)电解水溶液时,应注意放电顺序中H+、OH-之后的离子一般不参与放电。
变式训练3 根据下列装置图,回答问题。
(1)若A、B均为惰性电极,电解质溶液为MgCl2溶液。
阳极:
________________;
阴极:
________________;
总反应式:
________________。
(2)若A为Cu,B为碳棒,电解质溶液为CuSO4溶液。
阳极:
________________;
阴极:
________________。
(3)若A为碳棒,B为铁,电解质为熔融NaCl。
阳极:
________________;
阴极:
________________;
总反应式________________________。
答案
(1)2Cl--2e-===Cl2↑
2H++2e-===H2↑
Mg2++2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+Mg(OH)2↓
(2)Cu-2e-===Cu2+ Cu2++2e-===Cu
(3)2Cl--2e-===Cl2↑ 2Na++2e-===2Na
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
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.NaNO3B.NaOHC.Na2SO4D.NaCl
答案 D
3.
如图所示,铁片、铜片和CuSO4溶液可以构成原电池或电解池,下列说法正确的是( )
A.构成原电池时,Cu极反应式为Cu-2e-===Cu2+
B.构成电解池时,Cu极质量可能减少也可能增加
C.构成电解池时,Fe极质量一定减少
D.构成的原电池或电解池在工作时的反应原理一定不同
答案 B
解析 用导线将两极直接相连构成原电池,此时发生的反应为Fe+Cu2+===Fe2++Cu,Fe极作负极,发生的电极反应为Fe-2e-===Fe2+,Cu极作正极,发生的电极反应为Cu2++
2e-===Cu,A项错误。
若接通直流电源构成电解池,有两种情况:
(1)铁与电源负极相连作阴极,阴极发生还原反应:
Cu2++2e-===Cu,铜与电源正极相连作阳极,阳极发生氧化反应:
Cu-2e-===Cu2+;
(2)铜与电源负极相连作阴极,阴极发生还原反应:
Cu2++2e-===Cu,铁与电源正极相连作阳极,阳极发生氧化反应:
Fe-2e-===Fe2+,此时的电解总反应为Fe+Cu2+
Fe2++Cu,反应的原理和构成原电池时一样。
综上分析,B项正确,C、D项错误。
4.用石墨作电极电解CuCl2和KCl的混合溶液,电解初期阴极和阳极析出的物质分别是( )
A.H2、Cl2B.Cu、Cl2C.H2、O2D.Cu、O2
答案 B
解析 本题考查离子放电顺序,溶液中的离子有Cu2+、K+、H+及Cl-、OH-五种离子,得电子能力:
Cu2+>H+>K+,失电子能力:
Cl->OH-,所以电解初期:
阴极:
Cu2++2e-===Cu,阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑,故选B。
5.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
6.用惰性电极电解下列溶液一段时间后(溶质仍有剩余)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
[基础过关]
一、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.若某装置发生如下反应:
Cu+2H+===Cu2++H2↑,关于该装置的有关说法正确的是( )
A.该装置一定为原电池
B.该装置为电解池
C.若为原电池,Cu为正极
D.电解质溶液可能是硝酸溶液
答案 B
解析 已知反应为非自发的氧化还原反应,故该装置应为电解池,而非原电池,但电解质不能为HNO3,否则得电子的为NO
,而不是H+得电子放出H2。
3.如图所示,将锌棒和铜棒插入稀硫酸中。
下列说法正确的是( )
A.甲装置中锌棒作负极发生氧化反应,乙装置中锌棒作阴极发生还原反应
B.甲装置中电子由锌棒经导线流向铜棒
C.乙装置中电解质溶液中的氢离子流向锌棒
D.甲、乙两个装置的反应原理不同
答案 B
解析 本题的易错之处是混淆原电池、电解池的电极名称及电极反应的类型。
甲装置是原电池,锌棒作负极失去电子被氧化,乙装置是电解池,锌棒与电源的正极相连,作阳极发生氧化反应,A项错误。
甲装置中锌棒作负极失去电子,电子经过导线流向铜棒,B项正确。
乙装置中电解质溶液中的氢离子向阴极铜棒移动,C项错误。
甲、乙两装置中对应的氧化还原反应均为Zn+2H+===Zn2++H2↑,反应原理相同,D项错误。
二、电极反应式、电解方程式的书写
4.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,碳棒为正极,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;丁中放电顺序:
I->Cl-,开始产生I2,D错。
5.下面列出了电解不同物质的电极反应式,其中错误的是( )
A.电解饱和食盐水,阴极:
Na++e-===Na
B.电解CuSO4溶液,阴极:
Cu2++2e-===Cu
C.电解熔融NaCl,阴极:
Na++e-===Na
D.电解NaOH溶液,阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑
答案 A
解析 本题考查了电极反应式的书写和电极产物的判断。
A中电解饱和食盐水时,阴极应是H2O电离出的H+得电子放出H2。
6.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 由n(CuSO4)∶n(NaCl)=1∶3得n(Cu2+)∶n(Cl-)=1∶3,根据放电顺序,阴离子:
Cl->OH->SO
,阳离子:
Cu2+>H+>Na+,知该电解过程分为3个阶段,
第一阶段:
电解CuCl2溶液:
Cu2++2Cl-
Cu+Cl2↑;
第二阶段:
电解NaCl溶液:
阴极:
2H++2e-===H2↑,阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑,两式相加得到总反应式2Cl-+2H+
H2↑+Cl2↑,忽略了H+来自于水,书写总反应式时不能将两式简单相加,而应将H+改写成H2O而生成OH-,即2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑;
第三阶段:
电解H2O:
2H2O
2H2↑+O2↑。
三、酸、碱、盐溶液的电解规律
7.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↑,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。
8.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.①②③B.①②③④
C.①②③④⑤D.全部
答案 C
解析 用惰性电极电解时两极只有H2和O2,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。
9.Cu2O是一种半导体材料,基于绿色化学理论设计的制取Cu2O的电解池示意图如图,电解总反应为2Cu+H2O
Cu2O+H2↑。
下列说法正确的是( )
A.石墨电极上产生氢气
B.铜电极发生还原反应
C.铜电极接直流电源的负极
D.当有0.1mol电子转移时,有0.1molCu2O生成
答案 A
解析 由电解总反应式可知,Cu参加了反应,所以Cu作电解池的阳极,发生氧化反应,B选项错误;石墨作阴极,电极反应为2H++2e-===H2↑,A选项正确;阳极与电源的正极相连,C选项错误;阳极反应为2Cu+2OH--2e-===Cu2O+H2O,当有0.1mol电子转移时,有0.05molCu2O生成,D选项错误。
10.
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是正极,Y是负极
B.X是负极,Y是正极
C.CuSO4溶液的pH逐渐增大
D.CuSO4溶液的pH不变
答案 A
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正确、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、D错误。
[能力提升]
11.根据电解规律,填空:
(1)用惰性电极电解氯化钾溶液。
①阴极反应式是________________,阳极反应式是________________。
②电解的化学方程式是___________________________________________________________
______________________________________________________________________________。
③电解后溶液的pH变化是________;欲使电解后的溶液复原,需加入的物质是____________。
(2)在硫酸铜溶液中,插入两个电极进行电解。
①若两极均为Pt电极,则阳极反应式是________________________,阴极反应式是_______________________________________________________________________________________,
电解的化学方程式是_____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②若两极均为铜片,则阳极反应式是________________________,阴极反应式是________________________,电解过程中溶液的浓度变化是________。
③若阳极为锌片,阴极为铜片,则阳极反应式是________________,电解过程中两极的变化是________________________________________________________________________
__________________________________________
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- 高中化学 第四章 电化学基础 第三节 电解池第1课时电解原理学案 新人教版选修4 第四 电化学 基础 三节 电解池 课时 电解 原理 新人 选修